制造商為了跟上技術(shù)的最新變化，需要探索推動工廠走向未來的最關(guān)鍵要素之一：機(jī)器學(xué)習(xí)。讓我們談?wù)?ML 技術(shù)在 2022 年提供的最重要的應(yīng)用和創(chuàng)新。

制造商為了跟上技術(shù)的最新變化，需要探索推動工廠走向未來的最關(guān)鍵要素之一：機(jī)器學(xué)習(xí)。讓我們談?wù)?ML 技術(shù)在 2022 年提供的最重要的應(yīng)用和創(chuàng)新。

機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能：有什么區(qū)別？

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的一個子領(lǐng)域，但并非所有人工智能技術(shù)都算作機(jī)器學(xué)習(xí)。還有各種其他類型的 AI 在許多行業(yè)中發(fā)揮作用，例如機(jī)器人技術(shù)、自然語言處理和計算機(jī)視覺。如果您對這些技術(shù)如何影響制造業(yè)感到好奇，請查看下面的評論。

基本上，機(jī)器學(xué)習(xí)算法利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)為允許軟件解決問題的算法提供動力。這些數(shù)據(jù)可能來自工廠車間的實(shí)時物聯(lián)網(wǎng)傳感器，也可能來自其他方法。機(jī)器學(xué)習(xí)有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等多種方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模仿生物神經(jīng)元來發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中的模式來解決問題。深度學(xué)習(xí)利用不同層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其中第一層利用原始數(shù)據(jù)輸入并將處理后的信息從一層傳遞到下一層。

盒子里的工廠

讓我們先想象一個裝有裝配機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)傳感器和其他自動化機(jī)械的盒子。一方面，您提供完成產(chǎn)品所需的材料；在另一端，產(chǎn)品從裝配線上滾下。該設(shè)備所需的唯一干預(yù)是內(nèi)部設(shè)備的日常維護(hù)。這是制造業(yè)的理想未來，機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助我們?nèi)媪私馊绾螌?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

除了自動化裝配工作所需的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)外，機(jī)器學(xué)習(xí)還可以幫助確保：質(zhì)量保證、無損檢測分析和定位缺陷原因等。

你可以把這個工廠在一個盒子里的例子想成是簡化一個更大的工廠的一種方式，但在某些情況下它是相當(dāng)直白的。諾基亞正在利用帶有先進(jìn)自動化裝配設(shè)備的改裝運(yùn)輸集裝箱形式的便攜式制造基地。您可以在任何必要的位置使用這些便攜式容器，允許制造商在現(xiàn)場組裝產(chǎn)品，而無需將產(chǎn)品運(yùn)輸更遠(yuǎn)的距離。

質(zhì)量保證

使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、高分辨率光學(xué)相機(jī)和強(qiáng)大的 GPU，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和計算機(jī)視覺的實(shí)時視頻處理可以比人類更好地完成視覺檢測任務(wù)。該技術(shù)可確保盒子中的工廠正常工作，并從系統(tǒng)中消除不可用的產(chǎn)品。

過去，機(jī)器學(xué)習(xí)在視頻分析中的使用因視頻質(zhì)量而受到批評。這是因?yàn)閳D像在幀與幀之間可能是模糊的，并且檢查算法可能會出現(xiàn)更多錯誤。然而，憑借高質(zhì)量的相機(jī)和更強(qiáng)大的圖形處理能力，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以更有效地實(shí)時搜索缺陷，而無需人工干預(yù)。

使用各種物聯(lián)網(wǎng)傳感器，機(jī)器學(xué)習(xí)可以幫助測試創(chuàng)建的產(chǎn)品而不會損壞它們。算法可以在實(shí)時數(shù)據(jù)中搜索與單元的缺陷版本相關(guān)的模式，從而使系統(tǒng)能夠標(biāo)記可能不需要的產(chǎn)品。

非破壞性測試

我們可以檢測材料缺陷的另一種方法是通過無損檢測。這涉及在不造成損壞的情況下測量材料的穩(wěn)定性和完整性。例如，您可以使用超聲波機(jī)器檢測材料中的裂縫等異常情況。該機(jī)器可以測量人類可以分析的數(shù)據(jù)，以手動查找這些異常值。

但是，異常值檢測算法、對象檢測算法和分割算法可以通過分析數(shù)據(jù)以找出人類可能無法以更高效率看到的可識別模式來自動執(zhí)行此過程。機(jī)器學(xué)習(xí)也不會像人類容易犯那樣多的錯誤。

預(yù)測性維護(hù)

機(jī)器學(xué)習(xí)在制造業(yè)中的核心作用之一是預(yù)測性維護(hù)。普華永道報告稱，預(yù)測性維護(hù)將成為制造業(yè)中增長最快的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)之一，從 2020 年到 2025 年，市場價值將增長 38%。

由于計劃外維護(hù)有可能深深地影響企業(yè)的利潤，預(yù)測性維護(hù)可以使工廠能夠在機(jī)器出現(xiàn)成本更高的故障之前進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和糾正。我們希望確保我們的工廠在一個盒子里有盡可能多的正常運(yùn)行時間和盡可能少的延遲，而預(yù)測性維護(hù)可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

廣泛的物聯(lián)網(wǎng)傳感器記錄有關(guān)機(jī)器運(yùn)行條件和狀態(tài)的重要信息，使預(yù)測性維護(hù)成為可能。這可能包括濕度、溫度等。

用于預(yù)測性維護(hù)的 ML 模型

機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以分析隨時間收集的數(shù)據(jù)中的模式，并合理地預(yù)測機(jī)器何時需要維護(hù)。有幾種方法可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)：

