基于架構和系統工程方法的航空智能生產線規劃研究

劉屹

航空工業作為工業體系的重要組成部分，項目研發周期長、資金占用高等因素始終制約著航空業態的健康穩定發展。智能化正在深度影響航空工業的未來。在航空工業領域推進智能制造，將有效縮短航空裝備產品的研制周期，降低運營成本和資源能源的消耗，推進生產的適應性和靈活性，對提高航空裝備研制水平，加快開發高水準的航空器產品，推動航空工業轉型升級、創新發展都具有重要意義。然而，航空裝備生產系統的復雜性也導致了智能生產線建設難度較大，因此，有必要采用架構和系統工程方法進行智能生產線的規劃研究。

一、航空智能生產線需求分析

航空智能生產線需求分析的目標是通過形式化的需求模板，對智能生產線建設需求進行逐層分解和細化，借助需求項清單和需求定義模板幫助生產線的建設單位準確定義需求。

保證交付周期和質量是航空智能生產線的根本目標，保證交付周期要求生產線能夠實現精準排產和運行控制，保證質量要求生產線能夠實現工藝全要素執行控制，同時，要求生產線在交付計劃控制和質量控制的過程中發現任何問題時都能夠實現敏捷處理，由此得到三項航空智能生產線的一級需求。由于一級需求無法進行準確驗證，需要對每一項需求內容進行分解形成二級需求。以R2工藝全要素執行控制為例，需要進一步分析在生產過程中需要對哪些要素進行執行控制。設備和資源、生產對象、人員和工藝過程是影響到工藝執行控制的主要要素，對R2進行分解得到四項二級需求，發現同時對R1、R3也進行進一步分解，得到如表1所示的航空智能生產線二級需求。

在二級需求基礎上，可以對需求再次進行細化。以R2.1設備和資源受控為例，設備和資源的受控可以理解為R2.1.1不用錯設備和資源、R2.1.2設備和資源狀態健康、R2.1.3設備運行的每個指令發出前都需要進行檢查和確認三項三級需求。

基于系統工程中技術流程的需求分析要求通過結構化模板準確定義出每一條可被驗證和確認的需求項。在規劃航空智能生產線時，可根據上述需求分解并借助需求定義模板確定需求清單。以某飛機部件裝配生產線為例，R2.1.1的需求定義模板如表2所示，左側列出了生產過程的全部設備與資源，右側是生產工藝過程，使用該模板可以準確定義在任何一個工藝過程中需要對哪一項設備與資源進行控制從而保證生產過程使用正確的設備和資源。

二、航空智能生產線功能規劃

航空智能生產線功能規劃的目標是通過對參考性的功能組件庫進行配置，形成智能生產線的系統功能框架，并進行需求與功能的滿足性分析，幫助生產線的建設單位準確描述生產系統功能。

進行功能規劃的思路是從每一項需求項出發，對需求得到滿足的具體功能進行描述。基于航空工業信息化建設實踐，本文首先總結出面向航空智能制造的生產線功能組件庫，功能組件庫由四項一級組件組成，分別為F1.采集、通訊與控制器、F2.可視化作業指導、F3.精準排產與執行控制、F4.實時生產數據的分析、控制和優化。每一項一級組件可進一步分解為二級組件，如表3所示。

在進行航空智能生產線功能規劃時，可首先從需求出發，在功能組件庫中尋找滿足需求的二級組件，并進一步采用功能組件定義模板對功能組件進行更為準確的描述。以F1.1通電控制組件為例，其功能組件定義模板如表4所示。

三、航空智能生產線邏輯設計

航空智能生產線功能規劃的目標是借助場景化的邏輯設計模板，基于智能化生產場景構建各功能組件之間的業務邏輯，有效指導航空智能生產線建設過程中智能化軟、硬件系統的開發和部署。

CPS的本質是構建一套賽博空間和物理空間之間基于數據自動流動的“動態感知、實時分析、自主決策、精準執行”的閉環賦能體系，針對生產過程的每一項關鍵工序可采用如圖l所示的場景化邏輯設計模板進行航空智能生產線邏輯的分析與設計。在閉環流程的每一環節采用AS-IS、TO-BE架構方法梳理現有業務存在的問題和未來改進目標，并基于TO-BE目標設計工序作業過程中功能組件間的輸入、輸出和執行判斷條件。圖2給出了某飛機部件裝配過程中自動制孔作業過程的業務邏輯分析與設計示例。

四、航空智能生產線建設的建議

基于上述通過架構和系統工程方法對航空智能生產線規劃方法的研究，本文提出以下幾點航空智能生產線建設的建議。

（1）航空智能生產線應在建線前開展生產線規劃咨詢。

智能生產線是航空工業推進智能制造的核心所在，也是工業化和信息化融合的關鍵所在，鑒于航空裝備生產系統的復雜性，有必要在建線前開展生產線規劃的咨詢。

（2）按照架構和系統工程方法進行航空智能生產線規劃。

需求牽引、問題導向是實施智能制造的重要前提，采用架構方法和“需求-功能-邏輯-物理”的系統工程技術流程科學開展生產線規劃非常重要。

（3）信息化團隊與工藝裝備設計團隊在生產線規劃之初聯合開展工作。

智能生產線的規劃，需要從由傳統生產線建設以工藝裝備設計為主向智能生產線建設以兩化融合方向轉變，信息化團隊的早期融入非常關鍵。

五、結語

本文基于國內航空工業現狀和基礎，研究航空工業基于架構和系統工程方法的智能生產線規劃方法，設計了需求項清單和需求定義模板、功能組件庫和功能定義模板、場景化邏輯設計模板等生產線規劃工具，為航空工業研制單位提供可參考的智能生產線規劃思路，幫助和促進航空行業智能制造的推進實施。endprint