航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價體系研究

姜佳俊，張巖濤，李學(xué)常，趙辛雨，吳燦輝

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價體系研究

姜佳俊，張巖濤，李學(xué)常，趙辛雨，吳燦輝

（中國航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

目前國內(nèi)在航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價方面還沒有一個比較完整的評價指標體系，因此對各企業(yè)的智能設(shè)計能力也沒有明顯的界定。通過對航空企業(yè)智能設(shè)計發(fā)展方向的分析，構(gòu)建了智能設(shè)計水平評價模型和指標體系，并在此基礎(chǔ)上給出了航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價的操作流程和計算方法，最后給出某航空企業(yè)的評價實例，驗證了本評價方案的可行性和有效性。

航空企業(yè)；智能設(shè)計；水平評價

0 引言

為了加快推動新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，《中國制造2025》把智能制造作為主攻方向：著力發(fā)展智能產(chǎn)品和智能裝備，推進生產(chǎn)過程數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化，培育新型生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)模式，全面提升企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平。航空制造業(yè)作為“工業(yè)之花”，其智能化水平一定程度上代表了中國智能制造的能力[1]。

智能制造是一個長期發(fā)展和推進的過程，目前不同航空企業(yè)內(nèi)部智能化水平發(fā)展不均衡，因此為了分析判斷不同航空企業(yè)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀、水平，制定規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略，需要智能制造評價指標及評估方法，為各個企業(yè)提供一個指導(dǎo)、考評本企業(yè)智能制造發(fā)展水平的工具，找好自身在智能制造中的定位，為企業(yè)制定智能制造發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)，分階段分步驟實現(xiàn)中國智能制造所設(shè)定的目標[2]。

設(shè)計環(huán)節(jié)作為智能制造前端用戶需求和后端生產(chǎn)的銜接環(huán)節(jié)，其智能化程度直接影響著智能制造目標的實現(xiàn)，面對未來設(shè)計制造一體化的趨勢，我們需要將設(shè)計作為智能制造的一個重要環(huán)節(jié)進行綜合考量和評估，因此，本文針對航空企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)提出智能設(shè)計的能力等級評價模型和方法，主要用于航空企業(yè)智能設(shè)計能力水平的評價。

1 航空企業(yè)智能設(shè)計發(fā)展方向

航空產(chǎn)品是典型的復(fù)雜產(chǎn)品，其設(shè)計過程與普通的工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計過程有著很大的差別，可以說航空產(chǎn)品的設(shè)計是集工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計之大成者。航空產(chǎn)品由于其研制過程的復(fù)雜性，越來越多的使用虛擬化技術(shù)以及跨區(qū)域的協(xié)同研制技術(shù)，集成不同企業(yè)的研發(fā)優(yōu)勢，降低成本。同時隨著智能制造以及通用航空的快速發(fā)展，客戶快速個性化定制的需求越來越強烈，大量設(shè)計知識的固化和重用有利于實現(xiàn)設(shè)計的智能化和個性化。因此隨著工業(yè)化和信息化的深度融合以及智能制造工程的推進，航空企業(yè)智能設(shè)計發(fā)展趨勢大致可以歸納為五個方向：個性化、知識化、模型化、協(xié)同化和虛擬化。

圖1 航空企業(yè)智能設(shè)計發(fā)展方向

1）個性化

面對當今世界航空產(chǎn)品的快速發(fā)展，尤其是通用航空領(lǐng)域的迅速崛起，消費者對航空產(chǎn)品的需求也與日俱增。而面對如此龐大而復(fù)雜的客戶群體，航空產(chǎn)品的個性化定制必將成為未來航空企業(yè)智能設(shè)計的一個重要方向和支撐業(yè)務(wù)。而航空產(chǎn)品屬于典型的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)，產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)的一個小小改動也許會影響產(chǎn)品的整體設(shè)計，如何在保證客戶個性化需求的前提下又能盡量減少產(chǎn)品的研制周期，這對航空企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計提出了較高的要求。要實現(xiàn)航空產(chǎn)品大規(guī)模定制的基礎(chǔ)上更多的個性化內(nèi)容，首先必須在航空產(chǎn)品的設(shè)計方面實現(xiàn)標準化、參數(shù)化、模塊化的設(shè)計方法[3]。縱觀航空業(yè)的發(fā)展，航空產(chǎn)品的個性化設(shè)計的發(fā)展大致可以分為以下五個階段：

