基于5G和人工智能技術(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測和優(yōu)化方案
中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院
網(wǎng)絡(luò)改造技術(shù)篇/前沿技術(shù)/工廠內(nèi)網(wǎng)改造
1 概述
1.1 背景
產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的生命，如何提高產(chǎn)品質(zhì)量的檢測效率和檢測精度是企業(yè)一直關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)前產(chǎn)品質(zhì)量缺陷的檢測技術(shù)（例如汽車零部件齒輪軸等的檢測）主要依賴于將產(chǎn)品檢測圖像與預(yù)定義的缺陷類型庫進(jìn)行對比分析，這種方法缺乏一定的學(xué)習(xí)能力和檢測彈性，導(dǎo)致檢測精度和效率低下，增加了企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)營成本。
1.2 實(shí)施目標(biāo)
基于5G和人工智能技術(shù)的產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測和優(yōu)化方案通過機(jī)器視覺、5G蜂窩無線、人工智能、邊緣計(jì)算等技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時(shí)高精度檢測，通過工業(yè)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)檢測模型的迭代提高和共享。
1.3 適用范圍
本方案的使用的工業(yè)場景為：在滿足工業(yè)實(shí)時(shí)性和安全性的基礎(chǔ)上利用機(jī)器視覺提高檢測效率和精度的工業(yè)場景，優(yōu)先推薦在汽車零部件加工企業(yè)中推廣。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置
本方案在AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中的位置包括智能工廠內(nèi)部及工業(yè)云平臺(tái)，服務(wù)企業(yè)的智能生產(chǎn)任務(wù)，通過邊云協(xié)同，采用機(jī)器視覺、5G蜂窩無線、人工智能、邊緣計(jì)算等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)時(shí)在線高精度檢測，并通過工業(yè)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)檢測模型的迭代提高和共享。
參考下圖，本方案對應(yīng)AII工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)圖中的位置、作用及相關(guān)關(guān)系如下：
? 在工廠內(nèi)部，通過工業(yè)相機(jī)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)在制品的實(shí)時(shí)圖像采集，并將數(shù)據(jù)上傳到邊緣云平臺(tái)，對應(yīng)圖1中的③在制品與工廠云平臺(tái)（及管理軟件）；
? 圖像實(shí)時(shí)處理和分析AI算法部署在邊緣云上，進(jìn)行產(chǎn)品圖像質(zhì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析；此外邊緣云還負(fù)責(zé)將歷史數(shù)據(jù)傳送到中心云服務(wù)器。基于從邊緣云獲得數(shù)據(jù)，中心云負(fù)責(zé)AI模型訓(xùn)練、更新AI模型算法參數(shù)，并將AI模型算法參數(shù)同步至邊緣云，實(shí)現(xiàn)邊緣云質(zhì)量檢測算法的自我進(jìn)化，對應(yīng)圖1中⑦工廠云平臺(tái)與協(xié)作平臺(tái)；
? 圖像數(shù)據(jù)在邊緣云實(shí)時(shí)處理分析后，判斷產(chǎn)品是否合格，經(jīng)過工廠控制系統(tǒng)和智能機(jī)器，完成殘次品的剔除，對應(yīng)⑤①②，控制指令從工廠云平臺(tái)到智能機(jī)器、在制品之間的傳輸。
圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
此外，本方案還可支持AII參考體系架構(gòu)（如下圖所示）演進(jìn)：
圖2 AII參考體系架構(gòu)
數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)采集交換：
? 試驗(yàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對于準(zhǔn)實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)采集、分析的支持；
? MEC邊緣云與工控機(jī)的業(yè)務(wù)協(xié)同。
? 數(shù)據(jù)域工業(yè)數(shù)據(jù)建模、仿真與分析：
? 采用機(jī)器學(xué)習(xí)對工業(yè)圖像分析算法進(jìn)行改進(jìn)，試驗(yàn)多種機(jī)器學(xué)習(xí)模型；
? 試驗(yàn)將準(zhǔn)實(shí)時(shí)圖像分析算法部署在MEC邊緣云上，將機(jī)器學(xué)習(xí)模塊部署在中心云。
網(wǎng)絡(luò)域應(yīng)用支撐：
