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面对未来的竞争,大众正在打造“IT实验室”——探秘SPL智能生产实验室

2018-10-10 12:10:49·  来源:昂扬汽车  作者:楚宇轩  
 
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12个汽车品牌,120家生产工厂,150个国家和地区的业务,36000多家供应商,62万名员工,超过1000万辆的年产量,大众、奥迪、保时捷、兰博基尼、宾利从经济紧凑型

12 个汽车品牌,120 家生产工厂,150个国家和地区的业务,36000多家供应商,62万名员工,超过 1000 万辆的年产量,大众、奥迪、保时捷、兰博基尼、宾利……从经济紧凑型到豪华超跑的产品线——这一切构成了大众汽车集团庞大而复杂的“产业帝国”。 

但在越来越快节奏的互联网时代,“大”未必意味着“强”,传统制造业企业越来越面临着硅谷咄咄逼人的数字化挑战,快速和灵活逐渐成为市场的“主旋律”,及时满足客户个性化需求、小批量定制生产的“工业4.0”时代来临。这将极大地颠覆汽车产业以往规模化为特点的生产和消费模式,全球汽车产业已经步入一个全新的时代。 

智能化生产、人工智能和大数据等先进技术正被广泛地用于优化企业的生产流程,使企业能够更高效地应对市场变化,从而更好地满足客户要求。为应对这种颠覆式的产业剧变,大众汽车集团正在加紧打造一系列“IT实验室”。到目前为止,大众汽车集团有七个这样的实验室分布于世界各地,“智能生产实验室(Smart Production Lab)”就是其中之一。该实验室的核心工作是为“工业4.0”时代的大众汽车的生产制定解决方案。各种生产原型会拿到这里进行测试,并在下一个阶段投放到实际的生产环节进行进一步的测试。如果原型成功,就会在全集团范围内推广。 

表 大众汽车集团的七大IT实验室

在组织工作和开发速度上,这种“IT实验室”像快艇一样迅猛,因此,在大众汽车集团内部,“实验室模式”也被称为“快艇模式”。从某种角度上,这些独立于其他分公司的“IT实验室”,甚至可以看作是互联网时代,“大象”型企业——大众汽车集团应对快速变化的市场环境,而在企业内部孵化的,更灵活、反应更迅猛、更有战斗力的“独角兽”。 

这些“IT实验室”的任务是什么?他们正在进行的具体工作项目有哪些?从“大象”的内部能否孵化出真正的“独角兽”?这些“独角兽”又能否帮助大众汽车集团完成转型,从容面对工业 4.0 时代的挑战?通过对” SPL智能生产实验室”的探访,也许能够揭示其中的奥秘。

不准拍照,不准录音,不准使用手机,不准……当大众汽车集团(中国)“德国科技之旅”代表团到达大众汽车集团 IT 部门“ SPL智能生产实验室”时,却被下达了各种“禁止令”,甚至连提前办理好的出入证也要一一对照进行严格的检查。 

这个灰白色外表的神秘建筑,位于大众汽车沃尔夫斯堡工厂北边的大众IT城,于2016年建成,是大众汽车集团进行数字化研究的心脏,保密级别非常高,四周是郊野农田。大众汽车正致力于将它打造成为一个灵巧的、强调协作的办公空间,并希望其“适合小组团队进行协作。”虽然同样位于德国沃尔夫斯堡,但是“SPL智能生产实验室”距离大众汽车集团总部约有30分钟车程,不同于生产制造类企业,这里更像是一所大学校园,1400 多名各个领域的 IT 专业人员在这里工作。 

对于大众汽车集团来说,“SPL智能生产实验室”承担的任务是为“未来的汽车生产制定解决方案”,通过数字化技术让大众汽车的生产能力转型,从容进入“工业 4.0”时代。由于工业 4.0 时代要求硬件和软件共同成长、相互协作,所以“SPL智能生产实验室”非常注重以高产出、高效率的数字化生产系统服务于客户——大众汽车集团的各个业务部门。在这个基础上,“智能生产实验室”的工作重点是开发后端的软件,即把硬件作为工具来进行软件的开发,强调与业务部门通力合作来推进生产和物流领域的数字化进程。 

“我们的工作思路强调快速和由点及面,一般来说,我们没有非常宏大的工作计划,而是从小项目入手进行试点并做出原型,一旦成功,就尽快在全集团推广。如果不成功就立即退出,保留代码,用于其他研究。”大众汽车集团“SPL智能生产实验室”负责人沃尔夫冈·哈肯贝格博士(Dr. Wolfgang Hackenberg) 表示,他们还设有专门的部门进行咨询工作和发掘高潜力项目。

