民航飛機智慧維修+工業互聯網關鍵生態要素研究

■ 李志明 任明翔 陽錦 劉宇輝/中國南方航空股份有限公司工程技術分公司（機務工程部）

0引言

進入21世紀以來，學科交叉融合加速，技術創新異常活躍，前沿領域不斷延伸，以5G、人工智能、物聯網、區塊鏈、大數據為代表的新一代信息技術引發的技術革命已成為全球關注的重點。信息技術的快速發展影響到了傳統制造業的發展方向。互聯網與工業融合發展成為當今社會的一種發展趨勢，互聯網高度滲透工業，孕育出以數據為驅動、以制造能力為核心的工業互聯網生態，儼然成為新時期全球產業競爭的制高點。

黨中央國務院高度重視發展工業互聯網，習近平總書記指出“要深入實施工業互聯網創新發展戰略，系統推進工業互聯網基礎設施和數據資源管理體系建設”。國務院印發《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，統籌布局網絡、 平臺、 安全三大功能體系建設。李克強總理連續兩年在政府工作報告中提出“工業互聯網平臺”， 強調“打造工業互聯網平臺，拓展‘智能+’，為制造業轉型升級賦能”。

國家發布的《“十四五”國家信息化規劃》明確指出，信息化為中華民族帶來了千載難逢的機遇，必須敏銳抓住信息化發展的歷史機遇，加快數字化發展，建設網絡強國、數字中國、智慧社會的戰略決策。

近年來，南航依托“民航維修工程技術研究中心”平臺，針對傳統飛機維修場景資源需求量大、數字化水平低、維修差錯集中等諸多痛點，不斷探索飛機維修領域新信息技術應用，創新性研發并成功應用了“南航天瞳系統”“5G+AR遠程技術支持系統”“南航VR航空器實訓系統”等諸多成果，全面提升了南航維修數字化智能化水平。然而，本文認為現有的這些創新系統仍屬于相對獨立的平臺，如果將這些平臺放在一個集網絡、平臺、安全三大功能于一體的統一架構體系下予以管控，輔之相同的建設標準，則能夠更好地發揮各平臺優勢，增強各平臺凝聚力。因此本文認為應更好地利用智慧維修和工業互聯網發展理念，設計及搭建一種以工業互聯網原理為基礎，以民航飛機維修為核心特征輸出的民機智慧維修生態體系架構。

1智慧維修與工業互聯網理念

1.1 智慧維修理念簡述

智慧維修的重點是“智慧”。“智慧”的原意是指由人的智力系統、知識系統、方法與技能系統、非智力系統、觀念與思想系統、審美與評價系統等多個子系統構成的復雜體系，代表了人的智力器官的終極功能。智慧維修就是將人的“智慧”轉化為融入各種前沿技術的“人工智慧”，進而融入具體維修工作中，在增強維修品質、降低維修成本的同時，解除多余的人腦與體力的付出，使人獲得更多的幸福感。智慧維修并不是簡單地追求高超的科技運用、高效的維修效率與效益，還需要考慮到維修過程是否符合人類的觀念與思想、審美與評價對美好生活的向往標準。

依照智慧民航建設發展理念，智慧維修是始終瞄準民航強國建設目標，應用新一輪科技革命和產業變革的最新成果，創新傳統民航維修方式，實現對民航維修的全要素、全流程、全場景進行數字化處理、智能化響應和智慧化支撐的新模式新形態。具體說來，智慧維修是物理生產要素和信息生產數據實時交聯的全新的維修工程管理體系，人流、物流和信息流可在虛擬和現實中實現無縫連接和實時互動，飛機的全部技術狀態均可通過智能平臺全面、實時地掌控，飛機的維修和維護可通過智能平臺向下賦能，高質高效地完成各項任務。

1.2 工業互聯網理念簡述

工業互聯網是新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態，通過對人、機、物、系統等的全面連接，以網絡為基礎、平臺為中樞、數據為要素、安全為保障，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，形成平臺化設計、智能化制造、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸、數字化管理六大新模式，有力促進了實體經濟提質、增效、降本、綠色、安全發展。

