機器必須變得更為智能，才能響應今天快速變化的市場(chǎng)，自動(dòng)化、信息化與智能化的推進(jìn)并非是斷代史，而是一個(gè)不斷融合的過(guò)程，賦予機器智能。

機器智能的本質(zhì)是什么？

機器，在制造業(yè)的歷史上一直扮演著(zhù)核心角色，從蒸汽機時(shí)代的機械調節方式，經(jīng)歷繼電器邏輯、PLC到今天廣泛探討的智能化，它經(jīng)歷了百年的發(fā)展，不斷進(jìn)步，其原動(dòng)力來(lái)自于消費者對產(chǎn)品的不斷嚴苛的質(zhì)量、成本與交付能力的需求。

機器的智能，簡(jiǎn)而言之，人希望機器能夠代替人工作，也就希望它能夠像人一樣的思考，而觀(guān)察人的思維模式，主要是兩種，即演繹法和歸納法，演繹法更像我們普遍采用的機理建模，采用物理化學(xué)原理構建的數學(xué)模型，而歸納法則更接近于數據驅動(dòng)的建模，包括今天的機器學(xué)習，深度學(xué)習。

這種智能最終以“工業(yè)軟件”的形式被廣泛應用于生產(chǎn)制造中，無(wú)論是機械、電子與電氣控制、材料工藝與流程、操作與運營(yíng)的知識，以開(kāi)放的架構或嵌入式方式被應用。

圖1-工業(yè)軟件的形成過(guò)程

圖1顯示了工業(yè)軟件的形成過(guò)程，首先要將各種知識通過(guò)數學(xué)建模，這種建模包括了機理和數據兩種不同的方式，數學(xué)是連接物理與數字世界的橋梁，然后還需要經(jīng)過(guò)大量的工程（Engineering）的測試與驗證、系列化過(guò)程，才能形成最終可復用的軟件，這也是今天我們探討“工業(yè)軟件”的過(guò)程，同樣是智能發(fā)展的基本范式。

圖2-諾伯特.維納博士《控制論-動(dòng)物和機器的通信與控制》（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò )）

自動(dòng)化、信息化與智能化并非是一個(gè)斷代史發(fā)展的模式，它是一種跨界技術(shù)的不斷融合，用于解決制造業(yè)各種問(wèn)題的工程化過(guò)程，1956年的達特茅斯會(huì )議定義了“AI”這個(gè)詞被認為是AI的發(fā)端，但是，人們似乎忘記了，諾伯特.維納博士的《控制論》本身所奠定的控制科學(xué)與工程方向（如圖2），本身是人工智能行為主義三大學(xué)派之一，自動(dòng)化一直在致力于發(fā)展通過(guò)跨界的技術(shù)融合來(lái)解決制造業(yè)的各種難題，它的對象是變化的機械與材料，而采用的方法來(lái)自于感測技術(shù)、計算機技術(shù)、軟件技術(shù)、人工智能、通信技術(shù)，本身，人們問(wèn)自動(dòng)化有什么Know-How，自動(dòng)化作為一個(gè)工程領(lǐng)域，它本身就是利用跨界技術(shù)解決復雜工程問(wèn)題，技術(shù)的融合以及廣泛采用的障礙主要是經(jīng)濟性，并非人工智能過(guò)去沒(méi)有出現在制造業(yè)，只是因為今天IC技術(shù)使得芯片算力變得經(jīng)濟。

機器智能主線(xiàn)-應對變化的能力

唯一不變的是變化，干擾、不確定性一直在我們的世界，宏觀(guān)到商業(yè)競爭、消費者需求、社會(huì )文化都會(huì )對制造業(yè)產(chǎn)生影響，而微觀(guān)到材料、機械、流程都對生產(chǎn)帶來(lái)影響。

賦予機器智能就是要讓機器在變化的環(huán)境下獲得更為穩態(tài)的生產(chǎn)，高品質(zhì)低成本，快速交付，因此，智能就是要應對無(wú)所不在的變化，通過(guò)各種建模形成一個(gè)盡量“以不變應萬(wàn)變”的結構。

下面，從智能的工程開(kāi)發(fā)各個(gè)環(huán)節，我們來(lái)看如何讓機器更為智能？

機器智能與建模仿真

需求總是在變化，材料也在變化，那么是否需要為每個(gè)生產(chǎn)“專(zhuān)機”呢？顯然，最好的方式是生產(chǎn)一個(gè)多種變化能夠適應的機器。建模仿真（Modeling & Simulation），可以幫我們實(shí)現這樣的目標。

圖3-建模仿真的意義

通過(guò)建模仿真，可以將不同材料、在不同加工工藝、不同流程下進(jìn)行仿真，并形成控制模型，下載到控制器去執行，這樣，就可以讓機器擁有“演繹法”基礎的智能，應對變化的生產(chǎn)制造，如圖3描述了建模仿真的價(jià)值與意義。

