工業(yè)人工智能及應(yīng)用研究現(xiàn)狀及展望

工業(yè)人工智能及應(yīng)用研究現(xiàn)狀及展望

來源：《自動化學(xué)報》，作者李杰等

摘 要?工業(yè)4.0 將工業(yè)制造流程以及產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)化從以前依照經(jīng)驗和觀察進行判斷轉(zhuǎn)變?yōu)橐允聦崬榛A(chǔ),通過分析數(shù)據(jù)進而挖掘潛在價值的完整智能系統(tǒng).人工智能技術(shù)的快速發(fā)展在工業(yè)4.0 的實現(xiàn)中扮演著關(guān)鍵的角色.然而,傳統(tǒng)的人工智能技術(shù)通常著眼于日常生活、社會交流和金融場景,而非解決工業(yè)界實際所遇到的問題.相比而言,工業(yè)人工智能技術(shù)基于工業(yè)領(lǐng)域的具體問題,利用智能系統(tǒng)提升生產(chǎn)效率、系統(tǒng)可靠性并優(yōu)化生產(chǎn)過程,更加適合解決特定的工業(yè)問題同時幫助從業(yè)人員發(fā)現(xiàn)隱性問題,并讓工業(yè)設(shè)備有自主能力來實現(xiàn)彈性生產(chǎn)并最終創(chuàng)造更大價值.本文首先介紹工業(yè)人工智能的相關(guān)概念,并通過實際的工業(yè)應(yīng)用案例如元件級的滾珠絲杠、設(shè)備級的帶鋸加工機與機器群等不同層次的問題來展示工業(yè)人工智能架構(gòu)的可行性與應(yīng)用前景.

關(guān)鍵詞?工業(yè)人工智能,智能制造,自動化,工業(yè)4.0

目前,很多國家正積極發(fā)展著眼于工業(yè)4.0 的智能制造技術(shù),許多領(lǐng)域的龍頭公司均通過投資和科研來開發(fā)其核心方法即人工智能技術(shù).在2017 年,加拿大首開先例宣布政府將以12.5 億加幣投資人工智能[1].同年的七月,中國發(fā)表了次世代人工智能發(fā)展計劃,以1 500 億人民幣的投資來幫助國內(nèi)人工智能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,以期在人工智能方面占領(lǐng)一席之地[2].次年8 月,德國推行5 點數(shù)字策略期望在2025 年成為人工智能的領(lǐng)軍者[3].2019 年二月,美國政府推行了類似的人工智能政策來刺激產(chǎn)業(yè)發(fā)展[4].工業(yè)人工智能也體現(xiàn)在流程工藝上,如鋼鐵或煉油制造產(chǎn)業(yè)等.從零部件級到設(shè)備端的預(yù)測維護均有相應(yīng)的研究成果,以石油業(yè)為例,石油管線衰退評估是個重要的課題,其中管線孔蝕現(xiàn)象是最主要、影響最大的損壞機制,孔蝕的成長性與不確定性讓衰退預(yù)測變得更為困難,為了可以良好地評估管線內(nèi)部侵蝕的情況,如何用一個好的衰退模型對孔蝕作預(yù)測是主要的研究方向.在分析的方法上,可以分成基于物理模型和數(shù)據(jù)驅(qū)動這兩大類,而傳統(tǒng)基于物理模型雖能在長期預(yù)測上有一定的優(yōu)勢,但是其根本是簡化的物理公式或假設(shè),對于例如管蝕這種復(fù)雜且高度不確定的機制會較為困難,數(shù)據(jù)驅(qū)動模型則可以較好地處理這類問題[5].在更高層級的平臺整合或是工業(yè)人工智能應(yīng)用層面,也有相關(guān)企業(yè)正著手進行研究,例如?？松梨诔掷m(xù)的改進自有的全球資訊系統(tǒng),在標準化、安全化或是生命周期評估等方向上都有相應(yīng)成果,同時也在改進生產(chǎn)排程、工程應(yīng)用工具等方面有相關(guān)研究[6].今年?？松梨谂cCPLANE.ai 公司宣布將攜手合作進行工業(yè)協(xié)作,在環(huán)境法規(guī)日趨嚴格與開采成本提高的情況下,將會對其發(fā)展有著重要的影響.另一方面,我國的首鋼鋼鐵也有相應(yīng)的工業(yè)人工智能應(yīng)用在流程工藝上成功的案例,通過智能平臺可以用少量的技工調(diào)控其所有的煉鋼爐,同時也能回收在制造過程中產(chǎn)生的90 %廢棄物和廢水,實現(xiàn)每年九百萬噸以上高品質(zhì)鋼鐵的產(chǎn)出.

對于基于智能技術(shù)的工業(yè)4.0 來說,這些措施都促使工業(yè)界產(chǎn)生前所未有的轉(zhuǎn)變,智能工廠所裝備的智能感知器在各個生產(chǎn)過程中產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),因此數(shù)據(jù)變成增強產(chǎn)業(yè)競爭力的重要關(guān)鍵[7].通過實時數(shù)據(jù)分析來為決策者提供更全面的信息來做決策、提高生產(chǎn)效率、預(yù)測生產(chǎn)需求、自動化制造與庫存品優(yōu)化[8].然而,根據(jù)現(xiàn)行的工業(yè)4.0 技術(shù),數(shù)據(jù)處理過程仍需人類專家的介入來做決策,人工智能方案通常要能滿足及時決策與最少的人員介入的目標[9?10].因此,智能制造需要結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[11]、大數(shù)據(jù)分析[12]、云端計算[13]與網(wǎng)絡(luò)實體系統(tǒng)[14]等技術(shù)來實現(xiàn)彈性且有效率的數(shù)據(jù)處理.

即使有著諸多優(yōu)勢,產(chǎn)業(yè)界仍對這樣的方案存有疑慮,主要的原因是對于同樣的問題,工程師在使用不同的算法會給出不同的方案,而這樣的情況會違反三個必須的特征:系統(tǒng)性、快速性與可繼承性.

另一方面,人工智能應(yīng)用的主要成功來自于圖像處理、自然語言處理、社群網(wǎng)絡(luò)、機器人等方面,在工業(yè)環(huán)境下的制造設(shè)備所產(chǎn)出的數(shù)據(jù)架構(gòu)和形式與前述大不相同,造成可應(yīng)用性的局限[15?19].

其次,盡管部分產(chǎn)業(yè)已開始進行相關(guān)工作,但缺乏全面的技術(shù)藍圖與架構(gòu)來有效地結(jié)合自身的發(fā)展策略.

第三個可能的原因是缺乏標準化的數(shù)據(jù).目前,不同類型的機臺所產(chǎn)出的數(shù)據(jù)大不相同,形式也有差異,造成數(shù)據(jù)不一致.

第四個原因是故障數(shù)據(jù)難以取得,這個是阻礙人工智能技術(shù)發(fā)展的主要原因之一.在具體場景中,工業(yè)界難以允許機臺發(fā)生故障.另一方面,健康與故障的數(shù)據(jù)有時難以區(qū)分,這些因素都阻礙了人工智能技術(shù)的應(yīng)用.

