從智能制造試點(diǎn)開始

文/洪海波 劉普林 周鵬飛

機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要內(nèi)容和發(fā)展方向，有助于提升標(biāo)準(zhǔn)化工作的效率，縮短標(biāo)準(zhǔn)的制修訂周期，提升標(biāo)準(zhǔn)使用的便利性和維護(hù)效率。機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)在智能制造領(lǐng)域的應(yīng)用通過將標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行語義化描述和定義，實(shí)現(xiàn)跨領(lǐng)域、跨地域、跨系統(tǒng)的生產(chǎn)裝備、產(chǎn)品和工廠間的信息交換和共享。因而智能制造行業(yè)是“機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)”的重點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域之一。

基于上海智能制造行業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，上海市在智能制造領(lǐng)域開展機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)的試點(diǎn)和探索。

上海航天精密機(jī)械研究所是上海智能制造行業(yè)的優(yōu)秀代表，具有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。目前，研究所在數(shù)字化轉(zhuǎn)型方面，已在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)和智能控制等方面進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品全過程標(biāo)識(shí)及數(shù)據(jù)管理技術(shù)、基于數(shù)據(jù)包的產(chǎn)品質(zhì)量快速追溯技術(shù)，并初步掌握了故障知識(shí)圖譜構(gòu)建、設(shè)備故障檢測(cè)與分析、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建等先進(jìn)技術(shù)。其中，基于數(shù)據(jù)應(yīng)用建立的金屬構(gòu)件特種加工質(zhì)量智能檢測(cè)、數(shù)字射線檢測(cè)等系統(tǒng)已投入使用，并將實(shí)踐成果應(yīng)用到其他企業(yè)和最新打造的具有航天特色的離散協(xié)同制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，已經(jīng)具備向其他領(lǐng)域復(fù)制推廣的可操作性。

機(jī)器可讀的優(yōu)勢(shì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)要遵循多項(xiàng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)師需要參考各類設(shè)計(jì)手冊(cè)，如對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件的選型需要進(jìn)行校核計(jì)算，然后根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)去確定各標(biāo)準(zhǔn)件的校核結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)的要求。目前，部分機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)電子化，但僅用于查詢。

將來如果建立機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)的機(jī)器可讀格式，一方面，只需將各標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)參數(shù)輸入系統(tǒng)中，系統(tǒng)根據(jù)手冊(cè)中提供的校核公式將直接匹配得到在特定工況下滿足設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)件型號(hào)，不再需要人工去完成選型、校核計(jì)算等這類重復(fù)煩瑣的工作；另一方面，融入了機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以按照標(biāo)準(zhǔn)要求自動(dòng)校驗(yàn)設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)方案，對(duì)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的進(jìn)行修改提示。

同樣地，產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)依賴于制造工藝，工藝方法和參數(shù)的設(shè)計(jì)需要標(biāo)準(zhǔn)來指導(dǎo)，如焊接電流、電壓等參數(shù)與焊接的材料、厚度、坡口類型等密切相關(guān)，將工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)融入系統(tǒng)，可直接指導(dǎo)設(shè)計(jì)或者檢驗(yàn)工藝設(shè)計(jì)的合理性。

隨著制造設(shè)備自動(dòng)化、智能化水平的不斷提高，產(chǎn)品制造的質(zhì)量和效率也會(huì)不斷提升。目前，企業(yè)的信息系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的雙向數(shù)據(jù)鏈路已基本打通，將工藝參數(shù)直接下發(fā)到設(shè)備里成為現(xiàn)實(shí)。機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)成為實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化升級(jí)的重要基礎(chǔ)。一方面，將設(shè)備、產(chǎn)品、工藝等標(biāo)準(zhǔn)融入智能化系統(tǒng)，機(jī)器可根據(jù)實(shí)際工況選擇符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行參數(shù)，大大降低人為操作的強(qiáng)度。另一方面，產(chǎn)品制造方面的機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)可以成為自動(dòng)化設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控的基礎(chǔ)，如產(chǎn)品的熱處理過程通常需要精確控制環(huán)境的溫度和濕度變化，通過機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)可自動(dòng)判斷機(jī)器是否在符合標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)下運(yùn)行，對(duì)于不符合標(biāo)準(zhǔn)的熱處理過程進(jìn)行干預(yù)，可減少產(chǎn)品的質(zhì)量問題。

