基于架構(gòu)和系統(tǒng)工程方法的航空智能生產(chǎn)線規(guī)劃研究

劉屹

航空工業(yè)作為工業(yè)體系的重要組成部分，項目研發(fā)周期長、資金占用高等因素始終制約著航空業(yè)態(tài)的健康穩(wěn)定發(fā)展。智能化正在深度影響航空工業(yè)的未來。在航空工業(yè)領(lǐng)域推進(jìn)智能制造，將有效縮短航空裝備產(chǎn)品的研制周期，降低運營成本和資源能源的消耗，推進(jìn)生產(chǎn)的適應(yīng)性和靈活性，對提高航空裝備研制水平，加快開發(fā)高水準(zhǔn)的航空器產(chǎn)品，推動航空工業(yè)轉(zhuǎn)型升級、創(chuàng)新發(fā)展都具有重要意義。然而，航空裝備生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性也導(dǎo)致了智能生產(chǎn)線建設(shè)難度較大，因此，有必要采用架構(gòu)和系統(tǒng)工程方法進(jìn)行智能生產(chǎn)線的規(guī)劃研究。

一、航空智能生產(chǎn)線需求分析

航空智能生產(chǎn)線需求分析的目標(biāo)是通過形式化的需求模板，對智能生產(chǎn)線建設(shè)需求進(jìn)行逐層分解和細(xì)化，借助需求項清單和需求定義模板幫助生產(chǎn)線的建設(shè)單位準(zhǔn)確定義需求。

保證交付周期和質(zhì)量是航空智能生產(chǎn)線的根本目標(biāo)，保證交付周期要求生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)排產(chǎn)和運行控制，保證質(zhì)量要求生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)工藝全要素執(zhí)行控制，同時，要求生產(chǎn)線在交付計劃控制和質(zhì)量控制的過程中發(fā)現(xiàn)任何問題時都能夠?qū)崿F(xiàn)敏捷處理，由此得到三項航空智能生產(chǎn)線的一級需求。由于一級需求無法進(jìn)行準(zhǔn)確驗證，需要對每一項需求內(nèi)容進(jìn)行分解形成二級需求。以R2工藝全要素執(zhí)行控制為例，需要進(jìn)一步分析在生產(chǎn)過程中需要對哪些要素進(jìn)行執(zhí)行控制。設(shè)備和資源、生產(chǎn)對象、人員和工藝過程是影響到工藝執(zhí)行控制的主要要素，對R2進(jìn)行分解得到四項二級需求，發(fā)現(xiàn)同時對R1、R3也進(jìn)行進(jìn)一步分解，得到如表1所示的航空智能生產(chǎn)線二級需求。

在二級需求基礎(chǔ)上，可以對需求再次進(jìn)行細(xì)化。以R2.1設(shè)備和資源受控為例，設(shè)備和資源的受控可以理解為R2.1.1不用錯設(shè)備和資源、R2.1.2設(shè)備和資源狀態(tài)健康、R2.1.3設(shè)備運行的每個指令發(fā)出前都需要進(jìn)行檢查和確認(rèn)三項三級需求。

基于系統(tǒng)工程中技術(shù)流程的需求分析要求通過結(jié)構(gòu)化模板準(zhǔn)確定義出每一條可被驗證和確認(rèn)的需求項。在規(guī)劃航空智能生產(chǎn)線時，可根據(jù)上述需求分解并借助需求定義模板確定需求清單。以某飛機部件裝配生產(chǎn)線為例，R2.1.1的需求定義模板如表2所示，左側(cè)列出了生產(chǎn)過程的全部設(shè)備與資源，右側(cè)是生產(chǎn)工藝過程，使用該模板可以準(zhǔn)確定義在任何一個工藝過程中需要對哪一項設(shè)備與資源進(jìn)行控制從而保證生產(chǎn)過程使用正確的設(shè)備和資源。

二、航空智能生產(chǎn)線功能規(guī)劃

航空智能生產(chǎn)線功能規(guī)劃的目標(biāo)是通過對參考性的功能組件庫進(jìn)行配置，形成智能生產(chǎn)線的系統(tǒng)功能框架，并進(jìn)行需求與功能的滿足性分析，幫助生產(chǎn)線的建設(shè)單位準(zhǔn)確描述生產(chǎn)系統(tǒng)功能。

