產(chǎn)品是制造企業(yè)的生命線。企業(yè)的進化首先在于產(chǎn)品的不斷進化。

　　1. 智能產(chǎn)品的技術(shù)要素

　　智能產(chǎn)品至今沒有一個嚴(yán)格的定義?！爸悄堋币辉~，從最初頗為學(xué)術(shù)的概念，到今天在商家引導(dǎo)下民眾心目中的“智能”恐怕早已濫用了。好像一個產(chǎn)品，加一個遙控，或者加上Wi-Fi，做個手機App，就可以冠之以“智能”。本文中的智能產(chǎn)品概念，不妨游走于雅俗之間。

　　智能產(chǎn)品：通過數(shù)字和智能技術(shù)的應(yīng)用而呈現(xiàn)某種智能屬性(計算、感知、識別、存儲、記憶、互聯(lián)、呈現(xiàn)、仿真、學(xué)習(xí)、推理……)的產(chǎn)品。

　　此定義意味著，一個智能產(chǎn)品應(yīng)該具備下述能力中一部分：對外部世界的感知能力、記憶和計算能力、學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力、行為決策能力、執(zhí)行控制能力等。一

　　般來說，人工智能分為計算智能、感知智能和認(rèn)知智能3個階段。

　　第一階段為計算智能，是指通過快速計算獲得結(jié)果而表現(xiàn)出來的一種智能。

　　第二階段為感知智能，即視覺、聽覺、觸覺等感知能力。

　　第三階段為認(rèn)知智能，即能理解、會思考。認(rèn)知智能是目前機器與人差距最大的領(lǐng)域，讓機器學(xué)會推理決策且識別一些非結(jié)構(gòu)化、非固定模式和不確定性問題異常艱難。

　　一般而言，一個智能產(chǎn)品(此處非指純軟件的智能產(chǎn)品)往往包括物理部件、智能部件、互聯(lián)部件和軟件。

　　物理部件包括機械和電器零部件，如機器人的手臂、手爪、減速器、電機等。

　　智能部件通常指傳感器(尤其微傳感器)、微處理器、MEMS器件、數(shù)據(jù)儲存裝置、控制器等。圖1顯示汽車上部分傳感器的應(yīng)用。

　　圖1 汽車應(yīng)用的部分傳感器(來源：劉勝)

　　互聯(lián)部件指互聯(lián)網(wǎng)接口、天線、聯(lián)通產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)以及遠(yuǎn)程服務(wù)器運行并包含外部操作系統(tǒng)的產(chǎn)品云等。圖2中，智能互聯(lián)已經(jīng)在汽車中開始應(yīng)用，如在線娛樂、車載社交、交通動態(tài)信息等等。

　　圖2 汽車電子(來源：劉勝)

　　軟件部分自然是智能產(chǎn)品所必不可少，一般包括內(nèi)置操作系統(tǒng)、數(shù)字用戶界面、計算優(yōu)化等。多數(shù)智能產(chǎn)品中都含有嵌入式軟件，有些看起來依賴智能部件的功能(如感知)還是需要軟件支撐。

　　值得注意的是，汽車中用的互聯(lián)部件、智能部件以及軟件都屬于汽車電子產(chǎn)品。據(jù)統(tǒng)計，當(dāng)前70%的汽車創(chuàng)新來自汽車電子，60%的汽車電子創(chuàng)新屬于軟件創(chuàng)新。

　　2. 智能產(chǎn)品的目標(biāo)功能進化

　　產(chǎn)品的進化主要表現(xiàn)在功能的進化。而功能的進化首先表現(xiàn)在目標(biāo)功能的進化。

　　1)目標(biāo)功能的強化、深化

　　這是開發(fā)者最容易想到的。圍繞產(chǎn)品的元功能(最基本的目標(biāo)功能)目標(biāo)，通過數(shù)字-智能技術(shù)應(yīng)用，提高效率、質(zhì)量等。例如，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)以提高機床控制智能化為方向，在其新系統(tǒng)0iMF上標(biāo)配了智能化功能群，包括智能重疊控制、智能進給軸加減速、智能主軸加減速、智能自適應(yīng)控制、智能反向間隙補償、智能機床前端點控制、智能剛性攻絲等，如圖3所示。

