精細(xì)感知實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別，普惠各大產(chǎn)業(yè)

上海科技獎(jiǎng)勵(lì)研究成果科普化

特別報(bào)道

未來，視覺測量、識(shí)別、檢測等工作將在傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域智能化生產(chǎn)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。僅產(chǎn)品表面缺陷檢測這一部分，市場規(guī)模就接近百億元，經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大。

文/吳苡婷

《上海科技報(bào)》高級(jí)記者，中國科技新聞學(xué)會(huì)科技傳播理論研究專委會(huì)理事

目前，中國各大行業(yè)的智能制造成熟度還不高，整體智能化程度不足10%。特別是在冶金、化工、煤炭等傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域，智能化目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)困難重重。

上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院曾丹教授敏銳地意識(shí)到視覺技術(shù)與工業(yè)的結(jié)合是未來的藍(lán)海，智能制造和智能工廠有著巨大的產(chǎn)業(yè)需求。看清努力方向的曾丹逐漸將研究重心從計(jì)算機(jī)圖形學(xué)轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)視覺，力求解決實(shí)際應(yīng)用中的難題。計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)可謂是工業(yè)領(lǐng)域的“萬精油”技術(shù)，由兩個(gè)核心內(nèi)容組成，一是測量，二是定位。

曾丹團(tuán)隊(duì)與上海寶冶集團(tuán)有限公司（以下簡稱上海寶冶）、中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司、云從科技集團(tuán)股份有限公司、中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位合作完成“智能工廠復(fù)雜工況時(shí)變目標(biāo)精細(xì)感知關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目，形成相關(guān)技術(shù)體系，并獲得從組件、設(shè)備到系統(tǒng)的一體化創(chuàng)新成果。該項(xiàng)目榮獲2023年上海市科技步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

曾丹（左前）與博士生彭浩（右前）、中冶寶鋼技術(shù)服務(wù)有限公司的合作者一起探討問題（攝影/邢千里）

直擊痛點(diǎn)，找到根源

一直以來，不少測量工作需要工程師到現(xiàn)場完成，另需要安裝很多用于采集數(shù)據(jù)的傳感器，之后還得訓(xùn)練大模型。然而，傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的工況條件很差，溫度會(huì)發(fā)生變化，設(shè)備免不了移動(dòng)，由此造成測量精度大大下降。例如，高溫下鋼材會(huì)形變，架設(shè)傳感器的鋼架也會(huì)形變，機(jī)械臂受工況影響亦會(huì)產(chǎn)生誤差，這些在生產(chǎn)流程中會(huì)不斷累積、放大，最終嚴(yán)重影響測量結(jié)果。

煉鋼車間里，機(jī)器的轟鳴聲此起彼伏，生產(chǎn)線旁火花四濺、煙塵彌漫。這里溫度常年超過50℃，爐內(nèi)溫度高達(dá)上千攝氏度。工作人員無法長時(shí)間在如此惡劣的環(huán)境里工作，產(chǎn)品質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)控成為難題。

曾丹團(tuán)隊(duì)從機(jī)理研究起步，一方面在車間實(shí)地蹲點(diǎn)，另一方面在實(shí)驗(yàn)室寫代碼、模擬測試，幾經(jīng)努力，終于“啃”下這塊“硬骨頭”。在實(shí)際測試中，這套柔性自適應(yīng)智能感知系統(tǒng)的測量相對(duì)誤差比傳統(tǒng)測量技術(shù)減少了約43%，測量成本則下降了85%。最終，上海寶冶的系列高爐大修任務(wù)取得安裝就位精度優(yōu)于5毫米、工期縮短9%的優(yōu)秀成績。

如今，在上海寶冶的智能化示范車間內(nèi)，工作人員通過控制室的電腦屏幕就可以看到產(chǎn)品的全貌，鋼坯的夾渣、裂紋等一覽無余。有了柔性自適應(yīng)智能感知系統(tǒng)的助力，瑕疵在第一時(shí)間就被去除。只需對(duì)著屏幕操控傳感器、機(jī)械臂等，就能完成連鑄坯的缺陷查找和吹掃等工作。帶溫連鑄坯進(jìn)入車間后，攝像頭會(huì)自動(dòng)拍攝并將數(shù)據(jù)傳到后臺(tái)進(jìn)行處理。整個(gè)處理過程從原先的25分鐘縮短到5分鐘。這套柔性自適應(yīng)智能感知系統(tǒng)使特種鋼材的后續(xù)生產(chǎn)精度提升至微米級(jí)成為可能。

