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工业4.0时代的状况与挑战 - ICRA 2019

发表于:2019-06-10 11:28 作者:新闻小编 来源:新闻小编

本文为康涅狄格大学教授Peter B.Luh在ICRA 2017上进行的工业4.0主题演讲。Peter B. Luh教授是国际著名生产制造调度专家、IEEE Fellow、清华大学自动化系何毓琦讲席教授组首席教授。Peter教授1973年获得国立台湾大学电气工程专业学士学位,1977年获得美国麻省理工学院(MIT)航空与航天专业硕士学位,1980年获哈佛大学应用数学专业博士学位。1980年至今任教于美国康涅狄格大学电子与计算机工程系,2006年至2009年曾担任系主任。

谢谢。很荣幸在这里为大家介绍工业4.0 - 自动化与机器人,我主要研究的方向就是工业4.0 。那么工业4.0是指什么呢?

第四次工业革命

我们都知道,一共有4次工业革命,第一次是1784年开始的工业革命,由蒸汽机的发明推动,协助了机械化生产。第二次工业革命大家都知道是电推动的,它催生了福特汽车的组装线。第三次工业革命来自计算力,标志性的事件是1969年发明的PLC。

第四次工业革命呢?是网络的力量,来自计算力以及沟通,它们一起可以产生巨大的力量,从几年前德国政府做智能制造的研究开始。它是否成为了事实,它只是个名字,或者是企业想要在两年后达成的目标?我们今天就可以讨论一下,它是否是一个热潮,它会发展成什么样,它对自动化和机器人的影响如何。

我会讲下面几部分,简单介绍一下背景,工业4.0的设计准则,历史中的经验教训,简单介绍几个关键技术,包括3D打印、机器人、虚拟计量学和优化理论。然后简单介绍一下美国和日本的工业4.0状况。

背景

工业4.0的背景在于需求推动进步。客户需求高质量、多功能,并且想以合理的价格定制产品和服务;并且全球的企业之间也有激烈的竞争。供给侧的进步动力来自于科技进步,就是网络的力量。我们看看摩尔定律,大家都知道摩尔定律,每18个月晶体管的数量就会翻倍。从1965年摩尔提出的这个预测以来已经50年,准确地说是52年了,每18个月就会翻一番,它改变不只是晶体管的数量,它带动了所有事情的进步,从半导体工业到手机、PLC到各种各样的东西。在它们的推动下,现在两个实体间的联系和互动已经非常普及,人、机器、更多别的东西都是,数字化把物理世界和虚拟世界混合在一起。我们也看到了新兴的颠覆性技术。

所以,伴随着所有这些进步、这些联系、这些真实世界和虚拟世界的混合、这些新兴的颠覆性技术,未来的制造业会怎样变化?身边的事物可以连接到一个中心服务器,或者连接到车上,对你来说是随时可以用的,而且去中心化了。那它们未来会怎么样?

设计规范

所以工业4.0的原始设计规范表述出来是这样的,包括以下六点内容:

·第一点是互通性,网络物理系统或者人可以互相连接和通讯,通过物联网(Internet of Things)或者服务网(Internet of Services);

·其次是虚拟化,对所有连接到物理系统的东西做备份;

·相比于把所有东西用层次网络连成一个中心化的层次网络,我们更希望是一个去中心化的网络,网络物理系统或者人可以独立做出决定;

·再者,实时性也不可少,我遇到一个问题以后思考了好几个小时还不给出反馈是不行的,需要实时;

·此外,要面向服务,通过服务网络提供服务;

·我们还需要模块化,联网的东西需要能够灵活适配,跟上变化的需求。

根据以上这些,就可以达到自我优化、自我配置、自我诊断,对工作者进行识别和智能支持。一切都齐了,这不仅很好,而且不是没可能实现。

历史中的经验教训

80年代的自动化工厂是不开灯的,黑漆漆的。你可能会问,人看不清怎么办?但其实已经不需要人看见了。这算是成功了吗?我们都有听闻,自动化应该用在产生效用的地方。

我自己就在做这方面的研究,我们把自动化用在人类做起来太枯燥、太危险的事情上。另一个例子是数据分析,我们需要获得大量的数据,然后用自动化帮忙我们分析,找到其中的规律。把关键的事情用自动化解决,而不是所有的事情。

