統(tǒng)計(jì)學(xué)與圖像技術(shù)結(jié)合在工業(yè)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

吳楚南 對外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)統(tǒng)計(jì)學(xué)院在職人員高級課程研修班學(xué)員

引言：經(jīng)過多年的發(fā)展，已經(jīng)形成了一套成熟的工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)，企業(yè)圍繞提質(zhì)增效的目標(biāo)，推動(dòng)智能制造將是一個(gè)長期的、循序漸進(jìn)的過程。在現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用智能制造系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)，不斷進(jìn)行補(bǔ)充完善和升級迭代，解決產(chǎn)線的痛點(diǎn)問題，由傳統(tǒng)生產(chǎn)模式進(jìn)入到智能制造的初級階段。

一、工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)

（一）確定性

確定性意味著工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)必須具有可靠的響應(yīng)能力，主要是:(1)實(shí)時(shí)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)通常是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，在許多情況下，生產(chǎn)信息的傳遞延遲是不可接受的。（2）可預(yù)測性。也就是說，在某些條件下，該系統(tǒng)的輸出是可預(yù)測的，區(qū)別在于控制或可接受的范圍。（3）手動(dòng)優(yōu)先級。在特殊情況下，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的某些功能可以由操作員手動(dòng)控制，從而使整個(gè)系統(tǒng)能夠繼續(xù)以手動(dòng)模式運(yùn)行，從而降低性能，包括可用性。

（二）經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)濟(jì)性是指企業(yè)從投資活動(dòng)中獲得的財(cái)務(wù)回報(bào)。鋼鐵企業(yè)具有較強(qiáng)的行業(yè)背景和獨(dú)特的個(gè)性特征，許多先進(jìn)技術(shù)難以在其他行業(yè)和生產(chǎn)線之間輕松傳播復(fù)制。IT行業(yè)的市場模式并非總是在市場上提供。因此，技術(shù)的發(fā)展是否適當(dāng)和經(jīng)濟(jì)上合理的問題應(yīng)得到充分考慮。總的來說，智能制造的發(fā)展應(yīng)是一個(gè)持續(xù)的過程，在此過程中，相關(guān)技術(shù)在不同發(fā)展階段的作用應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)需求和依賴技術(shù)的特點(diǎn)及其在整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)中的地位加以證明。最終目標(biāo)是將技術(shù)集成到現(xiàn)有工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中，形成有機(jī)整體圖，有效實(shí)現(xiàn)企業(yè)目標(biāo)。

（三）精度化性

隨著人們對工業(yè)產(chǎn)品要求的提高，以及工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的提高。日后，我國工業(yè)自動(dòng)化會向著高精度化的發(fā)展方向前進(jìn)。尤其是近些年來一些政策對精細(xì)度提出了要求，工業(yè)控制系統(tǒng)的高精度化逐漸的被提上日程。例如，變送器，之前是0.75%，現(xiàn)在已經(jīng)提升到了0.04%。我國的科氏質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了高精度的0.05%，這些都表現(xiàn)出了工業(yè)自動(dòng)化會向著高精度化的方向前進(jìn)。

二、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造的應(yīng)用

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被視為整個(gè)智能發(fā)展過程的起點(diǎn)，在智能制造活動(dòng)的各個(gè)方面發(fā)揮著重要作用。它利用不同服務(wù)間的數(shù)據(jù)作為智能互聯(lián)網(wǎng)連接制造的一部分，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、銷售集成、生產(chǎn)智能和個(gè)性化四大基本原則。個(gè)性化設(shè)計(jì)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造領(lǐng)域應(yīng)用中最直接的一步，也是通過開發(fā)個(gè)性化創(chuàng)新服務(wù)于用戶和生產(chǎn)的智能生產(chǎn)過程的重要組成部分。生產(chǎn)智能是智能制造開發(fā)中的重要一步，在此過程中，智能制造全密鑰轉(zhuǎn)換業(yè)務(wù)模型中通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、銷售、生產(chǎn)、運(yùn)輸、調(diào)度和服務(wù)等智能按鈕服務(wù)。此外，實(shí)時(shí)協(xié)作將進(jìn)一步擴(kuò)大，并共享內(nèi)部和外部銷售數(shù)據(jù)。由于智能制造行業(yè)起步較晚，我國在生產(chǎn)1.0、2.0和3.0的時(shí)代與德國的定時(shí)模式4.0相比不平衡，智能制造行業(yè)有很大進(jìn)步。智能制造企業(yè)最大的缺點(diǎn)是，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有效地整合生產(chǎn)銷售數(shù)據(jù)，可視化數(shù)據(jù)，整合生產(chǎn)工具和生產(chǎn)力，從而降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)力，縮短交付時(shí)間，增加風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)行業(yè)內(nèi)的全面數(shù)據(jù)共享。面向服務(wù)的生產(chǎn)是從基于生產(chǎn)的價(jià)值鏈向價(jià)值鏈的轉(zhuǎn)變，在價(jià)值鏈中，提供生產(chǎn)服務(wù)的生產(chǎn)企業(yè)向客戶提供更廣泛的產(chǎn)品組合，包括產(chǎn)品和服務(wù)。

