將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于精益制造

編者按

人工智能 (AI) 被廣泛認(rèn)為是工業(yè) 4.0 的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容，人工智能將使人、機(jī)器和信息技術(shù)之間的聯(lián)系更加緊密，使制造商能夠更好地優(yōu)化流程和預(yù)測(cè)問(wèn)題。本文介紹了中小制造商如何通過(guò)四種類型的機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。原載于2019年3月的NIST制造業(yè)創(chuàng)新博客。作者道格德·弗羅（Doug Devereaux）是MEP公司的高級(jí)工業(yè)專家, 曾在美國(guó)聯(lián)邦和州商務(wù)部門工作了 25 年, 專注于傳播可用于幫助制造商開(kāi)發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品或擴(kuò)大市場(chǎng)的戰(zhàn)略，并就實(shí)驗(yàn)室技術(shù)轉(zhuǎn)讓、企業(yè)孵化器實(shí)踐、亞洲科學(xué)和工程趨勢(shì)以及天使資本投資的社區(qū)方法等主題，發(fā)表過(guò)多篇文章。

人工智能(AI)被廣泛認(rèn)為是工業(yè)4.0的一個(gè)重要方面。盡管目前還沒(méi)有人確切知道人工智能將如何融入工業(yè)革命的下一階段，但大多數(shù)人認(rèn)為，人工智能將使人、機(jī)器和信息技術(shù)之間的聯(lián)系更加緊密，使制造商能夠更好地優(yōu)化流程和預(yù)測(cè)問(wèn)題。

中小型制造商通常沒(méi)有時(shí)間或資金來(lái)對(duì)新興技術(shù)進(jìn)行測(cè)試，他們應(yīng)該如何評(píng)估人工智能對(duì)其組織的影響，以及在進(jìn)入工業(yè)4.0的準(zhǔn)備階段發(fā)揮的作用呢？

被動(dòng)地等待制造業(yè)做出決定肯定不是一個(gè)最佳選擇。延遲一年、兩年或五年可能會(huì)導(dǎo)致制造商落后于時(shí)代?，F(xiàn)在是采取行動(dòng)的時(shí)候了，但前進(jìn)的道路并不明朗。

解決這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)方法，是通過(guò)許多中小型制造商已經(jīng)接受和正在進(jìn)行的精益制造轉(zhuǎn)型，對(duì)人工智能進(jìn)行評(píng)估。

通過(guò)人工智能賦予持續(xù)改進(jìn)的“持續(xù)”特征

精益哲學(xué)的核心是持續(xù)改進(jìn)的理念，這是對(duì)持續(xù)變革的承諾。要進(jìn)行精益，必須始終保持變革的意愿，以便在發(fā)現(xiàn)改進(jìn)的機(jī)會(huì)時(shí)，能夠快速實(shí)施。

精益改進(jìn)通常是通過(guò)干預(yù)進(jìn)行的。例如，如果確定了某個(gè)流程中的問(wèn)題，工作將被中止。團(tuán)隊(duì)成員被召集來(lái)進(jìn)行觀察、得出結(jié)論、做出判斷，并最終采取行動(dòng)解決問(wèn)題。這種間歇性的操作是精益的工作原理，盡管它的啟停節(jié)奏似乎與持續(xù)改進(jìn)的理念根本不一致。然而，這種方法在目前是可行的，至少在人力所能及的范圍內(nèi)是可行的。

現(xiàn)在，如果你不再需要中止工作就可以執(zhí)行精益操作呢？如果你可以在工作正常進(jìn)行的同時(shí)實(shí)施大部分基本的精益過(guò)程(例如，觀察、得出結(jié)論、做出判斷、采取行動(dòng))，使精益過(guò)程更加連續(xù)，那又將如何呢？這是人工智能對(duì)任何規(guī)模的制造業(yè)務(wù)的主要承諾之一。

精益運(yùn)營(yíng)如何引入人工智能

人工智能是一個(gè)廣闊的領(lǐng)域，包括各種各樣的技術(shù)，從能夠從數(shù)據(jù)集學(xué)習(xí)的算法，到類似于科幻故事中的機(jī)器人，無(wú)所不包。

就小型制造商而言，他們應(yīng)該主要關(guān)注的人工智能類型是一門叫做機(jī)器學(xué)習(xí)的子學(xué)科。正如阿米特·曼哈尼（Amit Manghani）在《機(jī)器學(xué)習(xí)入門》中所定義的:“機(jī)器學(xué)習(xí)是數(shù)據(jù)分析的一種形式。”他寫(xiě)道，“使用不斷從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)的算法，機(jī)器學(xué)習(xí)允許計(jì)算機(jī)識(shí)別隱藏的模式，而不需要進(jìn)行實(shí)際編程。機(jī)器學(xué)習(xí)的關(guān)鍵在于，當(dāng)模型接觸到新的數(shù)據(jù)集時(shí)，它們會(huì)進(jìn)行調(diào)整，以產(chǎn)生可靠且一致的輸出。”

