航空工業的智能制造體系和架構

寧振波

(中國航空工業集團信息技術中心，北京 100028)

0 引言

隨著“數字化轉型”、“數字中國”建設的發展，人們今天的衣、食、住、行不僅僅與實物產品生產制造密切相關，而且和信息、數據獲取緊密相關。在人類科學技術發展的漫長征途中，每一次工業革命的變革都給社會創造了巨大財富，并且極大地促進了社會的發展、人類的進步。制造業作為一個國家經濟的源動力，左右著一個國家經濟發展的命脈和人民的生活水平，同時造就并推動人類文明的蓬勃發展，計算機的發明、信息技術的大范圍應用，以及隨之而出現的智能制造技術，也是我們當前社會所面臨的機遇與挑戰。由于智能制造剛剛處于起步階段，有著漫長的路徑，必將走過數字化、網絡化、智能化等三個階段。但是智能制造是一個非常大的概念，至今沒有確切的完整定義，沒有一個完整的體系架構以及實施技術路線圖。

為解決上述問題，中國航空工業集團組織行業內大量一線工作的飛機設計、工藝、制造工程、管理專家，經論證和分析，構建了航空工業智能制造的各級各類模型，并在多家航空工業企、事業單位試用，經修訂完善，提出了本文的智能制造架構和模型。

1 智能制造的定義

要正確理解智能制造，首先必須理解什么是“制造”。制造，包含了“制”與“造”兩層含義。“造”相對比較簡單，就是生產。但制造不僅是生產，“制”包含了制度、方法、標準和規范等含義。宏觀的“制造”包含了產品策劃、總體設計、產品設計、工藝設計、生產過程、交付、運行、維護維修、管理、決策等等重大研發過程和復雜的管理體系。因此，制造并不等同于生產，兩者不能混為一談。

在《三體智能革命》一書中，描述了人類智能、機器智能、人工智能，智能制造就是給傳統的制造賦予了智能的概念。這里的智能就是指“人工智能”。傳統的人工智能，就是把專家學者的知識、經驗、方法，以及數學、物理、化學等等的方法、算法，經過反復驗證，把它變成軟件，由電腦執行的過程，這就是人工智能把人的知識轉化為電子計算機的知識。電子計算機支持軟件運行，形成模型，完成工業產品的研制、生產、運行、綜合管理等等復雜過程。

智能制造不僅包含了復雜的產品研發技術體系，還有龐大的管理體系。自動化車間、無人車間、黑燈車間、自動物流配送、倉儲都不是智能制造，僅僅是智能制造的組成部分，可以叫做智能車間、智能物流、智能倉儲。

明確了智能制造的內涵，我們就明白智能制造是今后幾十年要干的事情，不可能一蹴而就；必須認識到兩點，第一，智能制造是馬拉松長跑；第二，從全國看，中國沒有全面實現工業化，智能制造差距巨大。

智能制造的本質就是用軟件控制數據的自動流動，解決復雜產品的不確定性。

2 智能制造的體系和架構

智能制造的體系和架構，本文參考了德國工業4.0。德國工業4.0是2013年漢諾威工業博覽會發布的，是德國根據國家的現有工業基礎，制定的一項國家工業體系實現數字化轉型的戰略發展規劃。它由工業管理體系和數字化轉型體系構成，包含了成千上萬項具體技術。

2.1 德國工業4.0和智能制造

德國工業4.0戰略發展規劃，其戰略要點就是“1、2、3、8”。

1) 建設一個系統：賽博物理系統(Cyber-Physical System，簡稱CPS)；

2) 研究兩大主題：智能工廠和智能生產；

3) 實現三項集成：通過價值鏈及網絡實現企業間橫向集成，貫穿整個價值鏈的端到端工程數字化集成企業，內部靈活且可重新組合的縱向集成；

4) 實施八項計劃：標準架構、系統模型、基礎設施、安全保障、工作組織、持續培訓、監管框架、資源利用。可以清晰看到，這八項計劃是國家能力。

德國工業4.0中的三項集成：縱向集成、端到端集成和橫向集成，借鑒了圖1。

圖1 三個維度的協同制造模型

縱向集成就是模型的企業管理維，指的是企業及其所處行業的價值鏈中，從綜合業務運行落地到生產運行的管理，細化就是從決策-計劃-組織-執行-控制-反饋的層層穿透和雙向交互，具體由決策支持系統、ERP、DCS、MES、MDC/DNC等系統之間的集成來實現。