針對上述問題,如何有效利用人工智能完成實際生產(chǎn)應(yīng)用的任務(wù),是當前工業(yè)人工智能研究的熱點問題之一.2006 年,Anghel 等基于極大極小概率回歸模型,在實際數(shù)據(jù)上準確地預(yù)測出污染物排放中各氣體濃度[20].2015 年,Min 針對遺傳算法在供應(yīng)鏈管理中的應(yīng)用,回顧了以往的成功案例,提出了供應(yīng)鏈管理中最適用于遺傳算法的領(lǐng)域[21].同年,Hu 等通過多目標優(yōu)化算法,實現(xiàn)軋制規(guī)程的優(yōu)化,提高熱軋帶鋼的產(chǎn)品質(zhì)量[22].2018 年,Yang 等通過對文字數(shù)據(jù)的知識提取以及可視化處理提取到有用的信息并應(yīng)用在汽車零部件數(shù)字化預(yù)裝的質(zhì)量改進[23].同年,Cupek 等針對傳統(tǒng)方法難以準確預(yù)測小批量多變量生產(chǎn)的問題,采用了基于K?均值聚類的方法,實現(xiàn)了性能指標的自動估測[24].同年,Mundada等通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模擬退火算法準確預(yù)測出了不同磨銑作業(yè)的工件表面粗糙度[25].2019 年,Liu 等對鋼帶表面缺陷進行了研究,基于GoogLeNet,提出了可以用于實時分類的方法,并在6 種表面缺陷的鋼帶數(shù)據(jù)上實現(xiàn)了98.57%的準確率[26].2020 年,Kesse 等提出了一種智能化惰性氣體焊算法用于幫助操作人員選擇理想的系數(shù)從而達到良好的焊接質(zhì)量[27].同年,Li 等提出了基于深度學(xué)習(xí)的壽命預(yù)測方法,并在實際生產(chǎn)中用于切割液晶屏的刀具上表現(xiàn)了較好的準確性[28].同年,Kalil 等建立了一個用在切削刀具上的磨損監(jiān)測系統(tǒng),通過對刀具的邊緣圖像處理,達到94.3%的磨損以及破碎檢測率[29].

由于人工智能的實際應(yīng)用需要一系列關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù)與創(chuàng)新思維,李杰教授提出了一套系統(tǒng)性的方法來實現(xiàn)人工智能并命名為工業(yè)人工智能[30?33].工業(yè)人工智能由一套完整的技術(shù)體系與標準化方法架構(gòu)所組成,其核心技術(shù)包含數(shù)據(jù)技術(shù)、分析技術(shù)、平臺技術(shù)與運籌技術(shù),Cyber physical system (CPS)的5C 架構(gòu)則作為實現(xiàn)這個閉環(huán)過程的功能框架[30?34].

1 CPS 的5C 技術(shù)體系與方法架構(gòu)

自從計算機的誕生以來,賽博空間與實體空間的組合快速成為人類日常生活不可或缺的一部分,從高度普及的家用電器到日益成熟的無人機,從發(fā)電站的調(diào)度安排到實時的人體機能監(jiān)控,無不體現(xiàn)了賽博空間與實體空間的深度融合[35].而CPS 作為一種整合網(wǎng)絡(luò)世界和物理世界的多維度的變革性智能技術(shù)體系[36],以大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)與海量計算為基礎(chǔ),通過核心的智能感知、分析、挖掘、評估、預(yù)測、優(yōu)化等技術(shù)手段,融合計算、通信與控制,做到以數(shù)據(jù)為模型驅(qū)動的自治和智能支持促進工業(yè)的智能化發(fā)展.如圖1 所示,5C 作為CPS 在制造領(lǐng)域的架構(gòu)為其在制造領(lǐng)域的開發(fā)和部署提供了完整的指導(dǎo)方針.5C 分別代表Connection (智能感知層)、Conversion (智能分析層)、Cyber (網(wǎng)絡(luò)層)、Cognition (智能認知層)、Configuration (智能決策與執(zhí)行層),具體含義如下:

圖1 CPS 在制造領(lǐng)域的支撐技術(shù)[32-34]
Fig.1 Enabling technologies for realization of CPS in manufacturing[32-34]

1)智能感知層(Connection):如何以高效率和高可靠性來采集數(shù)據(jù)是在機器或是組件層面上的首要任務(wù).如從數(shù)據(jù)的來源、采集和管理方式來確保質(zhì)量和全面性,構(gòu)建CPS 上層的數(shù)據(jù)環(huán)境基礎(chǔ).除結(jié)構(gòu)環(huán)境和采集通道外,另一核心的概念是按照目標和分析的需求自動地選擇所偏好的數(shù)據(jù)采集方式.

2)智能分析層(Conversion):在工業(yè)環(huán)境中,數(shù)據(jù)來源于各種不同類型的資源,這些代表著機器的不同狀況,但必須將原先采集到的低價值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有意義且實際的信息.在這層中可以對數(shù)據(jù)進行特征工程、分類和優(yōu)先級排列等工作來確保數(shù)據(jù)的可解釋性,其中也包括對數(shù)據(jù)的前處理.

3)網(wǎng)絡(luò)層(Cyber):即網(wǎng)絡(luò)化的管理,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中信息的融合和建模,將機臺狀況、周圍環(huán)境與群體結(jié)合,包括精確同步、關(guān)聯(lián)建模、變化記錄、分析預(yù)測等以構(gòu)建能夠指導(dǎo)實體空間的分析環(huán)境.

4)智能認知層(Cognition):依據(jù)不同的需求進行數(shù)據(jù)評估與預(yù)測,與其他數(shù)據(jù)作比較,并能提供解決方案,同時結(jié)合數(shù)據(jù)可視化工具和決策優(yōu)化算法工具為用戶提供決策.

5)智能執(zhí)行層(Configuration):依照目標的不同與前一層的分析結(jié)果,對決策進行優(yōu)化,并將結(jié)果回饋給管理系統(tǒng),使管理人員能基于信息做出正確的決策,保證時效性和管理的協(xié)同性.

在實際的工業(yè)領(lǐng)域中通過智能技術(shù)來發(fā)揮制造系統(tǒng)的最大價值需要系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化地建立信息世界和物理世界的紐帶,找到對解決問題最重要的影響參數(shù)而不是盲目地積累數(shù)據(jù),最終形成閉環(huán)優(yōu)化.另一方面,如何在技術(shù)層面來執(zhí)行CPS 架構(gòu)則是另一重大課題.工業(yè)人工智能4 個核心技術(shù)中,平臺與數(shù)據(jù)技術(shù)是工業(yè)智能化的首要條件,有效的數(shù)據(jù)連接與傳輸和成熟的平臺技術(shù)是其系統(tǒng)實現(xiàn)的前提,分析技術(shù)是設(shè)備展現(xiàn)智能化的靈魂,而運籌技術(shù)是創(chuàng)造價值的關(guān)鍵,以下將對這4 個核心技術(shù)分別做討論:

1.1 數(shù)據(jù)技術(shù)(Data technology)

工業(yè)人工智能的基礎(chǔ)來自于數(shù)據(jù)本身,高質(zhì)量的數(shù)據(jù)是成功的關(guān)鍵,為從設(shè)備中取得具有代表性且質(zhì)量良好的數(shù)據(jù),此類技術(shù)將著重在解決以下幾類問題:

1)數(shù)據(jù)采集與傳輸;

2)數(shù)據(jù)的儲存、管理與大量數(shù)據(jù)的實時處理;

3)邊緣計算.

第一類的問題依靠傳感器與通訊技術(shù)的進步,和工業(yè)數(shù)據(jù)的內(nèi)在物理意義.為進一步了解設(shè)備特性,傳感器的加裝可以有效的獲取具代表性的信息,在更為復(fù)雜且關(guān)鍵的工業(yè)過程如半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)更是如此.通過傳感器來進行數(shù)據(jù)采集,而傳感器的選擇、位置安裝、改良與研發(fā)應(yīng)用都是在DT 數(shù)據(jù)技術(shù)層面中所要面對的關(guān)鍵問題.