（1）整機設(shè)計階段；

（2）模塊化設(shè)計階段；

（3）參數(shù)化設(shè)計階段；

（4）基于參數(shù)的模塊化設(shè)計階段；

（5）基于知識庫的個性化定制階段。

2）知識化

設(shè)計從本質(zhì)來說是一個知識提煉、存儲和運用的過程。因此，設(shè)計的知識化是力圖將設(shè)計者的經(jīng)驗提煉出來，建立相應(yīng)的知識庫，其基本模式是基于知識庫的推理機制[4]。航空產(chǎn)品作為典型的復(fù)雜產(chǎn)品，其設(shè)計過程本身包含了大量的知識，而智能設(shè)計的實現(xiàn)離不開對這些設(shè)計知識的固化、存儲、推理、創(chuàng)新，最終實現(xiàn)基于設(shè)計知識庫自動推理創(chuàng)新的航空產(chǎn)品智能設(shè)計。設(shè)計的知識化大致可以分為以下五個階段：

（1）人工經(jīng)驗的記錄階段；

（2）設(shè)計知識的固化存儲階段；

（3）設(shè)計知識的結(jié)構(gòu)化存儲階段；

（4）知識庫與研發(fā)平臺的集成階段；

（5）設(shè)計知識的自主推理創(chuàng)新階段。

3）模型化

自大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)以來，產(chǎn)品設(shè)計過程已經(jīng)從完全基于二維圖紙的設(shè)計演變成基于全三維模型的設(shè)計，航空產(chǎn)品的設(shè)計過程中率先以基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術(shù)實現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計的全三維數(shù)字化，徹底取消了二維工程圖樣，使三維模型作為協(xié)同設(shè)計、制造和檢驗的唯一授權(quán)數(shù)據(jù)。未來的航空產(chǎn)品設(shè)計都會基于三維設(shè)計模型展開，并構(gòu)建各個環(huán)節(jié)對應(yīng)的業(yè)務(wù)模型，比如工藝設(shè)計環(huán)節(jié)會存在工藝模型，制造環(huán)節(jié)會存在制造模型，裝配環(huán)節(jié)會構(gòu)建裝配模型[5,6]。產(chǎn)品的整個生產(chǎn)周期都將是基于模型而開展工作。航空產(chǎn)品設(shè)計模型化的發(fā)展階段大致可以分為：

（1）計算機輔助二維設(shè)計階段；

（2）計算機輔助三維設(shè)計階段；

（3）基于模型的定義階段；

（4）基于模型的設(shè)計制造一體化階段；

（5）基于模型的產(chǎn)品全生命周期管理階段。

4）協(xié)同化

航空產(chǎn)品的研制過程涉及結(jié)構(gòu)、強度、氣動、試驗、工藝、制造、裝配等多個學(xué)科專業(yè)，需要不同部門或者企業(yè)之間的協(xié)同工作才能滿足航空產(chǎn)品高效率、高質(zhì)量和低成本的研制要求。因此，協(xié)同化也是航空企業(yè)智能設(shè)計發(fā)展的重要趨勢，航空企業(yè)的協(xié)同化不僅有產(chǎn)品設(shè)計不同專業(yè)之間、不同部件之間的設(shè)計協(xié)同，也包括設(shè)計與制造、維修、保障等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的協(xié)同[7,8]。隨著航空產(chǎn)品設(shè)計協(xié)同化的發(fā)展，未來會向著跨平臺跨領(lǐng)域的全球協(xié)同邁進。航空企業(yè)設(shè)計協(xié)同化發(fā)展階段大致可分為：