端到端集成就是這個模型的產品維，指的是源于市場，終于市場的產品研發和制造服務體系，即從市場需求研究、產品策劃和定義到退役、報廢和回收的整個產品鏈和資產鏈中，與產品和資產有關的信息的雙向傳遞，以確保正確的時間、正確的地點、把正確的物料和正確的信息交給正確的人，主要通過PLM、BOM、ERP、MES、CRM、ALM、MRO等系統之間的集成來實現。

橫向集成就是這個模型的價值鏈維，從供應商到客戶，指的是企業與上游、下游等之間，供應和需求信息的雙向互通。橫向集成主要通過數字化營銷渠道、CRM、ERP、SCM、SRM等系統之間的集成來實現。

2.2 智能制造的分層和分級

將圖1細化展開，企業管理維和價值鏈維不變，產品維改為產品壽命周期維，增加一個生產壽命周期維，就得到了圖2，這樣就可以把智能制造分解為三個層次，第一就是窄義的智能制造，第二就是一個集團級的智能制造，第三就是宏觀意義上的智能制造。

圖2 智能制造分級

狹義的智能制造僅僅考慮了生產現場的智能制造，包含了制造運行管理、生產現場監控、現場設備的管理等等，包含的軟件系統就是車間現場、MES、MDC/DNC等等。

集團級的智能制造在狹義的智能制造范圍內，從產品壽命周期維增加了設計工程、制造工程、集成驗證和確認；從企業維增加了企業資源計劃；價值鏈維增加了采辦管理、物流管理；從生產壽命周期維增加了生產系統設計、建造、測試、生產系統的運行維護、重構、資產管理和處置等等內容。

廣義的智能制造在集團級的智能制造基礎上，從產品壽命周期維增加了產品運行概念、和產品交付后的使用、維護、服務和支持；從企業維增加了戰略決策和管理、綜合業務管理；價值鏈維供應鏈管理和營銷管理等等內容；宏觀意義上的智能制造需要調動社會資源的方方面面，牽涉到整個國家制造業的資源配置能力和水平，是一個復雜的巨型系統。

本文僅考慮集團級的智能制造及以下范圍。

3 航空工業智能制造的總體架構

航空、航天、航母、核電站等等大型復雜產品，構成的零組件和元器件都超過上百萬件。以1970年開始交付的波音747飛機為例，在上個世紀六十年代，第一沒有大型機加件的整體加工設備，第二沒有復合材料的應用，當時的波音747飛機全是金屬件，第一架飛機結構件大概是800萬個結構件和幾千萬個標準件；后期747飛機，減少到了400萬個零部件；最典型就是生產零部件工藝流程和專業化分工，由分布在65個國家、1 500個大企業和一萬多家中、小企業參加協作生產，是飛機全球協同制造的典范。

這么復雜的管理與協作，如何合理分層分級？如何定義復雜產品的智能制造總架構?這是我們面臨的問題。

要梳理智能制造架構，可按大型企業的管理體系從底向上。企業最底層是智能設備和智能裝備層，第二層是車間級，也就是控制執行層；再向上多個車間和分廠的運行和管理是生產管理層；再向上就是企業管理層了；大型復雜產品制造需要多個企業集團協作，就是企業聯盟層了。智能制造總架構圖如圖3所示。