傳感器技術(shù)的長足進步也引發(fā)第二類問題,大量的數(shù)據(jù)考驗著從業(yè)者如何去傳輸、儲存、管理,因此需要先進的通訊技術(shù)和設(shè)備來進行穩(wěn)定的傳輸.現(xiàn)行的設(shè)備與通訊技術(shù)大多可以滿足其基本需求,常用的通訊協(xié)議包括MTconnect、Modbus 等.在數(shù)據(jù)管理和儲存方面,應(yīng)用云端和數(shù)據(jù)庫技術(shù)來進行高效率的儲存、搜尋和實時處理,并用當下熱門的邊緣計算來實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘的實時性并節(jié)省儲存空間.基于這些技術(shù),此類關(guān)鍵問題著重于保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和安全性,以及節(jié)省計算資源與儲存空間.

1.2 分析技術(shù)(Analytic technology)

分析技術(shù)是工業(yè)人工智能的靈魂.分析技術(shù)用于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的潛在模式、數(shù)據(jù)間的關(guān)系與制造本身的未被發(fā)掘的隱含信息,這些此前未被發(fā)現(xiàn)的信息都將為后續(xù)的決策提供依據(jù).此外,其有用的分析結(jié)果可累積成為數(shù)據(jù)庫,一方面可避免因人事變更或是流動造成其經(jīng)驗或是技能流失,另一方面,也可以提升產(chǎn)業(yè)的核心競爭力.分析技術(shù)主要著重在兩個方面:

1)特征工程:數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征提取、特征篩選

2)機器學(xué)習(xí)和模式識別

特征是對數(shù)據(jù)中有用信息的數(shù)學(xué)總結(jié).特征工程在分析技術(shù)是重要的一環(huán),通過數(shù)學(xué)方法來得到代表性的信息,如對時域或是頻域進行特征提取方便后續(xù)的建模工作[37?38].在實現(xiàn)特征工程的過程中,首要考慮的是數(shù)據(jù)的可靠性.在采集數(shù)據(jù)的過程中,會有各種不確定性的因素存在,如不同來源信號的采樣頻率不同,以及采集過程中可能存在損壞點等問題,需要先進行預(yù)處理排除,以得到較好的數(shù)據(jù)進行分析[39?40].在完成提取特征的步驟后,往往會再進行特征篩選,進一步去除不必要、不相關(guān)的特征,只保留對分析目標有用的特征.在特征篩選中,最具代表性的主成分分析(PCA)與費雪準則(Fisher criterion)被廣泛用在各工業(yè)場景.費雪準則主要對應(yīng)分類問題,該方法通過對原始特征中的每一個特征來評價分類的有效性.接下來的步驟為模型建立,主要是用機器學(xué)習(xí)、模型識別算法來辨認數(shù)據(jù)潛在的模式并挖掘其中的關(guān)系.常用的算法如回歸算法、分類、聚類、估計算法等,各自對應(yīng)不同類型的問題與應(yīng)用場景.目前熱門的深度學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)等技術(shù)也在諸多實際問題中取得了良好的成果.以上主要介紹的是特征工程中的手動特征提取.手動特征提取的局限性在于需要利用領(lǐng)域知識對特定問題從零構(gòu)建特征.目前熱門的深度學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)等技術(shù)讓自動特征提取在諸多實際問題中取得了良好的成果[41?51].自動特征提取能夠根據(jù)不同的應(yīng)用以及數(shù)據(jù)更有效率地建模,同時還能提供更好的模型表現(xiàn)以及預(yù)防數(shù)據(jù)泄露.通過深度學(xué)習(xí)實施的自動特征提取可以在幾天內(nèi)趕上以前人工花幾個月甚至幾年的工作成果,而且工業(yè)門檻更低,特征覆蓋更全面,可以把大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢應(yīng)用在更多設(shè)備上建模.因此,對于從業(yè)人員來說,需要考慮的關(guān)鍵問題在于如何在不同的應(yīng)用場景下選用適合的算法.

1.3 平臺技術(shù)(Platform technology)

平臺技術(shù)是其他技術(shù)的載體,在工業(yè)人工智能的架構(gòu)下,其主要包含如下方面:

1)數(shù)據(jù)存儲平臺:數(shù)據(jù)的安全存儲與快速檢索;

2)智能計算平臺:智能平臺的計算能力、計算效率和可擴展性;

3)用戶接口平臺:用戶接口和功能擴展.

云平臺的應(yīng)用可以幫助企業(yè)實現(xiàn)對于數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理的需求并支持不同客群的快速數(shù)據(jù)檢索和信息共享[52].云平臺可以解決ERP (企業(yè)資源計劃系統(tǒng))、MES (制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)) 和SCM (供應(yīng)商管理系統(tǒng))等造成的信息隔離,從而對多來源信息進行有效管理[53?54].信息集中化更方便實現(xiàn)智能分析和快速部署算法,平行計算等核心技術(shù)可以大幅降低時間成本,提高計算效率.在這方面,先進的GPU 與TPU 技術(shù)提供了相關(guān)的解決方案,與串行處理的CPU 相比,GPU 擁有數(shù)以千計的處理核心,讓其在并行運算上有極大的優(yōu)勢,而TPU又名張量處理器是一款可編程的AI 加速器,可用于加速模型測試過程所需的運算.

對于用戶接口平臺而言,良好的人機接口與可擴展功能有助于將數(shù)據(jù)與信息可視化,而設(shè)計友好的軟件系統(tǒng)可以提高服務(wù)質(zhì)量,平臺接口的多樣化,如個人電腦、手機、遠程集控中心等,也有助增加用戶粘性,進而生成新的商業(yè)生態(tài).

1.4 運籌技術(shù)(Operation technology)

運籌技術(shù)的主要目的是分析結(jié)果轉(zhuǎn)化成新的價值,客戶基于有用信息做出決策,因此運籌技術(shù)是實現(xiàn)價值創(chuàng)造的最后一步.在工業(yè)人工智能領(lǐng)域,運籌技術(shù)可以幫助實現(xiàn):

1)設(shè)備的自感知、自預(yù)測、自適應(yīng)等功能

自感知、自預(yù)測與自適應(yīng)是工業(yè)人工智能領(lǐng)域的重要課題,自感知所代表的具體意義為設(shè)備對于潛在故障有著自動預(yù)警的功能,在運行過程中由實時分析傳感器所收集的數(shù)據(jù),對系統(tǒng)本身與關(guān)鍵零組件的故障作診斷.自預(yù)測所代表的是基于偵測到的故障,對其嚴重程度作評價,并預(yù)測未來的使用壽命.自適應(yīng)則是基于優(yōu)化模型對設(shè)備本身進行保護,如降速運行等操作來避免實際的損壞和更加嚴重的事故發(fā)生.

2)彈性制造系統(tǒng)

彈性制造指的是面對生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的突發(fā)狀態(tài)可以彈性的調(diào)整,以保證生產(chǎn)活動的不間斷進行.其特色是在實際生產(chǎn)發(fā)生變化的時候,可以基于智能優(yōu)化計算并依照現(xiàn)場情況,對控制系統(tǒng)進行修正.

3)運維排程及優(yōu)化

排程優(yōu)化和設(shè)備維護是每個企業(yè)和工廠都需面對的考驗,在這個部分,排程的優(yōu)化和設(shè)計需要明確了解其狀態(tài)和健康程度并安排相對應(yīng)的生產(chǎn)和維修活動.

