可持续性
品
人工智能、机器学习和深度学习在智能物流中的进一步发展方向综述
曼努埃尔·沃尚克 1,*
欧文·劳赫2
和 Helmut Zsifkovits1
Montanuniversitaet Leoben 工业物流主席,8700 Leoben, Austria;helmut.zsifkovits@unileoben.ac.at
工业工程与自动化 (IEA),科学与技术学院,博岑-博尔扎诺自由大学,39100 博尔扎诺,意大利;erwin.rauch@unibz.it
* 通信方式 : manuel.woschank@unileoben.ac.at; 电话 : +43-3842-402-6023
收稿日期: 2020-03-31;录用日期: 2020-4-29;出版日期:2020 年 5 月 6 日
抽象: 工业 4.0 概念和技术通过关注互联、数字化和自动化的原则,确保微观和宏观经济实体的持续发展。在此背景下,人工智能被视为智能物流和智能生产计划的主要推动因素之一。本文系统分析了工业企业智能物流管理背景下人工智能、机器学习和深度学习的科学文献。此外,基于系统文献综述的结果,作者提出了一个概念框架,该框架基于最近的研究结果和见解提供了富有成效的启示,可用于指导和启动人工智能 (AI)、机器学习 (ML) 和深度学习 (DL) 领域的未来研究计划智能物流。
关键词: 工业 4.0;人工智能;机器学习;深度学习;智能物流;物流 4.0
1. 引言
第四次工业革命(工业 4.0)包括一系列概念和技术,这些概念和技术应该用于通过参考互联互通、数字化和自动化的概念来增强工业企业的竞争力 [1–4]。在此背景下,智能物流旨在基于敏捷和合作的网络以及相互关联的组织成功实施智能和精益供应链。此外,通过使用现代信息和通信技术 (ICT)、数据网络、参与者和传感器以及自动识别和材料跟踪技术,建立了信息交换。此外,由自主运输车辆支持的自动运输、过渡和存储系统应能够实现系统的部分和/ 或完全自我控制[2-4-6]。
此外,智能物流可以通过使用信息物理系统 (CPS)、物联网 (IoT) 的技术概念来实现,分别作为工业物联网 (IIoT) 和物理互联网 (PI) [2]。除了技术概念的实施外,人工智能、机器学习和深度学习概念的应用可以被认为是数字化转型过程中最重要的成功因素之一 [7]。
在这种情况下,人工智能 (AI) 可以定义为智能机器的科学和工程,特别关注智能计算机程序 [8]。机器学习
可持续性 2020, 12, 3760; doi:10.3390/su12093760www.mdpi.com/journal/sustainability
(ML) 被认为是 AI 不可或缺的一部分,它指的是自动检测数据集中有意义的模式。ML 工具旨在通过确保基于大数据分析的学习和适应能力来提高算法的效率 [9]。此外,深度学习 (DL) 被定义为 AI 技术中 ML 的一个子类,它探索多层非线性信息处理,用于有监督和/或无监督特征提取和转换,以及用于模式分析和分类 [10, 11]。
近年来,AI、ML 和 DL 在工程、医学、经济学、商业管理以及市场营销等众多研究领域中越来越重要 [12–15]。然而,据我们所知,目前科学文献中缺少对人工智能、机器学习和 DL 在工业企业智能物流背景下使用的整体研究。因此,作者在 2014 年至 2019 年的时间范围内对 AI 、 ML 和 DL 技术进行了系统的文献综述。确定的研究可用于提供这些新兴主题的研究概述,这些研究可以作为以后智能物流领域进一步研究的起点。
本文的结构如下。第 2 节描述了本研究选择的研究方法和方法,以及系统文献综述的详细过程步骤。第 3 节介绍了已确定研究的描述性分析和内容分析。第 4 节介绍了工业企业智能物流研究领域的 AI、ML 和 DL 方法的概念框架。第 5 节包含对研究结果的讨论。第 6 节总结了对未来研究计划和实际应用的影响,以及本研究的局限性。最后的第 7 节简要总结了本文的主要贡献。
2. 研究方法和方法
