未来制造业：碳中和、AI和数字化
以“产业转型，作出改变”为主题的2023年汉诺威工业博览会于4月17日至21日举行。作为汉诺威工博会的一部分，碳足迹相关的技术创新也得到了更多的关注。工业领域的参与者聚焦二氧化碳中和生产、人工智能、数字化工厂等方面，竞相展示未来生产和能源供应的解决方案。多家企业展示了实时确定产品碳足迹的案例。
4月17日至21日，全球约4000家来自机械工程、电气和数字行业以及能源行业的企业参加了2023年汉诺威工业博览会。在这个历史悠久的工业贸易展览会上，从复杂生产过程的自动化和数字化，到人工智能(AI)渗透和优化生产与设计，以及能源管理、碳足迹分析和减少二氧化碳排放等，工业领域的参与者聚焦二氧化碳中和生产、AI、数字化工厂等方面，竞相展示未来生产和能源供应的解决方案。
二氧化碳中和生产
在汉诺威工业博览会(以下简称工博会)上，人们聚焦气候友好型生产转变的方式，例如，过程用能的电气化、氢气和生物质的使用、二氧化碳的回收、循环经济的扩展等。
尽管欧洲的氢能产业处于世界前列，但现在仍然迫切地需要将氢经济从小众转向规模化。在工博会上，围绕氢气的工业化生产、远距离运输和安全存储，以及氢能应用的各种场景，很多企业提出了自己的解决方案。
作为化石燃料的环保替代品，电力合成燃料(E-Fuel)是由水、二氧化碳和来自可再生能源的电力制成的。它具有与传统燃料相似的特性和化学性质，可用于传统内燃机，但不会释放额外的破坏气候的气体。欧盟特许2035年后继续销售使用E-Fuel的内燃机汽车。经典内燃机的拥护者将电力合成燃料视为未来出行的气候中和选择方案之一。工博会上，关于电力合成燃料规模化生产及其经济性的讨论仍在继续。德国西门子能源等展示了其在智利南部以工业规模利用绿色电力和水生产二氧化碳中性燃料的项目“HaruOni”。这是世界上第一家投入运营的电力合成燃料的全集成工厂，2023年计划生产13万升合成燃料。
工博会上，人们还能看到不同的提取和储存二氧化碳的方法。例如卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)热过程工程研究所开发的技术就可从大气中直接提取二氧化碳并将其转化为炭黑。通过这种方式，有害的温室气体可转化为高科技应用的原料。经过不断改进，KIT已建成并投入使用了一个集装箱大小的测试设施，每天可从环境空气中提取近两公斤的二氧化碳，并在连续运行中转化大约0.5公斤的固体碳。
在二氧化碳回收方面，工业自动化领军者费斯托公司独辟蹊径。费斯托的生物反应器拥有最佳的生长条件，其中的藻类吸收的二氧化碳比陆地植物多一百倍。在2023年的汉诺威工业博览会上，费斯托展示了该系统的规模化以及工业化的初步阶段。
人工智能渗透工业领域
伴随新一波AI的热潮，汉诺威工博会也聚焦“生产中的AI”这一主题。从机器人技术到生产单元，AI和流程自动化相互作用，在增强企业竞争力方面表现不凡。除了优化流程外，制造业在仿真、测试和产品开发方面越来越依赖AI。
在智能优化生产流程方面，西门子公司以一个巧克力工厂模型为例，展示了如何将机器学习模型有效集成到生产流程中。在模型案例中，经过大约72小时的数字孪生训练，AI制定了一个最佳的解决方案，使得所有巧克力棒都尽可能快地在前面的传送带上运输，并且仅在最后一个传送带上精确控制速度。弗劳恩霍夫所属4个研究所联合展示了用AI优化生产计划的例子。面对制造时间精确到分钟，订单网络和数据结构异常复杂的情况，人工管理已很难胜任，而AI可确保将不同订单分配给最合适的生产机器，以实现最佳的利用率。
弗劳恩霍夫数字媒体技术研究所(IDMT)在工博会上展示了一个基于AI的工业噪声分析在整个生产链上应用的案例。内容包括过程监控、产品在线和终端质量控制以及机器的预测性维护等。创新的测试系统可以根据每次插拔过程中产生的噪音来识别部件是否正确连接。给人的反馈可以是听觉的、视觉的或触觉的，例如通过振动。机器人则直接从传感器系统获取必要的信息。IDMT开发的解决方案还包括用语音命令可靠地控制机器。即使在工厂车间嘈杂的环境中，语音识别也能正常工作。
