沈洪才

中國航空制造技術(shù)研究院 北京 100024

1 序言

航空制造業(yè)是我國國防建設(shè)和國民經(jīng)濟的重要組成部分，關(guān)乎著國家戰(zhàn)略安全、經(jīng)濟建設(shè)與發(fā)展。我國航空制造業(yè)發(fā)展至今，度過了曲折的幾十年，迎來了現(xiàn)在的全面發(fā)展時期。在國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等一系列政策帶動影響下，航空制造業(yè)也急需建立完備的數(shù)字化智能化制造體系，融合最新的信息通信技術(shù)，推動產(chǎn)業(yè)升級，向?qū)崿F(xiàn)航空強國邁進。航空制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)復(fù)雜程度高，產(chǎn)業(yè)鏈長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且對質(zhì)量、精密性及生產(chǎn)制造效率等有著極高的要求。本文將詳細解讀航空制造業(yè)特點，以中國航空工業(yè)集團有限公司為例，介紹航空制造產(chǎn)業(yè)如何從頂層設(shè)計著手，構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)線，提升工業(yè)制造能力，實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級。

2 航空制造業(yè)特點

（1）系統(tǒng)復(fù)雜程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜 由于航空產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域的特殊性，導(dǎo)致航空制造業(yè)呈現(xiàn)系統(tǒng)高度綜合的產(chǎn)業(yè)特點，系統(tǒng)間構(gòu)成了復(fù)雜龐大的關(guān)系網(wǎng)并在精度上有高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求。航空制造產(chǎn)業(yè)零部件種類繁多，零部件數(shù)量達到500萬量級。而且，零部件之間相互聯(lián)系，要求具有很高的協(xié)調(diào)性。

航空產(chǎn)品的研發(fā)較其他行業(yè)相對復(fù)雜，蘭德公司研究了1965－2000年美軍采購戰(zhàn)機的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，制約防空系統(tǒng)創(chuàng)新理念落地的瓶頸在于復(fù)雜度管理能力。在新的防務(wù)產(chǎn)品帶來的價值增長中，與復(fù)雜度管理相關(guān)的影響因素占5成左右，如圖1所示。圖中，紅色為集成電路產(chǎn)業(yè)，綠色為汽車制造產(chǎn)業(yè)，藍色為防務(wù)工業(yè)。航空航天系統(tǒng)從設(shè)計、集成到測試所耗費的時間大于集成電路、汽車制造。不考慮通貨膨脹因素，從20世紀(jì)60年代至今，航空航天系統(tǒng)開發(fā)費用增長率達8～12倍，其他兩個產(chǎn)業(yè)卻沒有明顯增長。

圖1 不同行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)流程中的復(fù)雜度

（2）多品種、變批量和定制化 航空產(chǎn)品包括飛機、發(fā)動機及各類機載設(shè)備等，品種多，型號譜系和批次多達幾十種，但單一型號的飛機年產(chǎn)量卻往往不超過百架[1]。這個特點對數(shù)字化生產(chǎn)線的建立有很大的制約，增加了生產(chǎn)體系的構(gòu)建和運營成本，同時對生產(chǎn)設(shè)施的高度柔性化和智能化，以及生產(chǎn)運營過程的精益化提出了很高要求。

（3）生產(chǎn)制造過程工藝路線長，產(chǎn)品制造和裝配要求高 作為高價值產(chǎn)品，航空產(chǎn)品工件生產(chǎn)制造工序多，誤差積累的環(huán)節(jié)多。航空行業(yè)的機械加工往往需要突破零部件尺寸大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性弱、材料難加工和加工精度要求高等一系列復(fù)雜制造難題。航空產(chǎn)品裝配過程以人工為主，大部件精準(zhǔn)對接，表面接插控制和零部件協(xié)調(diào)操作對操作人員來說操作難度大。在制造數(shù)據(jù)管理中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型體量龐大，從時間與準(zhǔn)確性上對數(shù)據(jù)控制有嚴(yán)格要求。

（4）生產(chǎn)組織管理復(fù)雜，供應(yīng)鏈協(xié)同難度大 航空產(chǎn)品從設(shè)計試驗到生產(chǎn)制造，跨越產(chǎn)業(yè)鏈不同的企業(yè)，這些企業(yè)地理位置分散，屬于典型的跨企業(yè)跨地域協(xié)同，帶來產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的難度較高，不方便管理。負責(zé)生產(chǎn)的單位層級多、配套鏈長[2]。成品供應(yīng)商遍布世界各地，聯(lián)系不便。供應(yīng)鏈-產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同一致是航空制造業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

