工業(yè)4.0中新技術(shù)對(duì)質(zhì)量管理的影響

季 丹

自德國(guó)提出工業(yè)4.0概念后，許多國(guó)家陸續(xù)出臺(tái)了各自的工業(yè)4.0版本。雖然每個(gè)國(guó)家的實(shí)際情況有所差別，側(cè)重點(diǎn)也各不相同，但目標(biāo)基本保持一致，即推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，推動(dòng)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。

“新一代革命性技術(shù)”的內(nèi)涵和外延目前還比較模糊，不同國(guó)家、不同機(jī)構(gòu)甚至不同學(xué)者之間存在界定上的差異。廣義上，一切有助于工業(yè)形態(tài)發(fā)生變化（除了生產(chǎn)制造外，還有設(shè)計(jì)、物流、維保等環(huán)節(jié)，以及業(yè)務(wù)模式、組織結(jié)構(gòu)等）的新技術(shù)都在此列，大體包括：（1）硬件技術(shù)，如新型傳感器、網(wǎng)關(guān)、邊緣計(jì)算機(jī)、控制芯片等；（2）軟件技術(shù)，如大數(shù)據(jù)分析、人工智能等；（3）協(xié)議、標(biāo)準(zhǔn)，如數(shù)據(jù)定義、接口協(xié)議等。狹義上，工業(yè)4.0中新一代革命性技術(shù)常常指那些當(dāng)前已經(jīng)得到深度應(yīng)用，在一些場(chǎng)景內(nèi)得到充分驗(yàn)證，短期內(nèi)可能形成重大突破的技術(shù)。本文選擇目前已經(jīng)開展較多實(shí)際應(yīng)用且對(duì)質(zhì)量提升作用顯著的大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈、VR/AR技術(shù)等進(jìn)行分析。

一、大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)是指以容量大、類型多、存取速度快、應(yīng)用價(jià)值高為主要特征的數(shù)據(jù)集合，目前正快速發(fā)展為對(duì)數(shù)量巨大、來源分散、格式多樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和關(guān)聯(lián)分析，從中發(fā)現(xiàn)新知識(shí)、創(chuàng)造新價(jià)值、提升新能力的新一代信息技術(shù)和服務(wù)業(yè)態(tài)。

大數(shù)據(jù)以及大數(shù)據(jù)配套產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)質(zhì)量管理帶來了三方面的影響。

1. 質(zhì)量信息處理方式遭遇挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的質(zhì)量分析方法基本上以結(jié)構(gòu)化的小樣本數(shù)據(jù)為對(duì)象進(jìn)行，很少有超過一個(gè)GB的數(shù)據(jù)量。常用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)工具包括方差分析、比率檢驗(yàn)、關(guān)聯(lián)分析、多元回歸、DOE等。在數(shù)據(jù)分析前需要對(duì)數(shù)據(jù)的分布規(guī)律進(jìn)行檢驗(yàn)，以選擇合適的方法和模型。而對(duì)于海量大數(shù)據(jù)，目前還沒有形成易用、通用的處理方式。如何基于大數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)階段的質(zhì)量改善、產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量功能改進(jìn)或生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的改善等，仍缺乏行之有效的方法或手段，有待進(jìn)一步探索。許多企業(yè)反映“每天都有幾個(gè)T的數(shù)據(jù)產(chǎn)生，這些數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存占用了巨大資源，目前還無法從中獲得任何效益，因?yàn)椴恢涝趺捶治鏊保?dāng)然也有企業(yè)重金邀請(qǐng)專家來建模，但目前很多模型的學(xué)術(shù)意義大于實(shí)踐價(jià)值。

2. 質(zhì)量人員的知識(shí)結(jié)構(gòu)需要變革。企業(yè)可以采用大數(shù)據(jù)技術(shù)來分析質(zhì)量管理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，識(shí)別質(zhì)量問題及其原因，并準(zhǔn)確地找到方法來最大程度地減少產(chǎn)品缺陷和浪費(fèi)。因此，大數(shù)據(jù)的運(yùn)用將會(huì)減少專門從事質(zhì)量管理的人員數(shù)量，同時(shí)也增加了對(duì)數(shù)據(jù)科學(xué)家的需求。目前，許多企業(yè)的質(zhì)量分析以及后續(xù)的改進(jìn)工作都是由精通建模的數(shù)據(jù)分析師完成，而非由傳統(tǒng)意義上的質(zhì)量專家完成。比如在芯片生產(chǎn)企業(yè)中，通過數(shù)據(jù)分析師的工作，將大量采集到的測(cè)試單片機(jī)數(shù)據(jù)，與生產(chǎn)流程早期晶片成型階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，可以顯著降低缺陷，甚至還能做出預(yù)判，在前期將殘次品排除，改進(jìn)生產(chǎn)質(zhì)量。這些企業(yè)中，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)直接參與質(zhì)量管理的人員數(shù)量相比以往逐漸降低。與此相對(duì)應(yīng)的，則是在大數(shù)據(jù)監(jiān)控室或數(shù)據(jù)算法設(shè)計(jì)構(gòu)建階段的質(zhì)量管理人員需求大幅增加。

