面向智能制造的航空發動機企業標準化探究

李 偉

（中國航發研究院，北京 101304）

面向智能制造的航空發動機企業標準化探究

李 偉

（中國航發研究院，北京 101304）

結合智能制造系統架構，從生命周期、系統層級和智能功能3個維度分析了航空發動機企業智能制造發展方向以及智能制造對航空發動機企業標準化的挑戰，指出面向智能制造的航空發動機企業標準化的重點工作。

智能制造；航空發動機；標準化

隨著新一代信息通信技術與先進制造技術的深度融合，美國制定了“再工業化”、“制造業復興”、“先進制造業伙伴計劃”，德國拋出了“工業 4.0”，日本開始實施“再興戰略”，韓國制定了“新增長動力規劃及發展戰略”，法國提出“新工業法國”，我國提出了《中國制造2025》[1]。這些國家層面制定實施的發展戰略或行動計劃是希望通過技術進步和產業政策調整重振制造業，保持或提升本國制造業的競爭優勢，實際上都是瞄準了信息技術的深化應用。以“數字化、網絡化、智能化”為特征的智能制造已經成為制造業發展的主流方向，在這股產業升級的強勁浪潮中，航空發動機產業成為發展的重點之一。航空發動機產業作為體現國家綜合實力、軍事威懾能力和國際影響力的戰略性高科技產業，是衡量國家工業基礎、科技領先水平、綜合國力以及國防現代化程度的重要標志，具有牽引科技創新和帶動眾多產業升級的重要推動作用。

智能制造是指將物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術與設計、生產、管理、服務等制造活動的各個環節融合，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精確控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱[2]。智能制造是新一代信息技術與制造技術的融合，以及制造業不同環節的集成和互聯。標準化是推進智能制造發展必不可少的基礎，標準化建設是推進智能制造的先機和制高點，是產業發展和企業競爭的關鍵所在。我國航空發動機企業要適用智能制造的發展要求，需要在標準化方面進行先期研究，發揮標準化在推進智能制造發展中的基礎性和引導性作用。

1 航空發動機企業智能制造發展現狀

我國航空發動機已經具備了第三代航空發動機研制和生產能力，建立起了相對完整的航空發動機產業體系，初步形成了專業化分工合作的大格局。“十五”以來，在國家累計技改投入支持下，航空發動機企業生產設備和試驗設施有了較大改善，補充了大量數控加工和檢測設備，建立了葉片、機匣、盤軸、裝配等專業化生產線。在數字化制造方面，開展了數字化工藝設計、工裝設計、數控編程、工藝過程仿真等技術的研究及應用，建立了完整的制造資源管理系統和生產計劃管理系統。尤其是“十二五”期間，我國航空發動機企業在協同研發平臺、工程數據中心、基礎網絡等共性基礎平臺建設上投入了大量資源，初步具備了開展智能制造的信息化環境。

客觀而言，我國航空發動機企業只有部分生產線達到了“工業3.0”階段，距離“工業4.0”智能制造的目標尚有較大差距，主要表現為：

● 機床設備的智能化水平不足。智能制造很重要的一點就是數據采集和設備互聯，然而大部分航空發動機企業的機床設備，由于機床種類和數控系統版本限制，數據接口很難統一，給數據采集、傳遞和集成帶來很大的困難；

● 大數據分析能力不足。生產過程中產生的數據蘊含著豐富的技術狀態信息，只有經過提煉和分析，形成數學模型并經過實際驗證的才具有指導價值，而我們在這方面的嘗試非常有限，技術儲備嚴重不足；

● 制造仿真能力不足。智能制造需要借助仿真軟件對工藝過程、裝配過程和測量過程等進行數值仿真，我們現在只在部分型號產品上做過驗證，還沒有大范圍推廣應用，并且仿真軟件的種類和數量都很少，基本上不具備獨立的軟件二次開發能力；

● 制造系統的集成需要進一步研究驗證。硬件與軟件的集成，各單位MES（制造執行系統）、ERP（企業資源計劃）、PDM（產品數據管理）等應用系統與行業協同平臺、工程數據中心之間的集成等等，都需要開展專題研究。

