新一代人工智能技術(shù)引領下加快發(fā)展智能制造技術(shù)、產(chǎn)業(yè)與應用

李伯虎，柴旭東，張霖，侯寶存，劉陽

（1. 中國航天科工集團有限公司，北京 100048；2. 北京航空航天大學，北京 100191）

一、前言

近年來，我國經(jīng)濟已經(jīng)快速進入高質(zhì)量的發(fā)展階段，隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、5G等技術(shù)的加速發(fā)展，大數(shù)據(jù)智能、人機混合智能、群體智能、跨媒體推理、自主智能[1]等新一代人工智能技術(shù)的不斷突破，制造技術(shù)與新一代智能科學技術(shù)及新信息通信技術(shù)的深度融合，正在引發(fā)制造業(yè)從發(fā)展理念到制造模式、手段和業(yè)態(tài)等方方面面重大而深刻的變革，推動國民經(jīng)濟、國計民生和國家安全等各領域創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享發(fā)展。

重大變革的信息新環(huán)境（如泛在網(wǎng)絡、大數(shù)據(jù)涌現(xiàn)等）、新技術(shù)（如高性能計算能力大幅提升、人工智能模型與算法的突破等）和人類社會發(fā)展的新目標（如智能國民經(jīng)濟、智能國計民生、智能國防等）正催生智能制造技術(shù)與應用正在加速進入一個全新的“新互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+人工智能+”的時代。面對經(jīng)濟發(fā)展的強烈需求，發(fā)展“新互聯(lián)網(wǎng)+新智能制造資源/能力/產(chǎn)品”的人/機/物/環(huán)境/信息新型智能互聯(lián)制造系統(tǒng)，成為推進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要路徑。

二、新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造的內(nèi)涵

從技術(shù)手段、特征、實施內(nèi)容、模式、業(yè)態(tài)、目標等方面對新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造的內(nèi)涵做如下解讀[2,3]。

（1）技術(shù)手段：基于泛在網(wǎng)，借助新興的制造科學技術(shù)、信息科學技術(shù)、智能科學技術(shù)及制造應用領域的技術(shù)等深度融合的數(shù)字化、網(wǎng)絡化（互聯(lián)化） 、智能化技術(shù)工具，構(gòu)成以用戶為中心，統(tǒng)一經(jīng)營的智慧制造資源、產(chǎn)品與能力的服務云（互聯(lián)服務系統(tǒng)），使用戶通過智慧終端及智慧云制造服務平臺便能隨時隨地按需獲取智慧制造資源、產(chǎn)品與能力服務，進而優(yōu)質(zhì)地完成制造全生命周期的活動。

（2）特征：對制造全系統(tǒng)、全生命周期活動（產(chǎn)業(yè)鏈）中的人、機、物、環(huán)境、信息進行自主智能地感知、互聯(lián)、協(xié)同、學習、分析、認知、決策、控制與執(zhí)行。

（3）實施內(nèi)容：促使制造全系統(tǒng)及全生命周期活動中的人、技術(shù)/設備、管理、數(shù)據(jù)、材料、資金（六要素）及人流、技術(shù)流、管理流、數(shù)據(jù)流、物流、資金流（六流）集成優(yōu)化。

（4）模式：以用戶為中心，人/機/物/環(huán)境/信息融合，互聯(lián)化（協(xié)同化）、服務化、個性化（定制化）、柔性化、社會化、智能化的智慧制造新模式。

（5）業(yè)態(tài)：泛在互聯(lián)、數(shù)據(jù)驅(qū)動、共享服務、跨界融合、自主智慧、萬眾創(chuàng)新。

（6）目標：實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)省、綠色、柔性地制造產(chǎn)品和服務用戶，提高企業(yè)（或集團）的市場競爭能力。

三、新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的體系架構(gòu)

新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)就是按新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造內(nèi)涵構(gòu)建的智能制造系統(tǒng)。新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的體系架構(gòu)[2,4]主要包括新智能資源/能力/產(chǎn)品層、新智能感知/接入/通信層、新智能制造云服務平臺層、新智能制造云服務應用層、新人/組織層等五個層次，如圖1所示。

四、新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的技術(shù)體系

新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的技術(shù)體系主要包括涵蓋新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造的總體技術(shù)、平臺技術(shù)，以及制造生命周期活動的智能化技術(shù)[2,3]，如圖2所示。