圖4-例：在注塑機的傳動(dòng)設計中的應用

如圖4，為在MapleSim中的注塑機開(kāi)發(fā)，通過(guò)對注塑機的開(kāi)合模傳動(dòng)機械機構的CAD圖紙導入，MapleSim這樣的軟件，可以對其傳動(dòng)進(jìn)行仿真，以獲得在不同的模具負載下的傳動(dòng)最佳控制參數，這些參數可以通過(guò)FMU/FMI接口與貝加萊的Automation Studio控制系統開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行接口，實(shí)現機電協(xié)同仿真，并為驅動(dòng)系統的提供最佳的參數，以及對整個(gè)機器控制的策略進(jìn)行最優(yōu)調整。

在虛擬的環(huán)境中，可以實(shí)現最靈活的調整，降低物理測試驗證的成本，而對于控制系統開(kāi)發(fā)而言，可以通過(guò)這種方式封裝可復用的軟件APP，用于機器控制。

機器智能與運動(dòng)控制

運動(dòng)控制從早期的變頻傳動(dòng)大幅提高能效，再到伺服傳動(dòng)大幅應用，其高精度定位與重復精度、高速響應能力，使得機器能夠有更高的品質(zhì)，以及更為關(guān)鍵的靈活性-因為，很多機械的調校被“參數化”，僅需設置參數，系統會(huì )更快的實(shí)現換單能力。

大量的旋轉電機及直線(xiàn)電機，已經(jīng)廣泛融入到機器的控制中，針對點(diǎn)到點(diǎn)定位、電子齒輪同步、電子凸輪、多軸協(xié)同，在每個(gè)制造領(lǐng)域的機器上，都會(huì )看到他們?yōu)闄C器賦予的“靈活性”，通過(guò)簡(jiǎn)單的參數設置，我們可以賦予機器更為靈活的能力。

今天，像貝加萊的ACOPOStrak、ACOPOS 6D的推出，其不斷的讓生產(chǎn)系統變得更為靈活，它也代表著(zhù)自動(dòng)化向機械-電氣更為深度的融合，解決了傳統機械的剛性為生產(chǎn)帶來(lái)的障礙，使得產(chǎn)線(xiàn)更容易“編排”方式實(shí)現“自適應”制造能力，如圖5顯示了運動(dòng)控制的演進(jìn)過(guò)程，使得機器變得更為智能。

圖5-運動(dòng)控制的演變

圖6-基于A(yíng)COPOStrak和機器人的自適應產(chǎn)線(xiàn)規劃

ACOPOStrak/ACOPOS 6D代表著(zhù)機器“不是一個(gè)人在戰斗”，而是由一個(gè)更為靈活的輸送系統來(lái)實(shí)現最佳的協(xié)同，并且改變了傳統產(chǎn)線(xiàn)的固定邏輯布局，為了固定產(chǎn)品的生產(chǎn)組織形式，變成為“個(gè)性化”產(chǎn)品進(jìn)行“自由組織”的發(fā)展形式，如圖6所示ACOPOStrak的意義在于即時(shí)換型、性能提高、柔性與實(shí)現個(gè)性化制造能力，這是機器的智能體現，應對變化。

機器智能--機器視覺(jué)

機器需要感知，反饋，所謂的“能觀(guān)能控”，視覺(jué)具有更為豐富的信息采集能力，它采集的圖像不僅可以用于計算對象的輪廓尺寸用于定位，也可以對中心進(jìn)行計算，還可以識別缺陷等，較之以往的傳感器更豐富的感知能力，隨著(zhù)電子技術(shù)發(fā)展，視覺(jué)更低成本使得其實(shí)用更為廣泛。

傳統視覺(jué)與自動(dòng)化分屬兩個(gè)不同的行業(yè)，而今天，像貝加萊這樣的自動(dòng)化廠(chǎng)商基于控制的全局思考，規劃視覺(jué)產(chǎn)品，推出集成機器視覺(jué)，它將視覺(jué)集成到自動(dòng)化系統中，通過(guò)Automation Studio像I/O一樣編程，通過(guò)變量耦合實(shí)現視覺(jué)與運動(dòng)控制、機器人的POWERLINK網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)交互，高速同步，達到更高的集成能力，達到動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的產(chǎn)線(xiàn)響應，如圖7，貝加萊集成視覺(jué)將原來(lái)需要分別采購的獨立器件集成于一體，相機、鏡頭、處理單元、光源、通信集于一體，更高集成，更高協(xié)同。

圖7-集成機器視覺(jué)