除此之外，還有很多技術和管理問題，我國航空發動機企業要實現真正的智能制造還有很長的路要走。

2 航空發動機企業智能制造發展方向

智能制造系統架構可以分3個維度，如圖1所示。其中生命周期維度，是由設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯的價值創造活動組成的鏈式集合，不同行業的生命周期構成不盡相同。針對航空發動機行業，代表了產品研制的全生命周期模型，一般可以選擇論證、方案、工程研制、設計定型、生產定型、批量生產、使用保障進行描述。

系統層面維度自下而上共5層，分別為設備層、控制層、車間層、企業層和協同層，體現了裝備的智能化和互聯網協議化，以及網絡的扁平化趨勢。針對我國航空發動機智能制造的系統層級體現了智能設備、數據采集及監控、制造執行系統、中國航發運營管理體系（AEOS）、基于航發網的協同平臺等。

智能功能維度自上而下，包括資源要素、系統集成、互聯互通、信息融合、新興業態，其中以互聯互通為目的的工業互聯網，實現了物理世界和信息世界的融合。智能功能維度主要實現了信息資源和產品生命周期的集成與共享，針對航空發動機企業重點是實現虛擬仿真與物理現實相結合，推動建立設計、制造、試驗等規劃和驗證過程的“數字化雙胞胎”，實現虛擬與現實的相互驗證和迭代優化。

隨著新中國航發集團的成立和國家兩機重大專項的實施，我國航空發動機企業正在大力開展智能制造技術研究，以信息化帶動傳統制造業長足發展，以網絡化突破空間地域對企業生產經營范圍和方式的約束，實現企業間的協同和各種社會資源的共享與集成，將數字化制造技術滲透到產品研制的設計、制造、試驗和管理的全過程中，逐步實現“產品研制數字化”、“設計制造一體化”、“制造過程自動化”、“機器設備網絡化”、“過程監控實時化”、“生產配套系統化”、“管理決策智能化”和“服務保障知識化”，全面提升航空發動機研發、制造和服務能力，推動航空發動機企業向創新型企業轉型升級。

● 產品研制數字化：在產品研發的全過程，大范圍采用模擬仿真手段，通過設計仿真、工藝過程仿真、模擬試驗、物理樣機等方法進行設計迭代優化，減少物理驗證，降低研發成本。

● 設計制造一體化：智能制造提出端到端的集成，涵蓋產品設計、工藝、制造、服務全過程，整個過程有唯一的數據模型，各環節不斷對模型進行補充和完善，并映射到設計需求。設計、制造、驗證通過統一的平臺進行協同，迭代效率和產品質量得到大幅提升。

● 制造過程自動化：在智能化工廠，生產制造過程呈現高度自動化，單一重復性的工作都被機械設備替代，對生產線的人工干預被降低到最低限度，生產流程標準化、過程可控。

● 機器設備網絡化：智能化設備是構成賽博物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems）的基礎條件，智能制造模式下，機器設備通過互聯網或總線形式進行系統集成和在線控制，智能設備間實現實時的互聯互通。

● 過程監控實時化：利用物聯網技術和監控技術實時監控生產現場運行情況，設備運行狀態、加工過程參數和報警等信息自動采集并通過人機交互設備展示。

● 生產配套系統化：智能制造強化了產業鏈的集成，與企業生產制造相關的協作配套關系得到進一步加強，并通過信息化系統，實現對供應商和采購過程的動態管理。

● 管理決策智能化：把產品研發全過程產生的工程和管理數據，通過數據庫和信息化平臺進行統一管理，基于大數據分析技術，智能工廠對生產計劃、制造資源、工廠運行、質量信息、故障信息等情況進行綜合分析，并具備主動判斷、規劃的能力，能夠根據預設邏輯做出自主決策和動態調整。

● 服務保障知識化：智能制造強化了數據服務能力，產品數據和維修服務數據通過系統平臺實現動態管理，與實物狀態保持一致。基于結構化的實做數據（實際操作使用數據）、產品數據、故障知識數據等大數據資源，具備航空發動機自感知、自診斷、自決策能力，實現智能健康管理。

3 智能制造對航空發動機企業標準化的挑戰

航空發動機的研究與發展是復雜的系統工程，標準是其中至為關鍵的核心要素，作為研發技術體系的承載，以及技術發展與型號研制的保障，有著舉足輕重的作用[3]。標準化工作是指標準制定、發布、實施的過程。航空發動機標準化工作不僅是航空發動機企業生產、經營、管理的重要基石，也是形成企業核心能力和保持比較優勢的關鍵要素。