產(chǎn)品檢驗(yàn)通常是智能制造中的瓶頸環(huán)節(jié)，需要投入大量的檢驗(yàn)人員，反復(fù)將檢驗(yàn)結(jié)果與質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，從而保證產(chǎn)品的質(zhì)量，因此產(chǎn)品檢驗(yàn)是機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)的重要應(yīng)用場(chǎng)景。將機(jī)器可讀的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)作為產(chǎn)品智能檢驗(yàn)系統(tǒng)的核心，機(jī)器可以自動(dòng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)檢驗(yàn)結(jié)果，判別產(chǎn)品是否合格，從而大大減輕人員工作量。

例如，上海航天精密機(jī)械研究所目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于人工智能的運(yùn)載火箭貯箱焊縫智能識(shí)別，系統(tǒng)可對(duì)無損檢測(cè)拍攝的數(shù)字相片進(jìn)行處理，智能識(shí)別、分類和定位存在的缺陷，但對(duì)于缺陷是否符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，目前還需要人工來判讀。因此，上海航天精密機(jī)械研究所正在開展無損檢測(cè)的機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)研究，通過解析和遍歷算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)《無損檢測(cè)X射線數(shù)字成像檢測(cè)系統(tǒng)特性》（GB/T 35394-2017）、《鋁及鋁合金熔焊技術(shù)要求》（QJ 2689A-2011）等標(biāo)準(zhǔn)全文關(guān)鍵字段的檢索，通過語義解析算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部關(guān)鍵信息和邏輯的抽取，形成知識(shí)圖譜，從而為基于電子標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果判斷提供支撐。

未來研究路徑設(shè)想

未來，工廠必然是物理世界和數(shù)字世界相融合的“數(shù)字孿生”工廠，虛實(shí)兩個(gè)世界通過分布式制造系統(tǒng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)感知、分析預(yù)測(cè)和控制優(yōu)化。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，首先就要求包括標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期分布式數(shù)據(jù)具有完整性和一致性，標(biāo)準(zhǔn)的語義化描述和數(shù)據(jù)字典就成為機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。因此，采用自上而下和自下而上相結(jié)合的方式是必然要求。一方面通過頂層設(shè)計(jì)構(gòu)筑機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)框架；另一方面由具體的領(lǐng)域?qū)I(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為本體，通過知識(shí)融合的方法建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的語義網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)字典，解決因不同用戶、不同企業(yè)、不同行業(yè)間單獨(dú)分類和描述而造成的“信息孤島”問題，提高數(shù)據(jù)的一致性和互操作性。

機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)只有集成到工廠信息系統(tǒng)里才能真正發(fā)揮其自主控制和決策的能力，這就需要建立數(shù)字工廠模型。數(shù)字工廠模型是由一個(gè)個(gè)設(shè)備信息模型，通過靜態(tài)和動(dòng)態(tài)連接技術(shù)，將分布式數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)形成的系統(tǒng)。其中，設(shè)備信息模型是通過語義化描述對(duì)設(shè)備的典型特征、屬性和功能進(jìn)行定義和封裝的方法。建立融合機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字工廠模型就變成了一個(gè)復(fù)雜的決策和控制系統(tǒng)，由生產(chǎn)設(shè)備和產(chǎn)品本身所產(chǎn)生的實(shí)時(shí)生產(chǎn)和質(zhì)量數(shù)據(jù)源源不斷地輸入系統(tǒng)中，通過機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析、判別和決策，最終形成一種新的智能控制模式。

有了數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ)，“數(shù)字孿生”工廠中的物理對(duì)象和數(shù)字空間就能夠雙向映射、動(dòng)態(tài)交互和實(shí)時(shí)連接，并能根據(jù)生產(chǎn)需求快速集成、添加和替換數(shù)字模型，能夠以最低的成本，快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品、裝備、工藝的迭代升級(jí)?；跈C(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)，“數(shù)字孿生”工廠可以對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、產(chǎn)品銷售之間的“鴻溝”，降低從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到產(chǎn)品銷售之間的不確定性，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)間，全面提升產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。

結(jié) 語

把物理世界的目標(biāo)轉(zhuǎn)變成數(shù)字世界的結(jié)構(gòu)性文字描述，讓機(jī)器可以直接閱讀并執(zhí)行，這將成為未來智能制造、數(shù)據(jù)傳輸乃至更多行業(yè)的發(fā)展方向。機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化的核心內(nèi)容和關(guān)鍵點(diǎn)，也是目前世界各國數(shù)字化研究的重點(diǎn)方向，將在提高經(jīng)濟(jì)增長質(zhì)量、推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展方面起到重要作用。