　　圖3 FANUC公司智能化功能群

　　2)目標(biāo)功能擴展

　　很多情況下，增加一些與元目標(biāo)有聯(lián)系、但并非直接屬于元目標(biāo)的功能，對于產(chǎn)品進化也是有意義的。這里以海爾分區(qū)洗雙滾筒洗衣機(見圖4)為例進一步說明。

　　圖4 海爾分區(qū)洗雙滾筒洗衣機(來源：海爾)

　　隨著生活水平不斷提高，人們衛(wèi)生意識逐漸加強，智能化的分類洗滌成為消費者洗衣的新需求。用戶當(dāng)然可以用一臺洗衣機分幾次洗滌，也可以買兩臺相互獨立的洗衣機同時洗滌，但都不理想。海爾發(fā)明了分區(qū)洗雙滾筒，將兩個筒連接在一起，通過獨有的雙筒互平衡、雙懸掛支撐減振等技術(shù)滿足用戶分類洗滌的時代需求;通過水重用技術(shù)實現(xiàn)節(jié)水節(jié)能;通過智能分水技術(shù)實現(xiàn)兩個筒獨立無交叉健康用水;通過滾筒下排水技術(shù)，實現(xiàn)洗滌排水無殘留和洗衣機內(nèi)部環(huán)境和下水道環(huán)境的隔絕來確保洗衣機內(nèi)部環(huán)境的清潔;通過雙噴淋等技術(shù)避免洗滌的污漬殘留和細(xì)菌滋生產(chǎn)生的二次污染，體現(xiàn)了對用戶健康的呵護。通過柔護內(nèi)筒、搖籃柔洗、雙?？刂啤⒅悄軐傧春虳D無霍爾變頻調(diào)速靜音、節(jié)能技術(shù)，實現(xiàn)對高檔衣物的輕柔呵護。

　　裝備產(chǎn)品目標(biāo)功能擴展的最好例子莫過于裝備的運行維護。傳統(tǒng)的裝備設(shè)計中并不考慮運維問題，也正是因為數(shù)字-智能技術(shù)的發(fā)展，近20年引起人們高度重視。運行維護需要通過對裝備的自動監(jiān)測而預(yù)測未來的狀態(tài)，GE在航空發(fā)動機葉片上裝很多傳感器，飛機飛行時傳感器獲得大量的數(shù)據(jù)，裝備之外有一“健康保障系統(tǒng)”，通過大數(shù)據(jù)分析判斷發(fā)動機的運行狀態(tài)，是否需要維護。每臺發(fā)動機的信息聯(lián)網(wǎng)，機器聯(lián)網(wǎng)的一個好處是學(xué)習(xí)效果。每臺機器的操作經(jīng)驗可以聚合為一個信息系統(tǒng)，以使得整個機器組合加速學(xué)習(xí)，而這種加速學(xué)習(xí)的方式是不可能在單個機器上來實現(xiàn)的。

　　一個產(chǎn)品的元目標(biāo)功能的擴展，需要設(shè)計開發(fā)者對用戶需求的細(xì)微關(guān)注和想象。不管是裝備還是人們生活中的用品，設(shè)計開發(fā)人員都需要深入實際，細(xì)微觀察了解進一步提升產(chǎn)品性能的需求。不僅如此，還需要想象用戶的潛在需求(用戶自己尚未意識到的需求)。在此前提下，通過新技術(shù)的應(yīng)用擴展元目標(biāo)功能，使產(chǎn)品快速高質(zhì)量地進化。