 为应对工业 4.0 时代所带来的变化,大众汽车集团需要对在岗员工不断进行培训,帮助他们掌握最新的技术,不断提高他们的能力。因此,“培训和知识转移”也是“SPL智能生产实验室”另外一项重要工作。同时,这个实验室也进行一些针对德国国家层面及欧洲层面的,先进的、前瞻性的研究项目,比如人工智能和未来机器人。

 此外,“SPL智能生产实验室”还非常注重对本科及硕士毕业生进行新技术培训。大众汽车集团会择优录用这些经过培训的毕业生,或者让他们在“SPL智能生产实验室”完成硕士乃至博士论文再聘用,这样的用人思路比直接招聘,更有利于大众汽车集团获得高素质和高能力的人才。沃尔夫冈·哈肯贝格博士(Dr. Wolfgang Hackenberg)本人就是这项政策的受益者。十年前,他在大众汽车集团先后完成了硕士论文和博士论文,随即加入大众汽车集团,如今已经成为“SPL智能生产实验室”的负责人。 

对于大众汽车集团(中国)“德国科技之旅”代表团,沃尔夫冈·哈肯贝格博士(Dr. Wolfgang Hackenberg) 重点介绍了“SPL智能生产实验室”五大核心能力中的智能机器人、工业计算机视觉和大众汽车未来的生产生态系统,这些技术案例从一定程度上,展示了大众对于汽车生产方式变革的思考和布局。 

(一)  智能机器人

特点:1、应用仿生抓取技术,灵活精密;

2、防碰撞,实现同一时空下的人与机器人协作;

3、智能化,可自主进行机器学习;

4、可移动,实现不固定工位,不同场景的使用

两年前,大众汽车集团“智能生产实验室(SPL)”就在研究“如何让机器人在一个固定的工位和人展开协作”,现在他们已经能够让这个智能机器人进行移动,甚至在汽车生产装配线中可以和两到三个人进行协作。这个正在进行的研究项目是“移动状态下的人机合作”,主要研究在移动过程中,智能机器人如何实现与人的协作。该项目中使用的所有硬件,都是现成的普通商用零件,如机器人的手臂、抓取系统、激光系统和摄像头等,都能在市场上购买到,其新意在于用软件对已有的硬件进行重新组合。 

 SPL把这个正在研究的智能机器人叫MIRCO,意为“移动式智能人机协作机器人”。这是一款基于移动平台的双臂机器人,有两个抓手,其中一个抓手有5根手指,能够抓取5公斤以内的部件,另一个抓手是4根手指,用来抓取比较小的物体,如螺丝等部件。这是由于SPL在研究中发现,并不是所有的工作任务都需要用到五个手指,所以对于其中一个抓手只设计了4根手指。

机器人MIRCO的抓手和手臂非常灵活,在生产中能够像人一样做出动作,已经非常接近甚至达到了人的操作水平,可以完成一些非常精密的操作。例如,在进行抓取的时候,会像人一样,在感觉到物体之后再进行抓取,把物体放下来的时候也不会直接扔下,而是像人一样把东西放到位。通过这款既可以抓取重型零部件,也可以握住单个螺丝钉的机器人,SPL在试验仿生抓取技术的应用。

在MIRCO的底部配备了4个万向转动轮,可以实现独立转向。其顶部闪着蓝光的摄像机具有上下和左右摇动的能力,即使是在一个白墙的背景上,也能够感知出前方的结构,主要用于进行工作任务的识别,例如寻找这个机器人要进行工作的车辆。此外,这个机器人还装有两个激光扫瞄仪,通过激光扫瞄仪,在地图范围内, 机器人可以进行自我导航,从而避免与周边环境发生碰撞。

安装有4个3D 摄像头的MIRCO,具有线距控制功能, 在两个机械臂之间,或者是在机器人和人之间接近到一定距离时会发出警示,从而防止发生碰撞。但在一些场景中, 例如机器人在两个抓手之间传递东西,碰撞警示会被忽略,因为机器人会认为这是完成任务的一部分。此外,如果人类对它说“我要给你东西”,那么从这一刻开始,人类就可以接触它,它也就不会再躲开人类的接触。不过,在所有场景中,安全始终是最重要的,当人离它过近时,它会有所察觉并放慢速度。

