工業(yè)4.0牽引的飛機(jī)總裝工藝流程設(shè)計(jì)技術(shù)淺析

中航工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 李 濤 張世炯 張 寧

德國(guó)工業(yè)4.0是以智能制造為主導(dǎo)的革命性生產(chǎn)方法，該戰(zhàn)略希望通過(guò)充分利用信息通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)空間虛擬系統(tǒng)，即信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical System，CPS）的手段[1]，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。飛機(jī)總裝生產(chǎn)活動(dòng)是航空制造業(yè)的系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)，也是飛機(jī)生產(chǎn)供應(yīng)鏈的最終環(huán)節(jié)，集中體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家航空行業(yè)的整體技術(shù)能力和管理水平。目前，不論是我國(guó)的C919新一代客機(jī)，還是國(guó)外空客的A380、波音的B787、洛克西德馬丁的F-35，飛機(jī)總裝的主要對(duì)象——飛機(jī)復(fù)雜的電纜、管路、附件、設(shè)備主要采用人工裝配[2]。在工業(yè)4.0引導(dǎo)下，我國(guó)的飛機(jī)總裝專業(yè)如何發(fā)展，智能制造在飛機(jī)總裝專業(yè)中如何體現(xiàn)，用什么方法設(shè)計(jì)總裝工藝流程才能使總裝配線以低成本、省時(shí)、高效、靈活的方式運(yùn)轉(zhuǎn)來(lái)應(yīng)對(duì)未來(lái)激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、迫切的國(guó)防建設(shè)需要，如何從德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略中吸取精髓來(lái)提升我國(guó)航空制造業(yè)的整體制造水平是本文討論和探索的方向。

1 飛機(jī)總裝與工業(yè)4.0

1.1 飛機(jī)總裝介紹

1.1.1 飛機(jī)總裝專業(yè)特點(diǎn)

飛機(jī)總裝是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)功能的重要階段和飛機(jī)質(zhì)量特性形成的關(guān)鍵手段，是一種功能集成的裝配和檢測(cè)。相對(duì)于以型架、樣板為基準(zhǔn)，進(jìn)行輔助定位的結(jié)構(gòu)部件裝配，飛機(jī)總裝以管路、電纜、設(shè)備、連接件等為主要安裝單元，以功能性檢測(cè)為主要考查手段，手工作業(yè)是目前飛機(jī)總裝的基本手段[2]。

1.1.2 飛機(jī)總裝工藝設(shè)計(jì)方法

在航空制造業(yè)中，無(wú)論是采用傳統(tǒng)二維平面工程圖紙，還是全數(shù)字化傳遞的設(shè)計(jì)制造模式，飛機(jī)總裝工藝設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

圖1 飛機(jī)總裝工藝設(shè)計(jì)的輸入與輸出Fig.1 Input and output of aircraft final assembly process design

飛機(jī)總裝工藝設(shè)計(jì)集成了二維或三維的產(chǎn)品設(shè)計(jì)外形信息、PBOM、質(zhì)量控制信息、工藝規(guī)范要求、工裝要求、供應(yīng)鏈能力、具體工程經(jīng)驗(yàn)，其輸出結(jié)果是總裝工藝流程以及基于工藝流程的工藝文檔、MBOM、工藝數(shù)模。實(shí)際過(guò)程中的飛機(jī)總裝生產(chǎn)是否順暢，取決于工藝設(shè)計(jì)能力、水平的高低，改善工藝設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于改進(jìn)工藝流程以及采用什么方法進(jìn)行工藝流程設(shè)計(jì)。

1.2 工業(yè)4.0戰(zhàn)略介紹

1.2.1 工業(yè)4.0概念

工業(yè)4.0是德國(guó)政府提出的高科技戰(zhàn)略計(jì)劃，其目的在于通過(guò)充分利用數(shù)字化、信息化技術(shù)，以信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)作為技術(shù)基礎(chǔ)，將制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。該戰(zhàn)略主要包括2大部分，即智能工廠與智能生產(chǎn)。智能工廠重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及過(guò)程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；智能生產(chǎn)主要研究企業(yè)的生產(chǎn)物流管理、人機(jī)工程等技術(shù)的應(yīng)用。