　　審視產(chǎn)品的元目標(biāo)功能有無可能通過數(shù)字-智能技術(shù)的應(yīng)用而擴展——可能是產(chǎn)品創(chuàng)新的開始。

　　3)目標(biāo)功能邊界的改變

　　只要對生活中的工業(yè)產(chǎn)品稍加細(xì)心的觀察，可以感覺到某些產(chǎn)品和它最初進入我們生活之中的形象已大為改觀，甚至可以發(fā)現(xiàn)某些產(chǎn)品的元目標(biāo)似乎模糊了。

　　從手機的發(fā)展歷程可以看出，它的功能在不斷進化。從一開始的電話、通信工具變成今天人們生活都難以離開的、能夠顯示某個人特定存在的物品。數(shù)字-智能等先進技術(shù)的應(yīng)用，包括眾多的App，不斷賦予手機新的功能。當(dāng)手機能夠攝像、導(dǎo)航、付費、購物、遠(yuǎn)程控制、社交……正如谷歌技術(shù)總監(jiān)、首席未來學(xué)家雷·庫茲韋爾(RayKurzweil)所言：我把這臺微小的安卓手機戴在皮帶上，雖然它還不在我的物理身體內(nèi)，但這種內(nèi)外之別只不過是人為的區(qū)分罷了。它已經(jīng)成為我之為我的一部分——不僅是這臺手機本身，也包括它與云端的連接，以及我能在云端接入的一切資源。雖然說汽車的功能遠(yuǎn)不只是代步了，但畢竟人們還可以認(rèn)為“代步”是汽車最主要的目標(biāo)功能。電話是手機初始的元功能，但今天我們還能如此認(rèn)為嗎?今天有的人一天花在手機上的時間達幾個小時，而真正用于電話的時間可能只有幾分鐘。既如此，當(dāng)初那個初始的元功能“電話”還是手機最主要的目標(biāo)功能嗎?

　　人們不知不覺地發(fā)現(xiàn)，本來完全不同類型產(chǎn)品的某些功能被移到手機上，手機的某些功能(如照相)本來是另外行業(yè)產(chǎn)品的功能。手機的功能邊界在哪里?

　　產(chǎn)品的目標(biāo)功能邊界在哪里?——數(shù)字-智能技術(shù)讓你重新審視!

　　手機現(xiàn)象告訴我們，人們可以利用各種先進技術(shù)(尤其是數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù))賦予某一產(chǎn)品全新的功能，突破產(chǎn)品原來的功能邊界。這一現(xiàn)象也給產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)者以啟示，

　　數(shù)字-智能技術(shù)等能夠使產(chǎn)品以“功能跨界”的方式進化!

　  3. 智能產(chǎn)品的基礎(chǔ)功能要素

　　不同類型的產(chǎn)品滿足不同的、特定的目標(biāo)功能訴求，特定的目標(biāo)功能成千上萬，相互迥異。但殊異的目標(biāo)功能卻是由一些基礎(chǔ)的技術(shù)方案或器件去實現(xiàn)，某種意義上，這些基礎(chǔ)技術(shù)方案或器件也完成一定的功能，如感知、控制等，只不過這些功能只是實現(xiàn)目標(biāo)功能的手段。

　　1)感知

　　微處理器芯片持續(xù)發(fā)展已經(jīng)達到一個轉(zhuǎn)折點，儀器儀表的成本持續(xù)下降。尤其是近些年來MEMS(微電子機械系統(tǒng))器件的成熟，使微傳感器在很多設(shè)備和產(chǎn)品上(如汽車)得到應(yīng)用，大大提升了產(chǎn)品主動感知的能力。圖5是華中數(shù)控把“心電圖”概念用于數(shù)控機床的監(jiān)測與控制，主要手段是通過測量主軸電流。

　　圖5 數(shù)控加工“心電圖”(來源：華中數(shù)控)