在本文中,作者进行了系统的文献综述 (SLR),以对最近关于 AI、ML 和 DL 方法在工业企业智能物流研究领域应用的研究进行基于二手数据的评估。
通过包括研究相关领域中研究相关研究的序贯识别、筛选、聚类和评价,SLR 方法因其系统性、方法驱动性和可复制性而被选中 [16–18]。特别是对于新知识的产生和评估,SLR 过程被认为是一种有价值的工具,它通过系统评估近期研究的相关发现来最大限度地减少各种判断偏差 [19–21]。
在这种情况下,研究为 SLR 提供了大量的指导方针,应该用这些指导方针来确保实证研究的高质量[16,22–24]。在本研究中,作者重点介绍了 Denyer 等[23]和 Hokka 等[16]建议的 SLR 指南 ,通常可分为以下四个步骤:
第 1 步:确定研究目标;
第 2 步:确定研究主题的框架(概念边界);
第 3 步:使用纳入/排除标准收集数据;
第 4 步:验证研究结果。
2.1. 研究目标
本文旨在通过分析有关 AI、ML 和 DL 相关主题的当前知识和研究状态,特别强调工业研究的最新发展,系统地评估智能物流中 AI、ML 和 DL 可能的未来方向。特别是,作者想了解这个研究主题在过去几年中是如何演变的。此外,评估结果将用于确定进一步研究和实际应用的关键活动。
2.2. 研究对象的框架
本研究的重点是对工业企业智能物流的人工智能、机器学习和深度学习方法进行系统评估。因此,研究主题,即概念边界,是根据工业环境中的术语“人工智能”和相关术语“机器学习”和“深度学习”来定义的。
2.3. 使用一组包含和排除标准收集数据
SLR 还要求定义检索条件、数据库、检索词和出版期限。在这项研究中,作者使用 Scopus 作为关键词搜索的主要来源,因为它被确定为与工程和管理科学领域科学出版物最相关的数据库。对类似数据库 (Web of Science、Science Direct 和 Emerald) 的额外评价未导致结果研究的显著差异。因此,作者决定在本研究过程中使用 Scopus 作为评估二手数据的主要数据库。
下面的图 1 显示了结构化的研究过程 [16, 23] 和预定义的纳入和排除标准,它们基于我们的整体元搜索查询。
图 1. 系统文献综述的流程步骤。
第一步,作者通过筛选文章标题、摘要和关键词,确定了工程和商业、管理和会计学科领域中 AI 、 ML 和 DL 的相关文献。在此步骤中,作者包括各种文档类型,并将它们限制为英语语言。第一种方法主要用于获得对当前研究状态的第一印象。因此,作者将研究的时间范围限制为 2014 年 1 月 1 日至 2019 年 1 月 1 日。一般来说,这个过程导致了 52,546 项确定的研究。
在第二步中,作者还关注了与智能物流、智能生产、智能交通、智能协作网络、智能转型或工业 4.0 领域相关的研究。因此,我们将之前确定的 52,546 篇论文限制为智能物流、智能生产、智能交通、智能协作网络、智能转型或工业 4.0,总共确定了 351 篇论文。此外,作者还计算了所有已识别关键词的排名,用于验证正在进行的数据库研究的元搜索查询。我们的研究策略中没有遗漏任何重要的关键词。
第三步,研究仅限于会议论文、会议评论、文章或仅考虑高质量研究的评论。总之,最终的元搜索查询表述如下:(TITLE-ABS-KEY (“人工智能” 或 “机器学习” 或 “深度学习”) 和 TITLE-ABS-KEY (“智能物流” 或 “智能生产” 或 “智能交通” 或 “智能协作网络” 或 “智能转型” 或 “工业 4.0”)) AND (LIMIT-TO (DOCTYPE, “cp”) 或 LIMIT-TO (DOCTYPE, “ar”) 或 LIMIT-TO (DOCTYPE, “cr”) 或 LIMIT-TO (DOCTYPE,
“re”)) 和 (LIMIT-TO (SUBJAREA, “ENGI”) 或 LIMIT-TO (SUBJAREA, “BUSI”)) 和 (LIMIT-TO