3. 數(shù)據(jù)質(zhì)量本身的管理有待加強(qiáng)。以往的質(zhì)量數(shù)據(jù)主要是小樣本數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)清晰，處理簡(jiǎn)單。而大數(shù)據(jù)分析對(duì)包括準(zhǔn)確性、合規(guī)性、一致性、及時(shí)性、完備性等在內(nèi)的數(shù)據(jù)質(zhì)量提出了很高要求，目前還缺乏系統(tǒng)高效的數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)化、控制方法。制約大數(shù)據(jù)建模的一個(gè)重要因素，就是數(shù)據(jù)本身的標(biāo)準(zhǔn)還未建立。

二、人工智能

人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴(kuò)展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。從發(fā)展歷史來看，人工智能現(xiàn)在正處于第三次浪潮。第一次浪潮約在20世紀(jì)60年代前后，是人工智能概念及其基本原理開始被關(guān)注的年代；第二次浪潮在20世紀(jì)80年代，著重于機(jī)器學(xué)習(xí)；第三次浪潮從本世紀(jì)10年代開始，基于機(jī)器學(xué)習(xí)與統(tǒng)計(jì)學(xué)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)得到普及與發(fā)展。與前兩次不同，人工智能已經(jīng)呈現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室走向商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)。

人工智能對(duì)質(zhì)量管理的影響主要有以下方面。

1. 更精準(zhǔn)的質(zhì)量預(yù)測(cè)與決策?；谌斯ぶ悄芗夹g(shù)，企業(yè)能夠?qū)崟r(shí)采集來自生產(chǎn)線的運(yùn)作時(shí)間、電流、室溫等數(shù)據(jù)，并通過算法模型，預(yù)測(cè)生產(chǎn)線因質(zhì)量問題而中斷的概率、節(jié)點(diǎn)和時(shí)長(zhǎng)，從而大幅度減少停工及其造成的損失。已有學(xué)者在質(zhì)量預(yù)測(cè)的人工智能建模中取得了很好的成果，礙于成本和時(shí)間，雖然目前還沒有得到大規(guī)模推廣，但可以想象這只是時(shí)間問題。

2. 更高效的質(zhì)量檢驗(yàn)與控制。德勤的一份報(bào)告指出，人工智能應(yīng)用場(chǎng)景中，“質(zhì)量控制與缺陷識(shí)別”居于第二位，僅次于第一位的“信息技術(shù)自動(dòng)化”，高于第三位“網(wǎng)絡(luò)安全”。在人工智能環(huán)境下，產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)可以借助機(jī)器視覺識(shí)別，快速掃描產(chǎn)品質(zhì)量，提高質(zhì)檢效率。而且，這些系統(tǒng)可以持續(xù)深度學(xué)習(xí)，其性能將隨著時(shí)間的推移持續(xù)提高。此外，通過中心信息系統(tǒng)，質(zhì)量檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的問題還可以直接傳遞到MES系統(tǒng)調(diào)整生產(chǎn)，使控制的精度和效率都大幅提升。

3. 更智能的質(zhì)量改進(jìn)與變革。人工智能在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用將催生智能制造，形成具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式，并將貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)。在智能制造背景下，對(duì)商業(yè)環(huán)境的預(yù)測(cè)信息更加多樣、顧客需求的分析更加精準(zhǔn)、產(chǎn)量和生產(chǎn)模式更具柔性，對(duì)影響產(chǎn)品或服務(wù)質(zhì)量的因素將更全面地剖析。原有依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)或局部信息判斷來進(jìn)行的質(zhì)量改進(jìn)方案，將更加精準(zhǔn)高效，大幅降低人為主觀性和局部片面性。生產(chǎn)過程中的質(zhì)量缺陷將得到較好控制，質(zhì)量問題更多地發(fā)生在產(chǎn)品定義與設(shè)計(jì)階段以及消費(fèi)者應(yīng)用場(chǎng)景中，全面質(zhì)量管理（TQM）必須擴(kuò)展為全生命周期的質(zhì)量管理，由此也將引發(fā)質(zhì)量管理部門與人員的變革。

