2020年度工业4.0七大发展趋势

Jos Martin

摘要：2020年预计将呈现七大趋势：通过标准化协议实现联网机器无缝互操作，强化学习再度升级，协作机器人与人类密切合作，仿真使虚拟调试成为现实，预测性维护和AI不断发展，利用优质数据消除部分AI部署障碍，数据科学家将不再是唯一的主导群体。

关键词：工业4.0;生产力;利润率

在工业4.0的推动下，制造业的生产力和利润率得到前所未有的提升。Jos Martin（数学计算软件供应商MathWorks高级工程经理）指出2020年预计将呈现七大趋势，帮助专业人士预测引领未来十年经济潮流的技术——以及未来工厂的发展方向。 毋庸置疑，在此过程中必然会遇到很多挑战，比如满足日益增长的个性化和定制化商品需求、减少浪费及本着更负责的态度处理资源。然而，在创造力和独创性的双重辅助下，一切困难将迎刃而解，有所成效。那么，即将到来的有哪些趋势呢？

1 通过标准化协议实现联网机器无缝互操作

确保互联性至关重要，即在工厂中实现机器和模块的动态重组。为保证不同供应商的设备实现无缝互操作，标准化协议（如OPC UA TSN）将发挥关键作用。繁琐的布线及电缆线路将消失无踪，取而代之的是无线协议，如SG及其衍生技术。然而，机器不仅相互连接，还会连接到云系统。在云系统中，运用弹性计算能力运行强大的算法，处理业务数据和工程数据。

2 强化学习再度升级

经过强化学习（RL）训练后，AI（人工智能）程序在围棋和国际象棋等棋盘游戏中屡屡击败人类选手，但在工业4.0时代将发挥更大的作用。RL帮助工程师在机器人和自主系统、自动驾驶、控制设计和机器人技术等复杂系统中实现控制器和决策算法。我们将见证巨大成功，RL势必成为改进大型系统的重要一环。关键促成因素是为工程师提供易用的工具，以构建和训练RL策略、生成大量仿真数据用于训练、轻松将RL智能体（agent）集成至系统仿真工具并为嵌入式硬件生成代码。RL有助于在工业领域实现重大突破，提高移动工厂设备的自动化水平，甚至实现无人操作。

3 协作机器人与人类密切合作

自动化行业一度讨论着“单一样本量”的美好愿景——如何通过多条生产线生成定制样本，无需投入漫长的转换时间，也不必容忍其他低效现象。在工业4.0时代，这一愿景终将实现，从而满足实现全方位个性化生产的需求。为此，不能在车间采用固定不灵活的方式设置机器，设定并调整参数后，用于生成某款特定产品长达数月乃至数年。未来的生产线必须灵活多样——采用多个可重组的机电模块构建而成，配备越来越多的机器人或“协作机器人”（协作机器人与人类密切合作），同时运用AI技术根据生产线制造的下一款个性化产品进行参数设置并调整机器。

4 仿真使虚拟调试成为现实

随着软件复杂度的攀升及模块化软件组件组合数量的增长，在物理机上开展综合测试的难度越来越大，耗时也越来越长，终将演变成为一项无法完成的任务。鉴于此，在部署物理生产线之前，根据仿真模型对软件进行虚拟调试，验证是否存在错误并证实是否满足需求变得至关重要。目前，一批创新领军企业（如全球领先的瓶装生产线制造商Krones）已经开始采用多域仿真模型进行虚拟调试。

5 随着边缘计算的进步，预测性维护和Al不断发展

鉴于边缘计算设备和工业控制器持续发展，计算能力随之快速提升。在云系统的大力配合下，为开创生产系统软件功能新局面铺平了道路。AI算法将动态优化整条生产线的产量，同时尽量减少能源及其他资源消耗。这样不仅有助于团队和企业最大限度减少浪费、履行企业社会责任政策，还能节省大量资金。预测性维护将不断进步，不再局限于考察一台机器或一个场地的数据，而是综合考量多家工厂乃至多个不同供应商的设备数据。根据要求，这些算法将部署到非实时平台及实时系统（如PLC），请参见Beckhoff最近在德国汉诺威工业博览会上的发言。

6 利用优质数据消除部分Al部署障碍

我们深知，训练准确的AI模型需要大量的数据，分析师调查将数据质量视为成功采用AI技术面临的首要障碍。2020年，仿真将帮助降低这项壁垒。您通常拥有大量的系统正常运行数据，但真正需要的却是来自异常或严重故障情况的数据。这对于预测性维护应用情形更是如此，例如准确预测工业场地中泵的剩余使用寿命。由于从物理设备创建故障数据不仅存在破坏性而且代价高昂，最佳做法是通过仿真呈现故障行为来生成数据，进而运用合成数据训练准确的AI模型。仿真很快会成为AI驱动系统的关键促成因素。

7 数据科学家将不再是唯一的主导群体

在上述所有趋势中，在未来工厂工作的人类将成为变革中最重要的一环。随着技术和工具的推广应用，越来越多的工程师和科学家（不仅限于数据科学家）将参与到AI项目中。在未来工厂中，工程师必需能够构建模型、处理大型数据集并操控相应的开发工具，以便迎合上述种种趋势。因此，建设及经营工业设备的企业需要调整招聘方向，聘请大批截然不同的资深工程师，为迎接未來发展做好充分准备，工业4.0仅仅是个开始。

8 结论

从协作机器人与人类密切合作，到通过仿真使虚拟调试成为现实，2020年将涌现出大量趋势，必然会对未来工厂产生颠覆性影响。适应这些变化绝非易事，但只要秉承团队合作意识，采用适当的工具，终将可以实现。