人工智能和機器學(xué)習(xí)將共同引領(lǐng)第四次工業(yè)革命

人工智能和機器學(xué)習(xí)正在變革制造業(yè)。根據(jù)世界經(jīng)濟論壇去年年底發(fā)布的報告，人工智能、先進(jìn)機器人、增材制造和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合將共同引領(lǐng)第四次工業(yè)革命。

大多數(shù)制造業(yè)企業(yè)（80％）預(yù)測未來會看到人工智能計劃的積極影響，預(yù)計收入增長22.6％，成本降低17.6％。

事實上，制造企業(yè)已經(jīng)在使用人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)來減少設(shè)備停機時間、發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)缺陷、改善供應(yīng)鏈和縮短設(shè)計時間了。然而，缺乏技術(shù)人員、數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)使得許多企業(yè)無法繼續(xù)前行。

通用電氣走在前沿

通用電氣（General Electric）是走在這一輪產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型浪潮前沿的企業(yè)之一，該領(lǐng)域的生產(chǎn)力下降促使通用電氣一直致力于探索人工智能的使用。

“截至2010年，生產(chǎn)力增長率在4％至5％之間，”通用電氣軟件研究副總裁Colin Parris表示。然后，這個領(lǐng)域發(fā)生了變化，經(jīng)驗豐富的工程師們即將退休，而通用電氣所在的新興地區(qū)如印度和中國，主要勞動力是年輕人。

同時，客戶要求正在迅速變得越來越復(fù)雜。通向目的地的多條線路上的極端天氣條件和空氣污染影響了通用電氣生產(chǎn)的噴氣發(fā)動機。社交媒體放大了任何故障的影響，迫使客戶要求更高的可靠性和更少的停機時間。

與此同時，客戶預(yù)計價格也將繼續(xù)下跌。

Parris說：“人們會說你無法預(yù)測未來。你絕對可以。人們希望價格更便宜?！?/p>

為了解決這個問題，通用電氣公司轉(zhuǎn)向采用人工智能和機器學(xué)習(xí)，從給客戶提供服務(wù)開始，例如對噴氣發(fā)動機和渦輪機進(jìn)行維護。然后，通用電氣將AI應(yīng)用于內(nèi)部制造，然后是設(shè)計和內(nèi)部流程，例如數(shù)據(jù)中心運營和人力資源。

“在過去至少10到15年中，我們一直在服務(wù)中使用各種模型和分析形式，”Parris說。5年前，通用電氣開始使用機器學(xué)習(xí)和數(shù)字雙胞胎以提供機器的虛擬呈現(xiàn)，例如風(fēng)力渦輪機或分組、風(fēng)電場等。數(shù)字雙胞胎也可用于呈現(xiàn)裝配線、整個工廠或采購流程。

在通用電氣，數(shù)字雙胞胎用于模擬性能，預(yù)測故障，并對潛在改進(jìn)進(jìn)行快速測試。

“我們可以預(yù)測會在哪發(fā)生故障，這樣我們就會派專門的工程師，有針對性地庫存零件。我們提高燃油效率，延長飛行時間，不用庫存不必要的零件。我們已經(jīng)為客戶實現(xiàn)數(shù)百萬美元的成本節(jié)約?！?/p>

為每臺設(shè)備、每個系統(tǒng)或者每個流程配備數(shù)字雙胞胎的另一個好處是，通用電氣可以利用增材制造（例如3D打印）來生產(chǎn)定制零件，而不必依賴傳統(tǒng)裝配上的那個批量生產(chǎn)出來的替換零件。

“隨著時間的推移，機器的性能會發(fā)生降級?，F(xiàn)在我可以說，‘因為我看到訓(xùn)練邊緣出現(xiàn)的設(shè)備損壞或者是這種刀片出現(xiàn)更多的開裂，所以我是否可以設(shè)計專門的零部件？’增材制造讓我可以一次生產(chǎn)出一個部件，來解決這臺機器在環(huán)境中遇到的獨有問題，而不是必須在大型工廠內(nèi)生產(chǎn)出數(shù)百個部件。以前，我不得不投資數(shù)億美元來建造工廠。現(xiàn)在，我一次只打印一個部件，并且還可以不斷調(diào)整機器的機身和核心系統(tǒng)?，F(xiàn)在我有了這樣一臺可以不斷自適應(yīng)的、越來越富有成效的機器，我們稱之為不朽的機器?！?/p>