(PUBYEAR,2019 年)或限制至(PUBYEAR,2018)或限制至(PUBYEAR,2017)或限制至(PUBYEAR,2016)或限制至(PUBYEAR,2015)或限制至(PUBYEAR,2014))和(限制至(语言,“英语”))。
下面的 表 1 显示了搜索字符串的特征。
表 1. 搜索字符串的特征。
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| — | — |
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| 2014–2019 | AR |
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| — | — | RE |
— |
| — | — | — |
— |
| — | — | — |
— |
| — | — | — |
1 会议论文集 (CP)、会议综述 (CR)、文章 (AR)、综述 (RE)。
因此,作者确定了 195 篇论文作为进一步研究过程的基础。
2.4. 研究结果的验证
根据实证研究的质量标准(有效性、可靠性、客观性和可推广性),作者强调识别过程是 SLR 中最关键的要素之一 [17]。因此,我们通过用评分 “1” (高适当性)、评分 “2” (中等适当性) 或评分 “3” (低适当性) 对确定的研究进行编码来确保研究结果的质量。
筛选由三名独立的博士后研究人员分两步进行。在第一步中,筛选仅关注研究的标题和摘要。第二步,研究团队对研究的全文进行了完整的评估。此外,通过评估评分的显着差异来计算可靠性。没有显著差异的论文被直接纳入或排除在研究过程中。研究团队对具有显着差异的论文进行了重新评估,以获得明确的研究结果。
通过审查 195 篇论文的标题和摘要,我们确定了 103 篇与智能物流领域的相关论文和 148 篇与智能生产领域的相关论文。在智能物流领域,走出
103 项研究,其中 33 项被指定为具有高适当性,而在智能生产领域,44 项被指定为具有高度适宜性,适用于本研究和随后的二次数据分析。表 2 显示了 SLR 的总结果。
表 2. 系统文献综述 (SLR) 的总研究结果。
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| 103 | 148 |
| 33 | 44 |
| 52 | 46 |
| 18 | 18 |
在本文中,我们旨在分析人工智能、机器学习和深度学习在物流中的使用方面的当前进展。因此,我们在以下各节中仅考虑为 Smart Logistics 确定的论文。
3. 结果
在本节中,作者分析了 SLR 的描述性发现。此外,确定的论文的全文将在内容分析部分进行讨论。
3.1. 描述性分析
根据先前确定的 52,546 篇论文的总数,涉及
人工智能、机器学习和深度学习在各个科学学科中,最终有 103 篇论文被分配到工业企业的智能物流领域,因此被评为与本研究中进一步分析的相关性。表 3 显示了已确定研究的适当性分布,通过筛选相应研究的标题和摘要来评估。
表 3. 研究适当性的分布。
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| 103 | 100.00 |
| 33 | 32.04 |
| 52 | 50.49 |
| 18 | 17.48 |
在智能物流领域确定的 103 篇全文中,33 篇 (32.04%) 被归类为高适宜性论文,52 篇论文 (50.49%) 被归类为中等适宜性论文,18 篇论文 (17.48%) 被归类为本研究目的的低适宜性论文。
表 4 显示了根据 Smart Logistics 领域确定的 103 篇完整论文的文档类型分布。
表 4. 文档类型的分布。
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| 63 | 61.17 |
| 0 | 0 |
| 38 | 36.89 |
| 2 | 1.94 |
