“中國制造2025”下的民用航空智能工廠建設研究

何 歡*

（上海飛機制造有限公司，上海201324）

0 引言

隨著新一代信息通信技術與制造業的深度融合，智能制造已成為全球制造業發展的客觀趨勢。作為我國“大飛機”專項的實施主體以及實現我國民機產業化的主要載體，中國商飛公司正積極探索和應用一系列智能制造技術。但是，航空制造企業在快速推進并實現數字化、自動化之后，正面臨難以跨越的智能化應用障礙。因此，有必要對智能制造、智能工廠以及航空智能工廠的基礎理論進行研究，對民用航空智能工廠建設趨勢進行分析總結，為我國民機產業智能制造的發展提供參考。

1 “中國制造2025”下的智能制造與智能工廠概述

1.1 智能制造

“中國制造2025”是中國針對先進制造業推出的制造強國行動計劃，為期十年。兩化融合則是實施“中國制造2025”的基礎要素之一，是推進實施制造強國戰略的靈魂和主線。智能制造是在信息化與工業化高度融合的基礎上形成的全新制造系統。

縱觀智能制造幾十年的發展歷程，各種各樣的智能制造范式不斷涌現，譬如數字化制造、智能化制造、敏捷制造、柔性制造、精益生產、集成化制造、智慧工廠、云制造等。智能制造的范式相互影響，相互融合，迭代升級。在分析和總結智能制造發展的基礎上，可歸納總結出三個基本范式：數字化制造，“互聯網+制造”，新一代智能制造，如圖1所示[1]。

圖1 智能制造的基本范式

對智能制造相關關鍵技術的應用，將徹底變革制造企業的生產模式、運營模式，甚至是商業模式和決策模式，為企業的創新和智能化發展提供強有力的支撐[2-3]。如圖2所示。

圖2 智能制造的關鍵技術

1.2 智能工廠

智能工廠是實現智能制造的載體與依托，是制造業實現高質量發展、轉型升級的根本路徑。智能工廠強調生產數據，測量數據，質量數據采集的自動化，無需手動輸入信息即可實現PDCA循環，制造過程的自動化，制造系統的集成化，決策過程的智能化，服務過程的主動化是其最基本的特征。智能工廠的框架體系主要包括三個部分[4]：智能決策與管理系統，數字化制造平臺，智能車間及生產線。其核心架構及模型布局分別如圖3、圖4所示[5]：

圖3 智能工廠的核心架構圖

圖4 智能工廠布局模型圖

2 民用航空智能工廠的應用遷移

未來，高端裝備制造業的發展趨勢是全球化、數字化、網絡化、虛擬化和智能化。制造業全球化意味著相關企業可以充分利用全球資源，積極參與國際分工，展開國際合作與競爭，形成具有共享機制和動態反應能力的虛擬動態聯盟。數字化與信息化是實現高端制造技術的核心，也是促進技術持續發展的基礎。網絡化在數字化的基礎上實現先進制造各單元的連接，是整體化、有序化的必由之路。虛擬化能夠將人工智能集成到制造過程的各個方面，并可通過模擬專家的思維活動來取代或擴展制造系統中的一些腦力勞動。在制造過程中，系統具備自組織能力，可以自動監控其運行狀態，并充分利用制造物聯技術，實現產品和制造過程智能化。

2.1 民機智能制造的特征和要素[6]

結合民機制造的特點，可歸納出民機制造領域的智能制造特征是：“動態感知，實時分析，自主決策，精準執行”，如圖5所示。

圖5 民機智能制造的典型特征

民機智能制造主要涉及三個核心要素：數字化、網絡化、智能化。數字化的特征表現為產品全生命周期數字量傳遞、系統描述模型化和制造過程模型化。網絡化的特征表現為價值鏈協同、設計、制造、管理、服務集成和能力單元動態配置。智能化的特征則表現為延展自主化能力、提高自適應程度和形成自優化機制。所謂延展自主化能力，就是要通過提煉人的業務職能和制造智能來形成機器智能，由此拓展控制系統的自主化能力。提高自適應程度這是要面向生產線和設備的互聯互通，構建具有異域、異構、異類特點的CPS網絡，進而通過服務和總線將其連接為基于云的工業CPS，使其具備感知、處理、決策和執行的能力。形成自優化機制是指以工業系統持續演進為目標，通過數據積累、分析與決策，形成知識驅動的自學能力，實現市場、開發、制造、管理、支持業務運行模式的優化和運行過程的智能檢測與控制，如圖6所示。

圖6 民機智能制造的核心要素

2.2 民機智能制造的發展趨勢[7-16]

1）MBE將成為民機智能制造的新起點

在美國下一代制造技術計劃（NGMTI）提出了“基于模型的企業（Model-Based Enterprise，以下簡稱MBE）”這一新的制造理念，并且已在美國飛機制造業中開展了探索性的應用。MBE是一個數字化制造實體，主要包括三大部分：基于模型的工程（Model BasedEngineering，MBe），基于模型的制造（Model Based Manufacturing，MBm），以及基于模型的持續 保 障 （Model Based Sustainability，MBs）。MBE是數字化工廠的發展與延續，并在其基礎上更進一步，它使用全方位、多角度、科學系統的建模仿真技術和分析處理工具，進一步優化產品的全生命周期流程，及時發現問題并給出最科學的解決方案，為工廠管理決策提供直接支撐，從根本上提高產品的設計研發效率、生產制造質量、市場響應能力和客戶服務水平。MBE集成了航空制造領域的先進技術，代表著飛機數字化設計與制造的未來。

