新一代移動通信網絡技術在航空工業園的應用

(中國商飛上海飛機制造有限公司航空技術研究所智能工廠技術研究部，上海 201324)

0 引言

無線通信技術驚人的展現了科技創新的迅猛發展。從1991年第二代移動通信系統(2G)登臺開始至2001年第三代移動通信系統(3G)首次使用，無線移動網絡從純粹的電話系統轉變為能夠傳輸大量多媒體內容的網絡[1]。4G無線網絡系統給所有使用設備1個IP，實現了先進的國際無線通信(IMT-A)。

4G網絡已經發展成熟并應用于許多國家，但是隨著無線移動設備或機械設備的發展，需要更大量的數據傳輸，更多的數據容量，更高的頻譜效率等仍然有許多技術無法通過4G實現，網絡發展的不夠迅速反過來也限制了設備的更新。新一代移動通信網絡在2012年開始實現，并迅速成為全球經濟發展的助力[2]。雖然新一代移動通信網絡屬于通信領域，但智能制造依賴于高速運營的網絡系統。高效的網絡能夠極大地促進網絡程序的發展速度，并應用于工業物聯網領域。Yeping Chu等人進行了基于新一代移動通信網絡在工業物聯網中的研究分析新一代移動通信網絡在工業物聯網中的使用狀況以及如何提高該網絡在工業物聯網中的使用質量[3]。Jeehyeong Kim等人提出了基于新一代移動通信網絡的信息物理系統的集成統一架構的服務器，提高制造業的信息傳遞效率[4]。越來越多的專家學者在新一代移動通信網絡的應用中進行研究，但新一代移動通信網絡與航空制造業的結合仍處于空白。

本文結合航空制造業的特點，對新一代移動通信網絡在航空智能制造業的應用做了詳盡的研究。首先根據航空智能制造產業的特點對新一代移動通信網絡的應用進行規劃，形成規劃思路。在規劃思路的基礎上建設航空智能制造工業園區，形成總體框架和具體的實施方案，運行該方案達到新一代移動通信網絡在航空制造工業園區的具體應用。

1 新一代移動通信網絡在航空智能制造工業園區的規劃思路

航空工業園區主要制造飛機及其相關零部件，生產現場主要考慮產品、設備、工裝、工具、物料和人員六方面，通過對這6方面的數據采集，及時準確反映生產狀態的變化，使設計、工藝、工人能夠及時傳遞工作內容、明確工作任務。采集的數據在網絡的承載下，傳遞給以MES為代表的制造管理系統，為正確應對生產過程中的各種變動提供依據，驅動制造過程按照既定的規則運行。基于對這些數據的加工、處理、分析和提煉，能夠改善產品設計、優化生產過程，從而改進生產質量、提高生產效率，為企業創造價值。

因此將數據傳輸作為新一代移動通信網絡航空智能制造工業園區建立的出發點，充分利用該網絡本身具有高帶寬、高速度、高可靠、低時延的特點，采集各方面的數據，建立滿足制造要求的傳輸通道，為目前制造提供良好的數據傳遞。

新一代移動通信網絡在航空智能制造工業園區建設的主體思路如圖1所示。

圖1 主體思路網絡示意圖

將產品、設備、工裝、物料、工具和人員6大類數據通過新一代移動通信網絡進行相互關聯，達到生產數據的完整采集和及時傳遞，實現新一代移動通信網絡工業園區的建設。

2 新一代移動通信網絡智能制造在航空工業園區的建設

2.1 總體框架

在總體思路的基礎上，規劃新一代移動通信網絡在航空工業園區的建設，提出核心內容組成，以及核心內容模塊間的主要聯系，新一代移動通信網絡在航空工業園區建設的總體框架與核心內容如圖2所示。

圖2 總體框架與核心內容網絡示意圖

如圖2所示，將航空制造業的數據整體分成3個層，每個層又分成信息空間和物理空間。

最底層由整個工業園區產生的生產數據構成，將工廠、工藝、產品在信息空間分別用數字定義，然后在物理空間呈現出物料、工裝、工具、人員、設備和產品的互聯，形成飛機各零部件，與信息空間的數據相呼應。底層的數據采集集成得到中間層，中間層的信息空間是以MES為核心的制造綜合系統。通過數據傳輸分析滿足資源優化調度、生產動態調整要求，形成實現高效、均衡生產的核心驅動力，隨著數據的豐富和管理要求的拓展，向制造運營管理系統發展，為新一代移動通信網絡通道提高業務信息。相應的物理空間建設新一代移動通信網絡，覆蓋了增強型移動寬帶(EMBB)、大規模機器類通信(mMTC)、超高可靠低延時通信(uRLLC)三類應用場景，建立生產現場的數據驅動的快速通道，形成數據驅動制造的基礎支撐。當第二層的數據積累達到一定程度，則可由最上層的信息空間采用大數據、云平臺、信息物理融合等平臺系統進行分析和決策，提供至該層物理空間進行智能執行，實現支持生產現場的AR、機器視覺、機器人等智能裝備的作用發揮，創造實物價值。

