2019工业智能发展研究报告.doc

2019工业智能 发展 研究报告 2019 年 2 月 目 录 前 言 . 1 一、 工业智 能 的内涵 . 2 （一） 工 业 智 能发 展背景 . 2 （二） 工 业智 能 的主要类型 . 4 二、 工业智 能 的典 型应 用 . 10 （一） 高 计算 复杂 度、少 影 响因 素问 题 . 11 （二） 低 计算 复杂 度、多 影 响因 素问 题 . 16 （三） 高 计算 复杂 度、多 影 响因 素问 题 . 17 三、 工业智 能 的关 键技 术 . 18 （一） 深 度学 习基 础技术 的 工业 化适 配是未 来 发展 方 向 . 20 （二） 知 识图 谱通 用技术 的 规范 化适 配成为 主 要推 进方 向 . 28 四、 工业智 能 的产 业发 展 . 30 （一） 工 业智 能形 成两横 两 纵产 业视 图 . 31 （二） 工 业智 能通 用技术 产 业发 展趋 势各异 . 34 （三） 工 业化 与智 能化双 向 渗透 成为 两类核 心 路径 . 36 前 言 人工智能自诞生以来，经历了从早期的专家系统、机器学习，到当前持续火热的深度学习等多次技术变革与规 模化应用的浪潮。随着硬件计算能力、软件算法、解决方案的快速进步与不断成熟，工业生产逐渐成为了人工智能的重点探索方向， 工业智能应运而生。 当前，新一轮科技革命和产业变革蓬勃兴起，工业经济数 字化、网络化、智能化发展成为第四次工业革命的核心内容。 作为助力本轮科技革命和产业变革的战略性技术，以深度学习、知识图谱等为代表的新一轮人工智能技术呈现出爆发趋势，工 业智能迎来了发展的新阶段。通过海量数据的全面实时感知、 端到端深度集成和智能化建模分析，工业智能将企业的分析决 策水平提升到了全新高度。然而，工业智能仍处 于发展探索时 期，各方对工业智能的概念、类型、应用场景、技术特点及产 业发展等尚未形成共识。 在此形势下， 工业互联网产业联盟（ 以下简称“ 联盟 /AII”）联合多家企业共同编写和发布工业智能白皮书 （ 2019 讨论稿），本白皮书深入解读了工业智能的背景内涵， 分析了工业智能主要类型，并从应用、技术和产业等方面研究和分析工业智能的发展脉络和最新状况，并在一定程度上对未来发展变革方向有所预见。希望能与业内同仁等共享成果，共谋工业智能新发展。 一、 工业智能的内涵 （一）工业智能发展背景 1、提 升工业智能化水平成为全球共识与趋势 新一轮信息革命与产业变革蓬勃兴起，工业的智能化发展成为全球关注重点与趋势。 世界主要发达国家政府及组织高度重视，积极出台相关战略政策 ，促进人工智能在生产制造及工业领域的应用发展。美国于 2016 年 10 月和 2018 年 10 月陆续发布了国家人工智能研究和发展战略规划和美国先进制造领导力的战略报告，其中重点提及了产品全生命周期优化、先进机器人发展、大数据挖掘、制造系统网络安全等内容。日本从 2015 年起，发布了 4 份与工业智能相关的政策文件，包括 新机 器人战略 2015 年制造业白皮书日本高级综合智能平台计划（ AIP）人工智能产业化路线图，聚焦先进机器人及大数据挖掘领域，推动设备故障智能预测系统的发展。欧盟 2016 年 5 月发布了数字化工业战略，重点关注先进机器人和工业自治系统的研发。 我国政府双侧发力，推动人工智能与制造业的融合发展 。 一方面， 积极推动人工智能技术为制造业发展注入新动力 ，在 智能制造发展规划（ 2016-2020）国务院关于积极推进 “互联网 +”行动的指导意见国务院关于深化“互联网 +先进制造业”发展工业互联网 的指导意见增强制造业核心竞 争力三年行动计划等 20 个政策文件按中均强调推动人工智能等技术在工业制造领域的应用与融合。另一方面， 将制造业作为人工智能落地的重点行业 ，在互联网 +人工智能三年行动实施方案新一代人工智能发展规划促进新一代人工智能 产业发展三年行动计划等 10 余个文件中均提出将制造业作为 开展人工智能应用试点示范的重要领域之一。同时，辽宁、四 川、河南等各地方纷纷出台相关文件，推动人工智能等新一代 信息技术与实体经济或制造业融合。 2、人工智能技术加速渗透，构建制造业智能化基础 制 造业智能化升级需求是工业智能发展的根本驱动 。制造 业升级的最终目的，是从数字化、网络化转而最终实现智能化。当前制造业正处在由数字化、网络向智能发展的重要阶段，核 心是要实现基于海量工业数据的全面感知，和通过端到端的数 据深度集成与建模分析，实现智能化决策与控制指令。