回歸模型：這些模型預(yù)測設(shè)備的剩余使用壽命 (RUL)。這使用歷史和靜態(tài)數(shù)據(jù)，制造商可以查看距離機(jī)器發(fā)生故障還有多少天。

分類模型：這些模型在預(yù)定義的時間跨度內(nèi)預(yù)測故障。

異常檢測模型：這些在檢測到異常系統(tǒng)行為時標(biāo)記設(shè)備。

問題定位

借助支持預(yù)測性維護(hù)的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，機(jī)器學(xué)習(xí)可以分析數(shù)據(jù)中的模式，以查看機(jī)器的哪些部分需要維護(hù)以防止故障。如果某些模式導(dǎo)致缺陷趨勢，則硬件或軟件行為可能會被識別為這些缺陷的原因。從這里，工程師可以提出解決方案來糾正系統(tǒng)，以避免將來出現(xiàn)這些缺陷。這使我們能夠降低我們工廠在盒子場景中的誤差幅度。

數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是基于物聯(lián)網(wǎng)傳感器和實(shí)時數(shù)據(jù)的生產(chǎn)過程的虛擬再現(xiàn)。它們可以創(chuàng)建為尚不存在的系統(tǒng)的原始假設(shè)表示，或者它們可以是現(xiàn)有系統(tǒng)的再創(chuàng)造。

數(shù)字孿生是一個用于實(shí)驗(yàn)的沙箱，其中機(jī)器學(xué)習(xí)可用于分析模擬中的模式以優(yōu)化環(huán)境。這也有助于支持質(zhì)量保證和預(yù)測性維護(hù)工作。我們還可以將機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)字孿生一起使用來進(jìn)行布局優(yōu)化。這適用于規(guī)劃工廠布局或優(yōu)化現(xiàn)有布局。

用于能源消耗預(yù)測的 ML 模型

如果我們要優(yōu)化工廠的每個部分，我們還需要注意它所需的能源。最常見的方法是使用順序數(shù)據(jù)測量，數(shù)據(jù)科學(xué)家可以使用由自回歸模型和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的機(jī)器學(xué)習(xí)算法對其進(jìn)行分析。

自回歸模型：非常適合定義功耗的趨勢、周期性、不規(guī)則性和季節(jié)性。為了提高準(zhǔn)確性，數(shù)據(jù)科學(xué)家可以將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有助于指定預(yù)測算法任務(wù)的特征。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：數(shù)據(jù)科學(xué)家使用這些來處理大型數(shù)據(jù)集，以快速找到數(shù)據(jù)消耗模式。這些可以被訓(xùn)練為從輸入數(shù)據(jù)中自動提取特征，而無需像自回歸模型這樣的特征工程。

用于序列數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)：RNN（循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）、LSTM（長短期記憶）/GRU（門控循環(huán)單元）、基于注意力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于使用內(nèi)部存儲器存儲先前輸入的能源使用數(shù)據(jù)的信息。

生成式設(shè)計

我們已經(jīng)使用機(jī)器學(xué)習(xí)來優(yōu)化工廠的生產(chǎn)流程，但產(chǎn)品本身呢？寶馬在 2022 年國際消費(fèi)電子展上推出了帶有特殊電子墨水包裝的 BMW iX Flow，可以讓它在黑色和白色之間改變汽車的顏色（或更準(zhǔn)確地說是陰影）。寶馬解釋說：“實(shí)施了衍生式設(shè)計流程，以確保各個部分反映車輛的特征輪廓以及由此產(chǎn)生的光影變化。”

衍生式設(shè)計是使用機(jī)器學(xué)習(xí)來優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計的地方，無論是汽車、電子設(shè)備、玩具還是其他物品。有了數(shù)據(jù)和期望的目標(biāo)，機(jī)器學(xué)習(xí)可以循環(huán)所有可能的安排以找到最佳設(shè)計。

可以訓(xùn)練 ML 算法來優(yōu)化設(shè)計的重量、形狀、耐用性、成本、強(qiáng)度，甚至美學(xué)參數(shù)。

衍生式設(shè)計過程可以基于以下算法：

強(qiáng)化學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)

遺傳算法

改進(jìn)的供應(yīng)鏈管理：認(rèn)知供應(yīng)鏈

讓我們從一個盒子示例中暫時離開工廠，看看更廣泛的制造需求圖景。生產(chǎn)只是一個要素。制造中心的供應(yīng)鏈角色也正在通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)得到改善，例如物流路線優(yōu)化和倉庫庫存控制。這些構(gòu)成了在制造業(yè)中不斷發(fā)展的認(rèn)知供應(yīng)鏈。

倉庫庫存控制

人工智能驅(qū)動的物流解決方案使用物體檢測模型而不是條形碼檢測，從而取代人工掃描。計算機(jī)視覺系統(tǒng)可以檢測到短缺和庫存過剩。通過識別這些模式，管理人員可以了解可操作的情況。甚至可以讓計算機(jī)自動采取行動來優(yōu)化庫存存儲。

在 MobiDev，我們研究了一個創(chuàng)建能夠檢測物流對象的系統(tǒng)的用例。閱讀更多關(guān)于使用小型數(shù)據(jù)集進(jìn)行對象檢測以實(shí)現(xiàn)物流中的自動化物品計數(shù)的更多信息。

需求預(yù)測

工廠應(yīng)該生產(chǎn)多少并發(fā)貨？這是一個很難回答的問題。然而，通過訪問適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以幫助工廠了解他們應(yīng)該在不過度生產(chǎn)的情況下生產(chǎn)多少。制造業(yè)機(jī)器學(xué)習(xí)的未來取決于創(chuàng)新決策。

審核編輯 ：李倩