iV Model在工作流程架構(gòu)中將過程數(shù)據(jù)與圖像和視頻數(shù)據(jù)相結(jié)合，允許用戶查看所有相關(guān)源并應(yīng)用分析工具。

文/Tony Lotzmann，Felix Wenzel，Udo Karsunke，Karol Kozak

隨著激光系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，制造過程中將會產(chǎn)生、捕獲和維護大量數(shù)據(jù)。這迫切需要對歷史數(shù)據(jù)進行分析并隨之制定出相應(yīng)的戰(zhàn)略決策，并更新現(xiàn)有數(shù)據(jù)以支持當(dāng)前的加工過程需求。

工業(yè)4.0趨勢使基于自動化和數(shù)據(jù)交換的未來工廠愿景成為可能，將改變激光加工的優(yōu)化方式。基于激光的加工過程必須變得更加智能，以從中獲得最大的效率和能力。數(shù)據(jù)可視化必須與人眼視覺系統(tǒng)一起工作，以在加工過程中提供快速訪問和快速反應(yīng)，以及理解多參數(shù)、異質(zhì)數(shù)據(jù)空間中的問題。

為了實現(xiàn)這個目標，新穎的機器學(xué)習(xí)與可視化技術(shù)相結(jié)合，將發(fā)揮非常重要的作用。本文將介紹一種將交互式可視化與機器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合的概念，稱為智能觀察器模型（iV Model），用于分析焊接、切割、粘合、熔覆、涂覆和打印等應(yīng)用的激光加工參數(shù)。

具有機器學(xué)習(xí)的交互式可視化

工業(yè)激光系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理方面都非常復(fù)雜（見圖1）。隨著技術(shù)的不斷進步，工業(yè)激光加工所涉及的傳感器、日志、圖像和視頻數(shù)據(jù)的大小和復(fù)雜性都在增加。并且因為激光加工過程本身存在的環(huán)境變化和不確定性，所以數(shù)據(jù)流不能由手動方法控制。

圖1：激光加工數(shù)據(jù)流和智能分析在開發(fā)實驗室中進行優(yōu)化，并應(yīng)用于生產(chǎn)中。

因此，自動跟蹤在激光加工期間可能出現(xiàn)的錯誤類型和關(guān)鍵參數(shù)值，就變得至關(guān)重要。將交互式可視化應(yīng)用與多參數(shù)算法相結(jié)合，是一種解決這個問題一種可行方法。

交互式可視化^[1,2]系統(tǒng)為用戶提供了分析所需的集成接口。結(jié)合可視化和機器學(xué)習(xí)的發(fā)現(xiàn)工具，可以實現(xiàn)更有效的數(shù)據(jù)分析，同時保留用戶控制。^[3]

機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域涉及多參數(shù)計算機算法的開發(fā)和應(yīng)用，其隨著數(shù)據(jù)量的增加而改進。^[4]機器學(xué)習(xí)，也被稱為人工智能或模式識別，屬于計算機科學(xué)和統(tǒng)計學(xué)交叉領(lǐng)域，是試圖在大型數(shù)據(jù)組中識別和發(fā)現(xiàn)模式的過程。

因此，機器學(xué)習(xí)有潛力使計算機能夠輔助分析過程參數(shù)和由制造過程產(chǎn)生的復(fù)雜數(shù)據(jù)。對于機器上的傳統(tǒng)可視化方法，在復(fù)雜激光加工數(shù)據(jù)的可擴展性方面是個問題：最終用戶被限制在二維和三維之間進行解釋。此外，對于與大型加工數(shù)據(jù)組的實時交互式使用而言，許多可視化方法的計算負擔(dān)太大。為了解決這些可擴展性問題，并實現(xiàn)大量高維數(shù)據(jù)集（“大數(shù)據(jù)”）的可視化數(shù)據(jù)挖掘，需要智能可視化方法。

機器學(xué)習(xí)可以開始快速了解設(shè)備，以及影響激光加工和潛在故障的所有現(xiàn)有信號和參數(shù)之間的因果關(guān)系。然后，交互式可視化和機器學(xué)習(xí)可以構(gòu)建可靠性和性能模型，其可監(jiān)控實時性能，并確定設(shè)備性能何時開始偏離規(guī)范。

這樣的交互式解決方案可以用于觸發(fā)適當(dāng)?shù)母深A(yù)和校正系統(tǒng)動作。下面將介紹針對工業(yè)4.0過程，用于將交互式可視化與機器學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合的iV Model。

激光熔覆加工案例

機器學(xué)習(xí)對于預(yù)測和定義大型加工數(shù)據(jù)組中的邊界加工參數(shù)值非常有用，并且已經(jīng)被用于實時和后處理分析。機器學(xué)習(xí)方法可以分為兩種類型：監(jiān)督或非監(jiān)督分類器。監(jiān)督方法在標記的樣本上進行訓(xùn)練，然后用于對未標記的樣本進行預(yù)測，而無監(jiān)督方法在不使用標簽的情況下，在數(shù)據(jù)組中查找結(jié)構(gòu)。

我們將關(guān)注監(jiān)督方法，因為從實驗和加工開發(fā)階段，已經(jīng)知道主要的和期望的參數(shù)值（所謂的訓(xùn)練數(shù)據(jù)組）。訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括在已經(jīng)開發(fā)加工的實驗室中訓(xùn)練的一組已知參數(shù)值。

