不锈钢焊管制造企业应用人工智能需优先解决的几个问题

人工智能正以前所未有的深度、广度和速度走进人类的生产、生活领域，分析了不锈钢焊管行业应用人工智能、实现智能制管的可行性和必然性，指出为了实现智能制管，不锈钢焊管生产企业要有坚定的信心，需要优先解决成本投入、生产数据收集、组建专家团队和机构、提高设备和管坯精度等问题，从数据、人才、组织、设备、管坯、管理等方面入手，为实现智能制管提前做好准备。

人工智能（artificial intelligence，AI），是工业智能制造的核心，是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。随着大数据环境的快速形成，云计算与边缘计算的能力大幅提升，深度学习带动算法模型的持续优化和资本与技术的深度结合，使人工智能从只能执行某种特定的工作到适应各种场景的人机对话，人工智能正以前所未有的深度、广度和速度走进人类的生产、生活领域。

笔者于2020年初发表了一篇《不锈钢焊管智造AI+高频直缝不锈钢焊管制造的构想》的论文，得到了一些行业从业人员的关注，本研究就人工智能在不锈钢焊管行业的应用给出具体的建议，为不锈钢焊管行业实现智能制管提供一定参考。

1人工智能在不锈钢焊管行业应用的可行性

1.1人工智能技术的成熟度

（1）目前已经能够利用各类传感器并对传感器时序数据（包括机组运行速度、实际焊接速度、焊接温度、轧制力、毛刺刀磨损程度以及震动状态等）进行分析，从而对生产设备做出预测性维护与异常警示，以确保设备稳定可靠运行。这不仅能提升5%~20%的产能，还能提高生产质量，极大降低意外停机造成的成本损失。

（2）随着5G等通信技术的愈发成熟，已经能将企业的各类传感数据、控制数据、生产工艺数据、质量测量数据、企业运行数据等整合到一个平台上并进行系统分析、虚拟检测和过程控制，提高产品自信度。

（3）机器学习与深度学习已经被广泛地应用于系统数据分析，通过整合行业生产经验数据，使预测模型的实时性、可靠性等更贴近现场应用，使生产系统运行更合理、产品质量更可靠。

（4）机器视觉技术在人脸识别上的成功应用，使得该技术可以运用到工业生产中，建立识别准确率更高、识别速度更快、识别能力更强的应用模型。

1.2不锈钢焊管生产制造技术的特点

（1）不锈钢焊管生产设备的精度和管坯精度基本能够满足工业化连续生产与传感器采集数据的需要。

（2）不锈钢焊管生产工艺流程相似度高，尽管不锈钢焊管尺寸、材质差异大，但制造原理和工艺流程相近，对应道次轧辊孔型、生产设备相似，成组技术特征明显，方便人工智能中的传感器、语言识别、图像识别、数据库和专家系统的建立与应用，也使得不锈钢焊管人工智能框架的构建相对简单。

（3）生产工艺可“复制”。不同批次相同规格不锈钢焊管，只需更换对应的工模夹具就能实现重复生产。同时，如果轧辊精度、管坯精度和设备精度足够高，那么生产工艺可“复制”。若同时引入成组技术，将同一外径、不同壁厚的不锈钢焊管按一组进行设计，则可最大限度地减少人工智能建模数量，降低设计难度与设计成本。

（4）不锈钢焊管生产的工艺成熟，工艺参数较易获取。

（5）不锈钢焊管行业聚集了一批研究型、技能型专家学者，容易建立可靠适用的专家系统。一个好的专家系统既是行业成熟的标志，也是应用人工智能、顺利实施智能制管的前提。

2人工智能在不锈钢焊管行业应用的必然性

近年来，世界各国陆续发布了人工智能方面的战略规划。美国国家科技委员会与美国网络和信息技术研发委员会于2016年10月发表了《国家人工智能研究和发展战略计划》；日本经济产业省于2017年颁布了《下一代智能推进战略》；韩国第四次工业革命委员会于2018年5月发布了《人工智能研究与发展（R&D）战略》；德国则在2012年便提出了“工业4.0”战略。当今世界主要工业国家在如此短时间内密集颁布关于人工智能的发展战略绝非偶然，是工业3.0（广泛应用电子与信息技术）发展到工业4.0（智能化）的历史必然。