按照工業(yè)4.0工作組所做的《Recommendations for implementing the strategic initiative INDUSTRIE 4.0》結(jié)案報(bào)告中對(duì)工業(yè)4.0的定義，工業(yè)4.0是繼機(jī)械化、工業(yè)化、自動(dòng)化之后的第四代產(chǎn)業(yè)革命，其基本元素為信息物理系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)3C（Computing、Communication、Control）技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)[3]。

1.2.2 工業(yè)4.0的典型應(yīng)用雛形

根據(jù)工業(yè)4.0的概念定義，目前工業(yè)4.0的一些典型應(yīng)用雛形主要有：生產(chǎn)流程創(chuàng)新、虛擬組織團(tuán)隊(duì)、企業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用、生產(chǎn)系統(tǒng)建模等[4]。其中，生產(chǎn)流程創(chuàng)新主要是企業(yè)管理的戰(zhàn)略層面，虛擬組織團(tuán)隊(duì)主要是圍繞項(xiàng)目的組織模式，企業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用、生產(chǎn)系統(tǒng)建模是具體實(shí)現(xiàn)方式，本文將重點(diǎn)關(guān)注后二者。

企業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用通過(guò)日常采集生產(chǎn)過(guò)程中的各類(lèi)活動(dòng)數(shù)據(jù)，如工序開(kāi)工時(shí)間、完工時(shí)間、質(zhì)量指標(biāo)、訂單數(shù)量、交付數(shù)量、工人數(shù)量、技能分布、薪酬情況等，分析其中的內(nèi)在關(guān)系，為企業(yè)決策提供支持。

企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建模主要包括工藝流程的建模與物流系統(tǒng)的建模，是數(shù)字化企業(yè)、智能企業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)，該技術(shù)通過(guò)對(duì)影響生產(chǎn)制造的關(guān)鍵參數(shù)，如訂單、時(shí)間、質(zhì)量、產(chǎn)量、庫(kù)存、人員等按照離散事件系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行生產(chǎn)過(guò)程建模，進(jìn)行產(chǎn)能分析、裝配線平衡、供應(yīng)鏈平衡、人力資源平衡設(shè)計(jì)。值得注意的是，生產(chǎn)系統(tǒng)建模是上述關(guān)鍵參數(shù)、變量等企業(yè)大數(shù)據(jù)與信息化系統(tǒng)PDM、ERP、MES的深入交聯(lián)應(yīng)用。

1.3 飛機(jī)總裝與工業(yè)4.0思想的契合點(diǎn)

航空制造業(yè)是以復(fù)雜系統(tǒng)為生產(chǎn)對(duì)象的高端制造業(yè)，考驗(yàn)的是一個(gè)國(guó)家的綜合集成設(shè)計(jì)能力，代表了整個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力，大量的前沿技術(shù)首先在航空產(chǎn)品上進(jìn)行應(yīng)用。

飛機(jī)總裝以手工作業(yè)為基本手段，看似與工業(yè)4.0倡導(dǎo)的智能工廠、智能生產(chǎn)無(wú)關(guān)。但由于飛機(jī)總裝的核心是產(chǎn)品信息、工藝信息、質(zhì)量信息、供應(yīng)鏈信息、知識(shí)工程等綜合集成設(shè)計(jì)而來(lái)的總裝工藝流程，而工業(yè)4.0智能工廠、智能生產(chǎn)的基礎(chǔ)是基于工藝流程的企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)建模，手工裝配僅僅是按照設(shè)定工藝流程進(jìn)行操作的執(zhí)行層，這也契合了工業(yè)4.0中對(duì)于生產(chǎn)智能化的必要條件的描述。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，飛機(jī)總裝就是未來(lái)航空制造業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。

2 飛機(jī)總裝工藝流程設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

總裝專業(yè)的核心技術(shù)是基于工藝流程的集成工藝設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)是離散事件系統(tǒng)建模仿真技術(shù)、裝配線及供應(yīng)鏈動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)。前者是后者的技術(shù)基礎(chǔ)，后者是在企業(yè)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的深入應(yīng)用。

2.1 離散事件系統(tǒng)建模仿真技術(shù)

