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SMT柔性生产线数据分析与利用领域的专利启示

智能制造新趋势窥探

在电子装配行业,为提高SMT(表面贴装)柔性生产线的生产效率,降低生产成本,希望寻找全球范围内的专利数据:基于生产线中产生的各类数据(产品数据、设备数据、工艺数据、质检数据、生产信息数据、物料数据、售后服务数据等)进行数据收集、筛选、分析和挖掘的相关专利。 本报告以制造行业为基础,针对生产线优化、生产线仿真及生产线专家系统方面的专利进行了初步检索分析,并根据任务涉及的问题,经过解读、筛选,提炼出部分高相关度的专利,提示该领域的研发人员进一步研究关注。同时,此次极客任务的分析结果对于智能制造行业相关细分领域的技术研发人员也有一定参考价值。

生产线优化技术

通过检索发现生产线优化技术从1997年就开始出现相关专利的申请,20年发展过程中,整体专利申请呈现上升态势,特别是从2010年开始申请量明显增长(如图1所示)。而公开数量更是在2016年出现激增,公开数量是2015年的两倍(图2)。

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图1: 生产线优化技术专利申请趋势(1997~2016)

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图2:生产线优化技术专利公开趋势(1997~2016)

 观察主要申请人排名发现(图3),国内多家高校都在该领域取得了大量研究成果并申请了相关专利,其中浙江大学申请量排名第一。从国外申请者来看,被认为在智能制造行业具有世界领导地位的西门子公司与中石化、国家电网及首钢等国内企业专利布局力度相当。瑞士ABB公司作为电力和自动化技术领域世界级知名厂商,拥有包括电力自动化系统、测量设备和传感器,实时控制和优化系统,机器人软硬件和仿真系统等多种产品线。在生产线优化技术领域近年来不断加大研发投入,专利布局力度上也明显占优,其部分相关专利值得进一步重点解读和跟踪研究。

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图3: 生产线优化技术专利申请人排名情况

生产线仿真技术

在生产线仿真技术领域中,专利整体数量与生产线优化技术相当,专利申请量及公开量同样呈现出逐年上升的趋势,专利申请量在2013年达到今年来的峰值(图4),而公开数量于2015年和2016年进入高峰期(图5)。

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图4:生产线仿真技术专利申请趋势(1997~2016)

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图5:生产线仿真技术专利公开趋势(1997~2016)

通过聚类分析发现,在生产线仿真技术上,系统类专利布局数量最多,其次是组件及控制器,且申请主体主要为国外公司,如日本的三洋、日立,韩国的三星等,值得特别关注的是Adgistics,这是一家提供数字资产管理软件服务解决方案的公司,在模拟仿真主题上有关键专利布局。从国内来看,武汉大学在模拟仿真技术上具有一定优势(图6)。

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图6: 生产线仿真技术聚类分析图

生产线数据专家系统

所谓专家系统是一种模拟人类专家解决领域问题的计算机程序系统。专家系统是人工智能中最重要的也是最活跃的一个应用领域,它实现了人工智能从理论研究走向实际应用、从一般推理策略探讨转向运用专门知识的重大突破。在制造业领域,利用专家系统实现生产线各种数据的分析和利用成为最新的智能制造领域关注热点。

从生产线数据专家系统的专利检索上亦有收获和新的发现,如图7及图8所示,该领域专利申请量20年来在稳定增长,而2016年公开量激增。

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图7:生产线数据专家系统专利申请趋势(1997~2016)

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图8:生产线数据专家系统专利公开趋势(1997~2016)

在这个领域中,中国呈现出明显的劣势,几乎很难发现国内企业在此领域的专利申请(仅发现国家电网在2015年申请的CN201510632952.X专利),而日本公司如NEC、日立、东芝等有大量专利申请,IBM、Kellogg Browin & Root(KBR)亦在此领域发力(图9)。

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图9:生产线数据专家系统专利申请人TOP 10

高相关度重点专利

从以上关键词检索到的结果中进行反复比对与筛选后,分析得到一些高相关度的重点专利。针对电子装配,特别是SMT领域,利用数据分析和数据挖掘技术优化生产线,从而提高生产效率或生产质量的相关专利相对较少,检索到的部分专利中,更关注贴片机一个生产环节的性能优化。从申请时间看,主要集中在2014年以后,且数量较少,相比专利,该技术领域的论文则相对多些,说明该类技术在成熟度或者创新程度上看还处于萌芽发展阶段。

