1.3.1 在“工业4.0”中的应用

自“工业4.0”在德国汉诺威工业博览会提出后，世界各国都根据国情提出相应的战略，在欧洲典型工业大国如德国，“工业4.0”的氛围尤其浓厚，形成超越机器自动化的自组织生产，将工厂、机器、生产资料和人通过网络技术高度结合。作为互联网巨头的美国，当然也不甘示弱，用最高级的软件技术布局工业物联网，做到用软件定义世界。在这场浪潮里，谁能更快更准地完成智能化、数字化转型，谁就掌握了话语权。作为制造业大国，中国也在“工业4.0”的浪潮中提出“中国制造”向“中国智造”转型及“中国制造2025”的发展战略。在此期间，无论是政府还是工厂本身，都依附技术创新对工厂的生产管理做出改变，但是由于中国工厂庞杂和传统方式在工厂留下的各种弊病，“工业4.0”的起步是异常艰难的，中国目前的制造业水平仍旧处于“工业3.0”，与“工业4.0”还有一段比较遥远的距离。而各国“工业4.0”的改革推进，也在各方面给中国制造业带来转型灵感和希望，越来越多的中国工厂开始意识到转型，少量工厂管理者也已经开始尝试一系列的创新产品及解决方案，力图跟上“工业4.0”的浪潮。

德国等老牌制造业大国和美国等以科技创新为主的新兴领军国家，在“工业4.0”变革中做出了努力并取得了成果，逐渐实现了全面智能化。面对工业这种实体的经济，在当今的科技潮流之下，都离不开物联网。

对于众多的中国工厂来说，从自动化到智能化转型的第一步就是让工厂中的所有设备联网，这是最基础也是最核心的部分。

（1）在设备联网之后，原先处于数据孤岛的工厂设备将会被统一地管理和监控，包括生产数据的实时反馈，使工厂的运转处于全自动化的统计及反馈之下，同时能实现远程查看及提醒。

（2）设备的故障能实现提醒预警通知。

（3）设备的历史数据被完全地记录和保存，在下一次故障中可以很容易地分析出故障原因，从而杜绝类似故障再次发生。

（4）工厂的生产数据可以形成统计报告，使工厂管理者全方位地了解生产状况，及时调整生产计划。

从人工智能与智能制造结合角度来看，分为两个方面：一是人工智能技术嵌入到哪些产品中，也就是智能化产品的发展；二是如何利用人工智能技术实现制造过程的全面智能化。支撑平台技术是核心和基础，尤其是基于工业互联网的云计算和大数据平台会成为基础能力。第一个方面体现在无人驾驶汽车、无人机、送货机器人、工业机器人、仓储机器人、智能家居、可穿戴设备等产品中嵌入人工智能。全球机器换人的风潮还在持续之中。根据美银美林集团的分析，当前在全球范围内只有10%的制造业工作是自动化的。接下来的10年中，随着机器人价格大幅降低，这一数字将达到45%。麻省理工学院（MIT）与宝马公司合作，发现机器人与人类合作的组合最佳，比只有人类或者只有机器人的团队在生产力方面高出85%。第二个方面体现在智能制造的全流程升级过程中，人工智能会发挥以下作用：

（1）工业互联网是利用人工智能技术实现智能制造的基础，需要机器设备的智能化连接，从而将每台机器设备的生产过程数据化，这些数据成为智能制造的主要数据源。

（2）基于上述机器数据的实时收集、整合，再与各种结构化和非结构化数据，内部和外部数据进行交叉分析，基于深度学习算法模型进行反复迭代，将会带动生产过程的高度自动化、自组织，基于操作流程中高度网络化的视觉系统，实现高效率的生产。

（3）基于人工智能的预测性应用成主流，包括库存和原料需求预测、预测性维修应用等，从而自动决定何时购买原料，实时告知机器哪些部件遇到问题、需要维修等。

生产数据可视化。在传统的工厂中，最常见的数据记录方式是用纸张记录，容易丢失、可读性差等问题让管理者头痛不已。而设备联网之后，任何相关的数据都可以通过传感器收集分析，然后形成可视化的动态图表，具有直观的数据反馈。设备与设备互连后，设备的相关数据就能实现采集、监控、分析、反馈，通过网络将人、设备、系统之间无缝连接，最终设备的管理逐渐智能化，大大降低了人力成本。在整个管理过程中，流程简化并且记录可留存性强。网络就像人的神经，设备就是人的器官，数据是人的血液，数据可视化让管理者的决策通过对设备进行设置，所有的设备的状态都可以一手掌握。及时对生产环节、生产设备进行调整，以达最佳的生产效率。

产品可视化指面向制造和大型产品组装过程中的数据模型、技术绘图和相关信息的可视化方法。它是产品生命周期管理中的关键部分。产品可视化通常提供高度的真实感，以便对产品进行设计、评估与检验，因此支持面向销售和市场营销的产品设计或成型。产品可视化的雏形是手工生成的二维技术绘图或工程绘图。随着计算机图形学的发展，它逐步被计算机辅助设计替代。

例如，在流场计算的过程中，可视化技术起着十分重要的作用。首先，可视化技术提供交互设计手段以方便与加快物体的定义过程，研究人员可直观地校验物体各部分的几何尺寸大小、部件间是否留有缝隙、物体表面是否光滑等。其次，在对计算区域进行网格剖分时，可视化技术能把生成的网格显示出来，以便让研究人员检验并及时调整和伸缩网格线，使之形成合理的空间分布。最后，在对计算结果的分析过程中，可视化技术利用计算机图形学所提供的各种方法描述流场中的各种物理量的分布情况，如压力、密度等标量和速度等矢量，并用不同颜色的等值线（面）或不同深浅的颜色填充网格表示标量的数值差别。此外，可视化技术可实时交互地变化画面大小并提供动态显示，以使分析者看清流场中各种现象的细节并作进一步分析。