MathWorks工業(yè)自動化和機械領(lǐng)域行業(yè)經(jīng)理Philipp Wallner日前在接受《電子工程專輯》采訪時預測稱，2021年，整個工業(yè)領(lǐng)域?qū)拇笠?guī)模生產(chǎn)向定制化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，數(shù)字化變得比以往更加重要，包括生產(chǎn)系統(tǒng)更加自主化、工程師更依賴通過仿真的方式去確認設備的行為等。

他將未來的工廠稱之為“柔性（Flexible）”的，認為市場驅(qū)動力源自商品的個性化，包括從大規(guī)模生產(chǎn)向定制化生產(chǎn)、自主的生產(chǎn)線需求、以及產(chǎn)品迭代周期縮短等因素。當然，由此帶來的挑戰(zhàn)也顯而易見，系統(tǒng)復雜性的增加最為顯著，例如參數(shù)數(shù)量與種類、模組與元件之間的數(shù)據(jù)交互和無處不在的軟件。這樣，就需要越來越多的仿真模型去進行參數(shù)的調(diào)優(yōu)和設計，需要AI和數(shù)字孿生技術(shù)用于運行優(yōu)化，或是對設備進行健康預測。“這其中涉及到幾個比較重要的生產(chǎn)要素。”Philipp說，其一，性能越來越強勁的硬件，這是確保復雜算法能夠順暢運行的先決條件；其二，由于系統(tǒng)日趨復雜，開發(fā)者需要新的工具和設計流程用于開發(fā)、測試和部署控制軟件和AI算法；其三，也是非常重要的一點，就是要有越來越多的工程師能夠把各自領(lǐng)域內(nèi)的專業(yè)知識與AI技術(shù)融合起來。而以下五大工業(yè)趨勢將促成以上預測：

趨勢一：AI項目的經(jīng)濟性優(yōu)勢日益凸顯

目前，在工業(yè)領(lǐng)域，柔性和自主制造是AI發(fā)揮優(yōu)勢的重要應用方向，例如預測性維護、健康監(jiān)測、生產(chǎn)優(yōu)化、基于視覺的質(zhì)量檢測等。MathWorks提供了大量APPS用于幫助工程師進行AI功能的設計開發(fā)，并通過與包括微軟在內(nèi)的廠商合作，將非實時性的數(shù)據(jù)部署在云端，從而實現(xiàn)從云端到邊緣設備端的完整部署。

MathWorks提供了大量APPS用于幫助工程師進行AI功能的設計開發(fā)

在Philipp列舉的Mondi公司案例中，通過利用MATLAB開發(fā)出的用于監(jiān)測生產(chǎn)線狀況的APP，Mondi公司每年能夠節(jié)省至少5萬歐元費用；而在與VDMA的合作中，MathWorks通過提供AI應用指導書指導企業(yè)將AI技術(shù)應用在基于視覺的智能檢測、機器人訓練等各種應用中。他強調(diào)說，軟件已經(jīng)成為很多用戶的一個主要資產(chǎn)，并正在成為他們與同行區(qū)分開來的重要因素。復雜的軟件，很多情況下包括AI和工程數(shù)據(jù)的融合使用，在幫助生產(chǎn)制造企業(yè)獲取成功方面上扮演著越來越重要的角色。在這種背景下，開發(fā)和測試基于軟件的功能變得越來越重要。所以，生產(chǎn)制造行業(yè)的領(lǐng)導企業(yè)都在幫助工程師開發(fā)和驗證軟件功能方面相關(guān)的工作流以及工具方面，大力投入。

趨勢二：機器的功能驗證轉(zhuǎn)向數(shù)字模式

如前文所述，由于復雜的系統(tǒng)功能日益依賴通過軟件實現(xiàn)，使得設計過程中的仿真和測試驗證工作，更多傾向于采用數(shù)字化模型的方式去實現(xiàn)從設計，到交付，再到運行的全生命周期。這種復雜性往往來源于我們對于柔性生產(chǎn)、模塊化生產(chǎn)、更高質(zhì)量和精度、更多數(shù)據(jù)吞吐能力、以及更短的上市時間和交付周期的需求。這意味著，未來的工廠將被建造兩次——先虛擬，再實體。在設計環(huán)節(jié)，設計人員可以在Simulink環(huán)境下用桌面仿真的方式對整個系統(tǒng)進行完整的構(gòu)建，并在比較安全的環(huán)境下對整個系統(tǒng)做基于仿真的測試；接下來，利用MATLAB提供的自動代碼生成功能，將經(jīng)過驗證的算法生成面向于工業(yè)控制器的CC、C++代碼；再下一步，通過采用虛擬交付技術(shù)，將測試環(huán)境部署到實時運行的工業(yè)原型機上，對即將交付的軟件進行測試，從而顯著減少利用物理實體進行測試的需求；最后，就可以利用這種模型去構(gòu)建數(shù)字孿生體，用監(jiān)測/預測性維護算法對設備的狀態(tài)進行估算，降低運維成本。