标题

公开号

申请号

申请人

METHOD FOR SIMULATING PRODUCT TIME IN SMT PROCESS

KR1020160023332A

KR1020140109585

SAMSUNG TECHWIN CO LTD

PCB板组装工艺中多机流水生产线贴片机负荷均衡优化方法

CN105590143A

CN201510962454.1

兰州理工大学

但如果将检索范围从电子装配行业扩展到整个制造行业,针对广义的生产线优化问题,能够检索到相对较多的专利。从申请人分布看,日本公司和研究机构在该领域申请专利较多。从技术角度看,针对生产线产能优化问题,检索到的重点专利主要从以下几个方面布局:

1. 从优化生产布局的角度出发,利用生产线仿真技术,优化调度整个生产链的各个工序,从而提高生产效率,减少用工人数

标题

公开号

申请号

申请人

生产线仿真模型构筑方法以及生产线仿真模型构筑装置

CN103150604B

CN201210514348.3

株式会社日立制作所

一种基于集成仿真的自动化生产线优化设计方法

CN106022523A

CN201610342541.1

广东工业大学

一种生产线的快速定制设计服务平台

CN106021733A

CN201610342985.5

广东工业大学

一种自动化生产线的设计与运行联合优化方法

CN105787229A

CN201610342540.7

广东工业大学

装配线多目标建模方法、粒子群算法及优化调度方法

CN105160433A

CN105160433A

河海大学

从专利申请人看,国内的广东工业大学在生产线仿真技术领域有较多相关专利,侧重于产线布局。

2. 从优化生产工艺的角度出发,利用生产线仿真技术,建立工艺仿真模型,寻找生产率瓶颈工艺,优化工艺参数,从而提高生产效率及产品质量

标题

公开号

申请号

申请人

METHOD FOR SIMULATING PRODUCT TIME IN SMT PROCESS

KR1020160023332A

KR1020140109585

SAMSUNG TECHWIN CO LTD

PRODUCTION SIMULATION DEVICE AND PRODUCTION SIMULATION METHOD

WO2013157507A1

WOJP13061143

HITACHI LTD

PRODUCTION LINE SIMULATION DEVICE

WO2015068257A1

WOJP13080234

TOSHIBA MITSUBISHI ELECTRIC INDUSTRIAL SYSTEMS CORPORATION

通过工艺模型优化生产线,在该技术方向的专利相对较新,暂时没有检索到国内公司或研究所在该领域的相关专利。从一个侧面也反映出在工艺数字化方面,国内基础较弱。

3. 通过优化生产调度策略,优化生产计划,从而提高生产率

标题

公开号

申请号

申请人

生产计划的决定方法

及决定装置

CN104137665B

CN201280070071.8

富士机械制造株式会社

生产线仿真模型构筑方法以及生产线仿真模型构筑装置

CN103150604B

CN201210514348.3

株式会社日立制作所

The production schedule of the decision support system

JP6041765B2

JP2013151965

株式会社神戸製鋼所

4. 利用机器学习技术,建立生产线专家系统,分析识别产线生产模式,建立产线产量的趋势,分析影响产量降低的潜在因素,为提高生产率提供数据支撑和解决方案

标题

公开号

申请号

申请人

Production pattern-recognition artificial neural net (ANN) with event-response expert system (ES)--yieldshieldTM

US20030028353A1

US09923215

GVENTER BRIAN

PATTERN-RECOGNITION ARTIFICIAL NEURAL WITH EXPERT SYSTEM

WO03015004A3

WOUS02018279

NOKIA CORPORATION

5.提高仿真模型的精度:通过数据分析,虚实比对数据,结合机器学习方法,不断迭代,提高仿真精度

标题

公开号

申请号

申请人

生产线模拟装置

CN105706010A

CN201380080785.1

东芝三菱电机产业系统株式会社

6. 利用能源管理技术,降低生产线能耗,优化配置产量与能耗间的平衡,以达到最佳的经济效益

标题

公开号

申请号

申请人

SIMULATION BASED CLOUD SERVICE FOR INDUSTRIAL ENERGY MANAGEMENT

WO2016176163A1

WOUS16029282

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

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