（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。歐美發(fā)達(dá)國家均采用工業(yè)化和信息化深度有機(jī)融合的模式提升制造業(yè)水平。2012年德國政府提出了基于工業(yè)4.0的國家發(fā)展戰(zhàn)略，其核心是智能產(chǎn)品和智能工廠。2012年2月美國政府出臺“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃”，2013年1月，美國總統(tǒng)執(zhí)行辦公室、國家科學(xué)技術(shù)委員會和高端制造業(yè)國家項(xiàng)目辦公室聯(lián)合發(fā)布了《國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)初步設(shè)計(jì)》。美國創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的核心是集中產(chǎn)學(xué)研力量推動智能制造、新能源以及新材料應(yīng)用等先進(jìn)制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展，從而使美國在全球制造業(yè)新一輪變革中搶占先機(jī)，繼續(xù)保持領(lǐng)導(dǎo)者地位。

為了促進(jìn)我國制造業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃的建議》明確指出，加快建設(shè)制造強(qiáng)國，以信息化和工業(yè)化深度融合為抓手，實(shí)施“中國制造2025”，構(gòu)建以智能制造為重點(diǎn)的新型制造體系是增強(qiáng)我國綜合國力和國際競爭力、保障國家安全和民族復(fù)興的國家戰(zhàn)略。

航空發(fā)動機(jī)是具有客戶需求復(fù)雜、產(chǎn)品組成復(fù)雜、產(chǎn)品技術(shù)復(fù)雜、制造流程復(fù)雜、試驗(yàn)維護(hù)復(fù)雜、項(xiàng)目管理復(fù)雜、工作環(huán)境復(fù)雜等特征的典型復(fù)雜產(chǎn)品，集中了工業(yè)制造和信息行業(yè)中的高精尖技術(shù)，最能體現(xiàn)國家的工業(yè)基礎(chǔ)、科技水平和國防實(shí)力，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，目前已經(jīng)成為“中國制造2025”和“國防科技工業(yè)2025”的重點(diǎn)突破方向。

航空發(fā)動機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造現(xiàn)狀分析

航空發(fā)動機(jī)研制是一項(xiàng)多領(lǐng)域迭代耦合過程。由于航空發(fā)動機(jī)具有幾何形狀復(fù)雜、性能要求高、研制信息量大、涉及學(xué)科多、制造工藝難、研發(fā)周期長等特點(diǎn)，其研制需要由多團(tuán)隊(duì)、多學(xué)科、多設(shè)計(jì)所、多制造企業(yè)共同參與完成[1]。

發(fā)達(dá)國家先進(jìn)航空制造企業(yè)已經(jīng)大量采用各種基于項(xiàng)目或公司之間大協(xié)同，呈現(xiàn)出研制組織的多區(qū)域協(xié)同、研制過程的多領(lǐng)域協(xié)同和業(yè)務(wù)活動的多學(xué)科協(xié)同的特點(diǎn)。例如美國洛克希德·馬丁公司主導(dǎo)的重大軍用飛機(jī)研制項(xiàng)目JSF，建立了支持產(chǎn)品全生命周期的虛擬產(chǎn)品研制平臺，支持全球50多家合作伙伴全方位協(xié)同；羅·羅構(gòu)建了開放式的協(xié)同框架與平臺，面向產(chǎn)品全生命周期支持公司全球設(shè)計(jì)、制造和維護(hù)等業(yè)務(wù)單元的高效協(xié)作。普惠利用覆蓋航空發(fā)動機(jī)研發(fā)全過程的PLM技術(shù)來增強(qiáng)企業(yè)的創(chuàng)新能力，使產(chǎn)品充分體現(xiàn)出氣動、結(jié)構(gòu)、機(jī)械設(shè)計(jì)、性能、控制等技術(shù)領(lǐng)域的最新成就，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

我國航空發(fā)動機(jī)行業(yè)面臨設(shè)計(jì)制造廠所異地分離，預(yù)研產(chǎn)品和定型產(chǎn)品多品種小批量混線研制模式等諸多難題，經(jīng)過各廠所共同努力已經(jīng)初步建成滿足航空發(fā)動機(jī)公司級的協(xié)同研制平臺，支持航空發(fā)動機(jī)公司級以型號產(chǎn)品為中心的多行業(yè)、跨地域、多廠所聯(lián)合研制的協(xié)同工作[3]。

