【導讀】毋庸置疑，制造業(yè)是社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，不過(guò)在實(shí)際中，昂貴的機器維護費用、較低的生產(chǎn)效率以及突發(fā)的產(chǎn)品故障等不利因素一直困擾著(zhù)整個(gè)制造業(yè)。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能驅動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化的出現，制造商可以通過(guò)將人工智能（AI）算法與機器人和機械相結合來(lái)優(yōu)化流程并達到新的效率。在此過(guò)程中，制造業(yè)每時(shí)每刻都會(huì )產(chǎn)生海量的數據，對這些數據的分析和使用是重塑整個(gè)行業(yè)的關(guān)鍵。
圖源：rawpixel/freepik.com
智能制造
毋庸置疑，制造業(yè)是社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱，不過(guò)在實(shí)際中，昂貴的機器維護費用、較低的生產(chǎn)效率以及突發(fā)的產(chǎn)品故障等不利因素一直困擾著(zhù)整個(gè)制造業(yè)。隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和人工智能驅動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化的出現，制造商可以通過(guò)將人工智能（AI）算法與機器人和機械相結合來(lái)優(yōu)化流程并達到新的效率。在此過(guò)程中，制造業(yè)每時(shí)每刻都會(huì )產(chǎn)生海量的數據，對這些數據的分析和使用是重塑整個(gè)行業(yè)的關(guān)鍵。
根據德勤近期的一份報告，制造業(yè)每年產(chǎn)生約1,812 PB（petabytes）的數據，遠遠高于零售、金融、通信和其他行業(yè)。這其中， AI在將這些原始數據轉化為有意義的見(jiàn)解方面發(fā)揮著(zhù)至關(guān)重要的作用。越來(lái)越多的制造商開(kāi)始將機器學(xué)習和深度學(xué)習、自然語(yǔ)言處理（NLP）等人工智能技術(shù)融入到他們的工業(yè)自動(dòng)化解決方案中，以便更好地分析數據并做出決策。
根據Markets and Markets的預測，全球人工智能在制造業(yè)的價(jià)值將迎來(lái)跨越式發(fā)展，預計2022年至2027年期間的年復合增長(cháng)率（CAGR）將高達47.9%，銷(xiāo)售額將從2022年的23億美元增長(cháng)到2027年的163億美元。
為什么要在制造業(yè)中采用AI？
人工智能給制造業(yè)帶來(lái)的好處是雙重的:一方面，我們看到了它為業(yè)務(wù)發(fā)展帶來(lái)前所未有的增長(cháng)和可擴展性;另一方面，它也會(huì )對員工及其生產(chǎn)力和滿(mǎn)意度產(chǎn)生的積極影響。
01 提升生產(chǎn)效率
首先，人工智能通過(guò)優(yōu)化流程，大幅提升日常操作自動(dòng)化水平，可提高工廠(chǎng)的生產(chǎn)能力和效率。它帶來(lái)的好處包括通過(guò)實(shí)現復雜或重復性任務(wù)的自動(dòng)化降低生產(chǎn)成本，消除人為失誤的風(fēng)險，構建更具可擴展性的生產(chǎn)線(xiàn)，并盡可能減少能源消耗。
02 科學(xué)預測需求
其次，人工智能通過(guò)數據分析改進(jìn)決策過(guò)程，并提供科學(xué)的需求預測。眾所周知，預測庫存一直是企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中必須面對的一個(gè)難題。如今，人工智能基于使用大量的歷史數據、趨勢分析，利用正確的人工智能工具和機器學(xué)習（ML）模型可以成功預測企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)保證該項預測具有很高的準確性，有效提升產(chǎn)品的庫存周轉率。
03 員工技能培訓
將人工智能引入制造過(guò)程，其商業(yè)價(jià)值還體現在對員工技能的培訓上。對新員工而言，人工智能可以幫助他們學(xué)習新技能和新技術(shù)，縮短入職所需的時(shí)間。此外，將人工智能用于自動(dòng)化數據輸入以及創(chuàng )建表格等重復性任務(wù)，可大幅提高員工的生產(chǎn)力。