我国在2017年7月8日经中央政治局常委会、国务院常务会议审议通过了《新一代人工智能发展规划》，该规划指出，人工智能的迅速发展将深刻改变人类社会生活。其中，特别指出要推广应用智能工厂，重点推广生产线重构与动态智能调度、生产装备智能物联与云化数据采集、多维人机物协同与互操作等技术，鼓励和引导企业建设工厂大数据系统、网络化分布式生产设施等，实现生产设备网络化、生产数据可视化、生产过程透明化、生产现场无人化，提升工厂运营管理智能化水平。可见，人工智能在工业生产中的应用是未来发展的必然趋势。

人工智能研发与工业应用各取所需。随着人工智能在金融、教育、交通、健康、零售、服务以及制造等领域取得巨大商业价值之后，需要在更多工业生产中得到应用。与此同时，不锈钢焊管行业亦需要借助人工智能实现智能制管，以达到提高生产效率、提升产品质量的目的。因此，智能制管必然会成为今后不锈钢焊管制造的发展方向，不锈钢焊管生产企业要坚定信心，应用人工智能提升中国不锈钢焊管行业的运营能力和竞争能力。

3应用人工智能需解决的几个问题

3.1成本投入

人工智能系统的价格，因应用场景的不同而差异较大。根据智能化的需求，价格从几万到数百万不等，随着AI技术的日渐成熟，其价格和使用成本都会大幅降低。以移动通信终端变迁史为例，手机从最早的“大哥大”，到目前的智能手机，不仅技术上得到了非常大的进步，而且价格从一开始的“望而却步”，到现在的全民普及，发生了巨大的变化。同理，人工智能技术经过较长时间的积累，通过新型算法的应用和基础设施的完善，其价格必定会大幅下降。据《计算机周刊》报道，斯坦福大学和麦肯锡公司研究的报告显示，人工智能的计算能力每三个月左右翻一番。以图像识别能力为例，其随时间变化的计算能力和成本数据见表1。

由表1可以看出，其计算能力从2017年10月至2019年7月不到两年时间内提高了122.7倍，成本降低了193.6倍。由此可见，随着人工智能技术的不断进步，不锈钢焊管生产用人工智能必定会以更低的价格被企业所接纳。另外，要辩证地看投入，既要看投入，也要看产生的收益。据美国麦肯锡全球研究院的研究指出，仅仅是将人工智能运用在企业营销、供应链管理这两项工作中，就能够在未来20年创造出27 000亿美元的经济价值，平均每年约有1 350亿美元。可想而知，使用人工智能可为不锈钢焊管企业创造非常大的经济价值，即节省人力成本、时间成本、设备损耗、运营成本和供应链管理成本等。目前，应该为人工智能顺利融合不锈钢焊管行业而提前做准备，组建专家团队、收集制管工艺数据等。

3.2收集数据

3.2.1数据的重要性

数据、运算能力、算法模型、传感器和多元应用是构成人工智能的五大要素，如果说运算能力是人工智能的“大脑”，算法模型是“骨骼”，传感器是“口眼手鼻”，多元应用是“潜力挖掘”，那么数据就是“细胞”，是所有这些的基础。数据及其相关性和准确性是构建人工智能模型的先决条件。

（1）人工智能来源于数据，没有数据就谈不上人工智能。谁拥有数据多，谁就能占领制高点，拥有定义未来的权力。

（2）人工智能的能力大小取决于有效数据量，拥有有效数据越多，人工智能就越智能。

（3）人工智能最擅长的是通过数据找出数据间隐藏的内在逻辑，总结已经发生事件的规律，在此基础上建立预测模型，进而优化效率、提升质量、降本增效，否则便不可能设计出适合该企业的人工智能模型。

3.2.2不锈钢焊管行业的数据现状

不锈钢焊管行业的数据现状主要表现为确切数据与模糊数据并存、经验数据与理论数据并存、定量施加与效果迥异并存、显性知识与缄默技术并存。

（1）确切数据与模糊数据并存。在高频直缝不锈钢焊管生产过程中，一方面，包括轧辊孔型初始尺寸、管坯规格牌号、辊轴直径、轴承型号等都有详细的数据；另一方面，轧辊孔型磨损程度不均、管坯性能波动幅度与频率、平辊轴实时弯曲变形程度、立辊轴实时扰度、轴承实时磨损程度等数据，因涉及因素较多，难以精确测量。以平辊轴承磨损为例，受操作习惯、不锈钢焊管规格、使用时间、管坯性能、润滑状况、轧制力、轮班制度等因素影响，只能定性地知道发生了磨损，至于实际磨损了多少与瞬时磨损值则难以确定。

