基于工業互聯網的南航智慧維修創新大賽作品剖析

■ 呂江敏 任明翔 劉蓉蓉/中國南方航空股份有限公司工程技術分公司（機務工程部）

工業經濟由數字化向網絡化、智能化深度拓展，工業互聯網作為新一代信息技術與制造業深度融合的產物，日益成為深化“互聯網+先進制造業”的重要基石。本文通過深入剖析南航智慧維修創新大賽作品，找尋南航智慧維修發展路線與提升方向，歸納總結出作品典型問題并給出相應改善建議，為后續南航智慧維修高質量發展搭建理論支撐。

0 引言

工業互聯網平臺作為驅動制造業數智化升級和帶動創新型中小微企業成長的新引擎，受到前所未有的關注和期待。在頂層設計上，促進工業互聯網發展的政策制度相繼出臺，從2015 年國務院發布《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，到工信部在2020 年發布《關于推動工業互聯網加快發展的通知》，和在2021 年發布《工業互聯網創新發展行動計劃( 2021—2023 年) 》，種種跡象表明國家試圖以制度引導和推動制造業和各類創新型企業積極發展工業互聯網或接入工業互聯網平臺[1]。

1 工業互聯網的概念

工業互聯網，是整個產業的數字化、信息化、智能化轉型。它首先通過通信技術，實現工業生產全流程要素資源的連接，然后通過計算技術，存儲并運算數據，挖掘數據價值，優化生產流程，打通薄弱環節，從而實現效率提升、生產力提升、成本下降、利潤增長。工業互聯網是“工業技術革命”和“信息通信（ICT）技術革命”相結合的產物。

作為一個非常復雜的系統，工業互聯網不僅涵蓋與工業領域相關的所有實體、工具、數據、方法與流程，也涉及了軟硬件數據協議、分布式技術、虛擬化技術、數據化技術、數據建模與分析、組件封裝及可視化等多種關鍵技術與工具，如圖1 所示。當今工業領域和計算機學科的所有前沿技術，包括邊緣計算、智能控制、數字孿生、智能感知、5G傳輸、大數據處理與決策、人工智能等，都能在工業互聯網中找到具體應用。工業領域和計算機學科交織組成了工業互聯網的九大技術支柱，他們是工業物聯網、云計算、工業大數據、工業機器人、3D 打印、知識工作自動化、工業網絡安全、虛擬現實、人工智能。

圖1 工業互聯網概念示意圖

工業互聯網的關鍵工作場景可大致概括如下：

1）將多源異構設備通過工業網關、可編程控制器（PLC）等接入工業互聯網的邊緣計算層；

2）利用傳感器、圖像等多傳感方式對設備進行智能感知和數據采集；

3）通過網卡、數據總線等將數據傳輸到邊緣層數據庫；

4）利用既定的規則對不同協議的設備數據進行解析和統一轉換，保持數據的一致性。

5）利用機器學習等算法對多源數據進行預處理、聚類和分析，剔除冗余數據,完成數據的規整和分類；

6）利用信息技術如5G 技術等將數據從邊緣層傳輸到工業互聯網的云端平臺數據庫中。

7）云端大數據系統通過大數據建模與分析技術，基于各個基礎場景、通用場景和專用場景，建立各實體、數據及過程之間的映射模型，構建可視化知識圖譜，形成知識庫并進行知識推理。

8）基于平臺層通用的平臺部署與管理模塊，在工業大數據模型的支撐下，建立一套軟件開發與部署、微服務組件庫和模型庫，為軟件應用層的產品部署和服務創新提供基礎。

9）根據具體的使用場景，開發MES、ERP、SCADA、SCM 等綜合決策應用程序，并部署到工業互聯網平臺的軟件應用層。

10）通過平板、PDA 等終端設備中安裝應用軟件，實現基于產品全生命周期的生產流程優化、排產調度、智能控制及故障診斷。

2 大賽工業互聯網作品分析

工業經濟由數字化向網絡化、智能化深度拓展，工業互聯網作為新一代信息技術與制造業深度融合的產物，日益成為深化“互聯網+先進制造業”的重要基石[2]。在此契機下，南航工程技術分公司啟動了南航首屆公司級智慧維修創新大賽，開啟了國內機務維修技能競賽的新篇章。

本次南航首屆機務智慧維修創新大賽吸引了215 個團隊報名參加，大部分作品圍繞智能裝備和工業軟件兩個方面展開分析和尋找解決途徑，如圖2 所示。團隊針對生產過程中遇見的問題、痛點積極尋找解決辦法，結合工業互聯網相關的新技術，在大數據分析、數字模型、海量數據計算、知識圖譜等核心技術支持下形成了94 個落地方案、121 個創意方案。這些方案覆蓋生產、工程、航材、航線、定檢等機務維修的各個方面，涉及產學研一體化、人才孵化引進、新材料引入、新技法引入等幾個方面，解決了節能減排、價值再生、增強公眾體驗，提升安全裕度、提升維修質量、降低生產成本、提升生產效率等多個問題。

圖2 參賽作品分布

2.1 全面質量管理角度分析

從全面質量管理理論中的五個影響產品質量的主要因素來分析，作品在人、機、料、法、環等方面均有研究，但側重點主要集中在法、人和機三個方面，如圖3 所示。從這點可以體現出參賽選手能深入實際，從日常工作中查找問題，積極主動尋找解決辦法。項目比其傳統的全面質量管理更重視使用者的體驗質量，有作品嘗試從使用者角度出發，著眼流程的流暢度和使用便捷性，注重人機交互體驗，引入自身健康情況測量和評價等智能化元素。同時注重多專業知識的融合，其中32 個項目從人、機、料、法、環等兩個角度以上去思考解決問題，在打通專業壁壘的同時，多角度地去解決問題。

