未來(lái)制造業(yè)：碳中和、AI和數字化

4月17日至21日，全球約4000家來(lái)自機械工程、電氣和數字行業(yè)以及能源行業(yè)的企業(yè)參加了2023年漢諾威工業(yè)博覽會(huì )。在這個(gè)歷史悠久的工業(yè)貿易展覽會(huì )上，從復雜生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化和數字化，到人工智能（AI）滲透和優(yōu)化生產(chǎn)與設計，以及能源管理、碳足跡分析和減少二氧化碳排放等，工業(yè)領(lǐng)域的參與者聚焦二氧化碳中和生產(chǎn)、AI、數字化工廠(chǎng)等方面，競相展示未來(lái)生產(chǎn)和能源供應的解決方案。

二氧化碳中和生產(chǎn)

在漢諾威工業(yè)博覽會(huì )（以下簡(jiǎn)稱(chēng)工博會(huì )）上，人們聚焦氣候友好型生產(chǎn)轉變的方式，例如，過(guò)程用能的電氣化、氫氣和生物質(zhì)的使用、二氧化碳的回收、循環(huán)經(jīng)濟的擴展等。

盡管歐洲的氫能產(chǎn)業(yè)處于世界前列，但現在仍然迫切地需要將氫經(jīng)濟從小眾轉向規?；?。在工博會(huì )上，圍繞氫氣的工業(yè)化生產(chǎn)、遠距離運輸和安全存儲，以及氫能應用的各種場(chǎng)景，很多企業(yè)提出了自己的解決方案。

作為化石燃料的環(huán)保替代品，電力合成燃料（E-Fuel）是由水、二氧化碳和來(lái)自可再生能源的電力制成的。它具有與傳統燃料相似的特性和化學(xué)性質(zhì)，可用于傳統內燃機，但不會(huì )釋放額外的破壞氣候的氣體。歐盟特許2035年后繼續銷(xiāo)售使用E-Fuel的內燃機汽車(chē)。經(jīng)典內燃機的擁護者將電力合成燃料視為未來(lái)出行的氣候中和選擇方案之一。工博會(huì )上，關(guān)于電力合成燃料規?；a(chǎn)及其經(jīng)濟性的討論仍在繼續。德國西門(mén)子能源等展示了其在智利南部以工業(yè)規模利用綠色電力和水生產(chǎn)二氧化碳中性燃料的項目“Haru Oni”。這是世界上第一家投入運營(yíng)的電力合成燃料的全集成工廠(chǎng)，2023年計劃生產(chǎn)13萬(wàn)升合成燃料。

工博會(huì )上，人們還能看到不同的提取和儲存二氧化碳的方法。例如卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT）熱過(guò)程工程研究所開(kāi)發(fā)的技術(shù)就可從大氣中直接提取二氧化碳并將其轉化為炭黑。通過(guò)這種方式，有害的溫室氣體可轉化為高科技應用的原料。經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，KIT已建成并投入使用了一個(gè)集裝箱大小的測試設施，每天可從環(huán)境空氣中提取近兩公斤的二氧化碳，并在連續運行中轉化大約0.5公斤的固體碳。

在二氧化碳回收方面，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)軍者費斯托公司獨辟蹊徑。費斯托的生物反應器擁有最佳的生長(cháng)條件，其中的藻類(lèi)吸收的二氧化碳比陸地植物多一百倍。在2023年的漢諾威工業(yè)博覽會(huì )上，費斯托展示了該系統的規?；约肮I(yè)化的初步階段。

人工智能滲透工業(yè)領(lǐng)域

伴隨新一波AI的熱潮，漢諾威工博會(huì )也聚焦“生產(chǎn)中的AI”這一主題。從機器人技術(shù)到生產(chǎn)單元，AI和流程自動(dòng)化相互作用，在增強企業(yè)競爭力方面表現不凡。除了優(yōu)化流程外，制造業(yè)在仿真、測試和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面越來(lái)越依賴(lài)AI。