2 工業(yè)智能帶來的新機會空間

生產(chǎn)系統(tǒng)中的問題大致可以分為可見的和不可見的問題.設(shè)備衰退、潤滑不足、精準度損失、零件磨損以及資源浪費都是不可見問題中的常見問題.可見問題通常由不可見因素例如零部件故障、機器故障以及產(chǎn)品質(zhì)量下降等因素累計而成.傳統(tǒng)的人工智能技術(shù)注重于解決可見問題并試著取代在重復(fù)工作上人類專家的知識和判斷.這些人工智能模型并沒有幫助人們更好地理解和處理潛在的風(fēng)險.另一方面,工業(yè)人工智能的系統(tǒng)實現(xiàn)可以幫助解決不可見的預(yù)測問題并通過避免并修復(fù)實現(xiàn)制造過程的無憂化.具體來說,工業(yè)人工智能可以被劃為4 個機會空間如圖2 所示:

圖2 工業(yè)人工智能機會空間的4 個象限
Fig.2 The four quadrants opportunity space in industrial AI

1)第一個機會空間注重通過生產(chǎn)系統(tǒng)的持續(xù)改善與連續(xù)優(yōu)化,解決生產(chǎn)系統(tǒng)中的可見問題.

2)第二個機會空間注重通過分析數(shù)據(jù),挖掘新的系統(tǒng)知識以避免可見問題.

3)第三個機會空間是對數(shù)據(jù)線索、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性和因果性進行深入挖掘,通過建立這些關(guān)系來實現(xiàn)不可見問題的顯性化.

4)第四個機會空間注重在不確定的動態(tài)環(huán)境中尋找和彌補不可見的價值缺口,并減弱不可見因素的影響.

在此階段,大多數(shù)制造企業(yè)都將重心放在改善第一和第二機會空間,可以解決可見問題.在第三和第四機會空間中,需要制造系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)式的整合去優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計方面,進而避免不可見的問題.采用工業(yè)人工智能技術(shù)可以在生產(chǎn)中增強創(chuàng)造新價值的機會.例如,在機械刀片損壞后去替換的方法屬于第一和第二空間,通過人工智能技術(shù)基于振動以及其他數(shù)據(jù)對機械刀片的壽命進行預(yù)測,在刀片故障前進行刀片更換的方法屬于第三和第四空間.

3 工業(yè)人工智能的案例分析

3.1 零部件級別的案例分析

3.1.1 滾珠絲杠

滾珠絲杠是制造系統(tǒng)里需要高準確性的關(guān)鍵部件,任何潛在的損壞或是退化都會影響其效率和位置精度,甚至?xí)绊懙綑C臺的控制精度或造成機臺損壞,而其復(fù)雜的運動軌跡及安裝位置的空間限制,讓數(shù)據(jù)采集與分析變得非常困難.

實際上,在滾珠絲杠的衰退分析中,其預(yù)載損失是一種最常被觀察到的現(xiàn)象,其分析方法可分為兩大類,一為基于物理模型的分析方法,另一類則是數(shù)據(jù)驅(qū)動分析法.物理模型利用其損壞機理來推算軸承內(nèi)環(huán)軌道損壞頻率,但至今仍沒有公認的公式可以用來分析,而數(shù)據(jù)驅(qū)動則是利用量測數(shù)據(jù)本身來預(yù)測其健康度,因此可以較為有效地應(yīng)用在實際場景.

在實際的工業(yè)應(yīng)用上,相關(guān)的制造商也開始搭建自己的工業(yè)人工智能系統(tǒng),如圖3 所示,在DT數(shù)據(jù)技術(shù)上,數(shù)據(jù)來源通常來自加裝的加速度傳感器與其內(nèi)部的控制器,控制器本身可以提供轉(zhuǎn)速和力矩數(shù)據(jù)等有用信息以供分析,AT 分析技術(shù)上會全盤比較不同的信號來源所產(chǎn)生的特征,并用特征工程對特征進行系統(tǒng)性的篩選提取,在模型建立上則是運用幾種常見的算法,如:支持向量機、線性回歸和高斯過程等算法來解決不同的任務(wù),而為了實現(xiàn)早期診斷機臺故障的目標,常用分類模型來對不同的衰退情況作分類,將衰退情況分為三大類:無衰退、些微衰退與完全衰退,接著再將三種不同的分類轉(zhuǎn)換為健康指標,最后再依此指標預(yù)測壽命.

圖3 滾珠絲杠維護系統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用架構(gòu)圖
Fig.3 Industrial application architecture of ball screw maintenance system

在PT 平臺技術(shù)上采用云計算系統(tǒng),用戶將可通過手機應(yīng)用程序線上讀取當前滾珠絲杠的健康狀態(tài),查看如剩余壽命預(yù)測、潤滑油量診斷和溫度診斷等關(guān)鍵指標,進而通過OT 技術(shù)來進行決策.

3.1.2 齒輪箱

PHM 協(xié)會在2009 年承辦的工業(yè)大數(shù)據(jù)競賽,以通用工業(yè)齒輪箱為目標,通過振動加速度數(shù)據(jù)與齒輪箱本身的規(guī)格來進行故障診斷與估計如圖4 所示.要求參賽者在沒有任何故障標簽的情況下,利用信號處理的方法與相關(guān)的背景知識來識別出故障部件、程度和模式.

數(shù)據(jù)集一共有560 個樣本,每個樣本各4 秒,包含3 個變量,2 個采樣頻率為66.7 kHz 加速度傳感器裝在輸入輸出軸的支撐板上,1 個每轉(zhuǎn)10 脈沖的轉(zhuǎn)速傳感器裝在輸入軸上,三者同時通過采樣得到.齒輪箱本身由正齒輪與斜齒輪組成,數(shù)據(jù)一共包含10 種工況,14 種故障模式.

以下將簡述幾種有效的診斷策略.在這次的比賽中,前兩名皆來自美國辛辛那提大學(xué)智能維護系統(tǒng)中心(IMS)團隊.冠軍隊伍提出了信息重組法,利用18 個帶通濾波器組合來重建頻譜并對特定的頻域做特征提取,通過聚類來做工況區(qū)分且以HOLO系數(shù)雷達圖對14 種故障進行分類,這個方法迭加了多個帶通濾波器,在全局分析同時可以發(fā)現(xiàn)局部特征,對于模型建立提供了很好的幫助.

第二名的隊伍則是采取了不同的策略,先對信號本身做常見的時域與頻域處理與小波分解、包絡(luò)譜等,在特征提取上取得了大量的特征,再由觀察輸入軸的轉(zhuǎn)速變化分離負載,利用齒輪嚙合頻率與頻譜相似性來分辨不同的齒型,再用健康評估的方法來得到無故障的樣本作基準,將剩余樣本與其找出的基準計算距離作對照,并以機率模型給出分類結(jié)果.

第三名的方法使用一種基于包絡(luò)譜和譜峭度來作分類的方法,在包含故障信息的信號微弱而噪音為主導(dǎo)的情況下,包絡(luò)譜分析并不能提供有效的信息,因此在進行包絡(luò)譜分析前需用特定的帶通濾波器來進行濾波,可降低噪音對信號的影響.

在DT 數(shù)據(jù)技術(shù)上,主要依靠加速度傳感器與轉(zhuǎn)速傳感器來采集齒輪箱包含故障信息的信號.在AT 分析技術(shù)上則是側(cè)重在數(shù)據(jù)處理的部分,通過不同方法來降低信號的噪音并提取特征,如利用帶通濾波器來改善數(shù)據(jù)質(zhì)量,再轉(zhuǎn)成包絡(luò)譜等提供相對應(yīng)的特征.

在此次的比賽中所進行的故障診斷主要為穩(wěn)定的工況與固定的負載和轉(zhuǎn)速,在實際的應(yīng)用場景中,信號的噪音可能較強或者工況可能為動態(tài)變化,因此仍需進一步的研究來探討負載和轉(zhuǎn)速快速變化的情況下,相對應(yīng)的數(shù)據(jù)處理策略與分析方法.