隨著工業(yè)4.0的興起，智能制造成為制造業(yè)變革的主線，在此背景下，揭示航空發(fā)動機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造的內(nèi)涵，刻畫航空發(fā)動機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造過程各要素之間的耦合交互行為關(guān)系成為關(guān)鍵。據(jù)此，如何在智能制造模式下進(jìn)行航空發(fā)動機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造成為一個(gè)熱點(diǎn)。本文擬從3個(gè)橫向維度（數(shù)據(jù)集成、過程集成和組織集成）和3個(gè)縱向維度（設(shè)計(jì)/設(shè)計(jì)協(xié)同、設(shè)計(jì)/制造協(xié)同、制造/制造協(xié)同）進(jìn)行討論和分析。

基于模型的數(shù)據(jù)集成

數(shù)據(jù)集成是實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)與制造的基礎(chǔ)和保障，統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化定義是實(shí)現(xiàn)智能制造的基石。產(chǎn)品定義經(jīng)歷了二維圖紙數(shù)字化、二維數(shù)字圖紙+三維模型到基于模型的產(chǎn)品數(shù)字化定義[4]。

MBD與其說是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的表征方法，不如說是統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)字化定義模式，MBD是通過定義特征和控制特征關(guān)系完成模型定義的方法。MBD的核心是基于特征定義的三維模型，圍繞三維模型集成了包括設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢驗(yàn)等各部門的信息,形成單一數(shù)據(jù)源，成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與制造和制造與制造之間統(tǒng)一的信息載體，并且可以根據(jù)協(xié)同研制需求提供不同視圖用于裝配、仿真、工藝設(shè)計(jì)等。同時(shí)MBD能夠通過對設(shè)計(jì)、制造等工程特征進(jìn)行語義描述，融合可更新的工程知識。

MBD模型中主要管理兩類數(shù)據(jù)，一類是幾何信息（幾何模型）；一類是非幾何信息（標(biāo)注信息）。非幾何信息基本不是獨(dú)立存在的，而是與幾何特征有關(guān)，并通過特征關(guān)系實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)。幾何信息通過CAD系統(tǒng)進(jìn)行管理，而非幾何信息通過產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行存儲和管理，通過這種機(jī)制就實(shí)現(xiàn)了幾何信息與非幾何信息的高度集成。這種集成機(jī)制解決了航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制過程中設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)與制造、制造與制造協(xié)同過程中的數(shù)據(jù)集成問題（圖1）。

·設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)協(xié)同過程：在設(shè)計(jì)與設(shè)計(jì)協(xié)同過程中，由于航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，設(shè)計(jì)更改頻繁，以往的二維設(shè)計(jì)模式難以滿足，既不能保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性，增加了設(shè)計(jì)更改的工作量；同時(shí)無法保證總體與各單元設(shè)計(jì)進(jìn)行并行協(xié)同設(shè)計(jì)。基于MBD模型，航空發(fā)動機(jī)部件設(shè)計(jì)單位可以建立氣動、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、熱力、傳熱、燃燒等多領(lǐng)域仿真環(huán)境，開展多學(xué)科綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)及實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中主要專業(yè)的協(xié)同與并行。

·設(shè)計(jì)與制造協(xié)同過程：航空發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)過程中存在設(shè)計(jì)與工藝的協(xié)同，主要任務(wù)是對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)行可制造性分析和工藝審查，同時(shí)對某些生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長的零件，可以提前進(jìn)行工藝準(zhǔn)備（毛坯設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)等），基于MBD單一數(shù)據(jù)源的出現(xiàn)能夠保證在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型下進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)及工藝準(zhǔn)備工作，針對長周期關(guān)鍵零件實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造協(xié)同[5-7]。

·制造與制造協(xié)同過程：制造過程覆蓋了工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、加工、裝配等諸多環(huán)節(jié)，這些制造活動之間存在著數(shù)據(jù)交互和集成，工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控加工和裝配工藝設(shè)計(jì)都需要數(shù)據(jù)模型作為單一數(shù)據(jù)源，進(jìn)行并行協(xié)同工作[5-7]。