按照標(biāo)準(zhǔn)的供應(yīng)鏈管理模型，制造業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)從供應(yīng)商到核心企業(yè)再到客戶都具有采購、生產(chǎn)、配送和退貨等環(huán)節(jié)的協(xié)同迭代，是較長的價值創(chuàng)造協(xié)同過程。不同產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)業(yè)鏈、供應(yīng)鏈和價值鏈三鏈協(xié)同的關(guān)注點差異較大。流程制造業(yè)和電子等行業(yè)往往關(guān)注采購、庫存，這些行業(yè)供應(yīng)鏈中采購成本占比較大；食品等行業(yè)關(guān)注物流和運輸，特別講究時效性；國防裝備的供應(yīng)鏈則提出安全可控、充足保障、柔性敏捷等要求。而作為離散制造業(yè)的航空航天行業(yè)，由于自身產(chǎn)業(yè)特點，往往強調(diào)總集成商牽引的上下游協(xié)同，重點為精準(zhǔn)供應(yīng)鏈和精益化生產(chǎn)，通過追求生產(chǎn)均衡，實現(xiàn)從產(chǎn)品總裝、部件/系統(tǒng)到一配、二配供應(yīng)鏈的精準(zhǔn)協(xié)同，并尋求供應(yīng)鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈協(xié)同下的最優(yōu)能力配置。

3 建立智能制造架構(gòu)，構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)線

在世界工程技術(shù)發(fā)展歷程中，航空航天往往通過自身產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展?fàn)恳冗M生產(chǎn)制造技術(shù)、裝備、大型工業(yè)軟件的創(chuàng)新發(fā)展，成為先進信息通信技術(shù)、先進工藝裝備和先進生產(chǎn)制造模式的應(yīng)用高地。實現(xiàn)中國航空制造業(yè)的智能化發(fā)展，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程。在集團公司指導(dǎo)下，中國航空制造技術(shù)研究院、航空工業(yè)信息技術(shù)中心聯(lián)合建設(shè)智能制造創(chuàng)新中心，完善航空工業(yè)智能制造架構(gòu)規(guī)劃和建設(shè)方案，為各單位開展項目論證、建設(shè)以及中心技術(shù)預(yù)研、解決方案開發(fā)等提供指導(dǎo)。參與航空智能制造試點推進，培育智能制造導(dǎo)航項目，總結(jié)提煉并形成推廣模式。研究智能制造關(guān)鍵技術(shù)并形成航空工業(yè)智能制造技術(shù)體系，從材料、技術(shù)、人力等方面支撐航空工業(yè)智能制造行動計劃。從發(fā)展規(guī)劃、架構(gòu)設(shè)計、體系建設(shè)、技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用驗證幾大方面統(tǒng)籌推進智能制造工作。

（1）智能制造的關(guān)鍵特征 在進行智能制造頂層設(shè)計時，要了解什么是智能制造，抓住智能制造的關(guān)鍵特征是實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的第一要務(wù)。航空智能制造最終總結(jié)為四個典型特征：動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行。

動態(tài)感知：全面感知企業(yè)、車間、設(shè)備的實時運行狀態(tài)，獲得一線數(shù)據(jù)，為后面環(huán)節(jié)打好基礎(chǔ)。實時分析：對獲取的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行及時、快速地分析，包括數(shù)據(jù)的高級分析、邊緣層的自動化分析等，為后續(xù)的決策提供依據(jù)。自主決策：按照設(shè)定的規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，為人在環(huán)的智能制造系統(tǒng)提供判斷和選擇依據(jù)的支撐。精準(zhǔn)執(zhí)行：執(zhí)行決策，對設(shè)備狀態(tài)、車間和生產(chǎn)線的運行做出調(diào)整，使生產(chǎn)能夠順利、高效進行。這四個環(huán)節(jié)層層遞進，形成了良性的螺旋上升循環(huán)，促進了制造體系的有序高效進行。

（2）智能制造參考架構(gòu)（見圖2）在進行智能制造頂層架構(gòu)設(shè)計時，不只是要實現(xiàn)底層一個車間、一個產(chǎn)業(yè)線的數(shù)字化、智能化，而是要從動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟、企業(yè)管理到生產(chǎn)管理再到控制執(zhí)行層將智能化覆蓋需求工程、概念設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品制造、使用保障以及退役產(chǎn)品全生命周期[3]。

圖2 智能制造參考架構(gòu)

4 結(jié)合數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高端設(shè)備研制，加速推進航空智能制造發(fā)展

