向恒

近年來，為推進我國制造業(yè)工業(yè)化和信息化融合，智能制造技術受到廣泛關注，航空航天制造業(yè)作為裝備制造業(yè)的最高端，也面臨著向智能化轉型。本文以航空航天智能制造的關鍵技術為出發(fā)點，分別介紹了數(shù)字線索、CPS和智能人工增強的技術內(nèi)涵和應用方向，為企業(yè)實現(xiàn)智能化轉型提供借鑒意義。

一、引言

航空航天制造業(yè)是典型的高新技術產(chǎn)業(yè)，處于先進裝備制造業(yè)的最高端，具有高技術含量、大市場容量、廣泛的行業(yè)覆蓋面等特征，代表一個國家整體制造業(yè)的發(fā)展水平，國家航空航天制造業(yè)的發(fā)展極大地促進了國民經(jīng)濟建設，加快國防現(xiàn)代化和社會科技前進步伐，提高國家的綜合國力。因此，當代世界各國尤其是發(fā)展強國都在不遺余力的發(fā)展航空航天工業(yè)。經(jīng)過六十多年的艱苦奮斗和自主創(chuàng)新，我國航空航天制造業(yè)獨立自主的工業(yè)體系已經(jīng)基本建成，其發(fā)展速度和成就令世界矚目。近年來，我國航空航天工業(yè)進入快速發(fā)展期，航空航天科研生產(chǎn)水平飛躍發(fā)展，然而隨著智能制造技術的興起，制造業(yè)需要由自動化向智能化轉型升級，我國航空航天制造業(yè)也迎來了更為嚴苛的挑戰(zhàn)。

目前，全球制造業(yè)正在圍繞價值關系組建智能制造系統(tǒng)以實現(xiàn)智能化轉型。智能制造技術集合了人工智能、柔性制造、虛擬制造、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡集成、信息處理等學科和技術，由智能裝備、智能控制和智能信息共同組成的人機一體化制造系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)制造過程自動化、智能化、精益化、綠色化，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉型升級發(fā)展的重要途徑，因此，智能制造已成為我國航空航天制造業(yè)新一輪產(chǎn)業(yè)技術變革的主要方向之一。本文以智能制造的三個核心技術為出發(fā)點，展開介紹了智能制造技術在航空航天制造業(yè)的應用方向。

二、航空航天智能制造技術概況

智能制造是指在制造相關的各環(huán)節(jié)、活動、資源等形成的系統(tǒng)中，其主要部分具有自主感知、學習、分析、決策和協(xié)調(diào)控制能力，能動態(tài)地適應制造環(huán)境的變化，以達到相應的目標。目前，根據(jù)航空航天產(chǎn)品的研制過程和特點，經(jīng)過分析航空航天制造業(yè)對智能制造的要求，初步形成了具有航空航天特色的智能制造架構模型，如圖l所示。該架構模型提出面向企業(yè)聯(lián)盟、企業(yè)管理、生產(chǎn)管理和控制執(zhí)行等四個層面建立具有“動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行”特征的智能制造系統(tǒng)，打通產(chǎn)品研制生產(chǎn)的設計、制造、試驗和管理智能處理流程，形成全局推進和協(xié)同發(fā)展的制造新模式。其中，動態(tài)感知是指全面感知、監(jiān)測供應鏈、企業(yè)、生產(chǎn)線、設備以及產(chǎn)品的實時運行狀態(tài);實時分析是對獲取的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行及時、快速的分析;自主決策是按照設定的規(guī)則，根據(jù)分析結果，自主做出判斷決策;精準執(zhí)行則是執(zhí)行決策，控制產(chǎn)品、設備、生產(chǎn)線、企業(yè)和供應鏈的運行，實現(xiàn)自適應調(diào)整。