共有 63 篇论文 (61.17%) 是会议论文集,38 篇 (36.89%) 是文章,2 篇 (1.94%) 是综述。在最终样本中未发现会议综述。以下图 2 显示了 2014 年至 2019 年相关研究的进展。
2014 年发表 3 篇 (2.91%),2015 年发表 4 篇 (3.88%),2016 年发表 6 篇 (5.83%),2017 年发表 29 篇 (28.16%),2018 年发表 61 篇 (59.22%)。总的来说,关于 AI、ML 和 DL 在工业企业智能物流领域的应用,相关研究仍有增加的趋势。
以下表 5 显示了已确定研究的来源分布。大多数研究发表在 Lecture Notes in Computer Science、Advances in Intelligent Systems 和
计算、IFAC-Papers Online 和 IFIP 信息和通信技术进步。
图 2. 2014-2018 年相关研究的发展。
表 5. 已确定研究的分布。
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| 8 | 7.77 |
| 5 | 4.85 |
| 5 | 4.85 |
| 4 | 3.88 |
| 3 | 2.91 |
Procedia CIRP | 3 | 2.91 |
| 3 | 2.91 |
| 2 | 1.94 |
| 2 | 1.94 |
| 2 | 1.94 |
| 2 | 1.94 |
| 2 | 1.94 |
| 2 | 1.94 |
| 2 | 1.94 |
| 58 | 56.31 |
以下图 3 显示了基于系统文献综述的已确定研究合作的概述。
图 3. 已确定的研究合作概述。
1 位作者发表 5 篇(4.85%),2 位作者发表 23 篇(22.33%),3 位作者发表 22 篇(21.36%),4 位作者发表 24 篇(23.30%),5 位作者发表 15 篇(14.56%),6 位作者发表 8 篇(7.77%),7 位作者发表 2 篇(1.94%), 4 篇论文 (3.88%) 由超过 7 位作者发表。
下一步,作者通过从 Scopus 数据库中提取相关论文的作者关键词和索引关键词来执行关键词分析。结果显示在下面的图 4 中.
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图 4. 关键词分析。
使用 IBM SPSS Statistics 24 (IBM, New York, NY, USA) 和 Wordle (www.wordle.net California, CA, USA )软件包对关键词进行了分析。因此,单词和字母的大小反映了 103 篇完整论文的最终样本中关键字的频率。不出所料,作者最重要的关键词是 “Industry (4.0)”、“Machine Learning”、“(Big)
数据“、”(智能)系统“和”智能制造”。此外,排名靠前的索引关键词是“(智能)系统”、“(机器)学习”、“(大数据)”、“工业 (4.0)”和“(人工智能)智能”。
以下图 5 显示了按研究类型对相关研究进行分类,分为案例研究 (CS)、概念方法 (CA)、实验 (EX) 和文献综述 (LR)。分类基于内容分析和随后由研究团队将作品分配到一种主要研究类型的工作。
图 5. 按研究类型对相关研究进行分类 - 案例研究 (CS)、概念方法 (CA)、实验 (EX) 和文献综述 (LR)。
在确定的 33 篇具有高适当性的文章中,8 篇 (24.24%) 文章可归类为案例文章 (CS),12 篇 (36.36%) 文章可归类为概念方法 (CA),7 篇 (21.21%) 文章可归类为实验 (EX),6 篇 (18.18%) 文章可归类为文献综述 (LR)。
3.2. 内容分析
在本节中,作者分析了已确定论文的全文。因此,表 6 和表 7 通过简要总结表 6 中的聚类、主要参考文献、记录数量和记录百分比 ,以及表 7 中每个已确定工作的作者、研究类型、聚类和主要内容 ,显示了系统文献综述的综合结果 .研究团队进行了深入的内容分析,将选定的文献分类为相似的集群。