（2）经验数据与理论数据并存。这在不锈钢焊管生产中比较多见，如成型立辊轧制力的施加、焊接挤压力的施加、薄壁管成型的调整等过程，都是经验与理论兼备。以薄壁管成型调整来说，不锈钢焊管成型理论清楚表明，采用上山法可避免成型管坯边缘出现“鼓包”，但是若按理论上山量预先逐道次增加轧辊高度，不一定能解决“鼓包”问题；反而凭借经验观察“鼓包”程度，仅对少数几道次轧辊高度用试错法进行增减，效果却十分显著。

（3）定量施加与效果迥异并存。最明显地表现在不锈钢焊管定径尺寸的调整，由于平辊与平辊轴、平辊轴与轴承、轴承与滑块、滑块与压下装置之间以及立辊与立辊轴承、立辊轴承与立辊轴、立辊轴滑块与调节装置、调节装置与立辊架之间存在程度不等的配合间隙、磨损间隙和弹塑性变形，而且这些间隙和变形又随不锈钢焊管规格、管坯材质不同所形成的变化量不等，即使按刻度施加调整量，与想要达成的效果多数情况不一致，需要反复多次调节才能达成预期效果。

（4）显性知识与缄默知识并存。显性知识是指能明确表达的知识。所谓缄默知识是指人们受专业知识、文化程度、表达能力、时空环境等因素制约，不能用清晰的语言、文字、图画或符号表达出来，并被事实证明是正确的知识、技术。缄默知识在高频直缝不锈钢焊管成型过程中表现的比较突出，一个经常发生的现象是：在同一机组上，用同一套轧辊成型同一条管坯，甲操作者长时间调整不好，乙操作者却能在短时间内调整好；而成型另一种不锈钢焊管时甲乙操作者的情况可能恰好相反。但是，用确切数据说话，用确切数据表达事物之间的关系，恰恰又是人工智能对应用场景进行客观描述的最基本手段。不锈钢焊管专家和学者为此要尽可能将操作者心中的缄默知识显性化、数据化。不锈钢焊管生产工艺显性化是实现工艺数据化的前提，没有工艺数据化，便不可能设计出不锈钢焊管行业适用的人工智能。

3.2.3工艺数据的准备

（1）建立体现数据的全面性、代表性、关联性和透明性的数据库，收集整理现有显性确切数据，分门别类记录在案。

（2）收集被忽视、被个体认为可有可无或似是而非的数据，请技术专家和生产人员共同甄别验证，去伪存真，将反映客观真实的数据提炼出来。

（3）对存疑数据不要轻易丢弃，留待AI专家进场后共同商榷，因为有些数据也许在本行业专家眼中可能没有用，但在AI专家看来却是关键数据、节点数据。

（4）将经验数据转变为模型数据，对经验数据进行回归总结，将若干同类个性化、趋势化数据上升为理论数据，使数据更具一般性、代表性，成为人工智能可用数据。

（5）将模糊数据清晰化。在不锈钢焊管调整过程中，经常会出现一些“多一点”与“少一点”、“上一点”与“下一点”、“轻一点”与“重一点”、“左一点”与“右一点”等介于量化与泛化之间的模糊数据，要通过多次试验，逐步缩小模糊空间，直至将这些模糊数据变为确切数据。

（6）寻找定量施加与效果差异之间的原因与规律，建立施加量与效果（约等于施加量）、影响因素之间的函数关系，使施加量等效于实际效果。

（7）鼓励那些掌握某种缄默知识的员工与专家一起进行专题交流讨论，使若隐若现的缄默内容在启发式研讨中逐渐明晰，让缄默知识在这样的氛围中不知不觉地被表达成显性知识，进而数据化，实现缄默知识的积累、传承和规模化应用。

（8）将极少目前无法量化的问题按纲记载在案，留待AI专家与行业技术专家协调解决。此外，还要自行研制或与设备制造商合作，制造出尽可能多的数显工模夹具，使工艺数据如力矩扳手一样清晰展示在操作者眼前，一是有利于逐步规范、优化不锈钢焊管工艺；二是有利于严格执行不锈钢焊管工艺，变操作者心中有数为眼前有数据；三是为不锈钢焊管用人工智能数据收集、顺利导入做好铺垫。