三、智能制造在航空航天制造業(yè)的應用

智能制造關鍵技術主要有識別技術、實時定位技術、信息物理融合技術、網(wǎng)絡安全技術、系統(tǒng)協(xié)同技術等。根據(jù)航空航天領域制造特點，航空智能制造技術可歸納為三類核心技術，分別為數(shù)字線索（Digital Thread）技術、賽博物理生產(chǎn)技術（CPS，亦稱：信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)技術）和智能人工增強系統(tǒng)技術。簡單地說，數(shù)字線索是軟件、信息傳遞、模型建立集于一體的全壽命周期管理架構，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)—信息—知識”無縫 連接的系統(tǒng);信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)是智能制造系統(tǒng)最重要的核心技術，具有實時感知并分析狀態(tài)信息，并據(jù)此自主做出決策進行精準的動作，最后根據(jù)執(zhí)行過程及結果反饋給整個系統(tǒng)進行自身學習提升的功能特征;智能人工增強技術主要由數(shù)字線索技術作為支撐，通過分解和細化復雜系統(tǒng)和操作過程，輔助增強人對其系統(tǒng)過程的理解和掌握，保證高效準確的執(zhí)行復雜任務。

1、數(shù)字線索技術

智能制造的過程是一個由終至始的管理過程，每一個過程的管理都是要上下對應，否則會造成加工鏈斷裂無法實現(xiàn)精密的體現(xiàn)，而數(shù)字線索技術在產(chǎn)品的全壽命周期管理方向有非常突出的作用。數(shù)字線索旨在通過先進的建模與仿真工具建立一種技術流程，提供訪問、綜合并分析系統(tǒng)壽命周期各階段數(shù)據(jù)的能力，使軍方和工業(yè)部門能夠基于高逼真度的系統(tǒng)模型，充分利用各類技術數(shù)據(jù)、信息和工程知識的無縫交互與集成分析，完成對項目成本、進度、性能和風險的實時分析與動態(tài)評估。由數(shù)字線索技術實現(xiàn)的數(shù)字孿生技術可以實現(xiàn)“設計—虛擬綜合—數(shù)字制造—物理制造”的新產(chǎn)品生產(chǎn)模式，它是對現(xiàn)實系統(tǒng)的集成仿真技術，通過對現(xiàn)實狀態(tài)進行感知和收集數(shù)據(jù)，建立較為合理的數(shù)據(jù)模型，來反映和預測相對應的“物理孿生”在其生命周期內(nèi)的過程狀態(tài)和性能特征。

美空軍在2013年發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件中，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生（Digital Twin）視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機遇，并從2014財年起組織洛克希德·馬丁、波音、諾斯羅普·格魯門、通用電氣、普拉特·惠特尼等公司開展了一系列應用研究項目，已陸續(xù)取得成果。美空軍計劃在E-8對地監(jiān)視與攻擊指揮飛機替換、T-X高級教練機、遠程防區(qū)外空射核巡航導彈等重要采辦項目中推廣應用數(shù)字線索技術。此外，諾斯羅普·格魯門公司將數(shù)字線索技術和數(shù)字孿生技術應用于F-35中機身生產(chǎn)中，通過改進不合格產(chǎn)品的信息采集方式搭建數(shù)字線索系統(tǒng)，再通過數(shù)字孿生技術建立三維可視化模型，實現(xiàn)快速和精確的自動分析，大幅縮短了劣品的處理時間，并通過不合格產(chǎn)品特征反饋，對制造工藝和夾具進行改進以減少后期對產(chǎn)品更改，目前，該公司處理F-35進氣道加工缺陷的時間縮短了33%。波音公司與美國空軍協(xié)作針對F-15C機體建立了數(shù)字孿生模型，采用先進三維建模和仿真軟件，可以模擬建立產(chǎn)品的結構尺寸、預測產(chǎn)品的殘余應力、運行載荷、邊界條件、材料微觀缺陷和剩余壽命等，幫助公司及時調(diào)整結構檢查、修改、大修和替換的時間。

2、CPS技術

賽博物理系統(tǒng)CPS （Cyber-Physical Systems）是一個包含計算、網(wǎng)絡和物理實體的復雜系統(tǒng)，通過3C（Computing、Communication、Control）技術的有機融合與深度協(xié)作，通過人機交互接口實現(xiàn)和物理進程的交互，使賽博空間以遠程、可靠、實時、安全、協(xié)作和智能化的方式操控一個物理實體。其技術架構有連接層、轉換層、網(wǎng) 絡層、認知層與配置層，其能力構架分為資源液化能力、數(shù)據(jù)增值能力、資源集成能力、智能分析能力、資源調(diào)配能力五層，相對應的應用構架分別為裝備數(shù)字化、裝備自監(jiān)測、工廠網(wǎng)絡化、工廠自決策、工廠自配置五個方面。圖2為CPS技術構架、能力構架和應用構架間的相互關系。

