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工业4.0与机器视觉技术的大时代:工业迈入无人化

日期: 2016-03-10
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     人类历史长河中,工业时代以前的生产力增长几不可察,而近200多年生产力发生飞跃式变化正是得益于工业革命。以蒸汽机为标志的机械化工业革命1.0使人的体力被解放和大幅提升;以电力为标志的电气化工业革命2.0实现了大规模流水线作业,开创了产品批量标准化生产的新模式;以电子和计算机为标志的自动化工业革命3.0实现了程序化自动化生产,不但解放了体力劳动,还部分接管了脑力劳动,工业迈入“无人(少人)化”。
 
  社会进步永远离不开以人为本,工业生产满足人们基本需求以后,必定向着越来越精致化、人性化、个性化的方向发展,必定要走向无人生产、灵动制造之路,工业4.0时代唯有发展智能制造,别无它途。
 
  一、工业4.0时代的技术特点——视觉与图像技术是核心(从“智眼”到“智人”)。
 
  国务院《中国制造2025》非常务实,未来10年我国智能制造的首要目的是在解放劳动力的前提下实现生产力与生产质量的进一步提高,我认为核心竞争力还是比的“快速”和“精准”(精准是能力,也是质量)。智能制造的核心是“智”。“智”的核心是什么——就是信息获取的快和准、信息处理的快和准。一个人的武功高低,要看“手眼身法步”,要想成为智能制造的武林高手,“眼力”和“招法”的水准是核心之中的核心。
 
  视觉与图像技术是20世纪人类最伟大技术之一。人们感知外界信息的80%是通过眼睛获得的,图像包含的信息量是最巨大的。信息时代,特别是工业信息时代,视觉图像技术注定将成为扛鼎。
 
  视觉技术,极大提高了工业自动化中信息的获取能力,信息将不再是单一维度的简单数据,而是广域立体的海量数据,同时在速度、尺寸、光谱等维度大大突破人眼极限,例如:视觉系统基本覆盖全光谱,分辨率可以达到1微米,速度可以达到每秒上亿帧,这在速度和精度上都大大超出了当前的工业制造水平,甚至满足未来相当长时间更加精密、更加高速的制造要求,完全可保障在工业制造中信息获取的快和准。另一方面,图像技术飞速发展,让海量图像信息得以高速、实时、智能的被分析利用,大大提高了人的判决速度,越来越接近人的智慧程度,助推工业生产中信息处理的快和准。
 
  视觉与图像技术相结合就是给工业设备安装了一双超级“智眼”。
 
  未来的工业生产将以“智眼”为核心,装备在千千万万、形形色色的设备上,指挥各种各样的“手、脚、身体”动作,实现“深度感知、智慧决策、自动执行”,成为“智人”,让自动化智能化工业制造插上翅膀腾飞!
 
  二、视觉技术服务工业4.0的技术架构——四个智能化(智能识别、智能测量、智能检测、智能互联)。
 
  视觉图像到底要发展哪些技术,究竟会如何改变我们的工业,让我们想像一下未来生产制造的景象吧。
 
  在一个电子产品的生产车间,各种芯片和元器件的尺寸已经从几mm~几十mm缩小到几微米到几十微米,元器件的焊接和组装在视觉系统的导引下由生产机器人如做外科手术般精密的操作,由于器件的尺寸和质量都减小了几百倍,装配速度大幅提高,每秒钟可以完成上百次动作,生产效率提高了百倍,一个包含了上千元器件的电子产品在流水作业中只需10秒钟就制造完成。视觉系统采用了10个成像单元同时工作,实现多角度立体成像,大范围毫米级成像和超精密微米级成像相结合,每个成像单元的速度都到达了每秒1000帧以上,整个系统同时获取的图像信息超过每秒1万帧,都可以实时处理并综合完成目标定位,精确测量,发出精确动作指令。同时,另外10个成像单元对产品,立即进行多角度多维度扫描,确认质量是否达标。忽然,某个产品的一个焊点出现问题了,合格焊接面积2微米,实际只达到了0.85微米,这将导致信号传输的阻抗增大而使工作频率达不到正常范围,视觉系统立即导引检验机器人,剔除废品至分支工序进行修复。组装车间超过500个成像单元监控各种环境指标,并把全部图像数据和其他数据综合到中央信息服务器,经过分析,在出现焊点偏差的瞬时,共发现5个异常,包括驱动电流的一个微小波动、一次动作微小阻滞。问题找到了,图像分析和历史数据分析发现其中一个关节的润滑接近保养寿命,立即进行自动补偿润滑,故障隐患排除,系统飞速运转如常。
 