在模拟仿真方面，领先的工程AI软件公司MonolithAI展示了其机械工程仿真解决方案。它的AI方法比普通的数字模拟走得更远。每次模拟都可进一步开发一个产品模型，从而为制造商提供更多分析数据。这意味着机械工程可节省大量测试。像ChatGPT或DALL-E这样的系统已可支持当今的文本生成、编程和设计。在传统的设计空间探索(DSE)中，工程师必须手动扫描非常大的问题空间来获得设计解决方案。而在AI的帮助下，包括芯片设计在内的复杂设计领域将发生重大的变化。可以预见，DSE将是未来AI项目的重点之一。
此外，参观者还可在工博会中找到能激发灵感的AI工具和用例。例如，费斯托在开发生物反应器时就利用AI和量子传感器来检查细胞的活力；英特尔与合作伙伴则展示了基于AI的机器人如何确保装配线上的质量；西门子展示了在AI系统ChatGPT的协助下如何加速可编程逻辑控制器的代码编程；弗劳恩霍夫智能分析和信息系统研究所则展示了针对AI程序的开发测试工具和程序，从可靠性、公平性、稳健性、透明度和数据保护方面检查和评估AI应用程序。
制造业的数字化趋势
自动化之后是生产的数字化，目标是生产效率、速度和质量的提高，使企业在通向未来工业的道路上获得更高竞争力。未来的生产是数字化、智能化和网络化的。数字化工厂需要从产品研发、工艺、制造、质量和内部物流等与产品制造价值链相关的各个环节都基于数字化软件和自动化系统进行支撑，例如制造执行系统(MES)。通过监控、跟踪、记录和控制整个生产周期来优化制造流程，MES填补了生产计划与底层工业控制之间的鸿沟，实现了企业计划、执行、控制三层之间的信息流通。
在工博会上，参观者可看到下一代MES产品，即面向工业物联网框架的制造运营管理系统(MOM)。现代企业需要全球化的解决方案，以实现供应链分段管理，适应快速的市场变化，以及任意地点设计、生产和销售产品。MOM强调生产同步性，支持网络化制造。现代企业的管理架构在云/工业物联网平台、本地、边缘或混合场景中得到灵活使用。用发展的眼光看，实现数字化企业转型意味着要将产品生命周期管理、MOM和自动化整合在一起。
至于已提出10多年的“工业4.0”，作为德国工业制造的伞形品牌概念，它将传感器制造商、自动化专家、机器人制造商、软件制造商和用户聚集在一起，成功激发了人们对自动化的热情，也对工业过程的数字化产生很大的影响。
此外，研究人员发现，来自亚洲的充满活力的公司，正在企业的数字化领域投入巨资，并且已超越了许多西方竞争对手。慕尼黑大学与合作伙伴一起对全球899家工业公司进行了数字化程度调查。结果发现，只有50%的生产过程实现了自动化。最有效的是两种技术是自主运输和AI。在德国、奥地利、瑞士、英国和美国的公司中，整个生产过程中只有大约44%是自动化的，而在中国，这一比例已达到69%。
在工博会现场接受科技日报记者采访时，沈阳新松机器人自动化公司德国分公司经理杨斐说：“我们这次重点展示了拥有自主知识产权的核心产品，包括搭载智能力控补偿技术和离线编程技术的工业机器人磨抛系统；广泛应用于新能源电池头部企业的高精度移动机器人；为工业领域智能、高效完成清洁作业量身打造的‘星卫来’工业清洁机器人；让质量控制更加简单高效的多可协作机器人3D扫描检测系统等。我们希望各国的参观者能够切身感受到新松在机器人领域的快速进步。”
杨斐希望未来能为德国客户提供一整套的工业4.0解决方案。他强调说：“新松拥有完整的机器人产品线及工业4.0整体解决方案。我们的产品已累计出口全球40多个国家和地区，为4000余家国际企业提供产业升级服务。传统制造业向智能制造转变是大势所趋。新松不断攻关智能感知、自主决策等行业前沿、共性技术，将机器人与机器视觉融合、与更多的传感器融合、与人工智能融合，使其成为智能制造的重要工具。”(记者李山)
