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特別報道
未來，視覺測量、識別、檢測等工作將在傳統(tǒng)工業(yè)領域智能化生產中發(fā)揮關鍵作用。僅產品表面缺陷檢測這一部分，市場規(guī)模就接近百億元，經濟價值巨大。
文/吳苡婷
《上?？萍紙蟆犯呒売浾?，中國科技新聞學會科技傳播理論研究專委會理事
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)領域，智能化目標的實現(xiàn)困難重重。
上海大學通信與信息工程學院曾丹教授敏銳地意識到視覺技術與工業(yè)的結合是未來的藍海，智能制造和智能工廠有著巨大的產業(yè)需求?？辞迮Ψ较虻脑ぶ饾u將研究重心從計算機圖形學轉向計算機視覺，力求解決實際應用中的難題。計算機視覺技術可謂是工業(yè)領域的“萬精油”技術，由兩個核心內容組成，一是測量，二是定位。
曾丹團隊與上海寶冶集團有限公司（以下簡稱上海寶冶）、中冶寶鋼技術服務有限公司、云從科技集團股份有限公司、中國科學院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院等單位合作完成“智能工廠復雜工況時變目標精細感知關鍵技術與應用”項目，形成相關技術體系，并獲得從組件、設備到系統(tǒng)的一體化創(chuàng)新成果。該項目榮獲2023年上海市科技步獎一等獎。
曾丹（左前）與博士生彭浩（右前）、中冶寶鋼技術服務有限公司的合作者一起探討問題（攝影/邢千里）
直擊痛點，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據的傳感器，之后還得訓練大模型。然而，傳統(tǒng)工業(yè)領域的工況條件很差，溫度會發(fā)生變化，設備免不了移動，由此造成測量精度大大下降。例如，高溫下鋼材會形變，架設傳感器的鋼架也會形變，機械臂受工況影響亦會產生誤差，這些在生產流程中會不斷累積、放大，最終嚴重影響測量結果。
煉鋼車間里，機器的轟鳴聲此起彼伏，生產線旁火花四濺、煙塵彌漫。這里溫度常年超過50℃，爐內溫度高達上千攝氏度。工作人員無法長時間在如此惡劣的環(huán)境里工作，產品質量的實時監(jiān)控成為難題。
曾丹團隊從機理研究起步，一方面在車間實地蹲點，另一方面在實驗室寫代碼、模擬測試，幾經努力，終于“啃”下這塊“硬骨頭”。在實際測試中，這套柔性自適應智能感知系統(tǒng)的測量相對誤差比傳統(tǒng)測量技術減少了約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，工作人員通過控制室的電腦屏幕就可以看到產品的全貌，鋼坯的夾渣、裂紋等一覽無余。有了柔性自適應智能感知系統(tǒng)的助力，瑕疵在第一時間就被去除。只需對著屏幕操控傳感器、機械臂等，就能完成連鑄坯的缺陷查找和吹掃等工作。帶溫連鑄坯進入車間后，攝像頭會自動拍攝并將數據傳到后臺進行處理。整個處理過程從原先的25分鐘縮短到5分鐘。這套柔性自適應智能感知系統(tǒng)使特種鋼材的后續(xù)生產精度提升至微米級成為可能。
邁向通用，
賦能各大工業(yè)領域
“‘智能工廠復雜工況時變目標精細感知關鍵技術與應用’項目最大的特點是通用性。這套可以用到各行各業(yè)的柔性智能感知系統(tǒng)，能根據客戶需求自動快速地計算，給出最優(yōu)的建設方案，比如‘怎么布設傳感器最省錢’‘用什么樣的攝影機效果最好’，可以根據其需求給出最佳數字化生產方案。目前服務較多的是高精尖的頭部企業(yè)，技術的最大極限在亞微米級。” 曾丹介紹說。
核心技術的“窗戶紙”一旦被捅破，應用之路就越走越寬。近年來，在推動寶鋼工廠全流程智能化升級的同時，項目的關鍵技術還形成了多個子系統(tǒng)，在各大行業(yè)得到充分應用。
曾丹認為，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)療領域。目前，項目組已與上海聯(lián)影智慧醫(yī)療投資管理有限公司、鄭州大學第一附屬醫(yī)院、海南醫(yī)科大學合作進行了癌癥檢測的探索，相關成果榮獲2023中國產學研合作創(chuàng)新成果一等獎。
這套系統(tǒng)還被用于2022年北京冬奧會國家雪車雪橇中心的建設。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，
服務于星辰大海
“智能工廠復雜工況時變目標精細感知關鍵技術與應用”項目不僅在地面的智能制造中發(fā)揮重要作用，還進入茫茫太空彰顯實力。
衛(wèi)星使用時間長了，會出現(xiàn)各種故障。如果用傳統(tǒng)通信設備與地面聯(lián)系，將有時間延遲，而在軌衛(wèi)星一直運動變化著，因此無法遠程遙控衛(wèi)星完成維修工作?！斑^去只能讓其報廢，”曾丹說，“現(xiàn)在只要在一個飛行器上安裝相關設備，就可以自主對其他飛行器進行智能化維修?！?/p>
高精度目標實時定位系統(tǒng)解決了空間站機械臂手眼相機標定與小目標高精度實時定位的問題，可有效輔助完成在軌衛(wèi)星維護的精細維修任務。此外，該系統(tǒng)具備毫秒級的響應，能夠實現(xiàn)動態(tài)衛(wèi)星的精準對接。
考慮到衛(wèi)星之間的距離較為遙遠，團隊專門研發(fā)了時空頻三域聯(lián)合增強技術，大幅提升微弱信號的檢測、定位與性能識別功能，促使衛(wèi)星修復工作更精準。
“我們期待高精度目標實時定位系統(tǒng)走進各大中小企業(yè)，賦能各大產業(yè)，為各行各業(yè)的數字化轉型工作、促進新質生產力發(fā)展的工作作出自己的貢獻?！痹ふf。
本文相關成果“智能工廠復雜工況時變目標精細感知關鍵技術與應用”榮獲2023年上海市科技進步獎一等獎。
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