近年來(lái)，人工智能和工業(yè)自動(dòng)化均取得了長(cháng)足的進(jìn)步。機器學(xué)習技術(shù)的發(fā)展、傳感器的進(jìn)步，以及計算能力的增長(cháng)，使得全新一代的機器人更加智能化，并且在制造過(guò)程中開(kāi)始大量使用。在管理上，借助人工智能，制造商能夠創(chuàng )建由數據決定的快速決策，提高流程有效性，實(shí)施精準的預測性維護，優(yōu)化供應鏈，很大限度地降低運營(yíng)成本。
為什么要在邊緣嵌入人工智能？
多年來(lái)，人工智能一直是一個(gè)以云為中心的方案，企業(yè)通常借助云的高度可擴展計算能力來(lái)訓練模型，在海量數據集上運行人工智能算法等。直到近幾年，人工智能開(kāi)始從云走向邊緣，這一趨勢預計在未來(lái)幾年還會(huì )加速。
根據Data Bridge mMarket Research的研究數據，2021年全球邊緣人工智能（Edge AI）硬件的市場(chǎng)價(jià)值約為7.4億美元，到2029年，這一數值將以20.65%的復合年增長(cháng)率（CAGR）增長(cháng)到40.3億美元。
邊緣人工智能是將人工智能系統放置在離數據源更近的去中心化硬件設備上。這種方法可以減少數據傳輸延遲，有利于在隱私保護和數據安全，同時(shí)可有效提高本地人工智能應用程序的性能。在制造過(guò)程自動(dòng)化實(shí)施過(guò)程中，實(shí)現數字化轉型的一個(gè)重要障礙是云上數據分析帶來(lái)的延遲。而Edge AI通過(guò)將智能和實(shí)時(shí)處理引入到極具挑戰性的邊緣，改變了現有的工業(yè)環(huán)境，使得生產(chǎn)流程更智能、更高效、更安全。
現在，Edge AI正處于爆炸式增長(cháng)的風(fēng)口。Gartner預測，到2025年，75%的生成數據將在邊緣進(jìn)行處理。智能制造和工業(yè)4.0的關(guān)鍵組成部分就包括引入邊緣智能。邊緣智能將使生產(chǎn)單元中的機器能夠做出更高級別的決策，自主行動(dòng)，并提供反饋，以便及時(shí)發(fā)現缺陷。
在制造業(yè)人工智能化的背景下，如果說(shuō)AI是這場(chǎng)即將到來(lái)的科技變革的引擎，那么在其中發(fā)揮重要作用的半導體技術(shù)就是驅動(dòng)這場(chǎng)技術(shù)進(jìn)步的“石油”。
以NVIDIA Jetson邊緣人工智能和機器人平臺為例，該平臺中的Jetson AGX Orin Industrial模塊為惡劣環(huán)境帶來(lái)了新的計算水平，它擴展了上一代NVIDIA Jetson AGX Xavier Industrial和商用Jetson AGX-Orin模塊的功能，為加固系統帶來(lái)了服務(wù)器級性能。
借助這個(gè)平臺，企業(yè)可以在復雜的工業(yè)環(huán)境中部署人工智能和傳感器融合等方案。
Jetson AGX Orin Industrial模塊能提供高達248TOPS的AI性能，功率可在15-75W之間配置，其外形和引腳與Jetson AGX-Orin兼容，性能達到Jetson AGX-Xavier Industrial的8倍以上。
這種緊湊的模塊上系統（SOM）支持多個(gè)并發(fā)AI應用管道，具有NVIDIA Ampere架構GPU、下一代深度學(xué)習和視覺(jué)加速器、高速I(mǎi)/O和快速內存帶寬，以及擴展的溫度范圍、工作壽命、沖擊和振動(dòng)規格，并支持糾錯碼（ECC）存儲器。面對工業(yè)環(huán)境涉及的關(guān)鍵操作和敏感數據處理，ECC通過(guò)實(shí)時(shí)檢測和糾正錯誤，確保數據的完整性。
圖1：NVIDIA Jetson AGX Orin Industrial模塊（圖源：NVIDIA）
制造業(yè)中的邊緣人工智能方案
邊緣應用解決方案通常面臨嚴格的限制，包括對設備的尺寸、重量、功率、散熱和成本等都有較苛刻的要求。到目前為止，在低功耗邊緣設備中實(shí)現深度學(xué)習一直是行業(yè)面臨的主要挑戰，主因是這些設備的存儲和算力有限?，F在，Edge AI模型在保證性能的同時(shí)已經(jīng)做到足夠“輕量級”，足以應當工業(yè)領(lǐng)域大多數行業(yè)創(chuàng )新應用。
基于輕量級的考慮，嵌入式處理器在邊緣人工智能中有著(zhù)重要的作用，主要用于在有限的功率預算內運行人工智能應用程序。