面向智能制造的航空發動機企業標準化與傳統標準化不同。傳統標準化是在總結成熟技術的基礎上，經過廣泛協調，制定相應標準，以指導應用。而信息化標準化具有超前性，在智能制造的信息技術應用的同時，需要制定相應的標準，并保持動態修改，以適應信息技術實施的新問題。這樣要求標準化工作早介入，并納入信息化工程的計劃，以使標準化在信息化建設中充分發揮作用。

面向智能制造的航空發動機標準化工作就是圍繞航空發動機制造系統的縱向集成、橫向集成和端到端集成而開展標準制定、發布、實施的一系列工作，強調的是數據的共享和交互，數據的管理和標準化是基礎。同時，智能制造標準化的對象具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精確控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式，針對智能設備、智能工廠、智能服務、工業軟件與大數據、工業互聯網，要重點關注標準與知識的結合。

當前面向智能制造的航空發動機的企業標準化，重點要開展以下標準化工作：

● 建立航空發動機智能制造支撐環境標準。統一定義航空發動機智能制造術語和參考模型，制定對象標識、元數據、數據描述和數據字典標準，支撐各信息化應用系統的開發與使用；開展工業大數據、工業互聯網、云計算、網絡通信、人工智能、數字化雙胞胎和物聯網等新一代信息技術的功能模型、數據集成與管理、數據分析、服務定義和管理等技術標準研究及應用；制定航空發動機智能制造信息安全管理標準，制定包括軟件安全、設備信息安全、網絡安全、數據安全、信息安全防護、產品測評及安全能力評估在內的技術標準，規范制造信息安全管理活動，消除信息安全隱患。

● 制定航空發動機智能制造產品研發標準。重點開展基于知識的先進計算、MBD（基于模型定義）建模和仿真分析標準，設計、材料和制造工藝適用性分析驗證、協同研發等技術標準的研究；研究基于模型的需求工程、定義、制造和檢驗與保障標準；研究復雜賽博—電子—機械系統建模與仿真標準等；制定航空發動機產品全生命周期技術標準，規范產品研發、生產、服務全過程的業務流程，支持產品協同研制。

● 制定航空發動機數字化車間、智能裝備等標準。面向智能制造，支撐更柔性、互聯、協同、高效的軍工數字化車間/生產線建設，重點開展航空發動機工藝參考模型研究，數字化車間/生產線系統架構與參考模型研究；確定航空發動機行業智能生產線構建標準，形成與行業發展水平相一致的系統架構，指導智能生產線相關軟硬件建設；開展增材制造、微納米加工及工業機器人等智能裝備標準應用研究；數字化車間/生產線可視化和實時優化標準研究；數字化車間/生產線增強現實和可穿戴設備、信息采集設備等移動計算、數據交換標準應用研究。

● 開展航空發動機智能服務標準研究。面向基于價值鏈的虛擬航空發動機企業的組織和運營，重點開展航空發動機供應鏈管理標準研究，開展航空發動機遠程/在線故障檢測與維修標準、制造型服務模式標準研究等。

4 結論

當前已經進入了一個全新的信息智能時代，全國、乃至全世界的工業界都已經行動起來，走上了產業智能升級之路，作為高端制造業“皇冠上的明珠”，我國航空發動機產業也應該伴隨 “中國制造2025”的強勁東風啟程，邁出向高端制造企業轉型升級的堅實步伐。“智能制造，標準先行”，要做到不是跟風上路，不是盲目上路，我國航空發動機企業需要深入研究面向智能制造的航空發動機標準，做好標準化工作規劃，做到有備而行。

[1] 郭朝先，王宏霞. 中國制造業發展與“中國制造2025”規劃[J]. 經濟研究參考，2015（31）：3～10.

[2] 辛國斌，田世宏. 國家智能制造標準體系建設指南（2015年版）解讀[M]. 北京：電子工業出版社，2016.

[3] 李偉. 基于系統工程的航空發動機標準體系建設研究[J]. 航空標準化與質量，2016（6）：10～13.

T-65 [文獻標識碼] C [文章編號] 1003-6660（2017）04-0006-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.04.002

2017-06-23

（編輯：閑庭）