圖8-機器視覺(jué)應用場(chǎng)景

圖8則是機器視覺(jué)在工廠(chǎng)的場(chǎng)景應用，包括缺陷檢測、識別、讀碼、測量等應用，并與產(chǎn)線(xiàn)的控制、機器人協(xié)同工作，快速判斷缺陷，并提供精確的位置讓機器人去進(jìn)行剔除廢品，或者調整加工協(xié)同位置，降低次品率。

機器智能—設備互聯(lián)

從智能開(kāi)始發(fā)展，通信就扮演著(zhù)非常重要的角色，因為，能觀(guān)測才能控制，信號的傳輸方式接線(xiàn)復雜、干擾問(wèn)題帶來(lái)不便，使得現場(chǎng)總線(xiàn)得以發(fā)展，但網(wǎng)絡(luò )與通信層協(xié)議必須集成構成了現場(chǎng)總線(xiàn)的三層架構（物理層、數據鏈路層和應用層），但是，機器已經(jīng)不再孤立的存在，而企業(yè)也不再像計劃經(jīng)濟那樣的封閉系統，而變成了與市場(chǎng)快速交互的組織。

通信從機器延伸到了產(chǎn)線(xiàn)，從產(chǎn)線(xiàn)延伸到車(chē)間，從車(chē)間到整個(gè)工廠(chǎng)，從工廠(chǎng)延伸到企業(yè)，從企業(yè)延伸到了整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈條的信息交互，這使得信息的多樣性、帶寬都提出了新的需求，這就需要重新基于新的形式構建新的通信架構。

圖9-基于OPC UA over TSN的工業(yè)互聯(lián)

OPC UA over TSN正在扮演這樣的角色，TSN旨在實(shí)現多業(yè)務(wù)流數據（周期和非周期、事件類(lèi)、圖像、配置參數類(lèi)）的同一網(wǎng)絡(luò )傳輸，避免工廠(chǎng)復雜的網(wǎng)絡(luò )形成的數據透明性受阻現象，而OPC UA則旨在為多個(gè)不同語(yǔ)言的對象構建一個(gè)統一的語(yǔ)義交互規范，讓來(lái)自不同國家、不同廠(chǎng)商的機器可以進(jìn)行交互。

OPC UA over TSN將要支撐的場(chǎng)景包括幾個(gè)方面：

l 協(xié)同制造：在機器與機器（M2M）間，跨控制系統之間的交互，可以提升協(xié)同能力，提升制造效率。

l 數字孿生：在跨平臺的數字化設計、運營(yíng)軟件間實(shí)現建模仿真數據的協(xié)同，使得數字系統可以與現場(chǎng)系統進(jìn)行透明的交互。

l 工業(yè)互聯(lián)：工業(yè)互聯(lián)必然需要一個(gè)統一架構讓制造現場(chǎng)與數字化分析端應用軟件間建立連接，以及邊緣計算側的各方形成跨平臺、實(shí)時(shí)交互。

圖10-貝加萊OPC UA over TSN覆蓋廣泛的產(chǎn)品組合

貝加萊一直是OPC UA over TSN的積極推動(dòng)者，并推出自己在OPC UA over TSN領(lǐng)域的產(chǎn)品與技術(shù)，圖10所示，包括了TSN接口的控制器、TSN交換機、I/O站，以及最新對OPC UA Pub/Sub機制的支持，該機制使得設備可以一對多的方式與其它設備交互，并且，可以被云/邊平臺訂閱數據。

機器智能與機器學(xué)習

當缺乏機理模型，并且，系統處于非線(xiàn)性區、無(wú)法精準測量（技術(shù)或成本因素）的時(shí)候，我們需要更為高效的方法尋找“模型”，以提高生產(chǎn)的效率，隨著(zhù)AI芯片、算法的成本不斷降低，在工業(yè)的廣泛應用成為了可能，如圖11所示幾個(gè)領(lǐng)域，就成為了可能：

圖11-機器學(xué)習工業(yè)場(chǎng)景

（1）預測性維護：通過(guò)早期故障診斷，對機器的健康狀態(tài)的預測，可以實(shí)現降低產(chǎn)線(xiàn)的非計劃宕機、延長(cháng)設備壽命，提高OEE的目標。

（2）視覺(jué)智能：視覺(jué)除了前面提到的采樣處理，對于一些場(chǎng)景如缺陷檢測、精準測量等可以通過(guò)機器學(xué)習來(lái)進(jìn)行。

（3）控制策略：不僅對于本身的位置、速度、溫度控制，我們還可以通過(guò)更大的閉環(huán)，將影響最終產(chǎn)品質(zhì)量的指標與這些控制參數之間形成相關(guān)性分析，來(lái)優(yōu)化控制系統的策略、工藝參數。

