郭洪杰

“工業(yè)4.0”是在2013漢諾威國際工業(yè)博覽會上最令人關(guān)注的熱詞，其概念于2011年在德國舉行的工業(yè)設(shè)備展會“Hannover Messe 2011”上提出這項(xiàng)由德國聯(lián)盟教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)技術(shù)部聯(lián)手推動的戰(zhàn)略性項(xiàng)目，被視為提振德國制造業(yè)的強(qiáng)力催化劑，被有識之士認(rèn)為將是全球制造業(yè)未來發(fā)展的方向。

“工業(yè)4.0”項(xiàng)目主要由兩大部分構(gòu)成，一是“智能工廠”，即重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是“智能生產(chǎn)”，主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)互動以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。信息通信技術(shù)（ICT）是實(shí)現(xiàn)“工業(yè)4.0”的關(guān)鍵技術(shù)，具體包括聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間自動協(xié)調(diào)工作的M2M（Machine to Machine）、通過網(wǎng)絡(luò)獲得的大數(shù)據(jù)的運(yùn)用、與生產(chǎn)系統(tǒng)以外的開發(fā)/銷售/ERP（企業(yè)資源計劃）/PLM（產(chǎn)品生命周期管理）/SCM（供應(yīng)鏈管理）等業(yè)務(wù)系統(tǒng)聯(lián)動等等。智能工廠或者“工業(yè)4.0”，是從嵌入式系統(tǒng)向信息物理融合系統(tǒng)（CPS）發(fā)展的技術(shù)進(jìn)化。

信息物理融合系統(tǒng)（CPS），包括自主交換信息的智能機(jī)器、存儲系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施，它們可以獨(dú)立運(yùn)行和相互控制。這種系統(tǒng)從根本上改善了工業(yè)過程，包括制造、工程、材料使用、供應(yīng)鏈和生命周期管理。智能工廠或者“工業(yè)4.0”，是從嵌入式系統(tǒng)向CPS發(fā)展的技術(shù)進(jìn)化，通過通信網(wǎng)絡(luò)，將工廠內(nèi)所有設(shè)備互聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)信息物理高度融合。它作為未來第四次工業(yè)革命的代表，正不斷向?qū)崿F(xiàn)物體、數(shù)據(jù)以及服務(wù)等無縫連接的互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)）的方向發(fā)展。德國投入了2億歐元，已在制造業(yè)的所有領(lǐng)域中實(shí)施了該項(xiàng)目的研究。

未來的生產(chǎn)系統(tǒng)，以及智能工廠的產(chǎn)品、資源及處理過程因CPS的存在，將具有非常高的實(shí)時性，同時在資源、成本節(jié)約中頗具優(yōu)勢。智能工廠將按照重視可持續(xù)性的服務(wù)中心的業(yè)務(wù)來設(shè)計。由于智能工廠具有服從性、靈活性、自適應(yīng)性和可學(xué)習(xí)等特征，其具有的容錯能力、風(fēng)險管理能力，通過可實(shí)時應(yīng)對的靈活生產(chǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工程的徹底優(yōu)化。智能工廠的設(shè)備將基于自動觀察生產(chǎn)過程的CPS的生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)高級自動化。同時，生產(chǎn)優(yōu)勢不僅在特定生產(chǎn)條件下一次性體現(xiàn)，也可以實(shí)現(xiàn)多家工廠、多個生產(chǎn)單元所形成的世界級網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。