  上述场景远不能覆盖工业4.0的全部,但管中窥豹,可见一斑。面对这些要求,视觉图像技术需要重点构建四大核心能力。
 
  第一,智能识别。识别的目的是为下一步操作找到目标,目标识别要从大量信息中找到关键特征,需要把海量信息快速收敛,其智能程度要求高,准确度和可靠度是关键。
 
  第二,智能测量。测量是工业的基础,没有测量就没有产品,测量的功夫高低就看精准度。
 
  第三,智能检测。检测是在测量的基础上完成的,根据测量结果和目标之间的偏离度,判断合格与否。但是检测往往不是单一指标的结果比较,需要多信息多指标综合分析判断,基于复杂逻辑的智能化判断是关键。
 
  第四,智能互联。“未来是数据的世界”,数据互联将迸发无穷的创造力。就像人的大脑神经元,当信息和节点超过一定数量,就能产生自主学习、自主创造能力,创造才是智慧,创造才是发展之源。当图像的海量数据在多节点采集互联,同时将人员、设备、生产物资、环境、工艺等等数据互联,就会衍生出深度学习、智能优化、智能预测等等创新能力,显示出大数据的魅力,才会展示出工业4.0的真正威力。
 
  除上述四大核心应用技术,视觉成像技术也要大力创新,重点为:
 
   超高速成像系统,支持高速检测与识别;
 
   高精密微、纳级成像系统,以支持电子、芯片、半导体、生物等精密制造;
 
   高精度、低畸变成像系统,支持精密测量;
 
   光谱级成像系统,支持多种材料检测和分析、复杂目标识别;
 
   多目、多维、多尺度综合成像及信息融合系统,支持多尺度3D制造与检测。
 
  面向未来工业的视觉图像的硬件、软件、集成技术发展,将会进入目标不断升级,技术上精益求精,创新脚步永不停息的时代!而中国从事机器视觉的企业正逢其时,要努力发展核心能力和加强创新,同时大力联合自动化设备商、机器人制造商,“为机器植入眼睛和大脑”,让视觉图像技术成为中坚,扛起制造产业升级的大旗!
 
  三、时代之选,行业之幸,中国之幸!
 
  工业4.0概念,最大的受益者是中国,对于在劳动力密集时代尝到甜头而对威胁尚不敏感的中国制造业如当头棒喝,又似醍醐灌顶。发展制造业是中国的国家战略,《中国制造2025》已经昭示了政府的动心和决心,一经发动必将高速改变局面,我国工业也将走向新的高度。
 
  机器视觉行业重点聚焦服务工业。在过去很多年的发展中规模始终偏小,研发多以项目运作,规模化大批量应用的产品开发凤毛麟角,远不成气候,这也是我国制造业普遍自动化程度低,自我革新驱动力弱所致。但是中国的机器视觉的先行者在相对狭小空间积极拓展,积蓄能量,积累了相当一批人才、技术与管理经验,例如在成像及照明、软件算法等高端技术与国外基本相当或差距很小,我们的一些产品甚至在性能和技术创新方面超过国外同类,尽管在产品化方面诸如可靠性、易用性存在短板,但差距也不甚大。当前,我国制造业的变革一定会引爆视觉图像行业高速发展,中国机器视觉也必须责无旁贷的担当这个历史使命,助力中国工业制造业转型升级,知难而进,后来居上!
 
  视觉与图像技术是工业4.0的重要核心,互促发展是技术的必然,更是时代的选择。中国视觉行业发展30年,凌云视觉技术20年磨一剑,历史机遇绝不容错过,再不必嗟叹未逢其时,我们需要的是赶快行动,发挥蓬勃的才智,展现旺盛的创新,在时代大潮中论英雄!

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发布时间: 2016 - 03 - 03
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