基于仿真的測試

在回答“單純依靠模擬仿真能否全面的驗證機器的功能以及其設備生命周期？”這一問題時，Philipp表示，仿真模型不能用作完全替代物理世界進行的測試驗證。基于模型設計的目標是在設計的早期就開展功能測試，以避免將一些設計上的問題帶入到后面的物理實體的制造環(huán)節(jié)。利用仿真技術(shù)的生產(chǎn)系統(tǒng)早期的測試驗證，將顯著減少后面投入在物理實體上測試驗證的時間投入，但并不能完全的替代物理世界的測試，至少短期還無法達到。“一些極端環(huán)境或涉及人身安全的環(huán)境下的測試，使用仿真模型可以很方便的開展，這樣就能避免將測試的人員置于危險的環(huán)境下。另外，對于那些在物理世界需要很高的測成成本、以及可能對設備本身或測試人員造成傷害的測試場景，都可以應用仿真技術(shù)來幫助我們完成測試。”他說。

趨勢三：生產(chǎn)車間和辦公場所進一步融合

生產(chǎn)車間和辦公場所的融合在這里包含兩個方面的內(nèi)容：首先是自動化組件的連接或聯(lián)系在持續(xù)增加，生產(chǎn)設備和整個車間、廠房通過標準化的工業(yè)協(xié)議如OPC UA、無線鏈路如5G正有效的連接在一起。這使得在各個單元間進行數(shù)據(jù)交換成為了可能，而這正是實施或落地AI的基礎(chǔ)。另外一個方面是，復雜的功能，如機器學習，以往只有在線下高性能工作站上，或者說，在辦公場所才能進行的，現(xiàn)在正在以一定的方式部署在實時工業(yè)控制器上，七天二十四小時不間斷的運行。

在桌面計算機上開發(fā)的AI算法運行在工業(yè)控制器上

但有一點需要引起注意，即網(wǎng)絡安全和數(shù)據(jù)存儲是AI應用于生產(chǎn)制造時所面臨的重要問題，同時也是傳統(tǒng)生產(chǎn)制造領(lǐng)域比較受重視的IT話題。目前來看，AI算法的一些關(guān)鍵部分經(jīng)常直接部署在嵌入式控制器或邊緣設備上，如PLC，而這些處理單元都是靠近制造工廠里的設備，這在一定程度上減少了數(shù)據(jù)泄露的風險。或者說，原始數(shù)據(jù)的預處理，是在一個安全的環(huán)境中的邊緣設備或嵌入式處理器上完成的，經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)才進一步通過潛在的非安全網(wǎng)絡傳輸出去。

趨勢四：機器人和自主系統(tǒng)促進生產(chǎn)和物料搬運自動化

在柔性和模塊化生產(chǎn)中，工廠對自主設備的需求越來越強烈。在以往的概念中，原有的自動化設備只能做某一類特定的動作，是確性的，但隨著更多的設備具備了自主決策的能力，其自主性更強，自主機器人就是其中一例。得益于強大的硬件性能和AI技術(shù)的大規(guī)模普及，在柔性制造中，協(xié)作機器人既可以與操作人員進行緊密協(xié)作，也可以在搬運和檢巡過程中進行自主的智能化決策。

在物料車間進行分揀的機器人

Philipp指出，具備AI能力的機器人能夠靈活的造作那些即使沒有明確在程序里表明的物體類型，這就極大的減少了在處理種類繁多的物體時非常耗費時間的指導過程。傳統(tǒng)的工業(yè)機器人主要為大規(guī)模生產(chǎn)服務，通常要面向每一個要操作的物體和每一個在運行時的確定動作進行編程。具備AI能力的機器人具有非常好的靈活性，可以在產(chǎn)線上自主的對物體檢測、抓取以及移動進行學習。

趨勢五：“領(lǐng)域知識+”型工程師擁有更多機會

“領(lǐng)域知識”，指的是工程師對所在行業(yè)中專業(yè)知識的掌握；“新知識”，指的是對AI技術(shù)、云、軟件設計等知識的掌握。目前來看，越來越多的生產(chǎn)制造工程師正在向他們自己所擁有的技能集合里面添加諸如軟件設計、AI等技能，而像MATLAB這樣的工程工具也在為這類工程師提供便于開發(fā)、測試和部署AI算法的自動化工具App。在這一過程中，MATLAB本身提供豐富的小程序apps， 可以幫助具有專業(yè)知識的工程師快速將如AI這樣的新技術(shù)融入到自己的實際工作中。課程方面，MathWorks提供了豐富的面向工程師和學生的培訓課程，其中包括完全免費的onramp課程。除了這些工具和課程外，公司也與一些組織，如歐洲最大的工業(yè)制造領(lǐng)域的團體組織VDMA，一起開展一些入門活動，把年輕的工程師和行業(yè)內(nèi)的一些專家組織在一起，讓年輕的工程師們快速的獲得有關(guān)基于模型設計、AI以及物聯(lián)網(wǎng)等方面的一手知識和經(jīng)驗。“將來的生產(chǎn)制造行業(yè)，勢必會被那些結(jié)合了傳統(tǒng)行業(yè)的領(lǐng)域知識，并且也掌握AI技術(shù)的那些工程師所塑造。可以說，領(lǐng)域知識、專業(yè)技能（如AI、數(shù)據(jù)分析）以及像MathWorks所提供的工程工具的使用，是工業(yè)４。０下開展項目取得成功的關(guān)鍵。”Philipp說。
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