當(dāng)前，以新一代信息技術(shù)為代表，數(shù)字技術(shù)與制造業(yè)的深入融合正在加速智能制造向更高層面、更深層次的發(fā)展。當(dāng)然，航空制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型工作不是一蹴而就的，要分層推進，多層面同步發(fā)力。通過引入數(shù)字孿生的理念，建立基于模型的企業(yè)，多維推動企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。首先在產(chǎn)業(yè)鏈層面，要更加關(guān)注應(yīng)用供應(yīng)鏈建模和仿真技術(shù)來優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局和分工，在“數(shù)字中國”大環(huán)境中建立航空工業(yè)的數(shù)字供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)；第二，在智能工廠建設(shè)層面，要更加注重基于過程仿真的智能車間和數(shù)字化生產(chǎn)線設(shè)計建造的過程。當(dāng)然，工廠和生產(chǎn)線設(shè)計建造過程也不局限于行業(yè)內(nèi)部，也可以延伸至行業(yè)外。在這個基礎(chǔ)上，對實際的生產(chǎn)過程，即整個物理制造過程要進行更加細致和逼真的建模和仿真，促進生產(chǎn)制造活動的優(yōu)化和重構(gòu)，使之更加柔性化和智能化。在生產(chǎn)執(zhí)行層，如生產(chǎn)設(shè)備、物流系統(tǒng)、制造資源等同步引入建模與仿真，構(gòu)建數(shù)字孿生。在產(chǎn)品全生命周期模型貫通方面，產(chǎn)品的數(shù)字化定義（MBD）在航空航天行業(yè)的應(yīng)用已有相當(dāng)成效，但遠期要向全生命周期進一步扎實推進。

未來航空制造業(yè)的智能制造系統(tǒng)應(yīng)該是基于混合云的智能制造系統(tǒng)，同時通過綜合構(gòu)建工業(yè)賽博物理系統(tǒng)（CPS），實現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實世界的融合發(fā)展。隨著客戶需求及市場的變化，航空生產(chǎn)制造模式在柔性化和可重構(gòu)方面要求越來越高。要以總裝，比如飛機整機總裝或者發(fā)動機總裝為牽引，重構(gòu)柔性制造模式，同時向下牽引各個專業(yè)生產(chǎn)線的建設(shè)和運作，如機械加工、鈑金成形、焊接、復(fù)合材料及表面處理等。生產(chǎn)制造系統(tǒng)在生產(chǎn)線層面基本上是以CPS的理念推進，也稱做工業(yè)CPS系統(tǒng)，期望形成虛實融合兩個層面，并在賽博層做更多的工作。無論是從產(chǎn)品工藝過程的規(guī)劃、資產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化管理，還是從生產(chǎn)過程的精益化運營等方面，在虛擬空間都應(yīng)盡量進行高精度的仿真，指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場的運作，以便實現(xiàn)虛實互動、虛實結(jié)合的新CPS系統(tǒng)。

智能制造系統(tǒng)最終需要通過一個個分層分級的智能系統(tǒng)組成。智能單元和智能工藝裝備是未來構(gòu)建智能系統(tǒng)的硬核心。航空制造業(yè)要實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，高端工藝裝備的投入必不可少?！皺C器代人”在航空制造業(yè)有新的內(nèi)涵。在金屬切削領(lǐng)域，要重點突破五坐標(biāo)加工中心、五坐標(biāo)強力切削銑床和三坐標(biāo)、五坐標(biāo)高速切削銑床等；在復(fù)合材料構(gòu)件領(lǐng)域要突破復(fù)合材料自動鋪絲鋪帶設(shè)備和復(fù)合材料自動檢測設(shè)備等；在金屬成形領(lǐng)域要重點突破智能化熱成形設(shè)備、蒙皮拉伸設(shè)備、超速成形/擴散連接設(shè)備、旋壓成形設(shè)備和噴丸成形設(shè)備等；在特種加工領(lǐng)域要重點突破激光表面強化設(shè)備、等離子噴涂設(shè)備、電解加工設(shè)備、磨粒流加工設(shè)備、電液束加工設(shè)備和3D打印設(shè)備等；在焊接領(lǐng)域要重點突破電子束焊接設(shè)備、激光焊接設(shè)備、攪拌摩擦焊接設(shè)備和線性摩擦焊接設(shè)備等；在精密加工領(lǐng)域要突破超精密加工機床、三坐標(biāo)測量機和慣導(dǎo)測試與運動姿態(tài)設(shè)備等等。

5 結(jié)束語

航空工業(yè)推進數(shù)字化和智能化，最終目標(biāo)是滿足用戶對航空產(chǎn)品的新需求，以國防實力，推動大眾享受航空，實現(xiàn)對美好生活的向往。未來航空工業(yè)智能制造的發(fā)展要以用戶需求為核心，為用戶提供高質(zhì)量的個性化定制服務(wù)。以此為牽引推動構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同和智能化生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，形成一種新的生產(chǎn)制造模式。在這基礎(chǔ)上提升產(chǎn)品服務(wù)的質(zhì)量，降低成本，提高綜合效率。整個行業(yè)要迎合以數(shù)字技術(shù)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的歷史趨勢，抓住新一輪發(fā)展的機遇來推動數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化技術(shù)在航空航天的應(yīng)用。