三、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)智能制造發(fā)展策略

（一）加強(qiáng)合作交流

積極利用不同公司的利益，如平臺型公司和提供系統(tǒng)解決方案的公司，開發(fā)公司之間的合作和溝通平臺，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)試點(diǎn)示范中，積極推動(dòng)企業(yè)間的合作與交流并從中受益，打造完整的平臺和產(chǎn)業(yè)，平臺是加快智能生產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的突破口。積極配合企業(yè)將數(shù)控設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人等基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備產(chǎn)品遷移到云端，并在平臺、技術(shù)支持、標(biāo)準(zhǔn)體系等方面發(fā)揮作用。

（二）要想滿足大數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集的需求，對現(xiàn)場設(shè)備會有很高的需求

對于現(xiàn)代企業(yè)來說，重要的是關(guān)注全球趨勢，跟上時(shí)代的進(jìn)步，承擔(dān)國際領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)，整合高素質(zhì)的管理人員，不斷優(yōu)化工藝制造和設(shè)備，補(bǔ)充生產(chǎn)設(shè)施，提高產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)備安全，降低勞動(dòng)生產(chǎn)率，提高設(shè)備運(yùn)行率。公司的每一項(xiàng)業(yè)務(wù)都需要檢測溫度、壓力、熱量、振動(dòng)和噪音的儀器。檢測設(shè)備越多，檢測時(shí)間就越短，數(shù)據(jù)分析也就越準(zhǔn)確。由于數(shù)據(jù)每隔幾秒收集、組織和存儲一次，因此可以用多種形式分析數(shù)據(jù)，例如：設(shè)備狀態(tài)和診斷、能耗分析、節(jié)能和能耗分析、質(zhì)量故障分析和總結(jié)，例如：違反各種生產(chǎn)法規(guī)、組件故障等。在改進(jìn)企業(yè)制造過程和制造過程中使用此大數(shù)據(jù)，首先使您能夠了解整個(gè)制造過程，并了解各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行情況。當(dāng)流程偏離流程標(biāo)準(zhǔn)或發(fā)生設(shè)備損壞時(shí)，會向系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)警告信號，使檢查點(diǎn)和維護(hù)人員能夠更快地檢測問題并更快地解決錯(cuò)誤，解決問題并減少錯(cuò)誤率。大型數(shù)據(jù)技術(shù)還可以對生產(chǎn)過程的虛擬模型進(jìn)行建模，當(dāng)系統(tǒng)中的所有過程和性能數(shù)據(jù)都可以重建時(shí)，這些模型可以幫助制造商同時(shí)改進(jìn)生產(chǎn)過程。企業(yè)能耗分析通過傳感器集中監(jiān)控所有生產(chǎn)流程，以確定每條生產(chǎn)線的能耗差異或峰值。這可以優(yōu)化和平衡制造過程中各個(gè)部門的能耗。該分析可顯著降低能耗，從而降低生產(chǎn)成本。故障分析可對長期存在的類故障進(jìn)行總結(jié)和分析，以掌握所需的各種數(shù)據(jù)，客觀地證明故障原因和所需時(shí)間，從而使設(shè)備管理部門能夠制定有效的糾正措施，并提出故障規(guī)避方法，從而減少故障發(fā)生率并提高連續(xù)性。