早在20世紀80年代，波音公司就開始應用三維數字化設計工具；在777項目上更是率先提出并應用MBD技術，實現了全三維數字整機設計。如今，MBE更是在以波音、空客為代表的民機制造企業中得到廣泛應用，在波音787、空客A350等飛機項目的研制過程中，打通了基于模型的數字化產品設計與制造的各個環節，未來將實現MBE在飛機型號全生命周期的廣泛應用。

2）工業互聯網將成就民機智能制造的新突破

工業互聯網由網絡、平臺、安全三個部分構成，涉及傳感器、網絡、云計算、工業大數據等信息技術要素，是一種新型業務模式以及在賽博空間下的信息交互能力的體現。隨著信息技術，物聯網技術的快速發展，工業互聯網成為實現智能制造重要載體，也成為產業高質量發展的制高點。德國發布了“工業4.0”，美國大力推動“工業互聯網”，我國則致力于實現“互聯網+先進制造業”，這都反映出了智能制造時代的到來，“互聯網+制造”將成為產業新一輪的熱點。工業互聯網也成為民機智能制造轉型升級的有力推手。

目前，空客正在努力打造一個制造系統物聯網，將智能設備（如測量設備，鉚接設備，緊固設備等）無線連接到飛機裝配中的中央控制臺和工廠數據庫。通過定位信息，實現工作程序的自動化部署。同時，借助大量的傳感器實時采集數據，通過數據分析和操作控制來保障產品的質量。波音公司正嘗試在設計、制造等全產業鏈上應用基于物聯網IIoT的區塊鏈解決方案。通過區塊鏈技術，波音可追溯每個零部件的生產情況和使用細節。產業鏈各個環節上的主體，包括供應商、客戶、維修服務商、甚至監管機構，一旦獲得授權，都可以訪問這些信息。區塊鏈技術在民機制造領域的發展和應用，將有助于主制造商降低倉儲物流成本，提高生產效率，為飛機的維修維護提高更好的支持。同時，工業互聯技術在波音公司民機客服工程中的廣泛應用，將使其能夠實現對產品使用過程的主動監測、關鍵結構或組件的連續跟蹤、產品工作狀態的即時分析、基于工作狀態的維護更換等，這將有助于提升產品維護與服務的實時性和運行效率。

3）人工智能將引領智能工廠建設的新發展

盡管目前人工智能和深度學習技術目前在先進制造領域的應用還不夠廣泛，但其發展潛力和發展前景已在業界達成廣泛共識，許多高端制造企業也對人工智能的應用開展了積極的探索。隨著人工智能在智能工廠領域的介入程度逐步加深，將帶來一系列明顯的效果，譬如降低成本、提高效率、提升質量乃至業務模式的轉變，智能工廠也將呈現新的活力。

人工智能將在智能制造模式的升級迭代過程中發揮巨大的作用：物聯網是新一代智能制造的基礎，生產設備的全面互聯可以實現信息的流動與應用，借助傳感器，可實時收集采集生產過程中的全面數據，對這些數據進行集成、分析，再利用深度學習技術進行迭代，將結果反饋于系統并進行改進，將能實現生產過程的高度自動化和自組織；基于人工智能的預測（如原材料需求預測、預測性維護等）成為發展的一大方向。

新一代的智能制造模式融合了人工智能等技術，已成為國外民機主制造商發展的重點和方向。2015年空客集團就已提出了“未來工廠”的建設思路，目前正圍繞虛擬現實、智能眼鏡、類人機器人等技術進行深入研究。2015年，波音公司與高校合作建立了“航空數據分析實驗室”，探索利用人工智能、大數據分析、機器學習等技術來優化飛機的運營，并將大數據分析的結果反饋到飛機的設計和制造中。同時，波音公司正在開展基于人工智能的民機自動駕駛研究和試驗，以提高飛機運營的安全性。

3 民機制造企業智能工廠建設展望

民機智能制造的三大發展趨勢與智能制造的三個基本范式之間存在深度聯系。三個基本范式雖代表了不同的發展階段，具有不同特征，但有著一脈相承的體系，但在發展演化的過程中，它們并不是彼此割裂的，而是相互融合、相互促進、迭代升級。

盡管起步較晚，但中國的民機制造企業都在智能工廠方面開展了積極的探索，中國商飛也在浦東祝橋建立了5G園區，全力打造智能制造生產線。在后續推進實施過程中，中國民機制造企業可采用三種制造模式“并行推進、融合發展”這一趕超型技術路線，走“數字化+網絡化+智能化”的智能工廠創建之路，推動實現中國民機制造業的智能化升級，促進產業高質量發展。一方面，須堅持“創新領先”，充分利用5G、物聯網、云計算、人工智能等技術手段，推進新技術、跨界技術與民機制造技術的深度融合，加快新一代智能制造技術的研發和應用。另一方面，企業須實事求是，在數字化與智能化轉型中做好規劃，循序漸進地推進基于模型的企業建設，逐步完成技術改造與智能化升級。初期以應用和推廣“互聯網+制造”模式為主，在時機成熟的基礎上，未來，可將發展的重點轉向“新一代智能制造”模式。