工业智 能强化了制造企业的数据洞察能力，实现了智能化管理和控制， 是企业转型升级的有效手段，也是打通智能制造最后一公里的 关键环节。 人工智能技术体系逐步完善，推动工业智能快速发展 。一方面是支撑技术实现纵向升级，为工业智能的落地应用奠定基础。算法 、算力和数据的爆发推动人工智能技术不断迈向更高层次，使采用多种路径解决复杂工业问题成为可能。传感技术的发展、传感器产品的规模化应用及采集过程自动化水平的不 断提升，推动海量工业数据快速积累。工业网络技术发展保证了数据传输的高效性、实时性与高可靠性。云服务为数据管理和计算能力外包提供途径。另一方面是人工智能技术实现横向融合，为面向各类应场景形成智能化解决方案奠定了基础。人工智能具有显著的溢出效应，泛在化人工智能产业体系正在快速成型，工业是其涵盖的重点领域之一。 （二）工业智能的主要类型 1、工业智能的定义 工业智能（或工业人工智能）是工业领域中由计算机实现的智能 ，具有自感知、自学习、自执行、自决策、自适应等特征。可以认为，工业智能的本质是承载于实体与系统，即计算机上的人工智能技术在工业领域中的应用，能不断丰富和迭代自己的分析与决策能力，以适应变幻不定的工业环境，并完成多样化的工业任务，最终达到提升企业洞察力，提高生产效率或设备产品性能的目的。 将工业智能定义为由计算机实现的智能，具体是指在现代 计算机的计算能力基础上，在时间和成本可接受的范围内，通 过计算机解决的问题。目前来看，在可预见的相当长的时间内， 计算机将成为研究工业智能的主要物质手段和实现工业智能技 术的唯一实体。 2、工业智能的问题分类 现代计算机解决工业问题需要三个步骤，采集数据，将数据代入机理，最终形成结果。通过既定数据带入已知机理形成预期结果的方式并不具备智能特征，而 基于已知结果的梳理自 动回答问题 ， 或者通过数据直接绕过机理或者方程直接形成结 果的过程才是真正的智能化 。 图 1：工业领域相关问题分类 为了更好的分析工业智能的功能范围，我们提出了工业智 能的基本框架：构建一个四象限横纵坐标轴 ， 其中横轴为 计算的复杂度 ， 是 计算机算法的 时间复杂度 ，与工业机理的复杂性 和算法的实现效率直接相关 ； 纵轴是 影响因素的多少 ， 与相关问题涉及的变量个数直接相关 。据此可将工业问题分解为四类， 一是多因素复杂问题，二是多因素简单问题，三是少因素简单问题，四是少因素复杂问题。 图 2：工业领域问题的制造系统层级分布 工业系统自下而上包括 设备 /单元级 、 车间级 、 企业级 、 协 同级 等四个层级， 其对应的工业问题也呈现一定的规律性分布 。具体地，设备 /单元级和车间级工业问题的影响因素通常较少， 但和工业机理密切相关，导致计算复杂度较高，其中设备 /单元 级问题的复杂 度更是普遍高于车间级。企业级和协同级的工业 问题并没有过于复杂的机理，但影响的因素较多，其中协同级 问题的影响因素普遍多于企业级。除各层级在体系中的范围性 分布外，还存在部分多影响因素高复杂度的点状问题。 图 3：工业智能的主要类型 深度学习和知识图谱是当前工业智能实现的两大技术方向 ， 正不断拓展可解工业问题的边界。“根据已知结果梳理实现自 动问答”是基于以知识图谱、专家系统为代表的认知科学，是 解决已知工业知识的主要途径。“绕过机理直接通过数据形成 结果”是基于以深度学习和机器学习为代表的数据科 学，能更 好地解决机理未知或模糊的工业问题。当前工业智能主要体现 在以知识图谱为代表的知识工程以及以深度学习为代表的机器 学习两大技术领域的突破，其中 深度学习侧重于解决影响因素 较少，但计算高度复杂的问题 ，如产品复杂缺陷质量检测。而 知识图谱侧重于解决影响因素较多，但机理相对简单的问题 ， 如供应链管理等。多因素复杂问题可以分解为多因素简单问题 和少因素复杂问题进行求解，例如产品设计等。两大驱动技术 的发展，使工业领域内多因素简单问题与少因素复杂问题的可解范围进一步扩大，同时使部分多因素复杂问题可解。 图 4：当前工业智能两大技术方向 除上述两大技术方向外，工业领域还存在许多解决问题的其它方法：对于影响因素少、计算复杂度低的问题，通常采用最优化方法进行精确求解。对于影响因素相对较多、计算复杂度相对复杂的问题，通常利用数学近似的方法对真实物理系统 （几何和载荷工况）进行模拟，即有限元分析，实质是对复杂问题拆分为若干简单问题的近似求解。对于复杂度较高且影响因素较多的问题，目前仍然主要通过实验方法来解决，比如原材料的配比。由于以上方法没有体现工业智能所定义的自适应自学习等智能化特征，故不作过多讨论。