圖1 基于MBD的設(shè)計(jì)制造協(xié)同F(xiàn)ig.1 Collaborative design and manufacturing based on MBD

基于機(jī)床-刀具-工件-工裝協(xié)同的智能加工技術(shù)

新一代航空發(fā)動機(jī)大量采用高性能/輕量化復(fù)雜薄壁整體結(jié)構(gòu)，以最小結(jié)構(gòu)重量滿足高性能比要求，其服役性能對制造偏差和應(yīng)力集中極為敏感，對零件表面完整性、工藝過程質(zhì)量可靠性、一致性要求極為苛刻。必須從機(jī)床-刀具-工件-工裝形成工藝系統(tǒng)開展協(xié)同制造技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)工藝過程準(zhǔn)確預(yù)測和精確調(diào)控，保障關(guān)鍵零件制造過程質(zhì)量精度一致性和工藝過程的魯棒性[8-9]。

實(shí)現(xiàn)機(jī)床-刀具-工件-工裝協(xié)同的智能加工，必須突破智能加工工藝模型建模技術(shù)、基于物理模型的工藝仿真優(yōu)化、基于測量的工藝過程調(diào)控技術(shù)以及智能機(jī)床及組件技術(shù)，面向協(xié)同的智能加工技術(shù)框架以及智能加工實(shí)現(xiàn)過程如圖2和3所示。

·智能加工工藝模型應(yīng)該具備基于智能的模型自主學(xué)習(xí)、自適應(yīng)進(jìn)化、推理決策與自適應(yīng)調(diào)控等功能。通過構(gòu)建自學(xué)習(xí)自進(jìn)化知識模型，采用先進(jìn)的檢測、加工設(shè)備及仿真手段，集成已有加工知識和經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)對加工過程仿真、預(yù)測，以及進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、描述與控制，最終使加工系統(tǒng)能根據(jù)實(shí)時(shí)加工工況自動選取最優(yōu)加工參數(shù)與加工狀態(tài)，從而獲得最優(yōu)的加工性能與最佳的加工質(zhì)效。

·刀具-工件-夾具協(xié)同交互行為與識別：通過刻畫工件形貌和加工過程的映射關(guān)系，揭示工藝系統(tǒng)界面耦合作用對界面交互行為的影響機(jī)制；分析實(shí)時(shí)工況的特征表現(xiàn)形式，研究基于DS理論和多傳感器信息融合工況特征在線識別方法。

·基于實(shí)時(shí)監(jiān)測的自主學(xué)習(xí)與模型進(jìn)化：通過實(shí)際加工過程中主動激勵(lì)與系統(tǒng)響應(yīng)的偵測方法及基于智能感知和偵測信息的模型參數(shù)辨識方法，建立不同工序間多態(tài)模型，揭示工件形貌及模態(tài)的演化機(jī)理。

·面向?qū)嶋H工況的智能決策與工藝過程自適應(yīng)調(diào)控：研究標(biāo)準(zhǔn)工況與實(shí)際工況的差異和決策行為之間的映射關(guān)系，建立工況差異對交互作用影響的靈敏度分析方法和隨機(jī)擾動補(bǔ)償模型。研究工藝參數(shù)和裝卡系統(tǒng)狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整方法，建立面向離散事件和隨機(jī)擾動的智能決策模型和工藝過程自適應(yīng)調(diào)控方法。

·基于物理模型的工藝仿真優(yōu)化：通過多重幾何與物理屬性的定義，采用廣義體積元分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工過程中工件幾何與物理屬性的時(shí)空變換規(guī)律。根據(jù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工軌跡，建立結(jié)構(gòu)件加工過程的精細(xì)化表征方法，描述加工過程中工件狀態(tài)隨時(shí)間與軌跡的變化，以及工藝系統(tǒng)屬性隨時(shí)間的變化。

