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(shù)與制造業(yè)的深度融合，智能制造已成為全球制造業(yè)發(fā)展的客觀趨勢。作為我國“大飛機”專項的實施主體以及實現(xiàn)我國民機產(chǎn)業(yè)化的主要載體，中國商飛公司正積極探索和應(yīng)用一系列智能制造技術(shù)。但是，航空制造企業(yè)在快速推進并實現(xiàn)數(shù)字化、自動化之后，正面臨難以跨越的智能化應(yīng)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(chǔ)理論進行研究，對民用航空智能工廠建設(shè)趨勢進行分析總結(jié)，為我國民機產(chǎn)業(yè)智能制造的發(fā)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(yè)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(chǔ)要素之一，是推進實施制造強國戰(zhàn)略的靈魂和主線。智能制造是在信息化與工業(yè)化高度融合的基礎(chǔ)上形成的全新制造系統(tǒng)。

縱觀智能制造幾十年的發(fā)展歷程，各種各樣的智能制造范式不斷涌現(xiàn)，譬如數(shù)字化制造、智能化制造、敏捷制造、柔性制造、精益生產(chǎn)、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(jié)智能制造發(fā)展的基礎(chǔ)上，可歸納總結(jié)出三個基本范式：數(shù)字化制造，“互聯(lián)網(wǎng)+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(guān)關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用，將徹底變革制造企業(yè)的生產(chǎn)模式、運營模式，甚至是商業(yè)模式和決策模式，為企業(yè)的創(chuàng)新和智能化發(fā)展提供強有力的支撐[2-3]。如圖2所示。

圖2 智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

1.2 智能工廠

智能工廠是實現(xiàn)智能制造的載體與依托，是制造業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級的根本路徑。智能工廠強調(diào)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)，質(zhì)量數(shù)據(jù)采集的自動化，無需手動輸入信息即可實現(xiàn)PDCA循環(huán)，制造過程的自動化，制造系統(tǒng)的集成化，決策過程的智能化，服務(wù)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(tǒng)，數(shù)字化制造平臺，智能車間及生產(chǎn)線。其核心架構(gòu)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(gòu)圖

圖4 智能工廠布局模型圖

2 民用航空智能工廠的應(yīng)用遷移

未來，高端裝備制造業(yè)的發(fā)展趨勢是全球化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化和智能化。制造業(yè)全球化意味著相關(guān)企業(yè)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(tài)反應(yīng)能力的虛擬動態(tài)聯(lián)盟。數(shù)字化與信息化是實現(xiàn)高端制造技術(shù)的核心，也是促進技術(shù)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)化在數(shù)字化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)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?qū)⑷斯ぶ悄芗傻街圃爝^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(tǒng)中的一些腦力勞動。在制造過程中，系統(tǒng)具備自組織能力，可以自動監(jiān)控其運行狀態(tài)，并充分利用制造物聯(lián)技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)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(jié)合民機制造的特點，可歸納出民機制造領(lǐng)域的智能制造特征是：“動態(tài)感知，實時分析，自主決策，精準執(zhí)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(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。數(shù)字化的特征表現(xiàn)為產(chǎn)品全生命周期數(shù)字量傳遞、系統(tǒng)描述模型化和制造過程模型化。網(wǎng)絡(luò)化的特征表現(xiàn)為價值鏈協(xié)同、設(shè)計、制造、管理、服務(wù)集成和能力單元動態(tài)配置。智能化的特征則表現(xiàn)為延展自主化能力、提高自適應(yīng)程度和形成自優(yōu)化機制。所謂延展自主化能力，就是要通過提煉人的業(yè)務(wù)職能和制造智能來形成機器智能，由此拓展控制系統(tǒng)的自主化能力。提高自適應(yīng)程度這是要面向生產(chǎn)線和設(shè)備的互聯(lián)互通，構(gòu)建具有異域、異構(gòu)、異類特點的CPS網(wǎng)絡(luò)，進而通過服務(wù)和總線將其連接為基于云的工業(yè)CPS，使其具備感知、處理、決策和執(zhí)行的能力。形成自優(yōu)化機制是指以工業(yè)系統(tǒng)持續(xù)演進為目標，通過數(shù)據(jù)積累、分析與決策，形成知識驅(qū)動的自學能力，實現(xiàn)市場、開發(fā)、制造、管理、支持業(yè)務(wù)運行模式的優(yōu)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(fā)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(shù)計劃（NGMTI）提出了“基于模型的企業(yè)（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(yè)中開展了探索性的應(yīng)用。MBE是一個數(shù)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(xù) 保 障 （Model Based Sustainability，MBs）。MBE是數(shù)字化工廠的發(fā)展與延續(xù)，并在其基礎(chǔ)上更進一步，它使用全方位、多角度、科學系統(tǒng)的建模仿真技術(shù)和分析處理工具，進一步優(yōu)化產(chǎn)品的全生命周期流程，及時發(fā)現(xiàn)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(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)效率、生產(chǎn)制造質(zhì)量、市場響應(yīng)能力和客戶服務(wù)水平。MBE集成了航空制造領(lǐng)域的先進技術(shù)，代表著飛機數(shù)字化設(shè)計與制造的未來。

早在20世紀80年代，波音公司就開始應(yīng)用三維數(shù)字化設(shè)計工具；在777項目上更是率先提出并應(yīng)用MBD技術(shù)，實現(xiàn)了全三維數(shù)字整機設(shè)計。如今，MBE更是在以波音、空客為代表的民機制造企業(yè)中得到廣泛應(yīng)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(shù)字化產(chǎn)品設(shè)計與制造的各個環(huán)節(jié)，未來將實現(xiàn)MBE在飛機型號全生命周期的廣泛應(yīng)用。