曼哈尼接著概述了4種機(jī)器學(xué)習(xí)類型：有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)、無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)、半監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)、強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)，它們都可以應(yīng)用于精益生產(chǎn)。

當(dāng)然，這是假定一家小型制造商愿意在計(jì)算能力方面投資，使所需的數(shù)據(jù)能夠用于計(jì)算分析的情況。下面讓我們?cè)敿?xì)地探討一下將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于精益制造的這4個(gè)機(jī)會(huì)。

1.有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)

在有監(jiān)督的機(jī)器學(xué)習(xí)中，算法對(duì)傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，為滿足預(yù)定義標(biāo)準(zhǔn)的所有數(shù)據(jù)分配標(biāo)簽。精益制造商可以利用這樣的技術(shù)使復(fù)雜零件的質(zhì)量控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。例如，假設(shè)相關(guān)的零件數(shù)據(jù)可以被記錄下來(lái)并提供給算法使用。

2.無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)

在無(wú)監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)中，沒(méi)有一個(gè)預(yù)先設(shè)置的算法可以用來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行排序。相反，該算法必須在數(shù)據(jù)積累、識(shí)別模式和創(chuàng)建緊急標(biāo)簽時(shí)觀察和評(píng)估數(shù)據(jù)。精益制造商可以使用這種機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)機(jī)器或一系列網(wǎng)絡(luò)機(jī)器的異常行為，從而預(yù)測(cè)故障。

3.半監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)

顧名思義，半監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)混合了有監(jiān)督和無(wú)監(jiān)督的方法。在半監(jiān)督的場(chǎng)景中，數(shù)據(jù)有一些現(xiàn)成的標(biāo)簽。隨著時(shí)間的推移，在人工監(jiān)督的幫助下，算法還會(huì)開(kāi)發(fā)其他標(biāo)準(zhǔn)。半監(jiān)督的場(chǎng)景對(duì)于優(yōu)化重復(fù)的部件生產(chǎn)非常有用，可以潛在地消除部件和流程的浪費(fèi)。

4.強(qiáng)化機(jī)器學(xué)習(xí)

在增強(qiáng)場(chǎng)景中，一個(gè)算法可以從一組可能的操作數(shù)據(jù)中預(yù)測(cè)出哪些操作將獲得最高的回報(bào)。從事精益轉(zhuǎn)型過(guò)程的中小型制造商可以使用這種機(jī)器學(xué)習(xí)，來(lái)衡量他們所設(shè)想的、面向過(guò)程的變革的不同路徑。

機(jī)器學(xué)習(xí)可以增強(qiáng)精益制造

通過(guò)專注于機(jī)器學(xué)習(xí)，人們可以看到，無(wú)論制造商的規(guī)模大小，對(duì)于大多數(shù)制造商來(lái)說(shuō)，人工智能的應(yīng)用程序都是有用且可用的。在某些情況下，拼圖碎塊已經(jīng)以現(xiàn)有的機(jī)器傳感器、信息技術(shù)和操作技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施收集的數(shù)據(jù)形式存在。

隨著中小型制造商開(kāi)始考慮應(yīng)用人工智能，我們需要知道的一個(gè)重點(diǎn)，是這些場(chǎng)景都不會(huì)威脅到人類的就業(yè)機(jī)會(huì)。相反，可以幫助員工獲得實(shí)時(shí)信息和更好的工具，以解決工作中的問(wèn)題和執(zhí)行任務(wù)。包括機(jī)器學(xué)習(xí)在內(nèi)的人工智能可以增強(qiáng)由人主導(dǎo)的精益過(guò)程。

目前的汽車傳感器技術(shù)就是一個(gè)很好的例子，它增強(qiáng)了人類駕駛員的意識(shí)和感知。這項(xiàng)技術(shù)不僅提高了安全性，而且通過(guò)適應(yīng)道路和每個(gè)駕駛員的行為，確保整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的摩擦更小。這樣，汽車安全技術(shù)不會(huì)把任何人排除在駕駛方程式之外，并使駕駛更安全、更高效。

如果我們從這個(gè)角度來(lái)看，人工智能可以被看作是精益工具箱中的一個(gè)工具，而且有潛力成為非常強(qiáng)大的工具。