这些有效预防碰撞的功能使得人和机器人可以在同一个工作空间和同一个工作时间进行协作。而过去,在进行工作任务时,人和机器人或者在时间上是前后分开的,或者在空间上有栏杆等物理的隔离,把人和机器人隔开。

也就是说,这个项目创造了一个“人机协作的环境”,人和机器人可以在一个完全共享的时间和空间中工作,不需要进行任何隔离,机器人会按照人的指令完成工作。当人进入工作环境,可以通过语音或者手势对机器人进行指挥。如果不需要机器人做任何协作,机器人会自动停止,或者退下等待人的指令,等人离开这个空间后,它再上前继续完成任务。

对于大众汽车而言,人与机器的合作在生产中变得日益重要。车辆或零部件的生产工作越来越多地需要由人和机器人协作完成,而不是由其中一方独立或双方依次完成。这意味着机器人需要了解工人的所想和所需,因此与人密切合作的机器人需要掌握相当多的知识和技能。 

“对机器人进行编程需要具备很好的想象力和极大的耐心。”在这个项目中, SPL工作人员像教孩子一样对这个机器人进行各种训练,例如教会它招手或者说再见。通过训练,工作人员可以用一些手势对机器人进行指挥,传达“开始”、“停止”、“到我这儿来和我合作”等信息。同时,MIRCO也在使用人工智能进行机器自主学习,主要是与生产、人机协作有关的,以便在工作中更好地与人配合。在实际工作环境中,当工人认为它靠得太近了,它知道离远一点;如果工人认为它送一个工具或者部件的时间太长了,它就可以加快速度。目前,这台设备已经在大众集团工厂的车间里进行试用。事实上,SPL不仅在研究智能机器人的未来,而且会将阶段性的研究成果直接投入到工厂中使用。

 

SPL推出MIRCO这个机器人系统,主要有两个目标:一是提高劳动生产效率;二是让员工能够有一个更好、更加健康的工作环境。因此SPL在实验中探索的是机器人未来的应用,并没有把这个机器人限定在完成某一些特定的工作上,而是希望去发掘和探讨在未来生产中无限多的可能性。例如,在人机协作中,它可以综合抓取和自由移动的功能,帮助工人领取零件和工具,再由工人来完成装配;而当工人需要在车底盘下面工作的时候,机器人能够完成托举的工作。这使得智能机器人能够被应用于不同场景,以提高生产效率。 

SPL在智能机器人领域的项目,既有国家层面的,也有全欧盟层面的。其中德国国家层面的研究项目由大众汽车集团和德国政府共同出资。“机器人移动状态下的人机合作项目”就是由SPL智能生产实验室与德国乃至全世界最大的人工智能实验室之一——德国人工智能研究中心合作开展,并得到了德国联邦政府的资助。参加这个研究项目的合作方,除了代表汽车行业的大众汽车集团, 还有代表飞机制造业的空客,以及机器人领域的库卡。 

(二)  工业计算机视觉 

特点:将计算机视觉技术应用于工业环境,实现仓储物流等生产流程的自动化、安全和高效

工业计算机视觉包括工业视觉和计算机视觉,其中,工业视觉主要解决以往需要人眼进行的工件的定位、测量、检测等重复性劳动;计算机视觉的主要任务是赋予智能机器人视觉,利用测距、物体标定与识别等功能实现对于外界位置信息、图像信息等的识别与判断。在工业计算机视觉方面,SPL正在进行的主要工作是将计算机视觉等技术应用到工业环境中。

他们开发了可以运行在“大众汽车视觉计算人工智能平台”上的工业摄像头,这种工业摄像头由三个模块(摄像头互联模块、人工智能模块、图像处理模块)组成,将这三个模块结合在一起,就是一个可以应用于生产场景的工具。而且通过计算机视觉,还可以构建很多使用场景和应用。比如通过神经网络的学习能力,让机器学会查找零部件,这样就又可以开发出新的应用场景。

工业摄像头的模块

1、摄像头互联模块,这是一个摄像头互联器软件。不论摄像头的规格如何,是用于工业生产,还是安全监控,都能实现数据调用。

2、人工智能模块。包括物体识别和分类。比如,让系统显示 A 摄像头能够看到的安全带,那么它就能展示 A 摄像头拍摄范围内的安全带。

3、图像分析或者图像处理模块。应用最先进的视觉计算的算法可以让 A 摄像头显示其能看到的商品条形码,随后再通过人工智能模块对条形码进行直接扫码。 

工业摄像头的使用场景

1、零部件的进货验收

以往零部件的进货验收流程是:货车进厂并且在停车区停下,收货员工需要用条形码扫瞄仪器对所有的条形码进行扫瞄和验收,随后需要在仓库记录系统里手工录入信息。这一套流程包含大量的人工劳作。

