航空智能制造的基礎
——軟件定義創新工業范式

寧振波

（中國航空工業集團信息技術中心，北京 100028）

一、前言

中國工程院院刊《Engineering》推出最新觀點性文章《走向新一代智能制造》，文章提出了智能制造的三個基本范式：數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造——新一代智能制造。指出智能制造是一個從傳統的“人-物理系統（HPS）”向“人-信息-物理系統（HCPS）”不斷演進發展的大概念，其核心是在傳統的人和物理系統之間增加信息系統，并不斷提升信息系統的感知、計算分析與控制能力，最終使其具有學習提升、產生知識的能力[1]。

軟件作為信息系統物化的表現，則是強化信息技術與工業技術融合發展的基礎支撐。國務院印發的《關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》中也強調了加快計算機輔助設計仿真、制造執行系統、產品全生命周期管理等工業軟件產業化，強化軟件支撐和定義制造業的基礎性作用[2]。新一代智能制造作為一個由智能產品、智能生產和智能服務三大信息系統以及工業智聯網和智能制造云兩大支撐信息系統組成的、并與工業技術集成的巨系統，在方法層面，推進研發虛擬化，產生了基于物理技術的各類專業工具；在過程層面，推進管理信息化，產生了以流程管理為核心的各類業務系統；在裝置層面，推進生產裝備的自動化和產品智能化，產生了各類嵌入式軟件。因此，在智能制造發展的過程中，能否推動軟件定義來創新工業范式（包括定義產品、定義企業流程、定義生產方式、定義企業新型能力、定義產業生態等）實現以軟件定義為核心的生產方式變革，是新一輪工業革命的本質所在。

二、基于紙張的符號定義

我們把傳統制造業的定義看作是基于紙張的符號定義。所謂傳統當然是與現代相區分的。具體區分標準主要以技術為參照，現代制造業的特點是：高精尖，比如新型飛機、微納米、激光、半導體、數控車床等一系列以現代高端技術為支撐的行業，與此相反，依然使用舊有的制造技術的就屬于傳統制造業。傳統制造系統包含人和物理系統兩大部分，是完全通過人對機器的操作控制去完成各種工作任務。從工業革命發展過程來說，包含了第一次工業革命和第二次工業革命。無論是蒸汽機、內燃機或者電機（包含發電機和電動機）的應用，都是“人-物理系統”。按照《三體智能革命》一書中的論述，一個完善的智能系統一定具備“狀態感知，實時分析，自主決策，精準執行，學習提升”并循環往復[3]。在“人-物理系統”中，由人完成狀態感知，實時分析，自主決策以及學習提升；機器僅僅在人的操作下完成精準執行。

基于紙張的符號定義決定了傳統制造業的工業范式就是設計-制造-試驗模式的串行模式，即過去所說愛迪生的“試錯法”，首先基于紙張的符號定義是人工設計的藍圖（零件圖和裝配圖）、工藝卡片、各類表單、生產計劃、紙質文檔等，基于人工定義的各類設計圖文檔，才能開展工藝設計等后續工作，然后在機器上試制各種零件，裝配形成試驗品，用試驗來檢驗產品的設計功能和性能，達到設計指標就可以批生產了；達不到設計指標，就需要修改設計和工藝再試，直到達到設計指標為止。在這個工業范式下，200年來的手工制圖以及早期的計算機輔助設計（CAD）軟件，應用范圍和深度都具有局限性，主要關注于工程意圖表達的一致性、標準性，這類軟件就是20世紀八九十年代大規模使用的CAD軟件。工業效率的提升還是主要依靠加工用的機器（物料、設備、工裝、工具、試驗設備），表現在蒸汽機、內燃機和電動機的出現極大提高了物理系統（機器）的生產效率和質量，物理系統（機器）代替了人類大量體力勞動。在傳統制造系統中，要求人完成狀態感知，實時分析，自主決策，操作執行，學習提升等多方面任務，不僅對人的要求高，勞動強度仍然很大，而且工作效率、質量和完成復雜工作任務的能力也有限。

三、基于模型的數字定義

與傳統制造系統相比，第一代和第二代智能制造的工業范式發生了本質變化，以波音777飛機的數字化產品定義（DPD）、數字化產品預裝配（DPA）、集成產品研發團隊（IPT）到波音787飛機的基于模型的定義（MBD）突破為例。它通過在人和物理系統之間增加信息系統，將人的相當部分的感知、分析、決策功能向信息系統復制遷移，局部信息系統可以代替人類完成部分腦力勞動，進而通過信息系統來控制物理系統，以代替人類完成更多的體力勞動。

波音777飛機是世界上第一個完全采用軟件定義飛機研制生產過程的產品。采用了三項技術就是100%的DPD、100%的DPA、327個并行的IPT。研制過程采用的計算機軟硬件為：8臺IBM大型計算機，用于3D設計的3 200臺UNIX工作站均連接了網絡，約20 000臺PC機，800種互不相關的軟件。而在波音787飛機的設計中全面推廣MBD技術，它改變傳統由二維圖文檔來描述幾何形狀信息，用一個集成化的三維數字化實體模型表達了完整的產品定義信息，成為制造過程中的唯一依據[4]。