“我正是我認(rèn)為對通用電氣來說未來會變得非常有趣的原因，”他補充道。

預(yù)測性維護前景看好

還有其他一些制造企業(yè)也在考慮使用人工智能和機器學(xué)習(xí)來降低成本、提高性能。

總部位于美國佛羅里達(dá)州的Jabil是一家財富500強公司，為全球主要品牌提供合約制造服務(wù)。幾個月前，Jabil公司開始使用人工智能來發(fā)現(xiàn)制造缺陷，以及進(jìn)行預(yù)測性維護。

例如，Jabil在中國開設(shè)的一家工廠中，自動光學(xué)檢測機器配置有多個攝像頭尋找制造中的電路板存在的缺陷。

此前Jabil已經(jīng)使用了基本的圖像識別技術(shù)來尋找缺陷，但系統(tǒng)標(biāo)記出要發(fā)送給操作人員進(jìn)行檢查的電路板中，有35％到40％實際上根本沒有問題。

Jabil公司高級經(jīng)理Ryan Litvak表示：“操作員對每個圖像有兩秒鐘的時間，其中一些圖像可能非常大，有數(shù)百個組件。挑戰(zhàn)就在于要捕捉操作員的直覺，并且要有很高的準(zhǔn)確度，能夠判斷出這是一個缺陷，或者這不是一個缺陷?！?/p>

Jabil通過減少標(biāo)記的電路板數(shù)量而不犧牲準(zhǔn)確性，能夠讓其運營商把更多時間用在研究出問題的電路板上，或者用于其他更有價值的任務(wù)上?！?/p>

“我們已經(jīng)能夠得出非常好的結(jié)果。真實缺陷的捕獲率在93％到98％，這是非常高的，不僅如此，還避免了大約70％的誤判，也就是那些實際上沒有缺陷的組件。”

他說，概念驗證涉及兩條生產(chǎn)線，這兩條生產(chǎn)線在設(shè)備和工藝上非常相似?，F(xiàn)在，Jabil正在努力將其推廣到不同的生產(chǎn)線上，以處理更大量的數(shù)據(jù)，并將新的決策過程直接納入工作流中。

Jabil公司關(guān)注的另一個領(lǐng)域是預(yù)測性維護，最大挑戰(zhàn)是要獲取所需的數(shù)據(jù)。

Litvak表示：“在使用中的系統(tǒng)有很多，大量不同的設(shè)備。其中一些系統(tǒng)有自己的系統(tǒng)來進(jìn)行維護，有些則沒有。一些供應(yīng)商通過電子表格來追蹤維護情況，有些則是有自己開發(fā)的系統(tǒng)?！?/p>

他說，Jabil的數(shù)據(jù)科學(xué)家正在努力規(guī)范這些數(shù)據(jù)，并與微軟的專家合作，建立預(yù)測設(shè)備故障所需的深度學(xué)習(xí)模型。

根據(jù)麥肯錫的研究結(jié)果，對工業(yè)設(shè)備進(jìn)行AI增強的預(yù)測性維護將使年度維護成本降低10％，停機時間減少20％，檢查成本降低25％。

麥肯錫慕尼黑辦事處的合伙人MatthiasK?sser表示，最近幾個月有幾個對人工智能特定用例進(jìn)行試點項目引起了人們極大的興趣。

最大的影響是在質(zhì)量檢查和預(yù)測性維護中使用計算機視覺和傳感器數(shù)據(jù)。

他說：“我們目前在幾家試圖利用人工智能巨大潛力的公司內(nèi)實施這種基于視覺的AI應(yīng)用。然而，為了充分利用潛力，企業(yè)需要快速將這些試點的學(xué)習(xí)項目轉(zhuǎn)化為跨職能和流程的整體AI轉(zhuǎn)型。這個時候才真正開始發(fā)揮作用?！?/p>