在監(jiān)督學(xué)習(xí)中，每個樣本是由輸入對象（通常為向量）和期望的輸出值（也被稱為監(jiān)控信號）組成的一對。監(jiān)督學(xué)習(xí)算法分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)并產(chǎn)生推斷函數(shù)，其可以用于映射新樣本。圖2中給出了監(jiān)督處理的一個范例。

圖2：在機器學(xué)習(xí)中，監(jiān)督分類處理確定加工參數(shù)的臨界值。

為了演示該過程，我們考慮一種應(yīng)用，以在加工周期期間生成的所有參數(shù)數(shù)據(jù)內(nèi)識別激光熔覆工藝中的意外參數(shù)值（根據(jù)實驗設(shè)置的離群值）。首先，機器學(xué)習(xí)研究人員與工藝設(shè)計師一起開發(fā)算法，他們相信該算法將實現(xiàn)成功學(xué)習(xí)。

其次，為算法提供規(guī)范（上/下臨界值）中的經(jīng)驗加工參數(shù)的大集合，以及（可選）已知未超出范圍的加工參數(shù)列表。表明加工參數(shù)是否是離群值的注釋被稱為標簽。算法處理這些標記的參數(shù)，并存儲模型。

第三，將新的和未標記的參數(shù)值提供給算法，并且其使用該模型來預(yù)測每個加工參數(shù)的標簽（規(guī)范值或離群值）。如果學(xué)習(xí)成功，則所有或大多數(shù)預(yù)測的標簽將是正確的。

交互式可視化中的分析過程

加工數(shù)據(jù)包括有關(guān)溫度、環(huán)境和功率的信息，記錄多達數(shù)百萬的熱像儀圖像，以及超過十萬行和超過20列的圖像分析結(jié)果。使用任何數(shù)據(jù)分析工具，都需要研究人員適當(dāng)?shù)卣{(diào)整特定數(shù)據(jù)組的這些參數(shù)，以避免在數(shù)據(jù)簇、大小或密度的數(shù)量方面的任意結(jié)果。

通過促進這種變換，交互式可視化可以促進工藝發(fā)現(xiàn)和計算方法的開發(fā)�，F(xiàn)有的加工數(shù)據(jù)和信息可視化技術(shù)，已經(jīng)適用于創(chuàng)建具有易用接口的工具，補充了整個計算方法，允許簡單地解釋加工參數(shù)。

通過結(jié)合安裝在多種機器上的激光相關(guān)技術(shù)的數(shù)據(jù)，并由監(jiān)控系統(tǒng)控制（監(jiān)控系統(tǒng)包括用于功率、溫度、日志文件、速度和總線系統(tǒng)信號的多個傳感器），該系統(tǒng)可以減少風(fēng)險，協(xié)同提高質(zhì)量，更快更準確地執(zhí)行根本原因分析。通過一個一鍵式、單視圖概念和基于工作流程架構(gòu)的簡單接口，可視化方法便于將加工數(shù)據(jù)與圖像和視頻數(shù)據(jù)連接（見圖3）。

圖3：機器學(xué)習(xí)和可視化的集成，使交互式協(xié)調(diào)可視化成為可能。

交互式可視化的基本思想是在一個視覺框架中提供數(shù)據(jù)，允許用戶通過直接與圖像和視頻數(shù)據(jù)交互來深入了解加工參數(shù)。交互式可視化的優(yōu)點，是用戶直接參與加工的所有數(shù)據(jù)通道，并且可以將操作人員的靈活性、創(chuàng)造力和常識，與連接到傳感器和日志文件的大量數(shù)字相結(jié)合。

在iV Model中，數(shù)據(jù)可以在幾個分析階段可視化，并且與原始圖像和視頻數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，保持星形模型的概念（見圖4b）：一鍵式單視圖。在iV Model中，集成了機器學(xué)習(xí)的標記類，并且被表示為規(guī)范值或離群值。未修改和變換的數(shù)據(jù)組，可以交互地繪制為散點圖，顯示在直方圖中，可以在圖像觀察器/編輯器中查看，或作為表格瀏覽。整個實驗可以在各種概述圖中以其注釋的方式顯示，并且可以導(dǎo)出圖形和表格以供發(fā)布。

圖4：分析過程的傳統(tǒng)與交互式可視化對比。加工過程數(shù)據(jù)集的傳統(tǒng)、耗時的分析過程需要多次點擊、文件夾搜索和手動數(shù)據(jù)鏈接（a）；而交互式方法使用一個面板和一次點擊，用戶可以看到所有相關(guān)的數(shù)據(jù)源和分析工具（如圖像、繪圖、數(shù)值結(jié)果和濾鏡）。這其中的概念是：所有信息的訪問應(yīng)該是直接的，并且用戶動作應(yīng)當(dāng)最少化（b）。

這種交互式可視化概念，能夠應(yīng)對工業(yè)激光加工中經(jīng)常發(fā)生的工藝和環(huán)境條件的變化。交互式可視化和機器學(xué)習(xí)方法的組合，有望提供一種參數(shù)評估和實時分析的方法。

在這里，我們已經(jīng)描述了交互式可視化和機器學(xué)習(xí)的架構(gòu)，以確保計算對參數(shù)評估而言足夠快。據(jù)我們所知，這是結(jié)合機器學(xué)習(xí)的交互式可視化的首次亮相，展示了激光加工在工業(yè)4.0中的應(yīng)用。

參考文獻

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3. B. Shneiderman, Inf. Vis., 1, 1, 5-12 (2002).

4. T. Mitchell, Machine Learning, McGraw-Hill, New York, NY (1997).