1.2.1 工業互聯網的歷史簡述

工業互聯網的概念是在2012年由美國通用電氣（GE）公司首次提出的，其技術起源于GE航空發動機可預測維護的工業模式，即GE在自產的每臺航空發動機上都安裝了大量的傳感器，不斷地采集飛行數據，并在飛行過程中將數據實時傳回數據中心進行分析，進而為飛機發動機提供預測性維護，減少停機時間，更好地優化其經濟性和安全性。南航早在2002年就研發了南航飛機遠程診斷實時跟蹤系統，也就是南航天瞳系統的前身，該系統獲得了民航科技進步二等獎，同樣具備數據采集分析，故障診斷功能，與GE的發動機預測技術有異曲同工之妙。由此看來，南航的遠診系統已具備工業互聯網的生態雛形。2014年，通用聯合AT＆T、Cisco、IBM、Intel等五家企業成立工業互聯網聯盟，至此初步形成了產業生態。

2016年是中國工業互聯網“元年”，首批工業互聯網企業誕生。2016年12月，樹根互聯率先發布了國內首個工業互聯網平臺“根云平臺”。4個月后，在家電消費類產品生產制造領域有深厚基礎的海爾發布引入用戶體驗為特色的工業互聯網平臺。2016年2月1日，工業互聯網產業聯盟在北京舉行成立大會。該聯盟立足于為推動《中國制造2025》和“互聯網+”融合發展提供必要支撐。以推動工業互聯網創新發展為宗旨，中國至今舉辦了三屆中國互聯網大賽，南航工程技術分公司攜“面向復雜末端場景的飛機維修智慧工場解決方案”，取得全國第10名（三等獎）的優異成績，彰顯了南航機務維修銳意進取的工匠精神和國內領先的數字化技術水平。2022年7月，南航工程技術分公司舉辦南航首屆機務智慧維修創新大賽，其中有一個重要賽道就是工業互聯網賽道，旨在選育一批確保安全、促進生產、提升效率、創造價值的工業互聯網智慧維修優秀方案成果。

1.2.2 工業互聯網核心架構分析

工業互聯網的核心功能原因是基于數據驅動的物理系統與數字空間全面互聯與深度協同，以及在此過程中的智能分析與決策優化。通過網絡、平臺、安全三大功能體系構建，工業互聯網全面打通設備資產、生產系統、管理系統和供應鏈條，基于數據整合與分析實現IT（信息技術）與OT（控制技術）的融合以及三大體系的貫通，功能原理如圖1所示。

圖1 工業互聯網功能原理圖

工業互聯網以數據為核心，數據功能體系主要包含感知控制、數字模型、決策優化三個基本層次，以及由自下而上的信息流和自上而下的決策流構成的工業數字化應用優化閉環。感知控制層是構建工業數字化應用的底層“輸入-輸出”接口，包含感知、識別、控制、執行四類功能，簡單說就是傳感器采集數據后，明確數據所代表的對象，轉化為具體控制信號和指令，從而改變物理世界資產狀態。數字模型層強化數據、知識、資產等虛擬映射與管理組織，包含數據集成與管理、數據模型與工業模型構建、信息交互三類功能。數據模型和工業模型構建是綜合利用大數據、人工智能等數據方法和物理、化學、材料等各類工業經驗知識，對資產行為特征和因果關系進行抽象化描述，形成各類模型庫和算法庫。決策優化層是聚焦數據挖掘分析與價值轉化，形成工業數字化應用核心功能，主要包括分析、描述、診斷、預測、指導及應用開發。自下而上的信息流和自上而下的決策流形成了工業數字化應用的優化閉環。其中，信息流是從數據感知出發，通過數據的集成和建模分析，將物理空間中的資產信息和狀態向上傳遞到虛擬空間，為決策優化提供依據；決策流則是將虛擬空間中決策優化后所形成的指令信息向下反饋到控制與執行環節，用于改進和提升物理空間中資產的功能和性能。