　　現(xiàn)在很多裝備產(chǎn)品，尤其是大型設(shè)備，需要考慮運維，其基礎(chǔ)便是狀態(tài)感知。裝備需要告知自身的狀態(tài)，所謂“聰明的產(chǎn)品會說話”，正在進行什么工作?需要用戶協(xié)同做什么?運行狀態(tài)如何?通過主動感知從而使設(shè)備能以一個比過去更經(jīng)濟更高性能的方式運行。

　　2)控制

　　控制是多數(shù)智能產(chǎn)品都具有的基礎(chǔ)功能。經(jīng)典的自動控制此處不再贅述。下面簡單介紹智能產(chǎn)品中常見的智能控制形式。

　　(1)補償控制：在智能感知的基礎(chǔ)上，基于檢測到的誤差，實施相應(yīng)的補償。補償對象可以是綜合的，如溫度變化、振動、刀具磨損等引起加工尺寸偏差，最終施加的控制可直接針對尺寸。需要注意的是，通過一定的模型，可以實施預(yù)測補償控制。這才是真正有智能意義的補償控制。

　　(2)遠(yuǎn)程控制：有些設(shè)備需要遠(yuǎn)程操作，如在危險場地工作的機器人，人可以遠(yuǎn)程控制，或者人機協(xié)同控制。目前很多家電的智能控制就包含遠(yuǎn)程控制功能，如對燈光照明進行場景設(shè)置和遠(yuǎn)程控制，家用電器(如電飯煲、空調(diào))的遠(yuǎn)程控制等。

　　(3)交互式智能控制：可以通過語音識別技術(shù)實現(xiàn)智能家電(如彩電)的聲控功能;通過各種主動式傳感器(如溫度、聲音、動作等)實現(xiàn)智能家居的主動性動作響應(yīng)。

　　(4)環(huán)境自動控制：一般的空調(diào)系統(tǒng)，都帶有環(huán)境溫度自動控制。有的企業(yè)因為精密加工的需要，希望車間溫度恒定在某一范圍，這就需要相應(yīng)的環(huán)境溫度控制措施。另外，車間貨物的進出也會影響環(huán)境溫度，僅靠一般的空調(diào)自動控制系統(tǒng)很難滿足要求，需要另外采取特別措施。

　　3)互聯(lián)

　　微電子、物聯(lián)網(wǎng)、無線等技術(shù)飛速發(fā)展，導(dǎo)致對互聯(lián)的需求越來越強烈。生產(chǎn)設(shè)備之間、設(shè)備與產(chǎn)品、設(shè)備與人、虛擬和現(xiàn)實、萬物之間都需要互聯(lián)，無線通信、物聯(lián)網(wǎng)(internet of everything，IoE)是基本手段。

　　用于互聯(lián)的元器件進化非?？臁Ｈ?D打印技術(shù)的出現(xiàn)使人們重新思考天線和電磁元件的制造。圖6是應(yīng)用多工藝3D打印(multiprocess 3D)技術(shù)把導(dǎo)線、網(wǎng)格、金屬箔片嵌入到一個元件中以消除絕緣和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)受空間條件限制的影響，這樣可以隨意地制造把絕緣體和導(dǎo)電體交織在一起的、帶有復(fù)雜網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的元件。而且這樣制造的天線性能勝過傳統(tǒng)方法制造的天線。