準(zhǔn)確性問題

另一家剛剛開始使用圖像識別來發(fā)現(xiàn)制造問題的制造企業(yè)是Lennox International，一家位于美國達(dá)拉斯的HVAC系統(tǒng)制造商。

Lennox公司IT、高級和新興技術(shù)總監(jiān)Sunil Bondalapati表示：“準(zhǔn)確率遠(yuǎn)高于人類?，F(xiàn)在，我們的準(zhǔn)確率提高了大約20％。我們認(rèn)為這不是人員數(shù)量的對比，更多是準(zhǔn)確率的對比。”

Lennox公司還向企業(yè)客戶提供設(shè)備租賃，與通用電氣一樣，改善維護是核心需求。

如今，HVAC設(shè)備將有關(guān)其性能的信息傳輸?shù)皆贫?，每小時有800萬條新記錄。

利用智能來實現(xiàn)實時預(yù)測設(shè)備故障，這在以前是不可能的。

Bondalapati表示：“這就是人工智能的用武之地，它可以保留兩年前特定設(shè)備的背景和記憶——設(shè)備在105度溫度下的性能如何，當(dāng)濕度達(dá)到某個點的時候，性能如何，現(xiàn)在性能又是怎樣的?！?/p>

Lennox從4個月前開始這個項目，其結(jié)果令人鼓舞，Lennox已經(jīng)決定在接下來的4個月內(nèi)開始全面推進(jìn)該技術(shù)。

他說，計算維護方面的投資回報是一件棘手的事情?！爱?dāng)設(shè)備沒有發(fā)生故障時，你如何計算投資回報率？我們不得不在明年做一些數(shù)據(jù)收集方面的工作?！?/p>

但Lennox已經(jīng)把存儲和計算成本降低一半了，因為使用了DataBricks技術(shù)來整合數(shù)據(jù)。

“現(xiàn)在20個內(nèi)核減少到4個內(nèi)核，”他說。

人工智能在的Lennox另一個用途是財務(wù)方面。舉例來說，計算公司應(yīng)該為保修留出多少錢。

Bondalapati說：“以前，我們只是批準(zhǔn)一定數(shù)額的金額——例如2000萬美元或者3000萬美元——而沒有科學(xué)的方法來知道需要多少錢來為客戶退貨。今天，使用人工智能，我們能夠預(yù)測每個組件的故障率，并告訴保修部門預(yù)留多少錢，隨著我們獲得的數(shù)據(jù)越來越多，我們也可以隨時調(diào)整預(yù)算金額?！?/p>

他說，他預(yù)計這樣做可以讓預(yù)留金額減少10％。

人工智能激增的力量

Lennox也在使用人工智能來解決會計問題。

“我們做了數(shù)以百萬計的總分類賬，讓財務(wù)員工來處理每天所有的賬目顯然是不可能的。”

他說他的團隊一直在尋求利用人工智能來幫助企業(yè)的機會。

“我們就像一個內(nèi)部咨詢機構(gòu)。我們一直在售賣這種產(chǎn)品，我們每周與業(yè)務(wù)部門和其他利益相關(guān)方進(jìn)行溝通，并提出其他用例供他們試用。”

他說，Lennox在使用人工智能方面還處于初期階段?！皩τ谙裎覀冞@樣的行業(yè)來說，人工智能是一條艱難的道路，而且需要說服那些還持懷疑態(tài)度的受眾?！?/p>

AI今天的主要局限：技能和數(shù)據(jù)

機器學(xué)習(xí)和高級分析在預(yù)測性維護和制造過流程的其他方面也發(fā)揮著重要作用。

根據(jù)普華永道最近的一項研究，78％的制造企業(yè)已經(jīng)部署或計劃部署預(yù)測性維護技術(shù)，其次是制造執(zhí)行系統(tǒng)（73％）、數(shù)字雙胞胎（60％）、機器人過程自動化（59％）。

只有29％的企業(yè)正在使用或者計劃使用人工智能，而普華永道將人工智能定義為不僅是機器學(xué)習(xí)和高級分析、能夠制定獨立認(rèn)知決策的技術(shù)。