網絡體系由網絡互聯、數據互通和標識解析三部分組成。網絡互聯實現要素之間的數據傳輸，數據互通實現要素之間傳輸信息的相互理解，標識解析實現要素的標記、管理和定位。

平臺體系包括邊緣層、平臺層和應用層三個關鍵功能組成部分。邊緣層提供海量工業數據接入、轉換、數據預處理和邊緣分析應用等功能。平臺層提供資源管理、工業數據與模型管理、工業建模分析和工業應用創新等功能。應用層提供工業創新應用、開發者社區、應用商店、應用二次開發集成等功能。

安全體系則包括信息安全、功能安全和物理安全，聚焦工業互聯網安全所具備的主要特征，包括可靠性、保密性、完整性、可用性及隱私和數據保護。

1.2.3 智慧維修與工業互聯網的關系

智慧維修高度符合智慧民航的核心要素，具備數字感知、數據決策能力，需要進行民航大數據管理體系建設。數字感知即推進新一代航空寬帶通信技術、物聯網技術應用；數據決策是包含綜合趨勢預判、風險評估預警、智能決策支持等；信息基礎設施則包括完善民航大數據治理體系，構建民航大數據管理體系，深化民航大數據場景應用。這些核心特征都與工業互聯網以數據為核心，圍繞網絡、平臺、安全三大功能建設的核心理念基本一致。

民航飛機的主要用途是將乘客安全地送往目的地，在確保乘客行程順利的情況下，為所有乘客的人身安全提供保證，所以持續保障飛機運行的安全性、可靠性及穩定性是重點要考慮的因素。那么如何以高質量地飛機檢修和維護工作保證飛機持續安全可靠就變得至關重要。無論是智慧維修理念，還是工業互聯網理念，目的均是運用新一代數字通信技術，提高企業的運維水平，所以通過運維可將智慧維修與工業互聯網緊密結合在一起。

2 民航飛機維修工業互聯網體系搭建

在民航局關于智慧民航建設路線圖總體框架中明確提出智慧民航運輸系統由智慧出行、智慧空管、智慧機場、智慧監管組成，如圖2所示。而作為智慧出行的保證要素，民航飛機維修是民航運輸系統得以正常運轉不可或缺的基礎條件，是民航高質量發展的啟動按鈕。研究民航飛機維修業如何能夠與智慧民航發展總體規劃相匹配，打好智慧安全地基，就必需緊跟時代的步伐，積極探索新技術新理念的在維修業的應用和融合，建立民航飛機維修工業互聯網體系。

圖2 智慧民航建設路線圖總體架構

在工業4.0時代，民航飛機維修已不再是“哪里痛，治哪里”的事后檢修，現代的維修理念更注重預測性、計劃性和單機定制，更關注每架飛機的全壽命周期和健康狀況，通過遠程診斷、大數據分析、數學建模等科技手段為飛機“懸絲診脈”“治未病”。在過去，雖然科學技術在民航業內已廣泛使用，但卻缺乏體系構建，未能充分利用科技發展的紅利。究其根本，民航飛機維修工業互聯網體系不能照搬工業互聯網的傳統架構，而是要串聯起維修的各個環節，充分融合智慧維修與工業互聯網理念，通過建立有效的物-場模型搭建屬于民航的飛機維修智慧工場。

2.1 智慧維修物-場模型搭建

物-場分析模型是創造性問題解決理論（TRIZ）中所描述的一項分析工具，是通過模型分析并改進技術系統的功能。簡單的功能模型可分解為兩種物質（S1,S2）和一種場（F），兩種物質通過場效應實現功能。兩種物質可以是材料、工具、零件、人、環境，場可以是機械場、聲場、熱場、化學場、電場、磁場等。物-場模型的種類有五種，其中有用并且充分的相互作用即是有效、完整的物-場模型，是一種理想狀態。智慧維修工場搭建物-場功能模型時盡量考慮理想狀態下的物-場模型，在此基礎上，加入不同場和物質，將功能改進完善，并消除或抵消潛在的有害效應。