由于以上數字化的技術進步和采用并行工程的管理變革，波音777飛機和與其相當的767 飛機相比，研制周期由12年減少為4.5年；而造出的第一架飛機就比已經造了24 年的第400架波音747飛機質量還好。更為重要的是基于模型的數字定義顛覆了傳統設計-制造-試驗的工業范式，實現了工業范式向設計-虛擬綜合-數字制造-物理制造的轉變。

如圖1所示，為便于理解，把飛機研制分為四個階段，分階段加以描述：第一個階段就是方案設計階段（包含需求工程，概念設計以及方案設計），核心是飛機的氣動布局和總體布置。以前的試錯法就是根據戰術技術指標，算出飛行剖面，依據剖面畫出外形草圖，加工出縮比模型，然后在風洞中吹風，來確定氣動外形。這個過程反復迭代，一直到滿意為止。因為加工一個飛機縮比模型需要好幾個月，吹一次風花費幾百萬元，因此要得到一個滿意的方案需要多年做多個方案反復對比才可以完成（如圖1左上方的風洞照片）。現在的方法是首先根據氣動力數學方法計算結果，用軟件在計算機上構建一個虛擬的飛機氣動外形（如圖1左下方飛機外形），然后做計算流體力學（CFD）計算，反復優選拿出最好的幾種方案，加工成縮比模型再吹風。這些技術已經在航空航天領域開始了大規模應用。

以波音787 飛機為例：波音787項目高級副總裁邁克·拜爾指出：“在767項目中，我們曾對50多種不同的機翼配置進行過風洞測試。而在787項目中，只測試了10多種?！憋L洞試驗少了，飛機質量提高了，這就是在方案階段軟件定義飛機的氣動布局。

第二個階段就是工程研制，飛機氣動布局和總體布置已確定，就可以開始結構設計了，現在幾乎所有的CAD軟件都可以完成結構設計，在1991年波音777項目中，當時的三維CAD軟件只能定義幾何外形，到了2004年波音787研制時，CAD軟件不僅僅可以定義幾何外形，與機械結構相關的材料數據、工藝數據、標準數據、生產定義數據、檢測數據等和制造過程相關的所有數據都可以在三維模型上表達出來，這就是實現了軟件定義零件，進而定義產品，也就是MBD。換句話說，在三維模型上可以表達所有的數據，也意味著傳統的藍圖、工藝卡片等基于紙質的符號定義可以不要了，這就是數字化革命。有了完整的數字化樣機（DMU），虛擬現實就可以逼真地展示各類應用，制造過程就是和設計的符合性問題了，也就是數字化樣機的物理實現。這就是圖1中間中下方的全數字樣機，中上方的物理樣機。需要強調的是，在基于模型的數字定義中主線仍然是基于幾何模型的多學科仿真分析和優化。

圖1 產品研制流程、傳統物理生產線和數字化主線

第三個階段就是批產交付，制造依據仍然是飛機全機數字化樣機，在數字化樣機指導下的生產，關鍵是生產能力的提升，滿足客戶需求，當然，現在生產線的建設一定要切合實際，數字的歸數字，物理的歸物理，混合的要混合。一切以提高質量，增加效益為主線。

第四個階段是服務保障，有了全機數字化樣機，可以一直延續到這個階段，以前的飛機培訓手冊、空勤手冊、地勤手冊、維護維修手冊，都是紙質的，數量巨大?，F在可以全部模型化了，依據全機數字化樣機可以生成交互式電子技術手冊（IETM），加上混合現實（MR）技術，服務保障人員就可以如虎添翼了。

四、基于信息-物理系統的數字定義

“獵鷹-9”重型火箭的發射成功，宣告世界航天歷史進入了一個全新的時代?！矮C鷹-9”以及背后的美國SpaceX公司的成功，展示了很多技術路線、研發思路、流程管理體系上的可行性和巨大成功。它通過需求/功能架構、邏輯架構到物理架構的關聯與轉換，完整地回答從抽象的問題域（需求/功能）開始，對功能分解的行為（做什么）描述，并將行為（運行）分配到具體解決域的產品（結構）的過程。從而避免直接從功能映射到結構，導致在需求中提出要解決的問題后，就跨越邏輯設計和功能/行為分析而直奔物理實現的“飛躍式開發怪圈”。比如助推器的分離措施，傳統上各國火箭主要采用火工品——比如爆炸螺栓進行分離。而“獵鷹-9”采用了機械分離方式，這種嘗試此前不是沒有人做過，中國臺灣地區的雄風三導彈在早期曾經采用過，結果分離屢屢失敗，最后還是采用了火工品分離。而SpaceX公司不僅采用了機械分離方式，而且沒有做實物驗證試驗就正式采用了這一設計；其合理性和可靠性完全依靠仿真計算來實現。因此，SpaceX公司的測試驗證成本壓縮要遠低于傳統火箭。避免使用火工品、取消大量實物試驗的結果，使SpaceX公司節省了大量的時間和資金。必須要強調的是，仿真計算雖然在今天取得了長足的進步，但遠遠談不上萬無一失；它的結果可靠性，直接取決于基礎研究的積累要求和操作、分析人員的水平。筆者認為這就是基于信息物理系統的數字定義。