2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將成就民機智能制造的新突破

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三個部分構(gòu)成，涉及傳感器、網(wǎng)絡(luò)、云計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)要素，是一種新型業(yè)務(wù)模式以及在賽博空間下的信息交互能力的體現(xiàn)。隨著信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為實現(xiàn)智能制造重要載體，也成為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的制高點。德國發(fā)布了“工業(yè)4.0”，美國大力推動“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，我國則致力于實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”，這都反映出了智能制造時代的到來，“互聯(lián)網(wǎng)+制造”將成為產(chǎn)業(yè)新一輪的熱點。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也成為民機智能制造轉(zhuǎn)型升級的有力推手。

目前，空客正在努力打造一個制造系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)，將智能設(shè)備（如測量設(shè)備，鉚接設(shè)備，緊固設(shè)備等）無線連接到飛機裝配中的中央控制臺和工廠數(shù)據(jù)庫。通過定位信息，實現(xiàn)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(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和操作控制來保障產(chǎn)品的質(zhì)量。波音公司正嘗試在設(shè)計、制造等全產(chǎn)業(yè)鏈上應(yīng)用基于物聯(lián)網(wǎng)IIoT的區(qū)塊鏈解決方案。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，波音可追溯每個零部件的生產(chǎn)情況和使用細節(jié)。產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)上的主體，包括供應(yīng)商、客戶、維修服務(wù)商、甚至監(jiān)管機構(gòu)，一旦獲得授權(quán)，都可以訪問這些信息。區(qū)塊鏈技術(shù)在民機制造領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用，將有助于主制造商降低倉儲物流成本，提高生產(chǎn)效率，為飛機的維修維護提高更好的支持。同時，工業(yè)互聯(lián)技術(shù)在波音公司民機客服工程中的廣泛應(yīng)用，將使其能夠?qū)崿F(xiàn)對產(chǎn)品使用過程的主動監(jiān)測、關(guān)鍵結(jié)構(gòu)或組件的連續(xù)跟蹤、產(chǎn)品工作狀態(tài)的即時分析、基于工作狀態(tài)的維護更換等，這將有助于提升產(chǎn)品維護與服務(wù)的實時性和運行效率。

3）人工智能將引領(lǐng)智能工廠建設(shè)的新發(fā)展

盡管目前人工智能和深度學習技術(shù)目前在先進制造領(lǐng)域的應(yīng)用還不夠廣泛，但其發(fā)展?jié)摿桶l(fā)展前景已在業(yè)界達成廣泛共識，許多高端制造企業(yè)也對人工智能的應(yīng)用開展了積極的探索。隨著人工智能在智能工廠領(lǐng)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(zhì)量乃至業(yè)務(wù)模式的轉(zhuǎn)變，智能工廠也將呈現(xiàn)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(fā)揮巨大的作用：物聯(lián)網(wǎng)是新一代智能制造的基礎(chǔ)，生產(chǎn)設(shè)備的全面互聯(lián)可以實現(xiàn)信息的流動與應(yīng)用，借助傳感器，可實時收集采集生產(chǎn)過程中的全面數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進行集成、分析，再利用深度學習技術(shù)進行迭代，將結(jié)果反饋于系統(tǒng)并進行改進，將能實現(xiàn)生產(chǎn)過程的高度自動化和自組織；基于人工智能的預(yù)測（如原材料需求預(yù)測、預(yù)測性維護等）成為發(fā)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(shù)，已成為國外民機主制造商發(fā)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(shè)思路，目前正圍繞虛擬現(xiàn)實、智能眼鏡、類人機器人等技術(shù)進行深入研究。2015年，波音公司與高校合作建立了“航空數(shù)據(jù)分析實驗室”，探索利用人工智能、大數(shù)據(jù)分析、機器學習等技術(shù)來優(yōu)化飛機的運營，并將大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果反饋到飛機的設(shè)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(yè)智能工廠建設(shè)展望

民機智能制造的三大發(fā)展趨勢與智能制造的三個基本范式之間存在深度聯(lián)系。三個基本范式雖代表了不同的發(fā)展階段，具有不同特征，但有著一脈相承的體系，但在發(fā)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(yè)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(qū)，全力打造智能制造生產(chǎn)線。在后續(xù)推進實施過程中，中國民機制造企業(yè)可采用三種制造模式“并行推進、融合發(fā)展”這一趕超型技術(shù)路線，走“數(shù)字化+網(wǎng)絡(luò)化+智能化”的智能工廠創(chuàng)建之路，推動實現(xiàn)中國民機制造業(yè)的智能化升級，促進產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。一方面，須堅持“創(chuàng)新領(lǐng)先”，充分利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等技術(shù)手段，推進新技術(shù)、跨界技術(shù)與民機制造技術(shù)的深度融合，加快新一代智能制造技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。另一方面，企業(yè)須實事求是，在數(shù)字化與智能化轉(zhuǎn)型中做好規(guī)劃，循序漸進地推進基于模型的企業(yè)建設(shè)，逐步完成技術(shù)改造與智能化升級。初期以應(yīng)用和推廣“互聯(lián)網(wǎng)+制造”模式為主，在時機成熟的基礎(chǔ)上，未來，可將發(fā)展的重點轉(zhuǎn)向“新一代智能制造”模式。