　　(a)圓柱形天線 (b) 阿基米德線天線 (c) 多平面天線

　　圖6 通過多工藝3D打印技術(shù)制造的嵌入天線的元件

　　企業(yè)越來越關(guān)注測控網(wǎng)絡(luò)的無線化。如在石化領(lǐng)域，工廠需要基于低成本無線技術(shù)的定位與跟蹤以及工廠無線測控網(wǎng)絡(luò)與Internet的融合等技術(shù)。在石化工業(yè)的生產(chǎn)線上，為了保證生產(chǎn)質(zhì)量、綠色以及安全，必須對很多節(jié)點上的參數(shù)進行監(jiān)測。圍繞著石化工業(yè)現(xiàn)場超大規(guī)模傳感器節(jié)點的互聯(lián)互通、異構(gòu)感知網(wǎng)絡(luò)信息集成與應(yīng)用，必須解決超大規(guī)模傳感器的高可靠和動態(tài)組網(wǎng)、工廠測控網(wǎng)絡(luò)的無線化、跨尺度的感知信息融合、工業(yè)低成本無線定位與跟蹤、工廠無線測控網(wǎng)絡(luò)與Internet融合等問題。除了保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率之外，互聯(lián)有助于設(shè)備預(yù)測性維護、物流跟蹤管理等目標(biāo)的實現(xiàn)。

　　日本小松(KOMATSU)把互聯(lián)的思想用于其工程機械產(chǎn)品。通過安裝在工程機械上的 GPS 和各種傳感器，對機械當(dāng)前所處位置、工作時間、工作狀況、燃油余量、耗材更換時間等數(shù)據(jù)進行收集，并使用衛(wèi)星或移動網(wǎng)絡(luò)等通信方式，最終通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到日本小松服務(wù)器上，如圖7所示。他們可以根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控車輛運行情況;對用戶的使用習(xí)慣進行分析并建議，從而降低油耗;由于所有的設(shè)備都是互聯(lián)的，他們對大數(shù)據(jù)進行分析，還可用于預(yù)測判斷未來挖掘機市場的需求從而調(diào)整生產(chǎn)計劃。

　　圖7 小松數(shù)字化機聯(lián)網(wǎng)KOMTRAX

　　互聯(lián)已經(jīng)成為消費品中用得越來越多的基礎(chǔ)功能。通過智能感知與移動互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，產(chǎn)品可以與用戶交互，如前面提到的掃地機器人。

　　4)記憶

　　記憶、識別和學(xué)習(xí)都是某些智能產(chǎn)品所具有的功能，從學(xué)術(shù)上講都屬于人工智能范疇的內(nèi)容。關(guān)于記憶、識別和學(xué)習(xí)，這里只作粗淺的介紹，詳細(xì)方法可參閱相關(guān)的人工智能文獻。

　　人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂玫闹悄苁謾C就已經(jīng)具有初步的記憶功能。如在手機上搜索什么，之后它能向用戶自動推送他常常使用的搜尋。這就說明它留下了記憶。當(dāng)然這只是最簡單的記憶功能。復(fù)雜的記憶是與學(xué)習(xí)聯(lián)系在一起的。不能把記憶簡單理解成存儲，記憶是為了能夠有效回憶。記憶需要存儲，但存儲并非一定帶來記憶。人工智能中有一些記憶方法，如長短期記憶網(wǎng)絡(luò)，由被嵌入到網(wǎng)絡(luò)中的顯性記憶單元組成，以記住較長周期的信息;彈性權(quán)重鞏固算法，目的是讓機器學(xué)習(xí)、記住并能夠提取信息，在一個需要記憶的新任務(wù)中把每個事件連接所附加的保護(為了記憶)比作彈簧，彈簧的剛度(stiffness)，也就是連接的保護值正比于其連接的重要程度。還有其他一些記憶方法，讀者可參閱某些人工智能文獻。

　　5)識別

　　識別的內(nèi)容很多，文字識別、語音識別、圖像識別……一些簡單的識別技術(shù)已經(jīng)走進我們的生活。如手機上的“全能掃描王”能夠把圖片上的文字進行識別，翻譯成可以處理的word文字;語音識別在家用電器中多有應(yīng)用;圖像識別在工業(yè)場景中的應(yīng)用也日漸增多。這里僅簡單介紹通過機器視覺識別產(chǎn)品或工藝缺陷。