圖4 PHM 2009 數(shù)據(jù)競賽:齒輪箱的故障診斷
Fig.4 2009 PHM data competition fault diagnosis of gearbox

3.2 單臺設(shè)備級別的案例分析

3.2.1 設(shè)備刀具

成功的工業(yè)人工智能技術(shù)需要良好的架構(gòu),包含最小化點對點的通訊階層、行動裝置的支持、位置感知與裝置間的互動.在這樣的設(shè)計之下,裝置可以存取多種來自傳統(tǒng)云計算和網(wǎng)絡(luò)邊緣計算的資源.這樣的架構(gòu)有著幾項優(yōu)勢:

3)安全且高容量的數(shù)據(jù)存取而不必傳輸所有原始數(shù)據(jù);

2)增強物理層和網(wǎng)絡(luò)層的連接能力;

一個傳統(tǒng)的方法是依靠操作人員的經(jīng)驗,通過人員的觀察或是切削聲的程度來判斷刀具的健康狀況(圖2 左下區(qū)),人工智能技術(shù)可以通過偵測、診斷和預(yù)測刀具狀況來避免問題發(fā)生(圖2 左上區(qū)).然而,數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)可見性及結(jié)果的可重復(fù)性等因素阻礙了傳統(tǒng)人工智能的發(fā)展和無憂智能制造系統(tǒng)的實行(圖2 左上區(qū)),需要新的適應(yīng)性強的人工智能算法來系統(tǒng)性的應(yīng)用,實現(xiàn)實時且準確的刀具健康信息評估,完成工作量與廢棄量的減低(圖2右下區(qū)).

4)超算中心提供可擴展的網(wǎng)絡(luò);

5)實時的數(shù)據(jù)存取;

6)通過平行運算進行實時的大數(shù)據(jù)分析.

一個概念性的架構(gòu)設(shè)計如圖5 所示,兩臺切削機被實時監(jiān)控且機器效能、刀具更換以及必要的維修可以被操作人員得知.

每一臺機器都安裝額外的振動信號傳感器與10 kHz 采樣頻率的工業(yè)控制器,量測數(shù)據(jù)會被送到霧層作為主要的分析,在霧層中進行數(shù)據(jù)的前處理以得到干凈的數(shù)據(jù)并區(qū)分刀具的不同工況.由于刀具的狀況可能來自不同的操作區(qū)間,必須對相似的工況作完整的分析.數(shù)據(jù)的前處理完成后,干凈的數(shù)據(jù)以及必要的分析會整合在一起送入云層作進一步的分析,通過基于一種相似性方法的分析,每一個刀具的性能會與相似的刀具做比對而且具有代表性的信息如刀具的健康狀況、預(yù)測刀具損壞的時間與維修計劃會告知操作人員來做決策.

這個例子中,DT 對應(yīng)的是適合的傳感器安裝,控制器通過工業(yè)級的通訊協(xié)議如MTconnect、Modbus 等來傳遞數(shù)據(jù),而更先進的通訊技術(shù)如4G 網(wǎng)絡(luò)被用來解析來自霧層的數(shù)據(jù);AT 創(chuàng)造一個流程來轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù),讓先進的機器學(xué)習(xí)模型如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以用來評估刀具的健康狀況或是預(yù)測刀具的剩余壽命,刀具和其他部件的健康狀況通過可視化來呈現(xiàn),相關(guān)的結(jié)果可從行動裝置和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)得知.最后基于分析結(jié)果,操作人員來決定是否對該機臺進行維護、更換刀具和其他零部件等.

一般來說,在切削過程中,不同的結(jié)構(gòu)件用不同規(guī)格的刀具加工,在這個例子,切削刀具的衰退以及剩余壽命的預(yù)測都是不可見的信息.工作量的降低、廢棄物的減少以及免憂慮是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵.因此,工業(yè)人工智能的目的之一就是創(chuàng)造無憂的制造系統(tǒng).

1)通過提供預(yù)測分析工具給終端而減少網(wǎng)絡(luò)階層;

圖5 工業(yè)人工智能在刀具智能制造系統(tǒng)上的應(yīng)用
Fig.5 An application of the cutting tools in smart manufacturing systems of industrial AI

3.2.2 數(shù)控機床

數(shù)控機床主軸的健康監(jiān)測和維護是工業(yè)人工智能在設(shè)備級別應(yīng)用的范例.主軸是數(shù)控機床中最為關(guān)鍵的組件之一,不可預(yù)測的主軸故障會對經(jīng)濟成本和作業(yè)時間造成顯著的影響.通常,工廠不會儲備主軸備件,因為主軸是機床中最為昂貴的部件并且故障率比較低.這就導(dǎo)致更換主軸的周期偏長.因此,主軸的生產(chǎn)商高度重視在客戶端隨時監(jiān)測主軸的健康并在主軸產(chǎn)生故障前郵寄主軸備件.自我意識、自我配置、和自我預(yù)測是主軸智能化的三個標準,并對主軸廠家的高收益提供保證.

通過對主軸的智能系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集模塊安裝,可以采集到高質(zhì)量的振動數(shù)據(jù)以及電流監(jiān)測數(shù)據(jù)等.數(shù)據(jù)采集是通過FCFT (固定工況特征測試)的方法,讓系統(tǒng)定周期重復(fù)在固定工況下運行并采集相應(yīng)數(shù)據(jù).在數(shù)據(jù)采集的過程中機床會進行恒速運行以及變速運行.采集到的數(shù)據(jù)會通過通信模塊和機床控制器的 “握手”進行整理.機床和數(shù)據(jù)采集單元的交流會提前讓系統(tǒng)為FCFT 做準備,并通知DAQ 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的時間.

分析技術(shù)是由兩個部分組成的:1)前端的信號處理與特征提取部分;2)服務(wù)器(本地或遠端)上的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與學(xué)習(xí)部分.信號處理的專用特征是基于軸承的幾何形態(tài)、電機的型號以及傳動軸的轉(zhuǎn)速提取的.特征隨后會同其他廠房相同規(guī)格的機器一起儲存在數(shù)據(jù)庫中.機床的健康模型會通過利用在服務(wù)器的機器學(xué)習(xí)算法來合成.當系統(tǒng)檢測到一個偏差,人工智能技術(shù)會與資料庫中的數(shù)據(jù)進行比對,推理出故障種類以及預(yù)測下一次零件質(zhì)量偏差發(fā)生的時間.

智能主軸的平臺技術(shù)由前端處理單元Cyberbox 組成.前端處理單元Cyber-box 包含內(nèi)置數(shù)據(jù)采集器、通信模塊以及計算處理器,是平臺技術(shù)里重要的組成部分.當一個FCFT 周期完成采樣后,系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)按照機床運行速度進行劃分然后對時間和頻率的域特征進行提取,提取出的特征會發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中進行進一步的處理.人工智能技術(shù)會提取機床健康信息然后與機床信息以及時間戳一起儲存到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,同時會生產(chǎn)一個含有機床實時健康狀態(tài)和診斷信息的網(wǎng)頁界面.健康評估的分析結(jié)果可以讓機床對本身的健康狀態(tài)有自我意識的能力;同時,機床可以通過檢測到的故障對主軸進行剩余壽命預(yù)測,給予機床自我預(yù)測的能力;最后,主軸可以在運行中完成自我配置運行參數(shù)進而避免故障同時延長壽命.