4. 替代人工。德國(guó)的一項(xiàng)調(diào)查顯示，未來10年隨著人工智能與機(jī)器人技術(shù)的普及，德國(guó)將減少61萬個(gè)組裝和生產(chǎn)類崗位。其中，生產(chǎn)類崗位將減少12萬個(gè)，占生產(chǎn)類崗位的4%；質(zhì)量管理類崗位將減少2萬個(gè)，占質(zhì)量管理類崗位的8%。智能制造改變了產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控的頻率與效率，一名操作員可以同時(shí)負(fù)責(zé)幾臺(tái)機(jī)器，對(duì)設(shè)備運(yùn)行和產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控可以通過自動(dòng)化系統(tǒng)完成。智能制造包含的模擬技術(shù)支持更加高效的質(zhì)量改進(jìn)，比如在實(shí)際量產(chǎn)之前，可以對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行虛擬建模測(cè)試和優(yōu)化，大幅減少調(diào)試時(shí)間與測(cè)試人員。

三、區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為信息科技領(lǐng)域的顛覆式創(chuàng)新近年逐漸普及。通常認(rèn)為，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)由加密協(xié)議方法保護(hù)的連續(xù)信息庫(kù)，以此提供與傳統(tǒng)金融賬本不同的記賬方法和記賬內(nèi)容。區(qū)塊鏈的不可篡改性使得信息真實(shí)性受到極大保護(hù)，弄虛作假得到有效抑制。目前，在財(cái)務(wù)信息系統(tǒng)方面應(yīng)用已經(jīng)成熟，許多大型會(huì)計(jì)事務(wù)所開始將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于會(huì)計(jì)系統(tǒng)以及審計(jì)工作的調(diào)研與實(shí)驗(yàn)，其原理就是利用區(qū)塊鏈的參與者以P2P（Peer to Peer，對(duì)等網(wǎng)絡(luò)）的形式對(duì)分散型數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行管理。

在質(zhì)量管理領(lǐng)域，區(qū)塊鏈目前主要用于供應(yīng)鏈管理，降低供應(yīng)商篡改檢測(cè)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)質(zhì)量管理的影響包括以下幾方面。

1. 推動(dòng)質(zhì)量管理更加安全高效。質(zhì)量管理的數(shù)據(jù)信息由于涵蓋了非財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，以及部分財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)（如質(zhì)量成本），因此比財(cái)務(wù)審計(jì)數(shù)據(jù)更加多樣，信息量也更加龐大。基于區(qū)塊鏈的質(zhì)量數(shù)據(jù)管理已成為質(zhì)量創(chuàng)新的一大挑戰(zhàn)。但擁有大量數(shù)據(jù)和信息的質(zhì)量管理系統(tǒng)如果能結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，可以極大推動(dòng)企業(yè)質(zhì)量管理活動(dòng)以及宏觀質(zhì)量治理工作更加安全、高效。目前已經(jīng)有學(xué)者基于區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)了供應(yīng)鏈質(zhì)量管理中的“智能合約”框架，探索產(chǎn)品或產(chǎn)品原料的質(zhì)量追溯體系的構(gòu)建。實(shí)踐中，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、公開性、安全性、互信性、可追溯性等諸多特點(diǎn)，有些企業(yè)已經(jīng)開始建構(gòu)基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)。比如生產(chǎn)刻蝕機(jī)和光刻機(jī)的中微半導(dǎo)體公司，構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈泛半導(dǎo)體行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，很大程度上提高了采購(gòu)質(zhì)量和追溯能力。同時(shí)，還可以作為產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈上的一種重要公共服務(wù)設(shè)施向外提供區(qū)塊鏈服務(wù)。

2. 增強(qiáng)防偽溯源與質(zhì)量保障能力。假冒偽劣是質(zhì)量問題的重要表現(xiàn)形式，其主要根源在于供需雙方的信息不對(duì)稱，消費(fèi)者無法掌握產(chǎn)品生產(chǎn)流通各環(huán)節(jié)信息。從安全與監(jiān)管的角度來看，產(chǎn)品質(zhì)量必須滿足法律法規(guī)和強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)要求，因此在很大程度上質(zhì)量可以被看作是產(chǎn)品各參數(shù)的檢測(cè)值與要求值之間的數(shù)據(jù)差。防偽標(biāo)志、第三方認(rèn)證等都是通過終端標(biāo)識(shí)方式對(duì)數(shù)據(jù)差進(jìn)行“是”或“否”的評(píng)定，以增強(qiáng)消費(fèi)者信任。但在這個(gè)過程中，仍然存在造假的可能，并不能從根本上終止假冒偽劣?；趨^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)不可篡改性，可以把各環(huán)節(jié)的檢測(cè)比較數(shù)據(jù)錄入公共網(wǎng)絡(luò)上的“質(zhì)量賬本”，消費(fèi)者隨時(shí)可通過終端查詢所有信息，從根本上堵住造假的可能。