　　利用計算機視覺模擬人類視覺的功能，對采集的實物圖像進行處理、計算，進而作出相應(yīng)的判斷。隨著視覺技術(shù)的發(fā)展，人工檢測的精度已經(jīng)遠(yuǎn)遜于機器視覺檢測。產(chǎn)品的表面缺陷檢測是機器視覺檢測應(yīng)用最廣的一部分，其檢測的準(zhǔn)確程度直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。機器視覺檢測技術(shù)已被廣泛用于產(chǎn)品或工藝的缺陷檢測中。如用視覺體系檢測電子部件的缺陷或針腳的偏移，發(fā)現(xiàn)檢查安裝錯誤等。華星光電公司與騰訊合作,對面板海量圖片進行快速學(xué)習(xí)與訓(xùn)練, 實現(xiàn)機器自主質(zhì)檢,分類識別準(zhǔn)確率88.9%,節(jié)省人力60%。據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的數(shù)據(jù), 中國每天在產(chǎn)線上進行目視檢查的工人超過350萬,但人工檢測準(zhǔn)確度不高，而且強度大。尤其未來工業(yè)高清視頻經(jīng)過5G和邊緣計算與中心云相連,結(jié)合AI能力,其識別能力將大大提高?？梢?，此技術(shù)的應(yīng)用前景之廣闊。

　　另外，隨著智能制造的進一步推進，智能工廠甚至無人工廠是未來的發(fā)展趨勢。無人化則更離不開機器視覺識別。

　　6)學(xué)習(xí)

　　某種意義上說，學(xué)習(xí)是智能最重要的標(biāo)志。真正意義上的智能產(chǎn)品在于是否具有學(xué)習(xí)功能。

　　華中科技大學(xué)李德群教授等把智能技術(shù)用于塑料注射成形的工藝及裝備，取得非常好的效果。根據(jù)注塑產(chǎn)品典型外觀缺陷，如飛邊、短射、劃痕，構(gòu)建其專有卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從大樣本中提取樣本圖像初級特征(如邊緣、紋理等)，組合形成高級缺陷特征，解決了模板匹配等常規(guī)檢測方法漏檢、誤檢率大的問題，大幅提高了產(chǎn)品自動檢測中的缺陷識別率。他們發(fā)明成形過程數(shù)據(jù)的自編碼特征提取模型，采用自稀疏編碼與卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的無監(jiān)督學(xué)習(xí)，克服了注射成形多工序批次過程數(shù)據(jù)時序相關(guān)、維度高的難題，實現(xiàn)了成形過程特征的降維。此外，應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量統(tǒng)計模式分析方法，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程監(jiān)控。圖8為注塑產(chǎn)品缺陷的深度學(xué)習(xí)與質(zhì)量控制。

　　圖8 產(chǎn)品缺陷的深度學(xué)習(xí)技術(shù)(李德群提供)

　　特別需要強調(diào)的是，智能產(chǎn)品的基礎(chǔ)功能要素，尤其是記憶、識別和學(xué)習(xí)，應(yīng)該充分利用開源軟件。如faceai是一款入門級的人臉、視頻、文字檢測以及識別的項目，能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有：人臉檢測、識別(圖片、視頻)輪廓標(biāo)識，頭像合成(給人戴帽子)，數(shù)字化妝(畫口紅、眉毛、眼睛等)，性別識別，表情識別(生氣、厭惡、恐懼、開心、難過、驚喜、平靜等七種情緒)，視頻對象提取，圖片修復(fù)(可用于水印去除)，眼動追蹤(待完善)等等。教程是入門級的，通俗易懂，讀者不妨延伸閱讀。工程中的很多項目，其識別難度還不如人臉識別。

　　2018年6月25日，Linux 基金會，集結(jié)世界頂級開發(fā)者的非營利開源組織，宣布騰訊成為基金會的最新白金會員。在開源領(lǐng)域，騰訊的貢獻正逐步增長，日益成為社區(qū)活躍一員。