舉例來說，要建立飛機故障監控物-場模型，就是要使飛機觸發的ACARS數據（S1）通過數據鏈（F）作用于人（S2）。這一過程中需要充分考慮人文因素的影響，避免大量數據呈現對人觀察、思考、判斷及決策產生影響，這時可以引入多種物質改善這一行為，如讓ACARS數據根據不同機型、不同種類、不同等級、發送不同時間顯示、緊急故障特別標識顯示、故障記錄功能、輔助決策功能等，將物-場模型搭建完善。智慧維修工場就是由很多不同種類的物-場功能模型組成，最終形成一個完整的且可以相互作用的復雜大物-場。

2.2 體系搭建

結合民航飛機維修模式，建立以網絡為基礎、平臺為中樞、數據為要素、安全為保障的民航飛機維修工業互聯網體系，以數據中心為核心，平臺、網絡、安全協同運行，并拓展出具體應用模式，如圖3所示。

圖3 民航飛機維修智慧工場（工業互聯網體系）結構圖

3體系內關鍵生態要素分析

3.1 構型管理

民航飛機維修的直接對象是民航運輸飛機，維修工作的實施貫穿飛機初始引進到退租/出售，維修工作的目標是保持飛機持續適航。飛機的維修計劃、維修任務、改裝設計等往往是為機隊機群制定的，而維修工作卻只能是單機實施，因此如何精準施策、精確施工，飛機構型管理至關重要。

此處的構型管理是指智慧型動態管理，它以飛機引進時的初始構型為起點，以平臺為核心，以網絡串聯，根據飛機全壽命周期中實施的各類維修/維護、軟件升級、硬件加/改裝等實時、動態、自主識別更新，并傳遞至與之相關的各個環節。例如，當一架飛機的某個關鍵蓋板鎖扣構型因技術迭代改裝后，除了維修直接相關的手冊、工卡隨之及時變更外，與之隱形相關的培訓系統也應及時更新，以便于維修人員更新鎖扣開關的新技能培訓。

3.2 運行控制

運行是飛機智慧維修工場的重要環節，高的飛機可用率和低的出勤故障率是評價維修保障能力的重要指標。在運行開始前保障飛機狀態可用；在運行中遠程實時監控，根據飛機報文對故障進行預判和預警，以平臺為核心，聯動維修工作的各個生產環節，提前制定排故方案、準備工具、航材，配備排故人員；在飛機到場后立即開展故障排除工作，并實時監測排故進展，與運行控制智慧協同，靈活調配飛機執飛航班，保障航班運行正常，旅客出行體驗良好。

3.3 故障管控

飛機維修工作的核心是排除飛機故障，保障飛機持續適航，保證運行安全。因此故障管控是智慧工場的核心。故障管控模塊包含數據中心功能，而數據中心能夠最大化發揮作用，關鍵技術支撐是數字孿生。利用數字孿生技術，將飛機全生命周期內技術數據和資產數據在虛擬端進行同步映射管控，飛機在引進階段的初始構型管理，在持續適航階段的維修方案、工程指令、改裝設計、結構修理等技術狀態管理，飛機系統與結構故障運行數據管理，都將以數據狀態呈現在每架飛機的全生命周期模型中，為公司生產運行提供科學數據支撐。

3.4 維修現場

飛機的維修工作包含技術文件的評估、維修方案的制定、工作單卡的制定、維修計劃的安排等諸多環節，但最終的落實都在維修現場，維修現場是智慧工場的涉及面最廣、節點最多、網絡最復雜的環節。智慧維修現場首先要實現智慧互聯，有場區智能物流、航材工具智能識別、智慧地面支持以及AR電子工卡等。