（1）協(xié)同管理機制階段；

（2）設(shè)計內(nèi)部的協(xié)同階段；

（3）設(shè)計與制造的并行協(xié)同階段；

（4）與供應(yīng)商的協(xié)同研制階段；

（5）跨平臺跨領(lǐng)域的全球協(xié)同階段。

5）虛擬化

虛擬仿真技術(shù)以其投入少、風(fēng)險小等優(yōu)點，已經(jīng)滲透進航空產(chǎn)品的概念研究、方案論證、分析設(shè)計、虛擬制造、模擬試飛、故障診斷直到運營投入等多個階段。通過在軟件平臺上模擬飛機、發(fā)動機等航空產(chǎn)品不同方面的工作狀況，能夠起到輔助設(shè)計、減少物理試驗、縮短研制周期、降低研制成本等作用，航空產(chǎn)品的虛擬仿真技術(shù)已成為航空產(chǎn)品研制的重要手段之一[7]。航空產(chǎn)品的虛擬仿真技術(shù)從以前的物理仿真到如今的基于三維模型仿真，未來更會向著在線虛擬仿真的方向發(fā)展，實現(xiàn)產(chǎn)品研制全過程的虛擬仿真。航空產(chǎn)品設(shè)計虛擬化發(fā)展階段大致可分為：

（1）人工推理驗證階段；

（2）自定義模型虛擬仿真階段；

（3）基于三維模型虛擬仿真階段；

（4）在線虛擬仿真和優(yōu)化階段；

（5）全生命周期的虛擬仿真階段。

2 航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價模型

航空企業(yè)智能設(shè)計能力等級定義了智能設(shè)計的階段水平，描述了一個航空企業(yè)逐步向智能設(shè)計最終愿景邁進的路徑，代表了當前實施智能設(shè)計的程度，同時也是智能設(shè)計評估活動的結(jié)果。

按前文所述，航空企業(yè)智能設(shè)計發(fā)展趨勢分為五個方向，分別為個性化、知識化、模型化、協(xié)同化和虛擬化。對于每個發(fā)展方向，上文均梳理了相應(yīng)的發(fā)展脈絡(luò)和階段劃分，因此，按照航空企業(yè)智能設(shè)計的發(fā)展方向，以及不同方向的階段劃分，本文提取了航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價的模型。

航空企業(yè)智能設(shè)計能力水平分為五個等級，分別為：

入門級：基于設(shè)計經(jīng)驗開展計算機輔助二維設(shè)計，并制定產(chǎn)品設(shè)計相關(guān)標準規(guī)范，積累產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗；

初級：實現(xiàn)計算機輔助三維設(shè)計及產(chǎn)品設(shè)計內(nèi)部的協(xié)同，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品模塊的選型以及自定義模型的仿真；

中級：構(gòu)建集成產(chǎn)品設(shè)計信息的三維模型，進行關(guān)鍵環(huán)節(jié)的三維模型仿真優(yōu)化，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計的并行協(xié)同以及設(shè)計知識的結(jié)構(gòu)化存儲；

高級：實現(xiàn)基于模型的設(shè)計制造一體化以及基于參數(shù)的模塊化設(shè)計，建立與供應(yīng)商之間的協(xié)同平臺以及產(chǎn)品全維度的仿真平臺；

特級：實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)、知識庫的產(chǎn)品設(shè)計云服務(wù)，實現(xiàn)產(chǎn)品個性化設(shè)計、協(xié)同化設(shè)計，將產(chǎn)品模型的應(yīng)用貫穿于整個產(chǎn)品生命周期。

在該評價模型中，航空企業(yè)智能設(shè)計的不同能力等級評價依據(jù)均來源于五個發(fā)展方向所對應(yīng)的階段。比如入門級的評價內(nèi)容來源于五個發(fā)展方向的第一階段，以此類推。

3 航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價指標

評價指標的確定是航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，也是具體評價過程中的最主要依據(jù)，直接影響到評價結(jié)果，評價指標體系建立反映了航空企業(yè)設(shè)計能力的發(fā)展脈絡(luò)和目標。

根據(jù)上文中建立的航空產(chǎn)品智能設(shè)計水平評價模型，建立相應(yīng)的評價指標體系。如下表所示。對航空企業(yè)智能設(shè)設(shè)計水平評價指標體系研究的關(guān)鍵問題是指標體系的構(gòu)建及其相互關(guān)系的確立、指標評價值和權(quán)系數(shù)的確定以及合成關(guān)系的處理。