圖3 依照全面質量管理五要素分析作品占比

按照作品結果導向，可以看出作品主要解決生產效率提升、生產成本降低、維修質量提升和安全裕度提升等幾個方面，如圖4 所示。這些方面是維修工作者日常都能遇到的，是各個維修單位重點關注的方面。

圖4 參賽作品方案解決問題分類

2.2 技術層面分析

新技術進一步拓展工業互聯網平臺發展空間。 本次大賽中涌現出了數字孿生、VR/AR 技術、5G 技術、機器學習等新技術使用相關的項目。通過新技術的使用降低了生產復雜度，提高了協作水平和生產效率。其中30.7%的作品著眼在流程優化、25.1%的作品著眼在云系統平臺，20.5%的作品著眼在大數據處理上，具體分布如圖5 所示。

圖5 作品方向和技術使用統計

應用的分布和全球工業互聯網平臺發展相類似。根據國家工業信息安全發展研究中心選取全球77 個工業互聯網平臺，并篩選出其中206 個相關工業互聯網應用案例進行了調查分析。調查發現，目前全球工業互聯網平臺發展主要聚焦于設備運行過程中的成本節約和效率提升。其中，83%的工業企業基于平臺開展工業設備和產品狀態在線監測、故障在線診斷、預測性維護、遠程運維等應用服務；68%的工業企業基于平臺處理分析生產制造、企業運營管理等各類數據，開展生產過程優化、能耗優化、質量優化、安全管理、作業指導、采銷決策優化等業務運營優化服務；19%的工業企業基于平臺開展業務轉型和模式創新。通過對比發現本屆南航首屆機務智慧維修創新大賽參賽作品基本符合國際趨勢。參賽者的關注點從產品導向轉向到“產品+服務”的過程導向中，企業的成本管理轉到以滿足需求導向為目標，利用新技術升級現有的生產過程，在價值鏈的延伸、數據整合、提供集成服務和整體解決方案上進行突破，提供生產過程的知識含量，降低成本，提高效率。

2.3 問題和措施

通過作品初審，智慧維修大賽評審組項目組也發現了一些問題。一是部分作品的應用場景比較單一，適合本工段或者本廠的環境，推廣性不強，這個雖有個別項目組自身的原因，但總體上來看，主要是南航機務系統內部工業互聯網推行的比較晚，大家缺乏對總體的認識，缺少理論指導，最終影響了項目效果。二是“信息孤島”阻礙了數據集成共享和創新應用。南航機務系統從2019 年度開始著手打造機務云平臺，現在已初具規模。但出于安全考慮數據權限較多，上下游之間的數據尚未完全打通，存在“信息孤島”，這些“信息孤島”造成了信息集成和共享困難，影響了進一步協調應用。三是缺乏規模效應，各個項目團隊都著眼與自身生產過程中遇到的問題，這些問題在整體機務環境中不僅有相似性，也有一定的差異性。如何求同存異，從全盤角度考慮這些問題，形成規模，還需進一步討論。四是關鍵平臺技術如圖像識別算法、大數據平臺等使用現有開源庫，團隊成員對這些開源系統缺乏深入了解和評估，尚存在安全隱患和被網絡攻擊的風險。五是資源保障能力不夠。工業互聯網平臺連接人、機器以及多種工業引用場景，是一個復雜的系統，在前期對企業來講需要投入大量的硬件軟件資源。項目團隊大多依賴本單位五小創新資金進行研究，如果需要深入展開后期需要持續投入。

大賽組委會也根據項目情況聯合相關部門，針對大賽評選出的優秀項目進行指導和孵化，在相關領域專家的帶領下，投入經費和人力進行優秀成果的孵化、重構和推廣工作。針對工業互聯網新技術多的情況，組織專家制定相關系列教程。由淺到深逐步普及工業互聯網新技術和發展趨勢。針對工業互聯網涉及標準，組委會未來計劃組織專家制定標準，以開源和開放標準完善工業互聯網生態環境，激發和保持員工的創新活力，引入更多的員工發現問題，參與解決問題。

3 展望和總結

縱覽工業互聯網發展歷史，工業互聯網平臺發展演化經歷短期和長期兩個發展階段[3]。短期階段主要包括運營效率提升和新服務或產品提升，主要通過工業互聯網平臺預測維護資產管理，減少設備故障，以改善工人工作條件；長期階段則包括結果經濟階段和智能拉式經濟階段?！敖Y果經濟”就是在工業互聯網平臺生態系統支撐下的“按結果收費模式”。例如 Taleris 軟件公司在其工業物聯網生態系統平臺支持下，為航空公司提供故障擔保，對所有引起航班延誤和取消的設備故障負責?！爸悄芾浇洕笔枪I互聯網和消費互聯網高度發展與融合，智能滿足所有消費者的個性化需求。

目前作品還集中在短期階段，后續大賽組織方還將持續跟進，對獲獎作品進行指導改造，并加以推廣。組織專家制定課程，讓員工了解工業互聯網的發展和新技術的應用，提高大家的創新水平。