邁向通用，

賦能各大工業(yè)領(lǐng)域

“‘智能工廠復(fù)雜工況時(shí)變目標(biāo)精細(xì)感知關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用’項(xiàng)目最大的特點(diǎn)是通用性。這套可以用到各行各業(yè)的柔性智能感知系統(tǒng)，能根據(jù)客戶需求自動(dòng)快速地計(jì)算，給出最優(yōu)的建設(shè)方案，比如‘怎么布設(shè)傳感器最省錢’‘用什么樣的攝影機(jī)效果最好’，可以根據(jù)其需求給出最佳數(shù)字化生產(chǎn)方案。目前服務(wù)較多的是高精尖的頭部企業(yè)，技術(shù)的最大極限在亞微米級(jí)。” 曾丹介紹說。

核心技術(shù)的“窗戶紙”一旦被捅破，應(yīng)用之路就越走越寬。近年來，在推動(dòng)寶鋼工廠全流程智能化升級(jí)的同時(shí)，項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)還形成了多個(gè)子系統(tǒng)，在各大行業(yè)得到充分應(yīng)用。

曾丹認(rèn)為，人體癌癥早期的癥狀與鋼材的表面缺陷類似，因此她創(chuàng)新性地將系統(tǒng)引入醫(yī)療領(lǐng)域。目前，項(xiàng)目組已與上海聯(lián)影智慧醫(yī)療投資管理有限公司、鄭州大學(xué)第一附屬醫(yī)院、海南醫(yī)科大學(xué)合作進(jìn)行了癌癥檢測的探索，相關(guān)成果榮獲2023中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果一等獎(jiǎng)。

這套系統(tǒng)還被用于2022年北京冬奧會(huì)國家雪車雪橇中心的建設(shè)。有了它的助力，近2000米的賽道的建造精度優(yōu)于3毫米。

深耕航天，

服務(wù)于星辰大海

“智能工廠復(fù)雜工況時(shí)變目標(biāo)精細(xì)感知關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”項(xiàng)目不僅在地面的智能制造中發(fā)揮重要作用，還進(jìn)入茫茫太空彰顯實(shí)力。

衛(wèi)星使用時(shí)間長了，會(huì)出現(xiàn)各種故障。如果用傳統(tǒng)通信設(shè)備與地面聯(lián)系，將有時(shí)間延遲，而在軌衛(wèi)星一直運(yùn)動(dòng)變化著，因此無法遠(yuǎn)程遙控衛(wèi)星完成維修工作。“過去只能讓其報(bào)廢，”曾丹說，“現(xiàn)在只要在一個(gè)飛行器上安裝相關(guān)設(shè)備，就可以自主對(duì)其他飛行器進(jìn)行智能化維修。”

高精度目標(biāo)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)解決了空間站機(jī)械臂手眼相機(jī)標(biāo)定與小目標(biāo)高精度實(shí)時(shí)定位的問題，可有效輔助完成在軌衛(wèi)星維護(hù)的精細(xì)維修任務(wù)。此外，該系統(tǒng)具備毫秒級(jí)的響應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)衛(wèi)星的精準(zhǔn)對(duì)接。

考慮到衛(wèi)星之間的距離較為遙遠(yuǎn)，團(tuán)隊(duì)專門研發(fā)了時(shí)空頻三域聯(lián)合增強(qiáng)技術(shù)，大幅提升微弱信號(hào)的檢測、定位與性能識(shí)別功能，促使衛(wèi)星修復(fù)工作更精準(zhǔn)。

“我們期待高精度目標(biāo)實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)走進(jìn)各大中小企業(yè)，賦能各大產(chǎn)業(yè)，為各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作、促進(jìn)新質(zhì)生產(chǎn)力發(fā)展的工作作出自己的貢獻(xiàn)。”曾丹說。

本文相關(guān)成果“智能工廠復(fù)雜工況時(shí)變目標(biāo)精細(xì)感知關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用”榮獲2023年上海市科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

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