圖3 智能制造總架構

4 智能制造的分層架構

企業聯盟層如圖4所示，復雜產品需要多家企業集團協同研制，首先是狀態感知，感知各家供應商的供貨狀態、存在問題以及對最終產品交付的影響；其次是實時分析，根據供應商過去多年的供貨狀態，以及給其它企業配套供應的情況進行大數據的統計分析，進行供應商評價；然后就是根據評價情況和結果，預測可能出現的問題和解決辦法，提出輔助決策意見，供自主決策使用；最后就是精準執行了，按照自主決策的結果，完成對供應鏈管理和控制的執行。

圖4 企業聯盟層

企業管理層，如圖5所示，第一層的動態感知，感知的是產品狀態、資源狀態、分廠和車間狀態、企業運行整體狀態、產供銷人財物等等管理狀態；通過感知的狀態數據對企業財務、效益、產品成本、生產周期、產品質量作實時分析；接下來就是自主決策，對分析出來的數據做出績效考評、優化安排資源計劃、調整生產計劃排產、做出新的工藝決策；最后就是實時調度生產、完成資源配送和調整、解決出現的問題和故障、生產新的工藝路線，這就是精準執行了。

圖5 企業管理層

生產管理層：動態感知物料狀態、產品狀態、設備設施運行狀態、故障狀態等等；實時分析計算物料需求、零件質量、任務計算分配、統計分析等等；自主決策完成作業動態調整決策、物料如何配送、作業單元定義、質量問題處理；最后的精準執行就是作業任務執行、物料指令發送、作業單元調整等等。

控制執行層：緊密結合生產現場和現場設備，其狀態感知就是感知各類應該管理和檢測的數據，包括工件狀態、設備狀態、位置狀態；數據傳遞到后臺實時分析工件的幾何誤差、設備運動誤差、問題狀態分類；自主決策完成誤差補償、規則匹配、生成現場指令、完成作業數據生成；最后的精準執行就是控制設備運行、物料配送、作業執行、異常情況警示和顯示。

智能設備層：要考慮兩個問題；第一就是傳統的機加設備都是單機運行，數字化改造升級就是制造業面臨的問題，如何低成本的完成設備和裝備的改造升級，進入智能制造系統；第二就是有些高、精、尖設備，買不到；這樣智能制造裝備層的架構就非常重要了。第一狀態感知設備運動狀態、受力狀態、工件狀態、輸入輸出狀態、耗能狀態；然后實時分析設備的異常情況、加工位置的偏差、振動和噪聲狀態、輸入輸出是否異常、零件偏差等等；自主決策就是完成位置補償、參數調整、軟件調整，最后的精準執行完成設備的新的狀態設置、位置調整、運動控制、進給控制，加工執行了。

5 智能制造的理想模型

如圖6所示，智能制造的核心是圖中的虛線部分，工業軟件大規模的使用，從設計、工藝、生產、制造、裝備到試驗全是虛的，產品數字化，研制過程數字化，才能夠讓產品在網絡上高速的流轉。在這個過程中反復快速迭代，發現問題，修改模型，然后拿這些數據來指導生產過程和試驗過程，藍色的大框架才是智能制造的核心體系，大腦是虛擬流程，設計、生產、工藝、裝配、試驗等等都是依靠軟件實現，用軟件和生成的數據指導實物的生產實踐，這就是智能制造。

圖6 智能制造理想模型

6 結論

隨著“數字中國”、“數字化轉型”進程的加速，大家越來越認識到智能制造對實現中國工業體系轉型升級的重要性。智能制造難點在建模，焦點在仿真，沒有大規模、成體系的工業軟件的使用，智能制造只能停留在口頭上。智能制造的本質是軟件化的工業技術，軟件定義的生產體系，帶來的一定是生產關系的重構，因此是第四次工業革命。革命不是小打小鬧，也不是幾個幾十個工業軟件的應用，更不是點上的革新和小的變革，而是整個工業體系的升級換代。要實現整個工業體系的升級和換代，必須建立完善的體系和架構。本文描述的智能制造的架構和體系，只是一個開始，在這個基礎上通過我們持續的努力，不斷的優化，一定可以形成適合我國客觀實際的智能制造架構和體系。