IT創(chuàng)新對航空制造業(yè)的影響

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著IT技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國航空制造業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計、協(xié)調(diào)依據(jù)、工藝規(guī)劃設(shè)計與管理、零件制造、裝配、產(chǎn)品檢測、物料配送與供應(yīng)鏈管理、售后服務(wù)等覆蓋產(chǎn)品全生命周期的各個環(huán)節(jié)都發(fā)生了革命性的改變。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展和深入應(yīng)用，國內(nèi)航空產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)歷了從二維手工制圖到全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義，從“拋磚頭”的串行設(shè)計到面向制造的并行協(xié)調(diào)設(shè)計的演進(jìn)。產(chǎn)品協(xié)調(diào)逐步從模線——樣板——標(biāo)準(zhǔn)樣件的模擬量協(xié)調(diào)過渡到全三維數(shù)字量協(xié)調(diào)模式。曾于20世紀(jì)60年代紅極一時的樣件制造逐漸被時代淘汰。工藝設(shè)計逐步從二維離散式手工編制向基于知識的全三維結(jié)構(gòu)化自動工藝設(shè)計方向演進(jìn)，工藝仿真技術(shù)的應(yīng)用打破了“設(shè)計-制造-評價”和“實(shí)物驗(yàn)證”這一傳統(tǒng)模式，不需要實(shí)際產(chǎn)品作支持，有效地解決了傳統(tǒng)的二維裝配工藝設(shè)計周期長、需要實(shí)物驗(yàn)證、效率低的企業(yè)制造瓶頸問題，從而提供了三維工藝設(shè)計的環(huán)境，確保工藝工程師、工裝設(shè)計師盡早地參與到產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)中去，與設(shè)計人員并行開展工作，及早發(fā)現(xiàn)在裝配過程中的各種干涉問題，并將這些信息反饋給設(shè)計人員，結(jié)合人機(jī)工效評估結(jié)果對工藝方法、工裝結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)線布局等進(jìn)行修改和優(yōu)化，在產(chǎn)品上游設(shè)計階段即可消除潛在的裝配沖突與缺陷、評價產(chǎn)品的可裝配性，幫助企業(yè)擁有“面向制造的設(shè)計”和“面向維護(hù)的設(shè)計”，實(shí)現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化并行工程。

在零件制造方面，機(jī)械加工已經(jīng)實(shí)現(xiàn)依據(jù)產(chǎn)品三維設(shè)計模型快速編程和仿真，部分車間甚至建立了車間物聯(lián)網(wǎng)，依據(jù)設(shè)備的使用情況和需求自動排產(chǎn)。鈑金成型技術(shù)也由手工成型逐步向柔性多點(diǎn)模精確成型發(fā)展。應(yīng)用仿真技術(shù)可以提前預(yù)判零件的成型工藝性，采用回彈補(bǔ)償技術(shù)，降低零件返修率，縮短零件制造周期30%以上。導(dǎo)管制造也由機(jī)上打?qū)崢拥膫鹘y(tǒng)導(dǎo)管制造工藝方法發(fā)展到采用數(shù)控彎管機(jī)、測量機(jī)等先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行管類零件的彎曲成型及檢驗(yàn)的數(shù)字化制造工藝技術(shù)。復(fù)合材料制造也從按樣板手工鋪疊發(fā)展到直接按三維模型進(jìn)行數(shù)控下料、自動鋪疊的先進(jìn)制造工藝。飛機(jī)裝配模式也逐步從大型復(fù)雜剛性工裝“一對一”手工裝配模式逐步向自動化系統(tǒng)“一對多”柔性裝配模式發(fā)展。IT技術(shù)的廣泛應(yīng)用使企業(yè)管理逐步由粗放型向精細(xì)化管理轉(zhuǎn)變，物料配送和供應(yīng)鏈管理發(fā)生了根本性改變，例如標(biāo)準(zhǔn)件配送和采購逐步由“干一備三”的大批量庫存、年終盤點(diǎn)、手工計數(shù)領(lǐng)用的傳統(tǒng)模式向標(biāo)準(zhǔn)件自動揀選、按需采購、零庫存或適度備貨的模式轉(zhuǎn)變。企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者可以通過強(qiáng)大的信息化系統(tǒng)應(yīng)用，及時準(zhǔn)確地了解企業(yè)各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的進(jìn)展情況和存在的問題，大大提高了辦公效率。IT技術(shù)創(chuàng)新使我國航空制造業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展的時代，新機(jī)研制周期不斷縮短，新式航空武器裝備呈現(xiàn)出井噴式的態(tài)勢。然而，我國的航空制造業(yè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未達(dá)到工業(yè)4.0的水平，我們必須正視現(xiàn)實(shí)，認(rèn)清形勢，迎頭趕上。

中國航空制造業(yè)的工業(yè)4.0之路

構(gòu)成工業(yè)4.0的基礎(chǔ)包含兩個方面，即高度自動化和信息化。“十一五”以來，我國在國防工業(yè)基礎(chǔ)技術(shù)研究上加大了投入力度，逐步掌握了如多點(diǎn)模成型、自動制孔、柔性裝配和大部件自動對接等航空制造的關(guān)鍵技術(shù)，也在局部點(diǎn)上形成了示范應(yīng)用的效應(yīng)。但與發(fā)達(dá)國家相比，我們的自動化水平還有巨大的系統(tǒng)化差距，我們僅解決了高端國產(chǎn)化的設(shè)備問題，大量的先進(jìn)科研成果和發(fā)明專利還在高校、科研院所被束之高閣，沒有轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力。原理樣機(jī)距離工程化應(yīng)用還有很長的距離。在國內(nèi)航空制造企業(yè)，在生產(chǎn)線上的高端裝備多是進(jìn)口設(shè)備，這說明我國航空制造業(yè)的基礎(chǔ)技術(shù)還很薄弱，自動化水平相對較低，較長時間內(nèi)如何快速實(shí)現(xiàn)自動化/智能化裝配仍是我們面臨的主要問題。