表 6. 已确定研究的分类。
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1 |
| [25–28] | 4 | 12.12% |
2 |
| [29–35] | 7 | 21.21% |
3 |
| [36–41] | 7 | 21.21% |
4 |
| [42–44] | 3 | 9.09% |
5 |
| [45–49] | 4 | 12.12% |
6 |
| [50–53] | 4 | 12.12% |
7 |
| [54–57] | 4 | 12.12% |
结果进一步汇总为以下五个集群:
战略和战术流程优化;
物流中的信息物理系统;
预测性维护;
混合决策支持系统;
生产计划和控制系统;(6) 改进物流运营流程;
(7) 智能运输物流。
以下表 6 显示了 AI、ML 和 DL 在工业企业智能物流领域的应用五个集群的分类结果。
在以下段落中,我们将描述和总结每个定义的集群的已确定研究的内容。
3.2.1. 战略和战术流程优化
共有 12.12% 的已识别文章被分配到集群“战略和战术流程优化”中。Gursch 等人回顾了在企业状态监测和过程控制领域提供管理支持的学习系统。此外,作者指出,ML 可以通过处理静态和非自适应计算机程序无法解决的复杂问题,在优化、自动化和人工支持领域提供解决方案[25]。Brodsky 等人专注于决策分析的应用,例如,用于战略和战术推理中决策指南的开发。此外,这些指南可用于执行制造和物流过程中的监控、分析、规划和优化任务[26]。Qu 等人提出了一个在现实条件下的一般计算推理和学习框架。该方法从正式和面向数据的方法论角度解释了如何实现智能流程 [27]。Bonino 和 Vergori 引入了一种概念和架构,用于使用 ML、AI 和 IoT 技术连接现代工厂的内部和外部价值链。因此,作者强调了现代 IT 系统如何通过实施多智能体系统和 ML 技术来创新和优化生产和物流中的日常流程 [28]。
3.2.2. 物流中的信息物理系统
共有 21.21% 的已识别文章被分配到集群“物流 CPS 框架”中。在此背景下,Peres 等人引入了一个用于智能数据分析和实时监控的 IDARTS 框架,作为在生产环境中实施可扩展、灵活和可插拔分析的指南。该框架可用于通过实施基于云计算的 CPS 将数据转化为预测性维护、质量控制、生产和物流等领域的业务优势。该框架还包括数据采集、机器学习以及生产和物流过程的运行时推理技术[29]。Guo 等人描述了一种通过传输视觉元素检测器从不平衡的机械数据中学习的方法。作者提出了一种方法,将收集的传感器数据组织成图像形式,并利用基于卷积神经元网络(CNN)的视觉元素检测器[30]。Ferrer 等人提出了一个实施 CPS 适应的概念,它基于高级数据分析、机器对机器物联网协议、机器学习、知识表示算法和(智能)制造环境中基于云的平台,专注于生产线、物流和设施。此外,他们提出了在试点研究过程中实施 CPS 的情景 [31]。
Thalmann 等人描述了用于优化工业过程的新分析方法和工具。这些项目旨在开发一套工具,例如算法、分析机制、规划方法和可视化,用于基于数据分析的工业过程改进 [32]。Morozov 等人提出了一种 CPS 的适应方法,即形式概念分析
(FCA),其中包括用于知识结构化和 CPS 互作性优化的人工智能和机器学习[33]。Marella 和 Mecalla 以及 Marella 等人介绍了用于信息物理流程 (CPP) 和智能流程管理 (SmartPM) 的过程管理系统 (PMS)。该系统可用于通过使用基于大量数据的人工智能和认知计算来自动调整流程 [34, 35]。
3.2.3. 预测性维护