? 試驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺(tái)在5G MEC邊緣云上的部署以支撐低延時(shí)高可靠工業(yè)應(yīng)用；
? 試驗(yàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺(tái)對圖像類準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)識(shí)別算法的支持。
安全域數(shù)據(jù)安全和控制安全：
? 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)完成分析處理，避免了回傳到核心網(wǎng)，相比傳統(tǒng)中心云處理方式，數(shù)據(jù)安全性得到有效保障；
? 網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)由于更貼近萬物互聯(lián)的設(shè)備，控制指令從邊緣服務(wù)器發(fā)出，提高了控制安全性。
2 需求分析
當(dāng)前，中國制造產(chǎn)品質(zhì)量與國際品牌仍存在不小差距，其中一個(gè)主要因素就是中國工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)檢問題沒有達(dá)到國際一流水平。我國現(xiàn)階段工業(yè)品的質(zhì)量檢測基于傳統(tǒng)人工檢測手段，稍微先進(jìn)一點(diǎn)的檢測方法，將待檢測產(chǎn)品與預(yù)定缺陷類型庫進(jìn)行比較，上述方法的檢測精度和檢測效率均無法滿足現(xiàn)階段高質(zhì)量生產(chǎn)的要求。例如，在汽車零部件中，齒輪軸和萬向節(jié)的質(zhì)量對車輛運(yùn)行安全性和持久性有很大影響，當(dāng)前檢測技術(shù)主要依賴于將產(chǎn)品檢測圖像與預(yù)定義的缺陷類型庫進(jìn)行對比分析，缺乏一定的學(xué)習(xí)能力和檢測彈性，從而導(dǎo)致檢測精度和效率較低。
圖3 齒輪軸 圖4 萬向節(jié)
要改變這種現(xiàn)狀，必須對現(xiàn)有檢測模式進(jìn)行升級，將智能化自動(dòng)質(zhì)檢設(shè)備大面積運(yùn)用在制造業(yè)產(chǎn)品檢測中，提高檢測效率和精度。
3 解決方案
3.1 方案介紹
產(chǎn)品質(zhì)量是企業(yè)的生命線，如何提高產(chǎn)品質(zhì)量的檢測效率和精度是企業(yè)一直關(guān)注的重點(diǎn)。當(dāng)前產(chǎn)品質(zhì)量缺陷檢測技術(shù)主要依賴于將產(chǎn)品檢測圖像與預(yù)定義的缺陷類型庫進(jìn)行對比分析，缺乏一定的學(xué)習(xí)能力和檢測彈性，檢測精度和效率較低。本方案通過機(jī)器視覺、5G蜂窩無線、人工智能、邊緣計(jì)算等新技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)時(shí)在線高精度檢測，并通過工業(yè)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)檢測模型的迭代提高和共享。
本方案的優(yōu)勢體現(xiàn)在兩個(gè)方面：采用5G邊緣云對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，與現(xiàn)有中心云技術(shù)相比，邊緣云可以按需部署，可部署在匯聚、綜合接入等邊緣機(jī)房，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)本地化處理，在實(shí)時(shí)性、安全性方面更好滿足工業(yè)應(yīng)用需要；采用5G技術(shù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量檢測圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云服務(wù)，云服務(wù)器端基于檢測圖像實(shí)時(shí)和歷史圖像數(shù)據(jù)的人工智能學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)算法自我進(jìn)化。
3.2 系統(tǒng)架構(gòu)
3.2.1 整體架構(gòu)實(shí)現(xiàn)概述
整體框架如圖所示，共分為三層架構(gòu)：
1）設(shè)備層
通過工業(yè)機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的圖像實(shí)時(shí)檢測，并將實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)傳輸至邊緣層進(jìn)行智能分析決策，同時(shí)根據(jù)反饋結(jié)果實(shí)時(shí)操作。
2）邊緣層
邊緣層接收來自工業(yè)視覺形成的產(chǎn)品圖像數(shù)據(jù)，基于人工智能算法模型進(jìn)行實(shí)時(shí)分析決策，同時(shí)將數(shù)據(jù)經(jīng)過聚合后上傳到中心云；同時(shí)接收經(jīng)過訓(xùn)練的數(shù)據(jù)處理模型進(jìn)行更新，以提高檢測精度。
3）中心云
接收來自邊緣云聚合的數(shù)據(jù)信息，訓(xùn)練模型，將新模型的參數(shù)輸出到邊緣云端，完成數(shù)據(jù)的分析和處理，中心云根據(jù)周期數(shù)據(jù)流完成模型迭代。
通過API，中心云上的基于人工智能的檢測模型可被第三方調(diào)用，實(shí)現(xiàn)模型的共享。
圖5 方案整體架構(gòu)
3.2.2 架構(gòu)特征