·智能工裝結(jié)構(gòu)與技術(shù)：面向薄壁件加工過程控制，對零件施加預(yù)應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)預(yù)應(yīng)力裝夾，在加工過程中實(shí)時(shí)調(diào)整夾緊力，保持加工過程的穩(wěn)定，抑制振動，平衡加工中的切削力和殘余應(yīng)力，減小變形。虛位移，釋放一部分變形。主要涉及自適應(yīng)工裝與可重構(gòu)工裝的結(jié)構(gòu)與控制、傳感器驅(qū)動的智能夾持方法、工裝快速精確和高精度定位技術(shù)、容差控制與工裝裝夾規(guī)劃優(yōu)化、工裝定位/夾緊力/夾持點(diǎn)的自適應(yīng)優(yōu)化控制、工裝與零件接觸變形/表面損害、熱/振動變形預(yù)測與控制、加工中工裝的剛度、摩擦與動態(tài)穩(wěn)定性分析等關(guān)鍵技術(shù)。

圖2 面向協(xié)同的智能加工技術(shù)框架Fig.2 Intelligent processing technology framework oriented to collaboration

圖3 智能加工實(shí)現(xiàn)過程Fig.3 Implement process of smart processing

·基于知識的動態(tài)工藝過程、系統(tǒng)、裝備集成技術(shù)：采用系統(tǒng)集成理論方法，結(jié)合制造裝備的特點(diǎn)，建立工藝與裝備的信息交互模型，構(gòu)建工藝、感知、智能執(zhí)行單元之間的實(shí)時(shí)信息通訊接口，形成感知數(shù)據(jù)和工藝知識集成單元、面向?qū)嶋H工況和裝備運(yùn)行狀態(tài)的自主決策單元和快速響應(yīng)執(zhí)行單元，實(shí)現(xiàn)裝備智能化控制。

基于CoE的組織協(xié)同

實(shí)現(xiàn)智能化的航空發(fā)動機(jī)協(xié)同研制首先必須實(shí)現(xiàn)協(xié)同研制過程的組織集成。通過革新協(xié)同組織模式實(shí)現(xiàn)多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)/制造協(xié)同、制造/制造協(xié)同和基于項(xiàng)目管理的綜合管控協(xié)同[3，10]。

CoE（Center of Excellence）指的是一種正式指定或公眾認(rèn)可的在某一學(xué)科領(lǐng)域具有知識和經(jīng)驗(yàn)的實(shí)體或能力中心。GE公司按發(fā)動機(jī)部件劃分成立了研究高壓渦輪葉片的冷卻、渦輪葉型熱力和統(tǒng)計(jì)分析的葉片CoE、結(jié)構(gòu)CoE、旋轉(zhuǎn)零件CoE和燃燒室制造CoE等。羅·羅公司設(shè)立了寬弦風(fēng)扇葉片CoE、航宇材料CoE、計(jì)算流體力學(xué)CoE以及環(huán)境評估CoE等?？罩锌蛙嚬靖鶕?jù)“Power8”重組計(jì)劃，于2007年建立了4個(gè)跨國CoE，機(jī)身與客艙CoE、機(jī)翼與吊架CoE、后機(jī)身與尾翼CoE以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)CoE，這些中心不僅從事核心技術(shù)的研發(fā)，而且往往與生產(chǎn)CoE是一個(gè)實(shí)體。通常有各自的責(zé)任和決策鏈，統(tǒng)一負(fù)責(zé)該部件領(lǐng)域的產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)工作，在這種組織形式下，研發(fā)生產(chǎn)完全一體化[11-12]。

我國航空發(fā)動機(jī)行業(yè)從頂層平臺到部件設(shè)計(jì)制造，結(jié)合航空發(fā)動機(jī)研制進(jìn)行了基于CoE模式的組織集成。圖4描述了基于CoE模式的協(xié)同平臺架構(gòu)[3]。

技術(shù)體系架構(gòu)以CoE管理體制為依托，形成一個(gè)平臺，若干單元體CoE應(yīng)用系統(tǒng)、總裝試車基地、若干數(shù)據(jù)中心通過集成接口實(shí)現(xiàn)與集團(tuán)的有機(jī)集成。通過項(xiàng)目牽引、總體設(shè)計(jì)推動、總裝拉動模式實(shí)現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同研發(fā)。研究院承擔(dān)總體設(shè)計(jì)，部件的方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)，試車試驗(yàn)等。部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵零部件制造單元融合形成設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)一體化集成的單元體CoE，通過供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，形成貫通零部件制造單元-單元體CoE-總裝試車基地供應(yīng)鏈集成體系。