共有 21.21% 的已识别文章被分配到集群“预测性维护”中。因此,Subakti 和 江 提议为智能工厂中的机器设计、开发和实施增强现实系统。深度学习图像检测模块识别不同的机器,物联网允许机器将机器设置和机器状态报告给基于云的服务器[36]。Susto 等人描述了一种通过将基于粒子过滤技术的蒙特卡洛方法应用于半导体行业中实际的工业预测性维护问题来推导出机器健康因子的方法 [37]。Wang 和 Wang 通过关注 DL 技术来讨论 AI 对未来预测性维护的影响。因此,他们列出了预测性维护领域最先进的算法,例如深度前馈网络、长短期记忆、卷积网络、深度信念网络等,这些算法可以被认为是未来行业的关键成功因素 [38]。
Klein 和 Bergman 提出了一种生成预测性维护数据的方法
使用配备多个传感器的 Fischertechnik 模型工厂进行 ML 调查。该数据集将发布,并可用于未来的研究以及 ML 和 DL 方法的进一步开发[39]。Cho 等人介绍了一种用于智能工厂预测性维护的混合 ML 方法。该方法将无监督学习与半监督学习相结合,以提供数据驱动的决策支持[40]。Wuest 等人回顾了 ML 技术在监控和图像识别领域的制造业中的应用。因此,他们区分了监督学习、无监督学习和强化学习,后者可以用作制造环境中的强大工具集[41]。
3.2.4. 混合决策支持系统
共有 9.09% 的已识别文章被分配到集群 “decision support systems and man-machine interaction” 中。在此背景下,Terziyan 等人介绍了 Pi-Mind 技术,作为基于 AI 和 ML 技术的智能制造流程的人类专家驱动决策和 AI 驱动决策方法的混合体。在许多情况下,这种混合方法优于人工作员的理性决策过程[42]。Venkatapathy 等人和 Zeidler 等人描述了混合网络的基本概念,用于在内部物流中使用人和机器的协同作用。因此,他们专注于光学参考系统、无线电参考系统、激光项目系统、虚拟现实系统、机器人系统、LR-WPAN 和其他无线网络系统,以及网络计算系统[43-44]。
3.2.5. 生产计划与控制系统
共有 12.12% 的已识别物品被分配到集群“生产计划和控制系统”中。Lolli 等人提出了一种基于机器学习技术的基于多标准的库存分类方法。因此,作者通过使用 ML 领域的监督分类器减少了模拟工作 [45]。他等人回顾了一组用于流水车间调度问题的多目标群体智能算法。除了传统算法外,本文还提出了基于 ML 的新方法。各种算法的性能可以通过到帕累托最优前沿的最小距离、分布的优度和最大散布来评估 [46]。Zhang 等人系统回顾了工业 4.0 背景下基于 ML、AI 和 DL 技术的作业车间调度研究文献。这些算法进一步分为精确优化方法,例如高效规则方法、数学规划方法、分支和边界方法以及近似方法(例如,构造方法、人工智能方法、局部搜索方法和元启发式方法)[47]。
Gomes et al. 开发了一种基于环境智能的决策支持系统,用于基于 ML 的生产规划和控制,该系统通过使用环境智能、优化启发式和 ML 来协助创建确保生产数量和效率的标准工作程序 [48]。Luetkehoff 等人使用 AI 算法开发了一个自学的生产控制系统。开发的方法提出了一种基于平台的新概念,即使用自学习算法收集和分析数据。这些模式可用于预测未来的系统行为 [49]。
3.2.6. 物流运营流程的改进
共有 12.12% 的已识别物品被分配到“物流运营流程改进”集群。温 et al. 讨论了集群机器人在智能物流领域的应用,概述了现代物流下一个领域的一些可能性和应用领域,例如智能仓储、智能配送、路线跟踪、精确供应链、绿色物流和智能 ICT [50]。Laux 等人描述了一种基于反射的声音定位系统,该系统基于 ML 方法,可用于室内定位和对象跟踪[51]。
Ademujimi 等人回顾了目前关于制造业 ML 技术的文献,重点介绍了贝叶斯网络、人工神经网络、支持向量机和用于优化制造故障诊断的隐马尔可夫模型等技术[52]。Teschemacher 和 Reinhart 开发了一种蚁群优化算法,以实现物流中的动态循环取货,以减少长期优化方法中必要的车辆数量 [53]。