20年来,许多公司倒闭了,但是也有很多公司不仅仅是出现了,而且发展得很壮大,比如亚马逊、ebay、谷歌、阿里巴巴,它们改变了我们生活和思考的方式。

为了成功达到目的,我们需要知道我们在干什么、想要去哪里、想要做什么。在讨论这些之前,我们先看看有哪些关键技术。

关键技术

讨论关键技术的话:

·首先,我们会想到物联网、想到通讯、想到感知、想到集成。这些是物联网的核心技术。

·具体包括感知和通讯技术、云计算和本地计算、服务器和物理设备安全,还有大数据分析。还有很多的东西可以列在里面。

·还有集成化。垂直集成、水平集成,在生命期内从头到尾、从产业链顶端到底端的集成。还有网络、物理设备、人之间的集成。

·现在还有新兴的颠覆性技术,在这儿介绍几个。包括 3D打印、机器人、虚拟计量学和优化理论。

3D打印

大家都听说过3D打印,这已经不是什么新技术了。如果在1980年的时候听说它,是什么感觉呢?不怎么样呀,用的是塑料,但是做的东西很小,又很慢,使用场合很受限。但是现在不一样了,使用场合多多了。碰到加工复杂度非常高的东西,比如右上角的复杂几何体,以及这个飞机发动机叶片,用传统工艺想要做得很轻的话,设计和制造都非常繁琐,制造起来会花很多时间,工序也非常多。3D打印直接就把加工复杂度的问题解决掉了,再也没有加工起来复杂的东西了。

在设计的时候,传统设计并没有发挥出设计的全部潜力,因为没办法设计得很复杂,要考虑如何组装起来。现在有了3D打印,一次成形,设计人员可以有更多的选择空间来发挥出设计的全部潜能。

对于库存和供应链来说,用空间站举例吧,很多零件都有可能出故障,那空间站就需要很多库存、很多备用零件。这样好吗?还是干脆配备一台3D打印机,随时做需要的零件。举了空间站的例子,但是对于类似这样的高价、高度定制化的使用场合,我们需要很多库存吗?还是一台多功能的3D打印机就够了。所以这样一来,供应链就从根本上改变了,要简单、扁平得多。

对公司来讲,启动门槛也要低很多。做这样的飞机叶片,传统上需要很多工序,但是有了3D打印以后就有更多的人可以把它设计、制造出来。很多初创企业就有了机会。

这其中的关键点是,管理数字财产的版权。虽然现在我们还没有走到那一步,但是这其中的挑战是非常多的。比如在线监控和反馈,多数的3D打印设备还是老式的、没有这些功能的。

产品的质量也是挑战,外型、结构、物体特性比如尺寸,虽然解决了加工复杂度的问题,但是质量方面还有很大挑战。还有一些挑战来自不同材料的选择、加工产品的大小和加工速度的选择。

3D打印不仅可以连接到物联网,而且可以从物联网得到真正的帮助。它可以从物联网得到更多的信息、更多的感知、更多的沟通、更多的反馈。它也会是一项关键的生产加工技术。

机器人

在座的各位很多都是机器人专家,比我懂的多得多了,很多情况你们都知道。那么基于工业4.0、基于物联网的机器人会是什么样的呢?对于工业机器人和智能机器人都有过很多讨论了,仍然有很多关注在反馈控制、组装上。但是如果想想机器人是基于工业4.0的会怎样呢?每个机器人都有拥有智能,拥有机器学习的能力,而且有实时的数据计算能力,可以大大提高机器人的性能和灵活性。

重要的进展有这样几个,云机器人、机器人网络,协作机器人,还有无人机。许多许多公司都在无人机开发方面做出了各种突破性进展,这令人很激动,它们在重要的事情上拓展了人类的能力。

挑战也有不少。这次会议上就会讨论到其中的一些技术问题;物联网要如何驱动机器人,反之亦然;以及伦理,明天会有一场单独的关于伦理的讨论,讨论技术带来的失业和机器人武器。弄清了这些以后才称得上专业的工程师。

虚拟计量学

这方面的目标就是,产品零缺陷。但是100%的产品检验总的来说是不切实际的。所以在工业4.0中,虚拟分析和实体设备结合以后产生的新能力,可以把实际测量变成虚拟测量。把它和感知、统计、预测、计量、因果关系、自动化技术结合起来。现在这种方法已经在一些领域得到了应用,半导体工业、液晶显示、太阳能电池、机械工具、自动化以及航天工业中。所以,虚拟测量的可以工业4.0中的质量控制带来更好的保证。