今天，大多數(shù)焦點集中在嵌入人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)以降低成本，普華永道負(fù)責(zé)IT戰(zhàn)略的負(fù)責(zé)人Kumar Krishnamurthy表示?！暗业念A(yù)測是，其中一些技術(shù)將幫助企業(yè)擴大規(guī)模并提高生產(chǎn)力水平。”

他說，客戶的需求和行業(yè)顛覆者所面臨的壓力將迫使制造企業(yè)做出改變。

然而，這項技術(shù)并不像人們所認(rèn)為的那樣成熟，他說。此外，缺乏人工智能技能和缺乏可用數(shù)據(jù)也阻礙了這一過程的發(fā)展。

根據(jù)普華永道的調(diào)查，在實施了人工智能的制造企業(yè)中，有52％的企業(yè)表示，缺乏技術(shù)人才是一項重大挑戰(zhàn)，42％的企業(yè)認(rèn)為挑戰(zhàn)是數(shù)據(jù)的可靠性。

將AI融入設(shè)計過程中

帕羅奧多研究中心（Palo Alto Research Center，PARC）正試圖在制造流程中很難且極其耗時的設(shè)計階段，克服技能和數(shù)據(jù)問題。這家施樂旗下的公司專注于各項創(chuàng)新技術(shù)，例如激光打印、面向?qū)ο蟮?a target="_blank">編程、圖形用戶接口、光存儲和許多其他基礎(chǔ)技術(shù)。

PARC實驗室經(jīng)理兼研發(fā)副總裁Ersin Uzun說，人工智能可以滿足功能性要求，解決成本、監(jiān)管和制造方面的限制，并提出人類無法想到的設(shè)計。

“如果我要你設(shè)計一些能讓我拿著液體的東西，你可能一下子會想到像杯子這樣的東西。你不一定會立刻想出像Camelback這樣的設(shè)計?！?/p>

除了設(shè)計，PARC還致力于創(chuàng)造可以知道如何使用減材和增材制造方法實現(xiàn)這一設(shè)計的技術(shù)，并考慮到不同設(shè)計和制造選擇可能帶來的缺陷。

“今天，你設(shè)計出東西之后，發(fā)送給制造專家，他們要弄清楚如何制造出來，然后工程和分析人員看看制造的部件是否滿足我們的操作要求，這需要幾個月的時間?！?/p>

Uzun說，制造業(yè)是一個少見的、物理能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于軟件能力的領(lǐng)域。

“我們擁有非常令人興奮的新材料，新的增材制造技術(shù)，混合制造設(shè)備。但是你看看人們正在使用的軟件，就會發(fā)現(xiàn)在這個時代你可以用你擁有的材料和工具來實現(xiàn)這一目標(biāo)。我們現(xiàn)在擁有的這些機器可以同時進(jìn)行增材和減材制造，但你無法真正為制造能力而進(jìn)行設(shè)計。所有這一切都是手工完成的，基本上超出了任何人類的認(rèn)知能力，滿足了我們今天的大多數(shù)復(fù)雜制造的需求?！?/p>

PARC區(qū)域經(jīng)理Sai Nelaturi表示，為了使設(shè)計工具能夠跟上材料科學(xué)和制造技術(shù)的變化步伐，人工智能需要融入工具本身中。

PARC還致力于創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，使制造工廠中的所有不同系統(tǒng)能夠相互通信，并創(chuàng)建以AI為驅(qū)動的算法，優(yōu)化能源使用、吞吐量、效率和安全性。

Uzun說，PARC不會制造技術(shù)本身?！拔覀兪莿?chuàng)新的合作伙伴和技術(shù)提供商。我們創(chuàng)造這些技術(shù)，讓他們進(jìn)入原型階段，并找到合適的合作伙伴將其推向市場?！?/p>

今天，PARC正在與大型和小型制造企業(yè)合作，測試這些技術(shù)并將其推向市場。他說，人工智能技術(shù)可以幫助中小型制造企業(yè)提高競爭力。