3.3组建专家团队

人工智能与不锈钢焊管行业融合是一个综合的系统工程，牵涉到机械、力学、化学、电气、金属学、数学、工艺、检验、管理、计算机等学科，需要多学科专家学者协同配合，必须组建属于不锈钢焊管行业的综合专家团队。

（1）前期准备。包括邀请行业专家和人工智能专家座谈，开展可行性论证，推动行业协会与相关机构协调行动，开展企业选择，数据准备等一系列工作，条件成熟时建设具有不锈钢焊管行业特色的专家系统。

（2）协同配合。在人工智能与不锈钢焊管行业融合期间解决属于本行业的问题，提出需求，按人工智能专家的要求提供数据、维护设备、培训人员。

（3）维护指导。人工智能投入使用前，必须对操作者进行培训，指导其正确使用与维护智能制管系统，最大限度发挥人工智能的作用是不锈钢焊管专家团队的重任。

（4）反馈改进。在人工智能投入使用后，首先需要一个磨合期，以检验人工智能的运行状况；其次还存在与制管设备的磨合期，即智能制管磨合期，以检验软硬件的匹配友好程度。在磨合期，针对问题反馈，需要行业专家与人工智能专家就专业问题进行专业沟通，共同寻找解决之策。

3.4组建机构

人工智能与不锈钢焊管生产融合不单纯是技术问题，而是需要多学科合作，以及长期艰苦细致的科研攻关。行业协会、科研院所、重点企业应率先争取项目和资金的支持。同时，在取得立项和启动资金后进行项目推广，吸引金融机构和创投公司加入，组建风险共担、利益共享的公司法人机构，全面开展智能制管工作。

3.5提高精度

实现智能制管，除了要有一流的人工智能系统外，还需要有高精度的制管设备与管坯等硬件做保障，两个方面缺一不可。

3.5.1不锈钢焊管设备精度

（1）从不锈钢焊管设备制造的角度看，应用人工智能需要高精度、高强度的不锈钢焊管设备来承载，也必定会出现一股设备更新潮，带来新的发展机遇，以引导设备制造商向精细高端方向发展。新设备要在高精度高强度的基础上，实现数字化、自动化，如平辊上下移动、立辊左右移动、平立辊轧制中心模块化、平立辊轧制力显示、挤压辊挤压力数显、焊接汇合点温度实时数显等，为智能制管准备好硬件。

（2）从不锈钢焊管设备使用者的角度看，首先要与时俱进，放弃粗放生产模式，及时淘汰老旧生产线，向高精设备要效率、要效益。以更换不锈钢焊管规格为例，如果能实现轧辊定位模块化、调整数据化，那么换辊时间至少可以节省50%以上；其次，对设备重要性要有清醒认识，低精度设备不可能生产出高品质、高附加值不锈钢焊管，同时所采集到的实时数据不能真实反映工艺状态，人工智能将失能。

3.5.2管坯精度

这里的管坯精度指的是广义精度，包括尺寸精度、力学性能、化学成分等。以力学性能为例，若同一条管坯硬度差异较大，虽然人工智能能够感知到变化并做出相应处理，但这种处理从时序上讲毕竟具有滞后性，也会对产品质量产生一定的影响。不锈钢焊管行业应该从现在起，站在人工智能的角度对管坯精度提出更高要求，以适应未来应用人工智能实现智能制管的需要。此外，精细化管理对人工智能的使用与维护极为重要。要求企业的工艺、设备、材料、环境、人员、销售、供应、仓储管理等更规范、更精准。譬如工艺管理，从现在起首先要对现有工艺内容充实、补充、完善、细化；其次，对每一个工艺参数再验证、再确认，对模糊参数做清晰化处理，务必精准；第三，强化工艺执行力度，严格工艺修改程序，为今后实施智能制管形成良好的氛围。

4结束语

人工智能的迅速发展将深刻改变人类社会生活，是工业广泛应用电子与信息技术发展到现阶段的历史必然。人工智能融入不锈钢焊管生产、实现智能制管具有充分的可行性与必然性，也是不锈钢焊管行业自身发展的需要。不锈钢焊管行业从业人员应及早行动起来，从数据、人才、组织、设备、材料及管理等方面做好功课，积极做好应用人工智能、实现智能制管的前期准备工作。