如今的云計算、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)為兩化融合提供了有力支撐。隨著我國航空制造業(yè)信息化應(yīng)用技術(shù)水平快速提升，逐步構(gòu)建起實(shí)時廣泛的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)平臺和靈活動態(tài)的基礎(chǔ)信息架構(gòu)，以支持航空制造企業(yè)高度協(xié)同的設(shè)計制造、高效統(tǒng)一的運(yùn)營管理和隨需而動的智能決策發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的信息化集成管理。

國家兩化融合創(chuàng)新推進(jìn)聯(lián)盟理事長楊海成在發(fā)表“兩化融合的新技術(shù)與應(yīng)對策略”主題演講時指出：當(dāng)前制造業(yè)在信息化的浪潮下面臨全球化、精益化、協(xié)調(diào)化、服務(wù)化、綠色化、智能化等特征的變化，不僅改變了產(chǎn)品本身，也改變了產(chǎn)品的制造流程，改變了整個制造業(yè)的革命。我國還是制造大國而不是強(qiáng)國，從低端制造到高端制造，首先是信息高技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)性制造轉(zhuǎn)向服務(wù)性的制造，拉長產(chǎn)品的服務(wù)周期，提高產(chǎn)品的價值。新一代的集成協(xié)同技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)外部資源的協(xié)同，云計算技術(shù)與制造技術(shù)的結(jié)合，使制造業(yè)的資源實(shí)現(xiàn)更大的共享，兩化深度融合也許可以讓我國的航空制造業(yè)實(shí)現(xiàn)彎道超車。

實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0，必須解決好以下四個方面的問題：

安全和保密問題。這就要求必須滿足兩個條件：一是確保生產(chǎn)設(shè)施和產(chǎn)品本身對人或環(huán)境不造成任何危險；二是防止數(shù)據(jù)被濫用和未經(jīng)授權(quán)的訪問。軍工企業(yè)由于其特殊性，安全保密的問題是不可逾越的紅線。在目前國家保密法的規(guī)定框架內(nèi)，保密要害部位不能存在任何的無線通信設(shè)備，保密信息系統(tǒng)的軟件防護(hù)也有十分嚴(yán)格的限制，因此，實(shí)現(xiàn)航空工業(yè)技術(shù)發(fā)展，必須妥善處理好保密安全問題是當(dāng)務(wù)之急。

標(biāo)準(zhǔn)化和參考架構(gòu)。在漫長的信息化發(fā)展進(jìn)程中，企業(yè)發(fā)展前期很難在可持續(xù)發(fā)展的信息化規(guī)劃下構(gòu)建信息化系統(tǒng)，通常情況是對需求迫切的部門，先在相對獨(dú)立的業(yè)務(wù)流程中開發(fā)出一套信息化系統(tǒng)，而導(dǎo)致遺留的信息孤島。因此，隨著工廠與工廠內(nèi)外的很多事物和服務(wù)連接起來，通信手段及數(shù)據(jù)格式等很多事物必須統(tǒng)一IT架構(gòu)，制定共同標(biāo)準(zhǔn)，而且需要一個參照架構(gòu)來為這些標(biāo)準(zhǔn)提供描述并促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。

復(fù)雜系統(tǒng)的管理。隨著生產(chǎn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)連接起來，整個系統(tǒng)變得復(fù)雜，管理變得越來越困難。制造系統(tǒng)正在日益變得復(fù)雜，適當(dāng)?shù)挠媱潯⒚枋龊驼f明模型可以為這些復(fù)雜系統(tǒng)提供管理基礎(chǔ)。工程師們應(yīng)該為了發(fā)展這些模型而進(jìn)行更多的方法創(chuàng)新和工具應(yīng)用。

通信基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。要購置可用于工業(yè)用途的、可靠性高的通信基礎(chǔ)設(shè)施和通訊網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)4.0的關(guān)鍵要求。

工業(yè)4.0的出現(xiàn)，必將從根本上改變企業(yè)的組織和管理，以及人們的工作方式和職業(yè)訴求。企業(yè)的可利用資源可以面向全球，原材料變?yōu)楫a(chǎn)品的過程更加多產(chǎn)和高效。

（作者單位系中航工業(yè)沈飛）