在三個層的基礎上，增加標準規范、信息安全等必要的輔助內容，建立總體框架，如圖3所示。

圖3 總體框架示意圖

總體框架分為六部分。

2.1.1 物聯網與傳感器

此部分主要是通過物聯網與傳感器，采集設備、工裝、工具、物料、產品、人等現場數據，形成對生產現場與制造過程的全面感知，是實現智能化的算據。對應核心內容數字化，實現生產過程的數據呈現。

2.1.2 信息高速公路

此部分主要由高可靠低延時高帶寬通信的以及私有云形成的數據快速傳輸通道，是物理世界和信息世界映射的橋梁。對應核心內容網絡化圈層的新一代移動通信網絡，保證了海量數據的高效、安全傳遞。

2.1.3 工業互聯網平臺

工業互聯網平臺，包括工業物聯網平臺、工業大數據平臺、工業知識庫平臺、MES、VFK、ERP、PLM等基于互聯網的信息系統，形成實現智能化的算力。對應了核心內容數字化圈層的數字定義和網絡化圈層的擴展MES，是智能決策的數據來源以及綜合運營管控的核心。

2.1.4 工業APP

工業APP是將技術、知識、算法等進行規則化、軟件化等處理形成的應用系統，是數字化轉型智能制造的使能要素，主要包括人機交互、數字孿生、AR/VR等智能應用，是實現智能化的各類智能算法。對應了核心內容智能化圈層的智能決策和智能執行，是智能制造的具體體現。

2.1.5 工業信息安全

工業信息安全包括終端安全、私有云安全、數據備份安全等，是整個智能工廠運行的基本保障。

2.1.6 智能制造標準

智能制造標準建設包括基礎共性標準、關鍵技術標準、產業應用標準等，標準化建設對整體建設起到支撐作用，為產業高質量發展保駕護航。

2.2 基于新一代移動通信網絡的智能制造方案的實施

在總體框架的基礎上，進行智能制造實施方案的設計，明確具體建設項目和建設層次，使建設實施具有更加清晰的可操作性，實施方案如圖 4所示。

圖4 智能制造實施方案

從圖中可以看到，根據總體框架的部署，實施方案分為平臺層、網絡層和現場層。平臺層通過大數據私有云平臺、信息物理融合平臺、企業綜合運營平臺和應用服務平臺，基于計算機仿真、虛實融合控制技術、云計算技術等支持企業制造生產過程的全面智能化決策。網絡層由新一代移動通信網絡和以MES為核心的制造過程綜合管控系統組成。基于新一代移動通信網絡工業無線網絡構成高速、高寬帶、高可靠、低延時的數據通道，形成數據信息的便利、高效載體，實現對生產任務的科學安排、制造資源的全面管理、制造數據的及時采集和制造過程的全方位監控，構成數據傳遞通道和承載內容的集成。現場層包括各車間現場支持作業操作、檢驗測試、物流倉儲等業務內容的智能裝備和設施，根據平臺層下發的產品、工藝等生產要素，完成作業執行、物料流轉、檢驗測試、數據采集等內容，并向網絡層反饋生產進度、檢驗結果、質量狀態等數據，實現對生產要求的精準執行以及對現場狀態的全面感知。

在上述方案的支持下，面向飛機生產制造，形成總體運行流程，如圖 5所示。

圖5 飛機智能制造總體運行流程

客戶通過飛機選配和個性化定制，形成訂單，制造公司接到訂單后，一方面進行并行設計、工藝仿真等為生產執行提供依據；另一方面通過大數據、云平臺等基于已有大量生產數據的深入分析，對原材料、物流、加工、裝配等生產流程進行科學的整體規劃，形成生產計劃結合制造裝配指令，各生產執行單位完成零部件加工、部組件裝配、總裝集成、檢測測試、產品運轉等作業，并對全過程質量給予嚴格控制，對各環節數據進行全面采集和實時分析，最終形成合格產品交付給客戶，并將采集的各類數據予以保存、分類、分析、處理，形成指導后續產品生產和系統優化的知識，構成制造能力不斷提升、推動企業健康發展的智慧。

3 結語

依托新一代移動通信網絡高帶寬、快速度、低時延、高可靠、海量介入能力等眾多特點，融合新一代信息技術，建立生產現場的數據驅動的快速通道，形成數據驅動制造的基礎支撐，推動新技術發揮的作用，打造萬物互聯的全連接生產工廠。

整個制造環境內通過布控新一代移動通信網絡替代傳統有線連接、特別是設備間的有線連接，采用統一的標準進行數據交換，從而替代傳統 IT與OT兩級網絡環境，使工業網絡環境與網絡環境形成統一的整體，從而實現信息化與工業化的高度融合。

然而，新一代移動通信網絡在航空智能制造工業園區的應用還處于初步階段，仍需要進一步研究新一代移動通信網絡在航空工業園區的應用，以及發展到智能制造的其他制造領域。