3.4.1場區智能物流

場區智能物流通過智能調度中臺進行人員工作的智能計劃安排，航材、工具狀態的智能監控以及數字化管理，給合航材工具智能識別、航材定位設備、機器人配送等實現整體智慧工場的生產維修工作有條不紊的開展。通過智能調度中臺提供一體化工業互聯網解決方案，實現生產的數字協同、提升維修工場的自動化運作程度。智能中臺通過對接上層系統關鍵維修任務資源管控模塊，其中包括(但不僅限于)計劃管理、排程流程、物料需求計劃，結合機器學習算法實現維修計劃自動排程，并且實時跟蹤維修計劃中的里程碑節點、進度狀態，同時實現根據維修排產計劃自動運算物料的需求計劃，結合物料采購回貨入庫情況，對缺料異常進行及時預警。

在智慧工場的應用場景中，飛機狀態、維修方案、排故方案、施工工卡等均為實時同步狀態，且與工具、航材庫存信息物聯，可實現航材工具智能識別與無人配送：當一份維修任務生成時，匹配該任務的工具、航材通過系統自動識別，進入待用狀態，運用配送機器人，定時（或呼叫）從倉庫各收貨點，收集運送航材配件運送到維修機庫的指定位置。配送機器人可以滿足24小時無間斷工作，適應機庫多變的場景環境。同時具有遠程呼叫能力，讓配送機器人到達指定的發貨點接收物品。整個系統采用5G網絡作為主要的通信鏈路，滿足全場景機器人實時位置定位跟蹤。同時機器人將對接門控及電梯，完成行走路線上自動開門、自動乘梯業務，以達到全程自動輸送物品的業務目標，如圖4所示。

圖4 機器人配送流程

3.4.2基于AR的場區新工作方式

相較于單純由人實施的維修和由機器（人）實施的維修，人+AR的模式在結合多種主體數字化后，可實現針對不同場景下多個數字化主體協同合作，實現前端維修的數字化與智能化維修的蛻變，這是未來飛機維修業的發展方向。AR技術可以對獲得的工業大數據進行采集、過濾、沉淀、清洗等一系列處理操作，或從云端服務器處理獲取分析處理結果，從而進行經驗的沉淀及流程的優化，甚至可以借此構建數據模型和相關智能算法。

以AR工卡的實施為例，通過對工卡信息的重構，人機交互過程的優化，AR工卡的執行將給工作者帶來全新的工作體驗。

1） 場景化的執行步驟：工作者面對的不再是一整版的文字任務，而是隨工作進程而逐步展開的一幕幕場景，場景化便于工作者聚焦具體任務，充分了解當前任務的同時免除無效信息的干擾；

2） 代入式的工作指引：在場景中，工作者具有上帝化的視角，增強簽署、輔助拍照、自動測量等輔助工具仿佛游戲裝備一樣揮手即來；手冊資料、經驗文檔、APS指引等借助知識圖譜技術可以更方便觸達；后臺專家也可以隨時呼叫，提供更多支援。

3） 沉浸式的工作體驗：AR化工作方式建立的是一種資源找人、知識找人的新體驗，工作者雖然“單兵作戰，裝備輕量”，但卻隨時處于“重炮火”的支援之下，營造了以人為中心的“工作場”，工作者可以最大程度地專注于工作進程，避免頻繁中斷。

3.5 安全防控

安全是一切工作前提，也是底線。在智慧維修工場中，維修場景的所有相關要素均互聯互通，安全環環相扣，牽一發而動全身。同時因5G網絡、物聯網、圖像識別、AR/VR、經驗預判等新技術的引入，智慧維修工場中的安全防護又有著得天獨厚的優勢。

以最直接的生產對象飛機為例，在維修工場中，經常需要推/拖飛機出入機庫，如何利用現代物聯和互聯技術保障飛機安全？傳統的人工監控由于機身與維修平臺的間隙大小、視覺盲區、拖行線路干擾等而出現誤判，具有較高的風險性。在智慧維修工場應用中可采用三維建模技術、多傳感器融合技術等新技術構建飛機防撞功能，通過三維感知設備，實現機庫內部實時三維檢測，飛機輪廓提取，實時比對，實時預警，基于低時延、高帶寬的5G網絡將信息實時傳送至終端和云控平臺，指引飛機安全出入機庫。