1) 實(shí)時(shí)性：由于圖像數(shù)據(jù)采用5G邊緣云技術(shù)在靠近設(shè)備的邊緣側(cè)被分析處理并即時(shí)反饋給應(yīng)用方，滿足了工業(yè)應(yīng)用實(shí)時(shí)性的要求；
2) 精確性：在云端基于歷史數(shù)據(jù)完成對模型的訓(xùn)練，訓(xùn)練后的算法模型在邊緣層持續(xù)完成迭代更新，識(shí)別精度隨著模型的訓(xùn)練逐步提高；
3) 數(shù)據(jù)安全：數(shù)據(jù)在本地邊緣層進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和處理，在滿足實(shí)時(shí)性的同時(shí)更大限度的保障產(chǎn)品數(shù)據(jù)的安全；
4) 模型共享：訓(xùn)練模型可在云端通過API調(diào)用的方式進(jìn)行共享，提升行業(yè)整體水平。
3.2.3 邊緣云部署
在本方案中，主要試驗(yàn)MEC邊緣云與工控機(jī)的準(zhǔn)實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)對接、與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備管理平臺(tái)的對接。
為解決降低開銷，降低時(shí)延，自適應(yīng)響應(yīng)等問題，需要一種新的網(wǎng)絡(luò)資源模型，即為邊緣節(jié)點(diǎn)配置計(jì)算和存儲(chǔ)能力，讓其在更接近高數(shù)量增長的終端設(shè)備的同時(shí)，降低云端的計(jì)算負(fù)載，降低服務(wù)延時(shí)，同時(shí)也可以降低整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的帶寬開銷。
5G網(wǎng)絡(luò)中，MEC可作為獨(dú)立設(shè)備進(jìn)行靈活部署，可部署的位置（見圖6）包括邊緣級、區(qū)域級、地區(qū)級。在實(shí)際部署中，需要根據(jù)業(yè)務(wù)類型、處理能力、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等要求，將MEC部署于網(wǎng)絡(luò)中的合適位置。本方案中，MEC部署在接入級，位于接入局房，為客戶提供業(yè)務(wù)本地處理能力。
圖6 邊緣云部署方案
3.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)
本方案為兩級星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如下圖所示），第一級為工業(yè)視覺設(shè)備和工控機(jī)之間的星型組網(wǎng)，第二級為工控機(jī)和蜂窩基站間的星型組網(wǎng)。首先，多個(gè)工業(yè)視覺設(shè)備和一個(gè)工控機(jī)通過工業(yè)總線形成星型組網(wǎng)，完成工業(yè)產(chǎn)品圖像數(shù)據(jù)的傳輸和工業(yè)殘次品的剔除控制；其次，工控機(jī)和蜂窩基站形成星型組網(wǎng)，完成基于模型的圖像實(shí)時(shí)決策判斷和數(shù)據(jù)的傳輸。
圖7 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
3.4 功能設(shè)計(jì)
本方案的功能設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、工控機(jī)、邊緣云、中心云四個(gè)功能模塊。
? 數(shù)據(jù)采集：在生產(chǎn)設(shè)備處完成產(chǎn)品圖像的數(shù)據(jù)采集，采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)將產(chǎn)品圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭吘壴疲?/p>
? 工控機(jī)：通過產(chǎn)品的圖像數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)智能分析，完成智能控制，剔除殘次品；
? 邊緣云：在邊緣云完成的功能包括產(chǎn)品圖像數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)聚合后向中心云上傳，邊緣側(cè)任務(wù)的編排，邊緣云資源的調(diào)度，接收來自中心云的模型數(shù)據(jù)等；
? 中心云：中心云完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)挖掘、模型訓(xùn)練、數(shù)據(jù)共享等功能。中心云接收邊緣云聚合的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，經(jīng)過機(jī)器學(xué)習(xí)，完成模型訓(xùn)練，并將模型周期性發(fā)送到邊緣云端。同時(shí)，該方案可在中心云通過API調(diào)用，實(shí)現(xiàn)模型的共享。
圖8 功能架構(gòu)
3.5 安全及可靠性
本方案的安全及可靠性體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：
? 數(shù)據(jù)接入采用蜂窩網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)WIFI接入方案，在抗干擾、安全認(rèn)證、QoS質(zhì)量保證方面提供運(yùn)營商級的保障。
? 采用MEC邊緣云技術(shù)，利用MEC邊緣云的分流功能，將從裝備采集來的原始數(shù)據(jù)在本地處理，數(shù)據(jù)無需經(jīng)過核心網(wǎng)，大大縮短了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑，安全性得到了提高。