協(xié)同研發(fā)平臺具備分布式數(shù)字產(chǎn)品定義功能，通過項(xiàng)目管理推動在整個(gè)產(chǎn)品生命周期（總體方案設(shè)計(jì)、總體技術(shù)設(shè)計(jì)、總體詳細(xì)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、數(shù)控編程等）中能夠有效組織所產(chǎn)生的各種產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)（包括全部3D、2D圖樣數(shù)據(jù)，相應(yīng)的技術(shù)文件和BOM數(shù)據(jù)），并能夠進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)共享、轉(zhuǎn)換、管理和控制，支持基于產(chǎn)品生命周期的成熟度驅(qū)動的MBD模型技術(shù)應(yīng)用。

在協(xié)同工作平臺環(huán)境中，處于異地的總體設(shè)計(jì)人員與CoE設(shè)計(jì)、工藝和制造人員可以利用協(xié)同研發(fā)平臺中的協(xié)同社區(qū)，在有效的訪問權(quán)限控制下共享基于MBD模型的單一數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)對各種異構(gòu)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的可視化協(xié)作，具備多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，基于成熟度的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)放與接受、工藝審查，基于技術(shù)狀態(tài)管理的工程更改、制造信息反饋與交流、遠(yuǎn)程試車監(jiān)控等功能。

協(xié)同研發(fā)平臺提供研究院與各單元體CoE、關(guān)鍵零件制造單元、總裝試車基地之間跨地域、跨企業(yè)之間異地流程管理能力，可以讓處于異地使用異構(gòu)平臺的用戶在一個(gè)流程中執(zhí)行，通過工作流程管理，保證流程控制、數(shù)據(jù)共享與一致，實(shí)現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)管理。同時(shí)提供相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)集成接口，中間件實(shí)現(xiàn)異構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)的信息集成、過程集成和業(yè)務(wù)集成，確保研究院與各單元體CoE、關(guān)鍵零件制造單元、總裝試車基地業(yè)務(wù)整合，同時(shí)確保研究院與項(xiàng)目管理、生產(chǎn)管控、公共資源管理中心等實(shí)現(xiàn)集成。

圖4 基于CoE模式的組織協(xié)同F(xiàn)ig.4 Organization collaboration based on CoE model

工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的過程協(xié)同

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在發(fā)動機(jī)協(xié)同研制過程中，設(shè)計(jì)、制造、裝配、試驗(yàn)、生產(chǎn)和運(yùn)維都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)、制造工藝數(shù)據(jù)、制造工況數(shù)據(jù)、設(shè)備機(jī)群數(shù)據(jù)、流程質(zhì)量數(shù)據(jù)、裝配過程數(shù)據(jù)、試驗(yàn)試車數(shù)據(jù)、物流數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過傳感器形成的物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行匯聚、感知，在特定的語義場景下進(jìn)行挖掘、監(jiān)控和決策。這種協(xié)同已經(jīng)超越了單純的設(shè)計(jì)制造協(xié)同，而是工業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動的人、物、系統(tǒng)進(jìn)行過程協(xié)同[13-14]。

協(xié)同設(shè)計(jì)制造過程是一種包含多學(xué)科領(lǐng)域設(shè)計(jì)制造活動的復(fù)雜過程，會產(chǎn)生知識數(shù)據(jù)和智力數(shù)據(jù)。知識數(shù)據(jù)是指可以數(shù)據(jù)化或者信息化的有序、系統(tǒng)的資源，知識資源是智力資源的基礎(chǔ)，也是其衍生的資源，包括了經(jīng)驗(yàn)總結(jié)、歷史數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等。智力數(shù)據(jù)是參與協(xié)同設(shè)計(jì)制造的人員所具有的知識。這些數(shù)據(jù)必須通過集成、共享、封裝來支持協(xié)同設(shè)計(jì)制造，通過云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行存儲從而形成集中資源和分散管理的協(xié)同資源管理模式。