圖6 工業(yè)人工智能生產(chǎn)線機床的5C 架構(gòu)體系
Fig.6 The flow of data and information in a 5C architecture based production line for machine tools

圖6 所展示的是用在數(shù)控機床維護網(wǎng)絡(luò)中的5C 架構(gòu).在零件級別,主軸的傳感器數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)化成信息,數(shù)字孿生技術(shù)會對未來進行規(guī)劃來對每個零部件實現(xiàn)自我意識和自我預(yù)測.在第二層,更高級別的機床數(shù)據(jù)(例如控制器參數(shù))會被整合在零部件信息中用來檢測機床狀態(tài)以及生成每個設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng).這些CPS 設(shè)備中的數(shù)字孿生還會提供額外的自我比對能力.在第三層(生產(chǎn)系統(tǒng)),通過對零部件和設(shè)備級別的知識整合,可以實現(xiàn)工廠的自我配置和自我維護.這個級別的知識不僅可以保證無憂慮和 “近零故障”的生產(chǎn),同時還可以提供工廠管理生產(chǎn)規(guī)劃和庫存管理規(guī)劃.最后,CPS 的5C 架構(gòu)可以部署在云端平臺并應(yīng)用在全世界各地的工廠.

3.3 生產(chǎn)級別的案例分析

3.3.1 富士康貼片機吸嘴的健康管理

SMT (Surface-mount technology)是一種表面貼焊(裝)技術(shù)的工藝,在工廠內(nèi)是比較成熟且自動化程度相當高的一項工業(yè)過程.這項工藝主要是將電子零組件焊接在電路板表面上的一種組裝技術(shù).該流程在電路板(Printed circuit board,PCB)上通過錫膏印刷機(Printer) 印上錫膏后,使用貼片機(IC mounter)執(zhí)行打件處理(例如電阻、電容、二極管、晶體管和集成電路等),再經(jīng)回焊爐(Reflow oven)工站的熱風(fēng)使錫膏溶融,由此使得電子零件與電路板結(jié)合,完成零件的裝配與焊接,之后再通過AOI 光學(xué)檢測儀器來管控生產(chǎn)的質(zhì)量.

SMT 制程中的貼片機臺(IC mounter)通過使用真空吸力技術(shù)來搬運電子零件,通過吸嘴濾芯傳輸真空來吸取零件,如BGA IC、聯(lián)接器(Connector)等,將這些電子零件放置到正確的電路板位置上.在實際生產(chǎn)中,吸嘴濾芯的使用壽命和使用程度將會影響到生產(chǎn)中的良率、吸嘴維護、更換工時和拋料成本,如果可以提前預(yù)測吸嘴的健康狀態(tài),就能夠提升生產(chǎn)效率及穩(wěn)定性進而增加公司的競爭力.此案例介紹工業(yè)人工智能體系應(yīng)用于貼片機臺的方法,對貼片機臺上吸嘴的健康狀態(tài)實現(xiàn)有效的管理.

傳統(tǒng)的吸嘴一般沒有標記編號,且無法進行有效地搜集和追蹤吸嘴濾芯的健康狀態(tài),需通過人工目檢的手段來檢驗濾芯臟污情形進行預(yù)測,然而這樣會造成手工作業(yè)時間成本增加.同時,檢驗人員的判斷標準不一致,一般會導(dǎo)致漏檢率高達10 %.因此,立項的前期,研究人員在設(shè)備生產(chǎn)端進行數(shù)據(jù)采集,試圖找出影響吸嘴的壽命的主要影響因素.通過收集生產(chǎn)57 小時的數(shù)據(jù),分析得知吸嘴吸料次數(shù)和真空值有明顯的相關(guān)性,因此能夠?qū)⒄婵罩狄暈橐粋€主要失效關(guān)鍵測量值.在以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行分析后,研究人員進一步提出算法構(gòu)架并建立吸嘴健康預(yù)測模型.

若能收集實時數(shù)據(jù)(吸料次數(shù)、拋料率、置件良率)建立模型來評價濾芯臟污面積并檢測吸嘴健康程度,于吸嘴衰退老化程度達到預(yù)警程度前及時進行濾芯清洗或自動更換,就可以達到降低拋料率、漏檢率的效果,同時縮短人員的手工作業(yè)時間.

在DT 采集數(shù)據(jù)過程中,通過鐳雕二維碼讓吸嘴具備獨立的ID,并通過IoT 技術(shù)與機臺連接,采集吸嘴持續(xù)使用至設(shè)備真空門坎值或吸嘴失效的數(shù)據(jù),利用分布概要圖可以分析出失效區(qū)間之相關(guān)性.

在收集有效數(shù)據(jù)后,分析技術(shù)(AT)方面通過機器學(xué)習(xí)等方法訓(xùn)練數(shù)據(jù)驅(qū)動模型,讓設(shè)備能自動判斷濾芯臟污區(qū)域,再通過改善吸嘴濾芯的潔凈度,延長其使用壽命.此模型目前在富士康集團經(jīng)歷了多次優(yōu)化及改善,使每一支吸嘴都有專屬的獨立健康模型,并植入所開發(fā)的APP 中,如圖7 所示,可以及時反應(yīng)吸嘴受堵的異常狀態(tài)并警示維護人員,又能預(yù)測部件可用的剩余壽命.

圖7 Nozzle 吸嘴預(yù)測性維護APP
Fig.7 Nozzle predictive maintenance APP

通過吸嘴健康周期預(yù)測和自動更換,智能維護系統(tǒng)可有效降低吸嘴保養(yǎng)成本、更換吸嘴維護的工時同時節(jié)省66 %拋料費用成本,并降低64 %吸嘴庫存量.

3.3.2 富士康機床部件的預(yù)測性維護

機械加工的核心部件是用來切削工件的刀具部件,最直接影響加工工件的質(zhì)量.在加工的過程中刀具會隨著切削工件而逐漸磨損,這樣會造成加工效率和質(zhì)量的下降.同時,在磨損到一定程度后要進行更換,若無更換的話,嚴重則會導(dǎo)致主軸發(fā)生故障,引起更加嚴重的損失.富士康集團擁有超過10 萬臺不同種類的精密加工CNC 設(shè)備,需要海量的人工來管理及監(jiān)控加工狀態(tài)和切削刀具的磨損情況,同時根據(jù)經(jīng)驗來判斷更換刀具的時間.而刀具管理過程有很強的不確定性,例如材料差異、參數(shù)設(shè)定等因素,都會對刀具損耗的速度造成影響.所以,通常難以單純使用經(jīng)驗法則來預(yù)測刀具的剩余使用壽命.

具體來說,在手機結(jié)構(gòu)件機加工和模具制造等過程中都會大量使用不同規(guī)格的刀具.對于車間的操作人員來說,刀具的剩余壽命和磨損狀態(tài)是不可見的,過去能夠憑借經(jīng)驗來對其進行粗略估計,或者憑借操作員的經(jīng)驗通過觀察切削火光和聲音判斷刀具狀態(tài).目前富士康以無憂刀具為目標,使刀具的狀態(tài)能夠被實時并準確地評估,提高切削刀具的穩(wěn)定性和壽命.此項目一直是富士康集團的核心研發(fā)項目之一,同時也是在國際上機械加工領(lǐng)域中的重要研究課題.