3. 對(duì)質(zhì)量認(rèn)證帶來沖擊。由于區(qū)塊鏈可以記錄大量的過程信息并且無法篡改，消費(fèi)者可以方便地查知產(chǎn)品質(zhì)量信息，因此對(duì)大多數(shù)基于第三方公信力的認(rèn)證需求將逐漸下降，認(rèn)證機(jī)構(gòu)僅僅依靠頒發(fā)證書獲利的模式將難以維持，必須進(jìn)一步向綜合性的質(zhì)量服務(wù)轉(zhuǎn)型升級(jí)，比如提供一攬子的質(zhì)量改進(jìn)服務(wù)方案。

四、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR/AR）

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)創(chuàng)造一個(gè)看得到、聽得見的虛擬環(huán)境，人們可以借助各種交互設(shè)備與虛擬世界中的物體相互作用，甚至可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界，從而產(chǎn)生身臨其境的交互式體驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)生成的虛擬物體或關(guān)于真實(shí)物體的非幾何信息疊加到真實(shí)世界的場(chǎng)景之上，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)世界的增強(qiáng)。

VR/AR技術(shù)對(duì)質(zhì)量管理的影響包括以下幾方面。

1. 升級(jí)管理工具，提高質(zhì)量改進(jìn)決策的響應(yīng)速度。在制造領(lǐng)域，工人可以裝備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡（AR glasses），獲取物流和制造信息。這些眼鏡通過VR技術(shù)，可以顯示每個(gè)配件重要安裝區(qū)域，還可以幫助裝卸工人選擇正確的配件。姿勢(shì)識(shí)別攝像頭可以協(xié)助進(jìn)行質(zhì)量控制工作，自動(dòng)對(duì)質(zhì)量問題進(jìn)行記錄和儲(chǔ)存，大大減少了手工文本工作。這些技術(shù)可以讓工人處理不同類型的工作，并減少差錯(cuò)率。

2. 提高現(xiàn)場(chǎng)裝配或施工準(zhǔn)確性。在建筑業(yè)場(chǎng)景中，運(yùn)用VR/AR技術(shù)將可視化BIM信息嵌入真實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互。設(shè)計(jì)人員得到的BIM模型及相關(guān)信息可以通過VR/AR技術(shù)，為建筑施工提供指導(dǎo)，保證設(shè)計(jì)階段與施工階段平滑對(duì)接，實(shí)現(xiàn)在施工質(zhì)量控制中的價(jià)值。在設(shè)備制造與裝配場(chǎng)景中，利用VR/AR技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工廠的合理規(guī)劃，包括每個(gè)部件的運(yùn)行軌跡、維護(hù)及存儲(chǔ)，從而重構(gòu)整個(gè)生產(chǎn)流程體系，提高質(zhì)量與效率。在設(shè)計(jì)規(guī)劃場(chǎng)景中，利用VR/AR技術(shù)能遠(yuǎn)程協(xié)作，共同構(gòu)建設(shè)備運(yùn)行的虛擬場(chǎng)景。在該場(chǎng)景中能夠模擬機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況，以便相關(guān)工作人員發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中存在的問題。

3. 提高人員培訓(xùn)質(zhì)量。近年來，VR/AR技術(shù)幾乎應(yīng)用于所有專業(yè)的教學(xué)培訓(xùn)，使以往必須通過大量現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)才能掌握的技能在虛擬平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，極大提高了培訓(xùn)質(zhì)量，降低了培訓(xùn)成本。特別是在具有較高空間感和操作要求的教育項(xiàng)目中，VR/AR技術(shù)已引發(fā)革命性變化。比如在心臟手術(shù)實(shí)操訓(xùn)練中，醫(yī)學(xué)專業(yè)的學(xué)生佩戴VR/AR眼鏡，手持模擬控制器，就可置身于虛擬手術(shù)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)實(shí)操演練。通過引入VR/AR技術(shù)，操作類技能培訓(xùn)的趣味性、有效性大幅上升，對(duì)各類工作的完成質(zhì)量起到了重要的助推作用。

五、結(jié)語

生產(chǎn)力決定生產(chǎn)關(guān)系，任何一次工業(yè)革命都伴隨著管理革命，質(zhì)量管理也不例外。人類社會(huì)正在以前所未有的加速度駛向未來，工業(yè)4.0對(duì)人類的生產(chǎn)生活將帶來重要影響，但它還只是即將到來的波瀾壯闊偉大樂章中的一個(gè)序曲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能代表社會(huì)變革的全部?jī)?nèi)容。本文的分析還只限于方向性的探討，今后可以對(duì)每一種技術(shù)的變革性影響進(jìn)行量化研究和典型案例示范，更好推動(dòng)新技術(shù)的落地應(yīng)用，助力高質(zhì)量發(fā)展。