? 設(shè)備、應(yīng)用與平臺(tái)數(shù)據(jù)交互均采用SSL安全加密機(jī)制，支持128位AES、64位DES、3DES等算法，支持設(shè)備認(rèn)證鑒權(quán)，提供電信級安全保障體系。
4 成功案例
本方案已經(jīng)成功應(yīng)用在萬向集團(tuán)汽車零部件產(chǎn)品的檢測中，幫助企業(yè)提高了檢測效率，節(jié)省了成本運(yùn)營成本，具有很大的商業(yè)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。
? 商業(yè)價(jià)值
從云與平臺(tái)的角度：云平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)檢測模型的調(diào)用和共享，通過訓(xùn)練模型術(shù)對金屬表面缺陷識(shí)別、缺陷特征、缺陷規(guī)律等進(jìn)行顯性化、模型化、代碼化，同時(shí)可供零配件制造工業(yè)APP開發(fā)者靈活調(diào)用，解決相關(guān)場景的核心和痛點(diǎn)問題，這將帶來巨大的商業(yè)價(jià)值。
從數(shù)據(jù)采集及處理的角度：采用全新的設(shè)備數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，采集異質(zhì)型數(shù)據(jù)非透明設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，此采集設(shè)備能夠廣泛應(yīng)用數(shù)字化工廠的建設(shè)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)MES、ERP、PLM等企業(yè)管理軟件的自動(dòng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)獲取，設(shè)備具有很大的市場前景。
從MEC邊緣云的通信新技術(shù)角度：基于三層架構(gòu)的邊緣側(cè)服務(wù)器構(gòu)建，同時(shí)讓人工智能算法嵌入邊緣服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)半定制化的行業(yè)深度應(yīng)用，此人工智能算法和產(chǎn)品質(zhì)量改進(jìn)方法具有行業(yè)普遍性，在配車零配件生產(chǎn)類企業(yè)中具有很大的市場推廣價(jià)值。
從5G技術(shù)在智能制造中應(yīng)用的角度：5G在工業(yè)領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景，5G的三大場景mMTC, URLLC, eMBB將在工業(yè)領(lǐng)域助力實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)、全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的網(wǎng)絡(luò)連接。日前，首個(gè)完整意義的5G標(biāo)準(zhǔn)正式凍結(jié)，本方案將成為5G在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的一次有益嘗試，為未來5G大規(guī)模商用提供前期技術(shù)積累。
? 經(jīng)濟(jì)效益
利用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量檢測精度和檢測效率的大大提升，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高了產(chǎn)品質(zhì)量，從而避免了產(chǎn)品因質(zhì)量問題帶來的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)利用機(jī)器視覺技術(shù)可對各類型的產(chǎn)品質(zhì)量圖像檢測進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，大大提升了檢測柔性，進(jìn)一步提升了企業(yè)產(chǎn)品的市場競爭力，從而給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
邊緣側(cè)采用數(shù)據(jù)重構(gòu)方法，支持異質(zhì)型數(shù)據(jù)非透明設(shè)備的接入，可靈活配置支持多業(yè)務(wù)場景，包括設(shè)備廠商、終端工廠、設(shè)備租賃方、維修方、代理商等等，讓設(shè)備擁有者或者廠商可以遠(yuǎn)程管理自己銷售出去的所有生產(chǎn)設(shè)備，通過本測試床使用的方法，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)和生產(chǎn)狀態(tài)，從而基于設(shè)備的數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)，對設(shè)備生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行改進(jìn)。
對于制造類企業(yè)客戶而言，結(jié)合產(chǎn)品質(zhì)量情況，同時(shí)利用車間中運(yùn)行的所有機(jī)床設(shè)備及其運(yùn)行狀態(tài)、故障記錄、產(chǎn)量、良品率、保養(yǎng)等生產(chǎn)因素，改善生產(chǎn)條件，改進(jìn)工藝流程，讓工廠設(shè)備可以完全智能化運(yùn)轉(zhuǎn)。