为了达到零缺陷的目标,Fan-Tien Cheng博士把这个称作工业4.1,在工业4.0的基础上再前进一步。这对3D打印的质量提高也可能带来启发。

工业4.0的好处

普华永道做了一个关于工业4.0的调查,看看工业界对工业4.0抱有的期望是什么样的。这份调查是2016年的,他们觉得在优化商业规划和控制、更好的生产与操作规划、提升客户关系、提高固定资产使用效率等等方面都会带来提升,这是他们对工业4.0的期待。我们能看到什么呢?优化和提升效率是其中最关键的。这里也就有了去中心化,带有自我优化能力的去中心化。

优化

优化问题的解决非常关键,但是对离散的多变量做优化很难,因为它非常混乱,没有梯度下降这样的处理方法。所以随着变量池增大,解决问题的难度也急剧增大。所以我们做了近似最优优化方案,它通过基于价格的分解和协调,有着可量化的性质,而且执行起来很快。

我们的近期进展有一项“代拉格朗日释放法”能够解决传统拉格朗日释放法计算困难的问题。当计算复杂度急剧上升的时候,我们能怎么办呢,我们对它进行分解,问题复杂度也就大幅度下降。传统的方法有很多的问题,我们把它们都克服了,我们采用分支和切割的方法,利用了分离性和线性。我们还有加速衔接,有紧凑的子问题方程,有分布式的异步算法,可以实时解决很多问题,对工业4.0需要的状态协调、自主优化等等都能起到帮助。

美国的工业4.0

最后我想讲讲工业4.0在美国和日本的现状。

在美国,有一个高级制造合作伙伴计划,是在奥巴马政府领导下2011年签署的的,在这样三个领域内给出了16条建议:鼓励创新;让人才培养机制更牢固,主要是教育方面;改善商业环境,比如改善政策、更多基础设施投入。还有14个制造创新的全国网络,是基于不同的工业类型的,有纺织、集成光学、3D打印、高级工业机器人。机器人方面的关注点在于多功机器人系统,要有灵活性;还有机器人的快速部署和功能更换,更换机器人所从事的工序的时候可以很快;以及低成本的方案。这部分内容还比较新颖,不久之前才得到批准。

它影响到的有生物技术;有清洁能源智能制造,做高级感知、控制和建模,尝试降低生产过程中的能量消耗;有数码生产和设计,是集约型的、轻量的;有多功能的混合电子;有生物制药;有碳化硅和氮化镓;有原子级别的加工;还有重复使用、拆解、重新加工、重复使用和恢复。可以看到每个类型都有多种,公司参与在其中,政府也拿出了有140万到200万美元的预算。

你可能会说,这是奥巴马政府下的事情了,特朗普政府如何呢,他可反对了很多前任政府的政策。但是他说他要让美国再变得伟大一次(make America great again),加强工业、创造工作机会,所以他没有改变这方面的预算。

日本的工业4.0

日本的工业4.0有三个主要推动力,机器人优先倡议、工业价值链倡议和物联网加速财团。机器人优先倡议关注的重点是生产制造中的物联网、知识共享和物联网应用的优点,会涉及到传感器、人工智能、数码和网络技术的方面。有超过200家企业和超过90个组织机构共同引领着这个方面。工业价值链倡议方面,有一个论坛,对应的是德国的工业4.0组织;有19个工作组在这边。IAC注重的是加速解决方案的落地和演示。

日本就是这样进行工业4.0的。拿出来对比一下话,感受如何呢?他们在物联网中投入很多的沟通和多样性,这样的数码化和多样性全日本的各个层次都能看到,不只是加工行业中,而是整个工业中。

结论

不管如何称呼它们,工业4.0的一部分都已经永久落地了。摩尔定律已经52年了,推动着每18个月翻倍的计算力,然后推动的不只是计算机,它推动了社会中一切事物的发展,不只是加工制造,我们的生活方式也发生了巨大的改变。

80和90年代的时候我们有子整体的推动力和一些概念,现在在工业4.0的阶段我们把它们又发展了一大步,更先进的技术会永久落地。我们要更好地理解这种现代化的发展,我们不仅参与这个革命,而且要热烈拥抱它。

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