智能工廠是智能制造技術(shù)的兩大基石，目的是提高生產(chǎn)效率的同時(shí)大大降低由于人、設(shè)備乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)對工廠、生產(chǎn)線、單元和設(shè)備的擾動。這種擾動體現(xiàn)在人的錯(cuò)誤、設(shè)計(jì)更改造成的工藝更改、生產(chǎn)計(jì)劃的變更、物料代用、零件的返修等，這些不確定擾動的產(chǎn)生其實(shí)是人物協(xié)同之間耦合交互行為所帶來的負(fù)效應(yīng)。消減這些負(fù)效應(yīng)就需要對整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行，最終實(shí)現(xiàn)可預(yù)測可修復(fù)自適應(yīng)的智能協(xié)同制造。真正實(shí)現(xiàn)可預(yù)測自適應(yīng)的智能協(xié)同制造需要向組成系統(tǒng)的若干要素提供智能化的交互手段和智能化的交互界面形成的人機(jī)一體化和物物一體化接口，通過接口實(shí)現(xiàn)多傳感器下的異構(gòu)信息融合，從而實(shí)現(xiàn)狀態(tài)感知，在此基礎(chǔ)上提供智能化的軟件和分析服務(wù)對各種活動數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、特征提取、關(guān)聯(lián)挖掘、模式識別和進(jìn)化學(xué)習(xí)。這種認(rèn)知和預(yù)測分布于加工過程、設(shè)備健康狀態(tài)、生產(chǎn)計(jì)劃乃至整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析和自主決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品制造系統(tǒng)的可預(yù)測和可修復(fù)，最終降低成本、提升運(yùn)營效率和提高產(chǎn)品質(zhì)量，這就是工業(yè)大數(shù)據(jù)的精髓所在。

基于CPS的協(xié)同優(yōu)化

信息物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）定義為集成了計(jì)算、通信和存儲能力，并對物理世界的實(shí)體進(jìn)行可靠、安全、高效和實(shí)時(shí)的監(jiān)測和（或）控制的系統(tǒng)。通過CPS系統(tǒng)，能夠計(jì)算資源與物理資源間的緊密集成與深度協(xié)作。CPS系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)從數(shù)字化邁向智能化的必由之路[15-17]。

通過CPS系統(tǒng)能夠構(gòu)建有智能設(shè)備、智能物流和智能生產(chǎn)設(shè)施組成的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。在這個(gè)智能生產(chǎn)系統(tǒng)中所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、計(jì)算、通信模塊和人自身都被視為系統(tǒng)中的組成要素，通過信息物理融合及人機(jī)交互技術(shù)、應(yīng)用制造過程性能特征主動感知方法，建立集多源異構(gòu)信息分布式感知、無線射頻識別與傳輸、直接標(biāo)刻識別技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等于一體的制造過程主動感知物理信息融合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的物聯(lián)感知、控制與仿真優(yōu)化。圖5描述了基于CPS的智能生產(chǎn)系統(tǒng)。

由于航空發(fā)動機(jī)制造過程存在普遍的高度混雜性和非確定性，要實(shí)現(xiàn)基于CPS下的協(xié)同優(yōu)化需要解決幾個(gè)關(guān)鍵問題：CPPS模型、CPPS系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度與自治機(jī)制、CPPS系統(tǒng)的物理、信息可靠性[18]。

圖5 基于CPS的智能生產(chǎn)系統(tǒng)Fig.5 Smart product system based on CPS

結(jié)束語

航空發(fā)動機(jī)研制過程存在著廣泛的協(xié)同優(yōu)化問題，這種協(xié)同不僅僅存在于設(shè)計(jì)/設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)/制造、制造/制造協(xié)同過程，而且還存在于人、物料、設(shè)備和計(jì)算機(jī)之間，存在于信息世界和物理世界，充分體現(xiàn)了先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)的有機(jī)集成和深度融合。隨著“中國制造2025”的逐步推進(jìn)和智能制造工程的有效實(shí)施，必將會產(chǎn)生適合于航空發(fā)動機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)制造特點(diǎn)的智能制造技術(shù)體系。

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