（三）加快打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)屬于跨界性、前瞻性很強(qiáng)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，特別需要強(qiáng)調(diào)整體性和生態(tài)性，注重跨界合作、供需對接、大中小企業(yè)協(xié)同發(fā)展、技術(shù)產(chǎn)業(yè)與人才培育同步推進(jìn)等，這也是美、德、日等工業(yè)強(qiáng)國推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)過程中的共同焦點(diǎn)。特別是，需要立足我國工業(yè)體系全、應(yīng)用場景豐富、ICT基礎(chǔ)設(shè)施及產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速等特點(diǎn)，加強(qiáng)跨界合作和供需對接。一方面，研究制定促進(jìn)跨界融合的引導(dǎo)政策，做強(qiáng)做實(shí)各類制造業(yè)創(chuàng)新中心、融合型產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟、開源社區(qū)等平臺，推動(dòng)制造企業(yè)與ICT企業(yè)凝聚共識、互通有無，支持企業(yè)積極開展競爭前合作，集中突破物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、大數(shù)據(jù)、人工智能、關(guān)鍵軟硬件等核心技術(shù)，加快數(shù)據(jù)接口、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、數(shù)據(jù)平臺、安全防護(hù)等重點(diǎn)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化。

四、基于視覺和統(tǒng)計(jì)學(xué)的工業(yè)自動(dòng)化分揀

（一）光源

光源主要用于確保圖像質(zhì)量、增強(qiáng)圖像特性、簡化圖像處理和獲得更穩(wěn)定的結(jié)果。照明在工業(yè)應(yīng)用中起著重要作用。如果沒有正確的照明，圖像質(zhì)量不會很高，例如。例如，太暗、曝光過度或不均勻；有針對性的設(shè)計(jì)和光源安裝可幫助您更好地區(qū)分圖像的目標(biāo)內(nèi)容和背景內(nèi)容，并更好地劃分目標(biāo)和前景。以下光源通常用于工業(yè)視覺應(yīng)用程序:點(diǎn)光源、線光源、環(huán)形光源、背景光源、梁光源、同軸光源。

（二）身體位置

在制造部件時(shí)，您可以通過預(yù)先指定在這些ROI區(qū)域中顯示的ROI范圍來進(jìn)行粗略定位。一個(gè)裝置產(chǎn)生，一次四種不同類型的部件，因此當(dāng)您在四個(gè)不同的位置捕獲圖像時(shí)，會出現(xiàn)不同的部件，并且您可以在圖像中指定四個(gè)ROI區(qū)域。通過設(shè)置ROI，您可以首先指定對象出現(xiàn)的區(qū)域，以避免在其他區(qū)域出現(xiàn)干擾。圖像元素可以在區(qū)域外處理，而無需圖像的特征處理，也可以在區(qū)域內(nèi)處理。您可以設(shè)置投資回報(bào)，提高圖像處理速度和性能，并減少許多圖像處理過程。在確定ROI時(shí)，通常會創(chuàng)建一個(gè)掩碼映像，掩碼在ROI范圍內(nèi)標(biāo)記為255，在ROI范圍外標(biāo)記為0。在圖像提取過程中，不會使用0和255處理與遮罩圖像匹配的像素。

（三）圖像邊緣檢測

邊緣提取是提取圖像元素的主要方法之一。這對于形狀識別和幾何圖形識別都很有用。常用的邊提取方法是sobel和canny方法。canny的map check會產(chǎn)生更精細(xì)的邊，以識別造型、幾何圖形偵測，例如。例如，提取直線邊、擬合直線、捕捉直線和測量長度。您還可以統(tǒng)計(jì)分析邊緣像素、獲取有關(guān)目標(biāo)邊緣坐標(biāo)的信息、獲取目標(biāo)外部矩形并將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際尺寸。圖像邊緣檢測通常用于處理灰度圖像，以便在處理后獲得邊緣圖像。

五、假設(shè)檢驗(yàn)

首先需要提出什么是原假設(shè)和以及什么是備擇假設(shè)，然后確定顯著性水平標(biāo)準(zhǔn)，確定檢驗(yàn)方法，構(gòu)造檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，對檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行選擇，主要是可以對大樣本量時(shí)，以及符合正態(tài)分布時(shí)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差σ已知，應(yīng)當(dāng)選用Z統(tǒng)計(jì)量；小樣本量時(shí)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)差未知σ時(shí)，應(yīng)選用T統(tǒng)計(jì)量。以往的經(jīng)量都近似服從正態(tài)分布，例如，機(jī)械零件的加工長度、厚度等都可以用正態(tài)分布來描述其變驗(yàn)，大量隨機(jī)變化規(guī)律。

結(jié)束語：從目前落地的智能制造工作來看，智能制造系統(tǒng)的相關(guān)功能在生產(chǎn)線的作用多定位于初級階段，部分功能接近或達(dá)到了智能制造中級階段，這也與目前的技術(shù)發(fā)展相匹配，體現(xiàn)了這些企業(yè)的科學(xué)態(tài)度和務(wù)實(shí)精神。