在實際生產(chǎn)中,影響刀具壽命和穩(wěn)定性的因素很多,比如刀具的材料、結(jié)構(gòu)、涂層以及加工機床的狀態(tài)、工件的材料、加工冷卻效果與場地環(huán)境等因素.傳統(tǒng)刀具壽命管理的痛點和瓶頸在于無法精確預(yù)測刀具加工過程中的正常磨損以及斷刀等狀況,通常通過加工者的經(jīng)驗、刀具的加工時間或切削長度進行刀具壽命管理.然而,過早替換刀具部件會造成生產(chǎn)成本的提高,過晚替換刀具則可能造成產(chǎn)品質(zhì)量異常,甚至引起加工機床重大損失.一般企業(yè)需要一定的人員進行質(zhì)量的監(jiān)控和檢測,同時承擔異常品的損失.因此,刀具壽命監(jiān)控及預(yù)測的機制非常關(guān)鍵,可以顯著提高切削加工的效率及質(zhì)量.傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析方法在高頻數(shù)據(jù)與多種影響因素的干擾下難以滿足實際的分析需求.因此,需要利用工業(yè)人工智能技術(shù)對海量數(shù)據(jù)進行分析建模,解決刀具壽命預(yù)測的難題.

為了有效地進行刀具壽命監(jiān)控及預(yù)測,首先在數(shù)據(jù)技術(shù)(DT)方面,在目標機床上部署邊緣端智慧硬件,將采集的原始傳感數(shù)據(jù)進行信號處理和特征提取后傳送至擁有高運算能力的FII 云計算平臺.通過使用邊緣計算,提取能夠表征刀具衰退狀態(tài)的400 多個影響健康狀態(tài)的特征,將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)體積縮小了近百倍,有效降低了數(shù)據(jù)傳輸和算力的負擔,減小了通信等基礎(chǔ)設(shè)施的投資成本.在收集數(shù)據(jù)后和在建立模型前先評價數(shù)據(jù)可用性,采用有效的信息特征來建立數(shù)學(xué)模型并加以訓(xùn)練,避免低質(zhì)量的數(shù)據(jù)影響模型性能.

在本案例中我們通過采集傳感器與控制器中的高頻數(shù)據(jù)以及PLC 低頻數(shù)據(jù)進行分析,包含振動、電壓、電流信號以及加工單節(jié)、加工時間等數(shù)據(jù)信息.在進行數(shù)據(jù)的前處理、分割、特征提取后,得到不同種類的時域和頻率特征集合,并采用不同的自動化特征選取方法,建立刀具的磨損量評估模型,同時基于刀具磨損量的評價結(jié)果建立刀具剩余壽命預(yù)測模型.

最后將該模型部署于生產(chǎn)中的服務(wù)平臺,實現(xiàn)上層應(yīng)用的用戶定制化界面開發(fā),提供接口供指定刀具傳輸實時數(shù)據(jù),實現(xiàn)刀具剩余壽命監(jiān)控及預(yù)測能力.本案例技術(shù)構(gòu)架如圖8 所示,通過采用刀具部件壽命監(jiān)控及預(yù)測維護系統(tǒng),可以最大限度的降低維護成本并優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量.此系統(tǒng)為某條機殼加工線所帶來的效應(yīng)根據(jù)初步統(tǒng)計,能夠減少60 %的意外停機時間,降低50 %巡視監(jiān)控機臺狀態(tài)所需的人力,并且質(zhì)量缺陷率從6 ‰進一步降至3 ‰,每年能夠節(jié)約16 %的刀具成本.

3.4 機器群級別的風(fēng)力發(fā)電風(fēng)場案例分析

風(fēng)電行業(yè)是一個正在高速發(fā)展的領(lǐng)域,近十年中國在這方面保持著飛速發(fā)展的趨勢并且成為風(fēng)電行業(yè)裝機規(guī)模增速最快的國家.越來越大的市場需求對風(fēng)機的性能提出了更高的要求.風(fēng)機設(shè)備制造商(OEM)在降低風(fēng)機成本方面付出了很多人力物力,但是隨著風(fēng)機制造技術(shù)的不斷完善,所剩余的改進空間越來越小.相對而言,風(fēng)機的運營管理還處在一個起步階段,風(fēng)機的故障診斷和健康管理還沒有被良好地利用.研發(fā)智能化風(fēng)機系統(tǒng)的難度在于:

1)風(fēng)資源的難預(yù)測性包含著風(fēng)速、風(fēng)向以及風(fēng)能密度的非線性變化.這些隨機性的動態(tài)過程變量對于預(yù)測風(fēng)速和風(fēng)功率的精準性提出了更高的要求.

2)風(fēng)場多建于偏遠地區(qū)以及環(huán)境多變的海上,這就對于維護工作提出了更高的要求,也會應(yīng)用到一些特殊設(shè)備,導(dǎo)致維護成本和周期長度的提升.

3)風(fēng)機傳動系統(tǒng)的衰退程度、潤滑狀態(tài)以及偏航齒輪條的磨損程度等會受風(fēng)資源的復(fù)雜性影像而具有較大的個體差異性,因此傳統(tǒng)的預(yù)防性維護很難應(yīng)用在風(fēng)場運維中.

圖8 刀具壽命監(jiān)控及預(yù)測技術(shù)構(gòu)架圖
Fig.8 The four enabling technologies framework for tool life monitoring and prediction

基于目前的風(fēng)電發(fā)展趨勢和運維挑戰(zhàn),智能化風(fēng)機系統(tǒng)需要滿足的關(guān)鍵功能總結(jié)如下:

1)風(fēng)機以及其關(guān)鍵零部件的健康管理與衰退的精確化和透明化分析;

2)風(fēng)機以及其關(guān)鍵零部件的健康趨勢分析和剩余壽命預(yù)測;

3)風(fēng)機發(fā)電性能的實時監(jiān)測和風(fēng)場級別的風(fēng)機性能分類;

4)風(fēng)場基于風(fēng)資源預(yù)測技術(shù)的智能調(diào)度管理;

5)風(fēng)場基于風(fēng)機以及其關(guān)鍵零部件性能檢測的運維優(yōu)化調(diào)度.

智能化風(fēng)機健康維護系統(tǒng)的核心是基于風(fēng)機關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)的精準評估、環(huán)境情況的精準預(yù)測以及運維任務(wù)狀態(tài)的精準分析下,對風(fēng)機運維的調(diào)度、排程和執(zhí)行進行管理決策方面的優(yōu)化.風(fēng)機所處的周圍環(huán)境比較復(fù)雜,風(fēng)機的運行機制多樣,風(fēng)機內(nèi)部的關(guān)鍵零部件較多,同時運維任務(wù)的流程和涉及到的情況比較復(fù)雜,這就需要在CPS 的框架構(gòu)造基礎(chǔ)上對系統(tǒng)的功能層級以及順序進行分析.以IMS 中心創(chuàng)造的CPS 的5C 架構(gòu)作為模版,開發(fā)智能化風(fēng)機健康維護的CPS 功能結(jié)構(gòu),每一層的具體要求和實際機制如圖9 所示.

風(fēng)場具有一個典型多源異構(gòu)體的數(shù)據(jù)類型.數(shù)據(jù)主要來源于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(Supervisory control and data acquisition,SCADA),以及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)(Condition monitoring system,CMS).這些信息資源提供了環(huán)境信息、工作狀態(tài)信息、控制變量、狀態(tài)變量、關(guān)鍵零部件的振動信號,以及一些其他數(shù)據(jù).額外的數(shù)據(jù)資源包括電網(wǎng)調(diào)度信息,工單系統(tǒng),人事管理以及資源狀態(tài)的維護等.通過IMS 中心提供的Watchdog Agent 大數(shù)據(jù)分析工具包對以上各種數(shù)據(jù)資源的綜合分析,對風(fēng)機進行建模以及可視化,形成一個可以廣泛應(yīng)用的風(fēng)機性能評估,剩余壽命預(yù)測和風(fēng)場運行維護管理系統(tǒng).