在智能優(yōu)化生產(chǎn)流程方面，西門(mén)子公司以一個(gè)巧克力工廠(chǎng)模型為例，展示了如何將機器學(xué)習模型有效集成到生產(chǎn)流程中。在模型案例中，經(jīng)過(guò)大約72小時(shí)的數字孿生訓練，AI制定了一個(gè)最佳的解決方案，使得所有巧克力棒都盡可能快地在前面的傳送帶上運輸，并且僅在最后一個(gè)傳送帶上精確控制速度。弗勞恩霍夫所屬4個(gè)研究所聯(lián)合展示了用AI優(yōu)化生產(chǎn)計劃的例子。面對制造時(shí)間精確到分鐘，訂單網(wǎng)絡(luò )和數據結構異常復雜的情況，人工管理已很難勝任，而AI可確保將不同訂單分配給最合適的生產(chǎn)機器，以實(shí)現最佳的利用率。

弗勞恩霍夫數字媒體技術(shù)研究所（IDMT）在工博會(huì )上展示了一個(gè)基于A(yíng)I的工業(yè)噪聲分析在整個(gè)生產(chǎn)鏈上應用的案例。內容包括過(guò)程監控、產(chǎn)品在線(xiàn)和終端質(zhì)量控制以及機器的預測性維護等。創(chuàng )新的測試系統可以根據每次插拔過(guò)程中產(chǎn)生的噪音來(lái)識別部件是否正確連接。給人的反饋可以是聽(tīng)覺(jué)的、視覺(jué)的或觸覺(jué)的，例如通過(guò)振動(dòng)。機器人則直接從傳感器系統獲取必要的信息。IDMT開(kāi)發(fā)的解決方案還包括用語(yǔ)音命令可靠地控制機器。即使在工廠(chǎng)車(chē)間嘈雜的環(huán)境中，語(yǔ)音識別也能正常工作。

在模擬仿真方面，領(lǐng)先的工程AI軟件公司Monolith AI展示了其機械工程仿真解決方案。它的AI方法比普通的數字模擬走得更遠。每次模擬都可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一個(gè)產(chǎn)品模型，從而為制造商提供更多分析數據。這意味著(zhù)機械工程可節省大量測試。像ChatGPT或DALL-E這樣的系統已可支持當今的文本生成、編程和設計。在傳統的設計空間探索（DSE）中，工程師必須手動(dòng)掃描非常大的問(wèn)題空間來(lái)獲得設計解決方案。而在A(yíng)I的幫助下，包括芯片設計在內的復雜設計領(lǐng)域將發(fā)生重大的變化?？梢灶A見(jiàn)，DSE將是未來(lái)AI項目的重點(diǎn)之一。

此外，參觀(guān)者還可在工博會(huì )中找到能激發(fā)靈感的AI工具和用例。例如，費斯托在開(kāi)發(fā)生物反應器時(shí)就利用AI和量子傳感器來(lái)檢查細胞的活力；英特爾與合作伙伴則展示了基于A(yíng)I的機器人如何確保裝配線(xiàn)上的質(zhì)量；西門(mén)子展示了在A(yíng)I系統ChatGPT的協(xié)助下如何加速可編程邏輯控制器的代碼編程；弗勞恩霍夫智能分析和信息系統研究所則展示了針對AI程序的開(kāi)發(fā)測試工具和程序，從可靠性、公平性、穩健性、透明度和數據保護方面檢查和評估AI應用程序。

制造業(yè)的數字化趨勢

自動(dòng)化之后是生產(chǎn)的數字化，目標是生產(chǎn)效率、速度和質(zhì)量的提高，使企業(yè)在通向未來(lái)工業(yè)的道路上獲得更高競爭力。未來(lái)的生產(chǎn)是數字化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化的。數字化工廠(chǎng)需要從產(chǎn)品研發(fā)、工藝、制造、質(zhì)量和內部物流等與產(chǎn)品制造價(jià)值鏈相關(guān)的各個(gè)環(huán)節都基于數字化軟件和自動(dòng)化系統進(jìn)行支撐，例如制造執行系統（MES）。通過(guò)監控、跟蹤、記錄和控制整個(gè)生產(chǎn)周期來(lái)優(yōu)化制造流程，MES填補了生產(chǎn)計劃與底層工業(yè)控制之間的鴻溝，實(shí)現了企業(yè)計劃、執行、控制三層之間的信息流通。