每個級別的評價指標對在該級別中的影響和作用是不完全相同的，因此在指標體系的建立過程中，需要綜合考慮各指標在該等級評價過程中所占比重。通過對不同航空企業(yè)調(diào)研以及專家研討的方式，確定了各項指標在不同等級評級中所占的比重，如表1所示。

4 航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價方法

航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價不同級別指標的計算方法如下：

其中，i表示能力水平等級，j表示指標項，m表示第i級的指標總數(shù)。

圖2 航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價模型

Li為第i級的評價結(jié)果，ωiijj為第i級的第j項評價指標在企業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用中的覆蓋率（比如該指標在企業(yè)的50%產(chǎn)品中已經(jīng)展開應(yīng)用，則該參數(shù)的設(shè)定是為了加速技術(shù)成果在全企業(yè)范圍內(nèi)的推廣應(yīng)用；kij為第i級的第j項評價指標在該級別中所占權(quán)重，Xij為第i級的第j項評價指標的實現(xiàn)情況。

表1 航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價指標

同時以上參數(shù)滿足下列條件：

利用式(1)可以計算出航空企業(yè)在不同能力等級中所獲得的評價結(jié)果。同時，需要設(shè)定相應(yīng)的評價閾值來判定評價結(jié)果是否達到該級別的能力水平。在評價閾值的設(shè)計過程中，為了將智能制造的成果在本企業(yè)中加速推廣應(yīng)用，實現(xiàn)全企業(yè)范圍內(nèi)產(chǎn)品的智能化，選取指標的應(yīng)用覆蓋率ωiijj的閾值為0.6，即該項指標在60%的產(chǎn)品中實現(xiàn)應(yīng)用。同時考慮不同企業(yè)的特殊性，未必所有的指標都是企業(yè)在智能制造建設(shè)過程中關(guān)注的重點，因此選取某一級別的指標實現(xiàn)情況為80%，由此確定評價指標的閾值為0.48。即規(guī)定當Li≥0.48時，該航空企業(yè)達到第i級的能力水平。

對航空企業(yè)進行智能設(shè)計的評價采用逐級遞進的評價方法，詳細的評價流程如圖3所示。在本評價方法中，需要從入門級開始計算評價指標，當計算結(jié)果達到該級別要求后，才能開始計算下一級別的評價指標。以此類推，直到某一級別的評價指標未達到該級別要求，則判定該企業(yè)智能設(shè)計水平達到前一級別。

圖3 智能設(shè)計水平評價流程

5 航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價實例

基于上文提出的航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價指標和方法，選取了某航空企業(yè)作為試點進行智能設(shè)計能力水平的綜合評價，評價指標結(jié)果如表2所示。

表2 某航空企業(yè)評價實例

該航空企業(yè)各等級計算結(jié)果為：

因此該航空企業(yè)達到的智能設(shè)計水平為中級，符合其處于航空領(lǐng)域智能設(shè)計中等水平的現(xiàn)狀。

6 結(jié)論

航空企業(yè)智能設(shè)計水平評價是一個綜合性問題，通過分析航空企業(yè)未來智能設(shè)計發(fā)展方向以及不同方向的發(fā)展脈絡(luò)，建立了航空企業(yè)設(shè)計水平評價模型，同時給出了水平評價模型的計算方法和流程，具有較強的實用性和可操作性，能夠有效指導(dǎo)航空企業(yè)設(shè)計能力的提升和改進，為智能制造的實現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。

但本文所建立的指標體系是從航空企業(yè)智能設(shè)計發(fā)展的脈絡(luò)進行提取的模型，只針對航空企業(yè)的設(shè)計階段，后期將會從智能制造的其他環(huán)節(jié)入手，研究和提取智能制造所有環(huán)節(jié)的評價方法和指標，建立完整的智能制造評價體系和方法，為實現(xiàn)智能制造實現(xiàn)提供方向和指引。

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Research on level evaluation of intelligent design for aviation enterprises

JIANG Jia-jun, ZHANG Yan-tao, LI Xue-chang, ZHAO Xin-yu, WU Can-hui

TP391.7

A

1009-0134(2016)12-0104-05

2016-08-25

質(zhì)檢公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費（201510202）

姜佳俊（1989 -），男，江蘇人，工程師，碩士，研究方向為航空制造業(yè)信息化。