（4）最優(yōu)化：可以為系統獲得最優(yōu)的參數，例如成本最優(yōu)、時(shí)間最優(yōu)、材料最節省的路徑尋找。

圖12-貝加萊exOS讓更廣泛的智能應用可以集成到機器與產(chǎn)線(xiàn)

在貝加萊基于Hypervisor虛擬機技術(shù)的工業(yè)PC可以在多核CPU中分別運行RTOS，而另一個(gè)核運行Windows/Linux可以處理AI的開(kāi)發(fā)與推理任務(wù)，這樣，在原有的控制任務(wù)上就可以加載觀(guān)測器，對控制任務(wù)數據的采集分析，并推理，進(jìn)而將決策信息發(fā)送給ROTS來(lái)執行，實(shí)現動(dòng)態(tài)的智能優(yōu)化，而在2020年貝加萊最新的exOS則實(shí)現了更為開(kāi)放，如圖12，可以基于Python、PHP、Docker等進(jìn)行應用程序的開(kāi)發(fā)，讓IT技術(shù)積累的AI應用可以與工業(yè)裝備的實(shí)時(shí)控制融合，賦能機器智能。

機器智能與集成開(kāi)發(fā)平臺

工欲善其事必先利其器，做一個(gè)智能系統的開(kāi)發(fā)，必須有鋒利的工具，就像對一個(gè)人來(lái)說(shuō)，發(fā)展的平臺很重要，這決定了效率，而智能的機器開(kāi)發(fā)，就需要能夠提供高效的開(kāi)發(fā)工具。

圖13-貝加萊集成開(kāi)發(fā)環(huán)境Automation Studio

平臺需要能夠實(shí)現智能：

u 開(kāi)發(fā)高級算法：無(wú)論對于智能算法如套色、張力、溫度、防搖等，都需要有開(kāi)發(fā)能力，以及運行支撐；

u 封裝工業(yè)Know-How：將已有的知識封裝為可復用的模塊；

u 集成連接的對象：將不同的對象集成為一個(gè)機器的大腦與執行機構，并與第三方設備開(kāi)放連接，與智能優(yōu)化系統連接，一切需要平臺有開(kāi)放的支持能力，總線(xiàn)，OPC UA，軟件接口。

u 與開(kāi)放的智能結合，利用IT世界已有的智能算法應用于工業(yè)場(chǎng)景。

u 長(cháng)期的知識積累：對于機器制造商而言，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)平臺，來(lái)實(shí)現長(cháng)期的競爭力封裝，構建高效的開(kāi)發(fā)，實(shí)現高效創(chuàng )新。

貝加萊-機器智能專(zhuān)家

用一張圖來(lái)介紹貝加萊，就如圖14，借助于廣泛的硬件產(chǎn)品（控制、驅動(dòng)、HMI、智能輸送系統），以及豐富的行業(yè)技術(shù)如mapp、實(shí)時(shí)通信、機器中心的機器人（MCR）、reACTION等，貝加萊通過(guò)數字化設計與集成開(kāi)發(fā)平臺的工程（Engineering）來(lái)為行業(yè)帶來(lái)“個(gè)性化”的機器智能解決方案，形成用戶(hù)的差異化競爭力，以達到最終機器與產(chǎn)線(xiàn)的高品質(zhì)、低成本、快速交付個(gè)性化的成本。

圖14-機器智能專(zhuān)家

 貝加萊，作為機器的智能專(zhuān)家，用機電工程專(zhuān)家為用戶(hù)帶來(lái)未來(lái)競爭中的勝出，獲得豐厚利潤回報。

約.見(jiàn)深圳工業(yè)展2021

貝加萊將出展深圳工業(yè)展2021，歡迎機器與產(chǎn)線(xiàn)領(lǐng)域的專(zhuān)家、工程技術(shù)、大學(xué)、行業(yè)組織同仁共聚探討機器的數字化轉型升級，如何適應快速變化的市場(chǎng)，并贏(yíng)得先機。

關(guān)于貝加萊

貝加萊是一家總部位于奧地利并在全球擁有分公司的創(chuàng )新型自動(dòng)化企業(yè)。2017年7月，貝加萊成為ABB集團的機械自動(dòng)化事業(yè)部。作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的全球領(lǐng)導者，貝加萊將前沿技術(shù)與領(lǐng)先工程相結合，為幾乎每個(gè)行業(yè)的客戶(hù)提供面向機器與工廠(chǎng)自動(dòng)化、運動(dòng)控制、HMI和集成安全技術(shù)的完整解決方案。借助于OPC UA、POWERLINK、openSAFETY等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信標準，以及強大的Automation Studio軟件開(kāi)發(fā)平臺，貝加萊不斷重新定義自動(dòng)化工程的未來(lái)。受簡(jiǎn)化流程和超出客戶(hù)預期的承諾驅動(dòng)，貝加萊始終保持創(chuàng )新精神并處于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的前沿。