在工博會(huì )上，參觀(guān)者可看到下一代MES產(chǎn)品，即面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架的制造運營(yíng)管理系統（MOM）?，F代企業(yè)需要全球化的解決方案，以實(shí)現供應鏈分段管理，適應快速的市場(chǎng)變化，以及任意地點(diǎn)設計、生產(chǎn)和銷(xiāo)售產(chǎn)品。MOM強調生產(chǎn)同步性，支持網(wǎng)絡(luò )化制造?，F代企業(yè)的管理架構在云/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺、本地、邊緣或混合場(chǎng)景中得到靈活使用。用發(fā)展的眼光看，實(shí)現數字化企業(yè)轉型意味著(zhù)要將產(chǎn)品生命周期管理、MOM和自動(dòng)化整合在一起。

至于已提出10多年的“工業(yè)4.0”，作為德國工業(yè)制造的傘形品牌概念，它將傳感器制造商、自動(dòng)化專(zhuān)家、機器人制造商、軟件制造商和用戶(hù)聚集在一起，成功激發(fā)了人們對自動(dòng)化的熱情，也對工業(yè)過(guò)程的數字化產(chǎn)生很大的影響。

此外，研究人員發(fā)現，來(lái)自亞洲的充滿(mǎn)活力的公司，正在企業(yè)的數字化領(lǐng)域投入巨資，并且已超越了許多西方競爭對手。慕尼黑大學(xué)與合作伙伴一起對全球899家工業(yè)公司進(jìn)行了數字化程度調查。結果發(fā)現，只有50%的生產(chǎn)過(guò)程實(shí)現了自動(dòng)化。最有效的是兩種技術(shù)是自主運輸和AI。在德國、奧地利、瑞士、英國和美國的公司中，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中只有大約44%是自動(dòng)化的，而在中國，這一比例已達到69%。

在工博會(huì )現場(chǎng)接受科技日報記者采訪(fǎng)時(shí)，沈陽(yáng)新松機器人自動(dòng)化公司德國分公司經(jīng)理楊斐說(shuō)：“我們這次重點(diǎn)展示了擁有自主知識產(chǎn)權的核心產(chǎn)品，包括搭載智能力控補償技術(shù)和離線(xiàn)編程技術(shù)的工業(yè)機器人磨拋系統；廣泛應用于新能源電池頭部企業(yè)的高精度移動(dòng)機器人；為工業(yè)領(lǐng)域智能、高效完成清潔作業(yè)量身打造的‘星衛來(lái)’工業(yè)清潔機器人；讓質(zhì)量控制更加簡(jiǎn)單高效的多可協(xié)作機器人3D掃描檢測系統等。我們希望各國的參觀(guān)者能夠切身感受到新松在機器人領(lǐng)域的快速進(jìn)步。”

楊斐希望未來(lái)能為德國客戶(hù)提供一整套的工業(yè)4.0解決方案。他強調說(shuō)：“新松擁有完整的機器人產(chǎn)品線(xiàn)及工業(yè)4.0整體解決方案。我們的產(chǎn)品已累計出口全球40多個(gè)國家和地區，為4000余家國際企業(yè)提供產(chǎn)業(yè)升級服務(wù)。傳統制造業(yè)向智能制造轉變是大勢所趨。新松不斷攻關(guān)智能感知、自主決策等行業(yè)前沿、共性技術(shù)，將機器人與機器視覺(jué)融合、與更多的傳感器融合、與人工智能融合，使其成為智能制造的重要工具。”