以德國“工業(yè)4.0”高科技戰(zhàn)略計劃和美國通用電氣公司（GE）提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”對CPS技術有不同的理解。德國以生產(chǎn)設備作為CPS化的重要對象，將設備最為可以感知產(chǎn)品的類別，并據(jù)此進行工藝參數(shù)和控制參數(shù)的自動調(diào)整。而GE提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，則把產(chǎn)品作為CPS化的最典型應用，如飛機發(fā)動機可以采集運行數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，云端對其進行運行分析，并予以優(yōu)化運行建議和回饋。但是，智能制造需要CPS化的物理實體不僅僅是設備，而是應該對涉及產(chǎn)品生產(chǎn)的5MIE（人、機、料、法、環(huán)、測）予以全面CPS化，例如：通過對攜帶RFID的人的移動軌跡的采集分析，提出更精益的操作規(guī)程，并通過穿戴設備提供給員工，最典型的如現(xiàn)場的物料配送人員等;此外，還有通過現(xiàn)場工藝參數(shù)（如熱處理溫度）的實時采集，并通過大數(shù)據(jù)分析，給出工藝參數(shù)優(yōu)化的指導。

中國企業(yè)在這輪的轉型升級浪潮中，將一些復雜的高附加值的產(chǎn)品CPS化（如遠程監(jiān)測系統(tǒng)、設備健康維護管理系統(tǒng)等）是一個可行的方向，而對于制造過程，需要根據(jù)行業(yè)的裝備水平、傳感水平、投入產(chǎn)出來確定哪些生產(chǎn)資源可以進行CPS化（改造），然后分步實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化轉型升級。

3、智能人工增強技術

智能制造過程中的人仍然起著決定性作用，但是面對復雜、枯燥的重復工作和惡劣的工作環(huán)境，無法實現(xiàn)自動化，采用機器人作業(yè)成本過高，而人的工作效率和準確率難以得到保證，如：飛機制造過程中在狹小空間進行成千上萬個接線動作的工作，因此，智能人工增強技術應運而生，可以大大提升這一過程的效率和質量。智能人工增強技術旨在提升人的感知、分析、決策、執(zhí)行能力，它將人與智能制造環(huán)境相連接，增強了人獲取和利用信息的能力，是智能制造的一個核心技術內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實技術是智能人工增強系統(tǒng)的重要支撐，其中虛擬現(xiàn)實（VR）和增強現(xiàn)實（AR）技術則是發(fā)展的重中之重。

普惠公司于2017年采用VR技術研發(fā)了VR培訓模擬器，對其最新的GTF型發(fā)動機的維修過程進行培訓，使得學員更容易掌握發(fā)動機工作原理和各部位運行結構，直觀模擬發(fā)動機運行中可能產(chǎn)生的問題和解決辦法，大大縮短了培訓時間，降低了培訓難度。GE公司針對航空發(fā)動機螺栓安裝過程中容易產(chǎn)生過松或過緊的現(xiàn)象，研發(fā)了SaltusMWR-85 TA智能扭矩扳手，輔以增強現(xiàn)實技術，為安裝工程師配備安裝有Skylight 軟件的智能眼鏡，以圖像形式實時展現(xiàn)和指導每個安裝步驟，同時實時檢測扳手扭矩，并反饋指導工程師做出相應調(diào)整，采用該套系統(tǒng)后，裝配錯誤率顯著下降，效率也提高百分之十左右。空客公司研發(fā)了智能增強現(xiàn)實工具（SART）用于裝配過程中管線定位托架的質量管理，使得飛機機身八萬多管線定位托架的檢查時間縮短為原來的七分之一。

四、結語

隨著智能制造的不斷發(fā)展和制造業(yè)的不斷轉型，智能制造在航空航天領域的應用將不斷拓展，航空航天制造作為一個復雜的系統(tǒng)，其實現(xiàn)智能化制造不僅需要“智能”，更需要“制造”，因此在企業(yè)轉型升級過程中，應該堅持以實際問題和需求為導向的方針，切記不可盲目追求智能。本文以智能制造的三個核心技術為出發(fā)點，分別介紹了數(shù)字線索、CPS和智能人工增強的技術內(nèi)涵和應用方向及實例，希望能夠為同行工作者提供一定的參考作用。