關(guān)于智能化風(fēng)場的健康管理和運行維護方面的研究與開發(fā)分為兩部分:對于風(fēng)機性能的預(yù)測分析和維護排程的優(yōu)化.首先,通過對實時數(shù)據(jù)的分析,可以完成對當前工作環(huán)境的有效路徑識別和風(fēng)資源的狀態(tài)評估.其次,提取的有效的健康特征可以建立風(fēng)機以及關(guān)鍵零部件的健康模型,當前的風(fēng)機衰退狀況也會被評估和分析.通過對風(fēng)機以及關(guān)鍵零部件的健康評估,潛在的運營風(fēng)險和儀器的可能失敗模式可以被進一步判斷,而且剩余的有效壽命也可以被預(yù)判.這些都可以作為最大化風(fēng)機發(fā)電能力的保障,同時盡可能地減少系統(tǒng)的停機時間,避免重大停機問題的發(fā)生.

智能風(fēng)機系統(tǒng)的模塊化設(shè)計具有更多的可伸縮性.例如,部署云端服務(wù)器可以提供更多的風(fēng)場定制化服務(wù)的同時完成風(fēng)機的智能化升級.通過對風(fēng)機的數(shù)據(jù)進行處理,相關(guān)的特征和模型可以上傳到云端服務(wù)平臺來實現(xiàn)統(tǒng)一化管理.用戶也可以通過這個平臺實現(xiàn)多個風(fēng)場風(fēng)機的遠端實時監(jiān)測和歷史性能的追蹤.

風(fēng)場動態(tài)運營維護的優(yōu)化需要對每一個風(fēng)機進行精準的健康狀態(tài)評估,以及同步目前風(fēng)扇健康信息,環(huán)境信息以及維護資源信息.風(fēng)資源的預(yù)測也是風(fēng)扇調(diào)度優(yōu)化的一個重要方面.風(fēng)機的維護需要在風(fēng)資源貧乏的時候進行,這樣可以盡可能地減少由于停機維護而造成的發(fā)電影響.IMS 中心已經(jīng)研發(fā)了一個用于海上風(fēng)場的中短期運行維護計劃的優(yōu)化模型.這個模型是基于風(fēng)場的真實情況和優(yōu)化設(shè)計方案以及非線性的約束條件來確保實際維護實施擁有最大限度的擴展性,該模型同時可以提供最優(yōu)決策.

圖9 基于CPS 的5C 架構(gòu)體系的智能化風(fēng)力發(fā)電風(fēng)場
Fig.9 The flow of data and information in a 5C architecture based wind farm

海上風(fēng)場維護計劃的優(yōu)化是基于海上風(fēng)場維護工作的特性而定,船只的使用、天氣因素、維護人員安排、維護訂單安排、風(fēng)機的健康狀態(tài)以及導(dǎo)航的費用都需要進行考慮.對于每一次維護作業(yè),不同的維護團隊可以被安排在不同艘維護船只來提高維護計劃的靈活性同時降低成本.但是這樣一來就增加了可行性的搜索范圍,需要增加優(yōu)化要求來解決更加復(fù)雜的優(yōu)化問題,常用的優(yōu)化軟件如Matlab Optimal Toolbox 和Guribi 很難在合理的時間內(nèi)解決這種問題.為此IMS 中心設(shè)計了一種兩層的基因算法模型用于解決海上風(fēng)場的運行維護優(yōu)化問題.這個算法有著強大的擴展性,與商用優(yōu)化軟件相比更好的計算能力以及可以更好地滿足風(fēng)場的智能化實施.以一個海上風(fēng)場的維護任務(wù)為例,與傳統(tǒng)調(diào)度計劃相比優(yōu)化后的智能調(diào)度計劃可以降低多于25 %的維護成本,顯著提升了風(fēng)場運行維護的效率.

3.5 Watchdog agent toolbox

IMS 中心在過去的研究中,從大量的應(yīng)用場景中歸納總結(jié)出一套分析流程與算法工具包:Watchdog agent toolbox,如圖10 所示,其分析流程采用了以下的預(yù)測與診斷框架,包含數(shù)據(jù)采集、信號處理、特征提取、健康評估、健康預(yù)測與結(jié)果可視化.

這樣的分析流程已被廣泛地應(yīng)用在不同層面上,從結(jié)構(gòu)較為簡單的旋轉(zhuǎn)機械元件如軸承,到組成更為復(fù)雜的工程系統(tǒng)如發(fā)動機,也從產(chǎn)業(yè)如傳統(tǒng)制造到半導(dǎo)體制造等.在不同應(yīng)用中,都需要通過算法工具獲取關(guān)鍵信息,而即使在同一應(yīng)用環(huán)境下,仍然要根據(jù)實際情況來選擇適當?shù)乃惴üぞ邅磉M行分析.因此,IMS 中心發(fā)展了一套特別針對故障預(yù)測與健康管理的工具包來將廣泛使用的算法整合在一起,用系統(tǒng)化的方式對每種算法作優(yōu)先度排序以減少實際應(yīng)用中需要反復(fù)實驗的次數(shù).

圖10 Watchdog 工具包簡介
Fig.10 Descriptions of the Watchdog agent toolbox

其預(yù)測結(jié)果可與企業(yè)本身的生產(chǎn)規(guī)劃系統(tǒng)結(jié)合來確保適當?shù)木S護措施可以在故障實際發(fā)生前進行,并加以優(yōu)化維修策略,進一步降低額外的生產(chǎn)成本.

4 結(jié)束語

工業(yè)4.0 是將工業(yè)進程以及產(chǎn)品質(zhì)量從過度依賴人員經(jīng)驗轉(zhuǎn)移到注重以事實為基礎(chǔ)的智能系統(tǒng).雖然人工智能在這個過程中起著至關(guān)重要的角色,但是傳統(tǒng)的人工智能技術(shù)過于注重日常生活、社會交流、金融等行業(yè).相比而言,工業(yè)人工智能是一個基于工業(yè)領(lǐng)域,注重于效率性、可靠性、重復(fù)性以及系統(tǒng)優(yōu)化的智能系統(tǒng).工業(yè)人工智能技術(shù)更加適用于解決特定的工業(yè)問題.盡管當前工業(yè)人工智能技術(shù)正在飛速發(fā)展,然而整體上仍處于起步階段,工業(yè)界的許多實際的問題仍然沒有得到有效解決,如何發(fā)展工業(yè)人工智能方法體系以更好地服務(wù)實際工業(yè)生產(chǎn)并創(chuàng)造價值是未來的研究方向.具體來說,首先以深度學(xué)習(xí)為代表的計算方法是構(gòu)建智能系統(tǒng)的核心因素,此類技術(shù)的發(fā)展會直接提升我們對工業(yè)大數(shù)據(jù)的利用能力;同時,當前對工業(yè)系統(tǒng)的分析主要集中于對傳統(tǒng)信號的處理,如振動信號、控制信號等,將最新的機器視覺方法引入傳統(tǒng)工業(yè)中對解決如質(zhì)量檢測、實時反饋控制等實際問題有著巨大的潛力;隨著5G 技術(shù)的發(fā)展,低延遲的分布式工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也會為工業(yè)人工智能體系帶來新的機遇,進一步推動完善工業(yè)級數(shù)字孿生系統(tǒng).本文所提出的工業(yè)人工智能系統(tǒng)框架預(yù)期會幫助專業(yè)人員探查復(fù)雜系統(tǒng)的隱性知識,同時通過對工業(yè)設(shè)備實現(xiàn)自主判斷能力來完成彈性生產(chǎn)并最終創(chuàng)造更大的社會價值.

審核編輯：符乾江