飛機入庫防撞只是維修工場中一個普通的安全生產示例，在實際生產中還涉及維修人員安全、維修場地安全、維修物料安全、網絡安全、數據安全等關鍵安全要素，要保證工場中各個環節的安全，除了新技術新設備的運用外，還要構建與之適應的管理制度，設立管理機構，組建管理團隊，對整個工場運轉全局的把控和實時的管理。

3.6 標準規范

標準和規范是行業健康有序發展不可或缺的寶典，它既是工作的理論依據，又是工作安全開展的避坑指南，但標準和規范不是一成不變的，傳統的維修標準和行業規范在現代的維修工作中已逐漸不相適應，它亟需更新技術的應用，結合維修生產實際中的實例、數據積累，通過實踐分析和經驗總結，不斷優化更迭，以適應傳統維修到智慧維修的轉變。

維修標準和規范來源于維修工作，經研究、優化、賦能后，再指導維修工作的實施，是“取之于彼，用之于彼”的螺旋上升式的良性循環。智慧維修的標準和規范制定應圍繞智慧建設的主線，充分研究維修工場各個環節，全面考慮智慧維修涉及的各個生產要素，高屋建瓴，系統考量，細節打磨，分門別類，并建立動態修正機制，以實踐為指導，糾偏糾錯，為智慧維修發展提供理論支撐。

4 結語

作為我國的國家重點規劃之一，國家對工業互聯網從產業升級、技術創新、經濟推動等方面均給予了極大的幫扶和支持，發展前景可謂極其廣闊。民航飛機維修業的數字化信息化建設在民航領域中位居前列，具備搭建工業互聯網體系的先天優勢。但是搭建較為完善的工業互聯網體系不僅需要實戰經驗，更需要長期的較大資金投入與技術投入，且沒有特別明確的投資回報率和盈利模式，對于以盈利為主的航空公司來說不得不說值得慎重考慮。此文對民航搭建互聯網體系下的民機智慧維修生態體系架構作初步的研究與探索，僅為各航空公司搭建體系做參考和指引。

多措并舉統籌推進 持續打造“四過硬”的南航機務班組長隊伍——南航技術分公司積極探索“一四五六”班組長隊伍建設組織體系

機務班組，是民航安全生產鏈條上最基礎的一環，是確保隊伍穩定、實現安全質量提升、夯實“三基”建設的重要力量。今年，技術分公司全面加強南航機務系統班組長隊伍建設規劃、高質量推動“選育管用”環節，致力打造一支結構合理、作風優良的優秀班組長隊伍。

系統盤點，摸清班組長隊伍底數和結構

南航機務系統班組長包括分隊長、工段長和班組長，目前總人數為1300余人。今年3月，技術分公司啟動調研，綜合分析研判班組長隊伍結構、隊伍職責、提升需求和面臨挑戰等方面。技術分公司堅持問題導向，將班組長能力建設定位在業務技能、管理溝通、素質提升三個方面。

整體提升，著力打造班組長“強基賦能”工程

技術分公司著力打造干部人才隊伍建設“五項工程”，以“強基賦能”工程為抓手，逐步形成南航機務系統班組長隊伍建設“一四五六”總思路，即以“一張清單”明確班組長崗位權責，以“四個規范”梳理班組長聘任管理制度，以“五類課程”做好班組長培養工作，以“六項機制”支撐班組長“選育管用”體系，為著力打造一支政治過硬、本領過硬、紀律過硬、作風過硬的班組長隊伍。

統籌推進，讓“班組長”成為青年員工向往的崗位經歷

今年，技術分公司持續舉辦機務系統班組長培訓優秀班、提升班和初始班，組織評選2021年度南航機務系統“十佳班組長”，大力選樹優秀班組長代表，講好機務班組長故事，樹立班組長“能上”的導向，真正讓“班組長”成為青年員工向往的崗位經歷。

下一步，技術分公司將持續落實南航集團黨組關于“三長”隊伍建設的決策部署，充分發揮“總部管總”能力，統籌推動南航機務班組長隊伍建設落地，為打造世界一流航空維修服務品牌夯實維修管理基礎。