而现在,只需要一个与人工智能视觉计算平台相关联的安保监控摄像头,就可以完成所有操作,实现整个进货验收工序的自动化。

这个具备条形码解码能力的摄像头可以扫瞄18 米以外的货品上的条形码。SPL将这个摄像头的应用程序接入到为负责仓储物流的叉车司机所配备的平板电脑上,叉车司机只需点开、启动这个应用,摄像头就会接收到司机的指令而左右转动,对这批货上的标签进行扫瞄。后台软件则通过人工智能算法,在司机的平板电脑上显示扫瞄进度,并且将结果录入到系统中。如果条形码上有污损而影响机器解码,后台就会将这个污损的条形码标记成为红色。叉车司机可以选择人工识别,也可以点击红色的图表,得到放大之后的条形码。在条形码上的数字被确认后,红色的图标会变成蓝色,蓝色代表着数据已经被上传到仓储系统之中。

2、寻找零部件

将工业摄像头的后台连入视觉计算人工智能平台,可以根据业务部门的要求检查判断零部件(安全带)是否装满,不论数量过多或者过少,都可以在监控显示图上显示,并且警告工作人员。 

(三)  未来的生产生态系统

特点:高效、灵活,实时监控,实时反馈

1、传统生产线上,一个机器的停机,就可能造成整条流水线的停工。然而在未来的工厂,机器之间可以自动地互相替代,确保生产线持续运行。

2、汽车企业当前的生产模式是根据每一天的生产计划提前一天做准备,并由员工在当天的生产中执行。而未来的生产模式是在车间一级的生产环节中,对信息和新的情况进行持续不断的反馈,以便及时地调整、设定和执行计划。

3、当前,在进行设备工厂管理规划的时候,首先要从生产的产品、产能和产量要求出发,随后才细化到车间级别的规划。换言之,当前的生产(比如生产上的每一个决策点,不同的可能性和方案)是依靠系统来计算和辅助决策。

而在未来, 只需要告诉系统生产的需求,系统会根据人工智能算法,针对生产和场内物流整体来对整个工厂进行规划。通过这样的方式,可以达到通盘优化的效果,能够极大地提高效率。比如,在生产进行时,物流自动驾驶运输车辆已经开动,并在停工的瞬间,来到机器旁边。

4、为了提高效率,这个规划是“秒级的”,不留出任何缓冲空间和时间。因此系统的规划要有足够的灵活性和调整能力,一旦发生问题,能够重新调整。

这样的系统类似于未来工厂的大脑,为了让大脑发挥作用,需要把当下的各种硬件进行数字化和联网。SPL构建了一个物联网平台,可以确保把工厂大脑所产生的物流工单,通过高度集成化的物联网平台传递给自动驾驶车队,让它精准地执行指令。在平台上,工件实时的物流移动状况,每一个自动驾驶系统所在的位置和它到达工位所需要的时间,始终被精确监控和计算,所有的机器设备(尤其是物流自动驾驶系统)都能进行实时的数据交互,以便向物流自动驾驶系统发出更加精确的指令。生产过程中产生了几秒的延误,人工智能算法都要判断是否会对整个计划造成影响,需要在新的环境条件下,自动计算出高质量、实时的、灵活的最优决策。

 

“SPL智能生产实验室”的五大核心能力 

1、物联网  SPL致力于实现更多的生产设备之间的联网。主要做法是在生产设备中部署大量的传感器,以实时获得大量的生产数据和信息,提高生产效率和质量,从而更好地服务客户。

2、工业计算机视觉 计算机系统识别物体的视觉计算能力越来越强,SPL希望能够运用这种技术使生产和物流流程进一步优化。 

3、数据分析 大众汽车集团在慕尼黑设有专门的数据实验室,专注于数据分析。在SPL也有一支十人规模的团队对生产和物流领域的数据进行分析,主要是为了进一步优化和提升工艺。 

4、智能机器人 主要研究方向是人机协作的未来。 

5、未来的生产生态系统 从更加宏观的角度考察现有生产系统的构成和流程,思考未来的生产将如何组织,即从整体的生产组织调度的角度来考察未来的生产形态。这需要对生产流程有总体的把控,并甄别那些可能随着生产系统的未来发展被淘汰的生产工艺或工艺步骤,避免对这些工艺或步骤进行不必要的研究。