進(jìn)行功能規(guī)劃的思路是從每一項需求項出發(fā)，對需求得到滿足的具體功能進(jìn)行描述。基于航空工業(yè)信息化建設(shè)實踐，本文首先總結(jié)出面向航空智能制造的生產(chǎn)線功能組件庫，功能組件庫由四項一級組件組成，分別為F1.采集、通訊與控制器、F2.可視化作業(yè)指導(dǎo)、F3.精準(zhǔn)排產(chǎn)與執(zhí)行控制、F4.實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析、控制和優(yōu)化。每一項一級組件可進(jìn)一步分解為二級組件，如表3所示。

在進(jìn)行航空智能生產(chǎn)線功能規(guī)劃時，可首先從需求出發(fā)，在功能組件庫中尋找滿足需求的二級組件，并進(jìn)一步采用功能組件定義模板對功能組件進(jìn)行更為準(zhǔn)確的描述。以F1.1通電控制組件為例，其功能組件定義模板如表4所示。

三、航空智能生產(chǎn)線邏輯設(shè)計

航空智能生產(chǎn)線功能規(guī)劃的目標(biāo)是借助場景化的邏輯設(shè)計模板，基于智能化生產(chǎn)場景構(gòu)建各功能組件之間的業(yè)務(wù)邏輯，有效指導(dǎo)航空智能生產(chǎn)線建設(shè)過程中智能化軟、硬件系統(tǒng)的開發(fā)和部署。

CPS的本質(zhì)是構(gòu)建一套賽博空間和物理空間之間基于數(shù)據(jù)自動流動的“動態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的閉環(huán)賦能體系，針對生產(chǎn)過程的每一項關(guān)鍵工序可采用如圖l所示的場景化邏輯設(shè)計模板進(jìn)行航空智能生產(chǎn)線邏輯的分析與設(shè)計。在閉環(huán)流程的每一環(huán)節(jié)采用AS-IS、TO-BE架構(gòu)方法梳理現(xiàn)有業(yè)務(wù)存在的問題和未來改進(jìn)目標(biāo)，并基于TO-BE目標(biāo)設(shè)計工序作業(yè)過程中功能組件間的輸入、輸出和執(zhí)行判斷條件。圖2給出了某飛機部件裝配過程中自動制孔作業(yè)過程的業(yè)務(wù)邏輯分析與設(shè)計示例。

四、航空智能生產(chǎn)線建設(shè)的建議

基于上述通過架構(gòu)和系統(tǒng)工程方法對航空智能生產(chǎn)線規(guī)劃方法的研究，本文提出以下幾點航空智能生產(chǎn)線建設(shè)的建議。

（1）航空智能生產(chǎn)線應(yīng)在建線前開展生產(chǎn)線規(guī)劃咨詢。

智能生產(chǎn)線是航空工業(yè)推進(jìn)智能制造的核心所在，也是工業(yè)化和信息化融合的關(guān)鍵所在，鑒于航空裝備生產(chǎn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，有必要在建線前開展生產(chǎn)線規(guī)劃的咨詢。

（2）按照架構(gòu)和系統(tǒng)工程方法進(jìn)行航空智能生產(chǎn)線規(guī)劃。

需求牽引、問題導(dǎo)向是實施智能制造的重要前提，采用架構(gòu)方法和“需求-功能-邏輯-物理”的系統(tǒng)工程技術(shù)流程科學(xué)開展生產(chǎn)線規(guī)劃非常重要。

（3）信息化團(tuán)隊與工藝裝備設(shè)計團(tuán)隊在生產(chǎn)線規(guī)劃之初聯(lián)合開展工作。

智能生產(chǎn)線的規(guī)劃，需要從由傳統(tǒng)生產(chǎn)線建設(shè)以工藝裝備設(shè)計為主向智能生產(chǎn)線建設(shè)以兩化融合方向轉(zhuǎn)變，信息化團(tuán)隊的早期融入非常關(guān)鍵。

五、結(jié)語

本文基于國內(nèi)航空工業(yè)現(xiàn)狀和基礎(chǔ)，研究航空工業(yè)基于架構(gòu)和系統(tǒng)工程方法的智能生產(chǎn)線規(guī)劃方法，設(shè)計了需求項清單和需求定義模板、功能組件庫和功能定義模板、場景化邏輯設(shè)計模板等生產(chǎn)線規(guī)劃工具，為航空工業(yè)研制單位提供可參考的智能生產(chǎn)線規(guī)劃思路，幫助和促進(jìn)航空行業(yè)智能制造的推進(jìn)實施。endprint