在這個階段中的虛擬環境下，實現自頂向下的設計、自底向上的綜合設計思想，分階段、分層次實現設計-虛擬綜合（基于功能、性能和幾何模型的系統仿真）再到數字制造-物理制造驗證、最后到產品的轉變。這就是新一代智能制造創新的工業范式，也是基于虛擬綜合（基于功能、性能和幾何模型的系統仿真）的最終追求的結果。

“獵鷹-9”重型火箭的機械分離方式的助推器，沒有做實物驗證試驗，其合理性和可靠性完全依靠仿真計算實現，避免了使用火工品、取消大量實物試驗的原因就是大量計算和仿真，大量工業軟件的應用就是把人的知識和智能賦予軟件，這已經是具備了新一代“人-信息-物理系統”的基礎了。我們再從理論上分析一下，第一代和第二代智能制造系統通過集成人、信息系統和物理系統的各自優勢，系統的能力尤其是計算分析、精確控制以及感知能力都得以很大提高。一方面，系統的工作效率、質量與穩定性均得以顯著提升；另一方面，人的相關制造經驗和知識轉移到信息系統，能夠有效提高人的知識的傳承和利用效率。制造系統從傳統的“人-物理系統”向“人-信息-物理系統”的演變可進一步進行抽象描述：“信息系統”的引入使得制造系統同時增加了“人-信息系統（HCS）”和“信息-物理系統（CPS）”。其中，“信息-物理系統”是非常重要的組成部分。美國在2006年提出了“信息-物理系統”的完整理論，德國將其作為工業4.0的核心技術?！靶畔?物理系統”在工程上的應用是實現信息系統和物理系統的完美映射和深度融合，而人是實現“信息”的核心要素，在人的全程參與下，形成的新一代“人-信息-物理系統”中，“人-信息系統”“人-物理系統”和“信息-物理系統”三者都將實現質的飛躍[1]。

五、新一代智能制造創新的工業范式

2002年，國防科學技術工業委員會啟動了“飛機制造業數字化工程”項目的論證工作，參加的國內飛機研制單位多達18家，制定了明確的發展目標：打通飛機制造業數字化生產線，形成飛機數字化研發體系，實現管理方式、生產模式、組織流程、技術標準等方面的變革。換句話說，就是在飛機制造業的全部流程上，從方案設計階段的數字化模型不斷完善演進，一直沿用到工程研制、批生產、維護維修、報廢回收的全壽命周期環節。今天回頭來看，這個是什么？不就是數字主線（digital thread）嗎？到了今天，中國的工業體系已經發展并形成了世界最完整的工業體系，我們必須建立自己的理論自信。

飛機制造業數字化工程的目標中已經包含了數字主線的概念，而且一脈相承。讓我們再研究圖1最上面的一條線物理線，就是傳統制造業的定義：基于紙張的符號定義。圖1中間的一條線就是飛機研制流程，下面的一條線就是基于軟件定義的數字化線；整個圖就構成了CPS中的系統之系統（SoS），而圖中的每個研制階段的垂直對應的物理系統和數字化系統，構成了多對數字孿生（digital twin）；當然，數字孿生不僅僅是垂直相關，前后也是關聯的。

毋容置疑，智能制造的前身是數字化制造，而數字化制造的成功是基于幾百年來傳統制造業打下的物理制造的基礎。工業范式的創新是應用軟件定義的數字化模型來實現的，因此軟件定義數字模型，乃至定義一切，都必須具備強大的物理實體的基礎。中國古話說：“皮之不存，毛將焉附?！蔽锢韺嶓w是皮，數字模型就是毛，兩者的相互融合，構成了智能制造的基礎。在智能制造體系中，工業軟件不僅僅是核心，更是人類的新思維方式，因此，我國工業軟件的發展，急需提升到國家戰略層面，并借鑒國外發達國家經驗，軟件人才培養從娃娃抓起，認識工業，認識軟件，重視人才，保護產權，必須成為全民共識。

隨著以大數據、云計算、物聯網為代表的數字技術的崛起，我們已身處數字經濟時代。發展軟件定義技術和CPS技術，并在新一代信息技術（云計算、物聯網、移動通信、大數據、智能制造）的支持下，實現與人、設備和物料相融合的未來新一代智能制造創新的工業范式，其典型特點就是數字主線使能的數字孿生。

我國是世界第一制造大國，在工業化尚未全面完成的情況下，迎來了數字化浪潮，面臨著追趕工業化進程、同步數字化機遇的雙重歷史任務和嚴峻挑戰。黨的“十九大”報告提出，“推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合”，培育新增長點、形成新動能。新一代智能制造為助推我國傳統產業數字轉型，催生新業態、重塑創新鏈、重構產業鏈、拓展經濟發展新空間提供了重要的方針和路徑。我們必須充分發揮人工智能技術創新的引領作用，加快建設制造強國，加快發展先進制造業，推動互聯網、大數據、人工智能和實體經濟深度融合，促進我國產業向全球價值鏈中高端邁進。