NXP的i.MX 8M Plus應用處理器在功耗、尺寸、處理性能和外圍集成等方面完全充分考慮了Edge AI的應用需求，集成的神經(jīng)處理單元（NPU）更是有助于加速機器學(xué)習推理。
該NPU可以運行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法，用于各種任務(wù)，如人體姿勢和情緒檢測、多對象監控、單詞/語(yǔ)音識別等。在軟件方面，恩智浦的eIQ機器學(xué)習環(huán)境集成了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )編譯器、軟件庫和推理引擎，如TensorFlow Lite、Arm NN、DeepViewRT和ONNX，這些都非常適合與i.MX 8M Plus配合使用，將大大簡(jiǎn)化應用程序的開(kāi)發(fā)。
圖2：i.MX 8M Plus應用處理器
（圖源：NXP）
在工業(yè)自動(dòng)化、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）上的大規模部署，推動(dòng)了Edge AI市場(chǎng)的快速增長(cháng)。
Maximize Market Research預計，Edge AI市場(chǎng)將從2022年的145.4億美元增長(cháng)到2029年的543.8億美元，復合年增長(cháng)率為20.1%。
其中，邊緣計算設備、片上系統（SoC）和專(zhuān)用人工智能加速器等硬件技術(shù)的日益進(jìn)步是市場(chǎng)增長(cháng)的重要驅動(dòng)因素，這些硬件進(jìn)步使人工智能算法能夠在資源受限的邊緣設備上高效執行。
此外，物聯(lián)網(wǎng)設備和數據量的增長(cháng)、對數據隱私和安全的重視以及對實(shí)時(shí)數據分析不斷增長(cháng)的需求也是推動(dòng)Edge AI市場(chǎng)增長(cháng)的主要因素。
機器人：AI進(jìn)入制造業(yè)的重要推手
在智能制造這場(chǎng)技術(shù)革新中，將人工智能帶入制造業(yè)的一個(gè)主要推手就是我們常常談?wù)摰臋C器人技術(shù)。傳統的機器人在設計上是不靈活的，通過(guò)將AI、ML和DL結合到機器人中，現代機器人已經(jīng)可以像人類(lèi)一樣學(xué)習和工作。如今，配備了AI技術(shù)的機器人可以自主導航，識別人類(lèi)的手勢，甚至從錯誤中吸取教訓，使其適用于制造、物流、醫療保健等應用。使用先進(jìn)的AI和ML模型，機器人在生產(chǎn)車(chē)間執行任務(wù)的速度比人類(lèi)員工要快得多，同時(shí)還能消除出錯的風(fēng)險。
精確性和可重復性是衡量工業(yè)機器人的關(guān)鍵指標?；贏(yíng)I的工業(yè)機器人可與機器視覺(jué)系統和機器學(xué)習緊密協(xié)作，不需要訓練就能為機械臂找準正確的位置。此外，機器學(xué)習算法非常有利于提高過(guò)程的準確性和可重復性，提高生產(chǎn)效率。
在工業(yè)機器人領(lǐng)域， ST Microelectronics通過(guò)與行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)的合作，提供了一系列產(chǎn)品和解決方案，包括：STM32微控制器、iNEMO模塊、STSPIN電機驅動(dòng)器以及定位芯片等。
STM32H5系列是ST Microelectronics機器人解決方案中一款代表性的微控制器，它基于運行頻率高達250MHz的32位Arm Cortex-M33內核，兼具高性能、高安全性和高成本效益的特性，同時(shí)擁有2MB的雙存儲區Flash存儲器，640KB的SRAM，外設集成度高，可為開(kāi)發(fā)人員帶來(lái)更高的設計自由度。
圖3：STM32H5系列32為微控制器
（圖源：ST Microelectronics）
為了提高集成度，ST Microelectronics的iNEMO慣性模塊在外形緊湊、穩定可靠且易于裝配的慣性測量單元（IMU）中集成了具有補充作用的傳感器。
以ISM330IS為例，它采用系統級封裝，內部包含一個(gè)三軸數字加速度計和一個(gè)三軸數字陀螺儀，在高性能模式下以0.59 mA的電流提供強勁性能，并且具有常開(kāi)的低功耗特性，支持工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)解決方案提供理想的運動(dòng)體驗。