五、新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)雛形初探

作者所在的團隊，依托中國航天科工集團在制造業(yè)的雄厚實力和在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的先行先試經(jīng)驗，基于新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)內(nèi)涵、體系架構(gòu)與技術(shù)體系，研發(fā)成功世界首批、中國首個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)——航天云網(wǎng)[5,6]，它是根據(jù)中國國情以及信息化時代工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展大趨勢，所設計的中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。面向我國工業(yè)發(fā)展基礎薄弱，工業(yè)發(fā)展面臨1.0/2.0/3.0并存的局面，航天云網(wǎng)正在實踐“并聯(lián)式”發(fā)展，并行推進數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化制造，來全面促進制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。本文側(cè)重介紹航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)、基于航天云網(wǎng)的平臺開發(fā)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)，以及大數(shù)據(jù)智能技術(shù)方面的應用案例及其成效。

圖1 新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的體系架構(gòu)

圖2 新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的技術(shù)體系

（一）航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)

航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)，如圖3所示。

（二）基于大數(shù)據(jù)智能技術(shù)的應用案例

1. 航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)

基于航天云網(wǎng)平臺應用大數(shù)據(jù)智能技術(shù)，構(gòu)建了工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)圖，如圖4所示。

圖3 航天云網(wǎng)的體系架構(gòu)

圖4 航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)

2. 航天云網(wǎng)的大數(shù)據(jù)智能關鍵技術(shù)

圍繞航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)的需求，重點研究大數(shù)據(jù)獲取、存儲、管理、分析、應用技術(shù)以及確保大數(shù)據(jù)標準、質(zhì)量和安全等關鍵技術(shù)。

通過開展大數(shù)據(jù)集成與清洗技術(shù)研究，基于數(shù)據(jù)倉庫（ETL）技術(shù)對設備運行的冗余和臟數(shù)據(jù)進行清洗和轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)有效接入。研究基于時序數(shù)據(jù)庫和列式數(shù)據(jù)庫的設備運行數(shù)據(jù)存儲，基于分布式數(shù)據(jù)庫的設備歷史數(shù)據(jù)存儲，基于文檔數(shù)據(jù)庫的企業(yè)管理數(shù)據(jù)存儲，對數(shù)據(jù)質(zhì)量進行治理和監(jiān)控，實現(xiàn)企業(yè)海量數(shù)據(jù)的存儲和管理。研究基于Hadoop的設備綜合效率（OEE）、預防性維修等離線分析和挖掘，基于Storm的設備運行工況、故障診斷等實時數(shù)據(jù)處理。研究基于數(shù)據(jù)可視化建模和商業(yè)智能（BI）技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)可視化建模。研究大數(shù)據(jù)安全技術(shù)，研究大數(shù)據(jù)的加密存儲、數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)訪問權(quán)限的認證等。應用以上大數(shù)據(jù)智能技術(shù)，實現(xiàn)企業(yè)信息化數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備以及跨界數(shù)據(jù)的智能化應用，優(yōu)化現(xiàn)有業(yè)務，促進企業(yè)轉(zhuǎn)型升級，提升企業(yè)的市場競爭力。

3. 基于大數(shù)據(jù)智能技術(shù)的智能制造應用案例

目前，航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)在基于大數(shù)據(jù)的研發(fā)、基于大數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、基于大數(shù)據(jù)的運維檢測，以及智能制造云大數(shù)據(jù)綜合平臺等方面取得一定的成效。例如，在航天電纜數(shù)據(jù)化設計過程中，基于航天產(chǎn)品機上電纜設計的經(jīng)驗大數(shù)據(jù)和綜合飛行性能數(shù)據(jù)，建立航天電纜設計工具E3，實現(xiàn)機上電纜數(shù)字化設計生產(chǎn)一體化，節(jié)約六成以上的研制時間并有效改善產(chǎn)品性能。基于航天云網(wǎng)的工業(yè)大數(shù)據(jù)/人工智能子系統(tǒng)實現(xiàn)航天制造云排產(chǎn)，針對航天產(chǎn)品的多單位大協(xié)同需求，通過云生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)（MES）對多個企業(yè)生產(chǎn)加工中心數(shù)據(jù)進行采集與監(jiān)控，基于云排產(chǎn)算法實現(xiàn)異地跨企業(yè)生產(chǎn)資源的協(xié)同排產(chǎn)與優(yōu)化調(diào)度。

六、新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)發(fā)展方面的建議

通過對新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的研究和初步實踐，我們認為新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)是加快發(fā)展智能制造的一種新技術(shù)路線，從模式、手段、業(yè)態(tài)上體現(xiàn)了“新互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)+人工智能+”時代特征。

在創(chuàng)新驅(qū)動和工業(yè)化與信息化深度融合的步調(diào)下，堅持技術(shù)、應用、產(chǎn)業(yè)的一體化協(xié)調(diào)發(fā)展，推動新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)進發(fā)展。同時，在中國開放的市場和創(chuàng)新體制下，兼容各國、各行業(yè)、各企業(yè)的特色，共同推進新一代人工智能技術(shù)引領下的智能制造系統(tǒng)的發(fā)展與實施。