ISM330IS還內嵌了ST的一個(gè)新型處理器件——智能傳感器處理單元（ISPU），以支持依賴(lài)傳感器數據的實(shí)時(shí)應用。ISPU是超低功耗的高性能可編程核心，可以在邊緣執行信號處理和AI算法。
圖4：內置AI處理單元的
六軸運動(dòng)傳感器ISM330IS
（圖源：ST Microelectronics）
在電機驅動(dòng)和控制方面，ST Microelectronics的STSPIN電機控制IC以模塊化、可擴展、健壯性為開(kāi)發(fā)目標，為設計者們提供了多種選擇。
其中的L6229是一款帶過(guò)電流保護的DMOS全集成三相電機驅動(dòng)器，它采用BCD技術(shù)，將隔離的DMOS功率晶體管與CMOS和雙極電路結合在同一芯片上。該芯片包括驅動(dòng)三相無(wú)刷直流電機所需的所有電路，包括三相DMOS橋、恒定關(guān)斷時(shí)間PWM電流控制器和用于單端霍爾傳感器的解碼邏輯。
圖5：L6229三相電機驅動(dòng)內部框圖（圖源：ST Microelectronics）
制造業(yè)人工智能的未來(lái)展望
在早期階段，自動(dòng)化和控制系統是人工智能的主要應用場(chǎng)景。隨著(zhù)處理能力的提高，人們創(chuàng )造了更復雜的人工智能算法，使機器能夠更精確、更有效地執行任務(wù)。具有人工智能能力的機器人在20世紀80年代開(kāi)始出現，它們改造了原有的生產(chǎn)線(xiàn)并提高了產(chǎn)量。
近年來(lái)，隨著(zhù)機器學(xué)習和深度學(xué)習技術(shù)的引入，人工智能使智能化機器人、預測性維護、質(zhì)量控制和制造過(guò)程優(yōu)化成為可能，推動(dòng)著(zhù)制造業(yè)朝著(zhù)智能自動(dòng)化和智能工廠(chǎng)方向發(fā)展。根據德勤的報告，已有93%的制造企業(yè)相信人工智能將推動(dòng)整個(gè)行業(yè)的增長(cháng)和創(chuàng )新，83%的受訪(fǎng)公司認為人工智能已經(jīng)或將對其利潤產(chǎn)生積極影響。
未來(lái)十年，人工智能有望通過(guò)先進(jìn)的自動(dòng)化、預測性維護和改進(jìn)的供應鏈來(lái)改變制造業(yè)。機器人和機器學(xué)習將提高生產(chǎn)、質(zhì)量保證和安全性，從而提高金屬制造業(yè)的效率和降低成本。
市場(chǎng)調研機構對人工智能在不同行業(yè)的影響做了一個(gè)統計，信息顯示，到2035年人工智能將推動(dòng)16個(gè)行業(yè)平均1.7%的經(jīng)濟增長(cháng)。
圖6：AI作為新生產(chǎn)要素對11個(gè)行業(yè)產(chǎn)生的影響（圖源：Plant Automation Technology）
人工智能在改變制造業(yè)方面具有巨大潛力，81%的公司認為人工智能能產(chǎn)生更好的效果，但Market Research Future所做的一項調查卻展現出不一樣的結果，目前僅有22%的企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中采用了它，人工智能的普及率仍然較低。隨著(zhù)智能制造進(jìn)程的不斷深化、自動(dòng)化的激增以及科技公司不斷增加的人工智能投資，預計在未來(lái)幾年該行業(yè)將出現高速增長(cháng)。
2022年全球人工智能制造市場(chǎng)價(jià)值為24.5億美元，預計到2030年將從2023年的36.1億美元增長(cháng)到536.9億美元，2023-2030年的復合年增長(cháng)率達到47.1%。
人工智能驅動(dòng)的解決方案正在以各種方式改變市場(chǎng)，包括智能自動(dòng)化、預測性維護、質(zhì)量控制和供應鏈效率。通過(guò)采用這些技術(shù)創(chuàng )新，制造商可以達到更高的生產(chǎn)水平、效率和競爭力。這種改變游戲規則的技術(shù)將徹底改變制造業(yè)，并釋放出前所未有的巨大生產(chǎn)潛力，幫助制造商在競爭激烈的全球市場(chǎng)中取得成功。
免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在于傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問(wèn)題，請聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
互連技術(shù)如何與eVTOL飛行汽車(chē)一起“玩跨界 ”？