圖2 德國(guó)工業(yè)4.0基本概念Fig.2 Basic concepts of industrie 4.0

飛機(jī)總裝配線是一個(gè)典型的離散事件系統(tǒng)，其中的工序（如開(kāi)始裝配、零件送達(dá)、故障、工序交檢等）都是狀態(tài)變化只發(fā)生在一些離散的時(shí)間點(diǎn)上，而在相鄰兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間系統(tǒng)狀態(tài)保持不變。

離散事件仿真按照設(shè)計(jì)好的工藝流程邏輯，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)改變參數(shù)化模型中的變量，引入特定優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果的優(yōu)化迭代，完成對(duì)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)心的對(duì)象在一定事件下響應(yīng)情況的建模[5]。圖3為運(yùn)用建模仿真技術(shù)進(jìn)行的F-35后機(jī)身裝配線工藝流程設(shè)計(jì)。

圖3 英國(guó)BAE Systems對(duì)F-35后機(jī)身脈動(dòng)裝配線建模仿真Fig.3 Process modelling and simulation of BAE systems F-35 aft fuselage assembly line

2.2 裝配線及供應(yīng)鏈動(dòng)態(tài)平衡技術(shù)

2.2.1 基于離線仿真的平衡分析

按照精益思想中的持續(xù)改進(jìn)原則，飛機(jī)總裝線在設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)一段時(shí)間運(yùn)營(yíng)可以發(fā)現(xiàn)工藝流程不合理的地方。在生產(chǎn)系統(tǒng)建模的前提下，采用了階段性、周期性的數(shù)據(jù)收集、迭代仿真分析，即離線仿真以找到生產(chǎn)系統(tǒng)的瓶頸，制定改進(jìn)措施，典型應(yīng)用如圖4所示。

2.2.2 基于在線仿真的平衡分析

由于階段性、周期性針對(duì)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行的離線仿真分析始終存在分析結(jié)果的滯后性（見(jiàn)圖5），按照工業(yè)4.0智能工廠的思想，就需要將企業(yè)信息化系統(tǒng)ERP、MES內(nèi)收集的飛機(jī)總裝配線上的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與仿真平臺(tái)進(jìn)行信息交互。這樣做的價(jià)值在于信息化系統(tǒng)中擁有當(dāng)前系統(tǒng)中所有原料、設(shè)備、工人、物流信息，系統(tǒng)記錄下來(lái)的數(shù)據(jù)就是實(shí)際工廠在運(yùn)行中的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)把此類(lèi)數(shù)據(jù)傳遞到仿真平臺(tái)中，就可以保證仿真模型的基礎(chǔ)就是實(shí)際數(shù)據(jù)，而不是估算或工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)；反之，仿真得到的仿真結(jié)果，例如每一架飛機(jī)的交付時(shí)間、工裝設(shè)備的利用率、工人的繁忙率等指標(biāo)通過(guò)數(shù)據(jù)交互都能反映到信息化系統(tǒng)中，信息化系統(tǒng)根據(jù)仿真預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，或者可能出現(xiàn)的問(wèn)題調(diào)整MES當(dāng)前的工序詳細(xì)調(diào)度、生產(chǎn)單元分配、作業(yè)人員調(diào)度等，避免出現(xiàn)仿真發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題。這時(shí)的系統(tǒng)交互情況如圖6所示[6]。

圖4 生產(chǎn)系統(tǒng)繁忙、空閑、堵塞情況仿真分析結(jié)果示例Fig.4 Simulation analysis results sample of busy, idle, blocked in production system

圖5 采用離線仿真進(jìn)行流程改進(jìn)Fig.5 Process improvement using off-line simulation

圖6 采用實(shí)時(shí)在線仿真的模式Fig.6 Mode of real-time simulation

要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，首先要保證的條件是：

（1）仿真平臺(tái)與信息化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞，不僅包括仿真平臺(tái)所需參數(shù)的實(shí)時(shí)讀取，也包括仿真平臺(tái)實(shí)時(shí)回傳結(jié)果數(shù)據(jù)到信息化系統(tǒng)中。

（2）仿真過(guò)程與實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程的時(shí)間同步性：一般來(lái)說(shuō)，實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行速度都會(huì)慢于流程仿真過(guò)程，而實(shí)時(shí)的要求則是仿真與實(shí)際同步進(jìn)行，因此需要尋求適當(dāng)?shù)慕鉀Q方式來(lái)解決時(shí)間同步的問(wèn)題。

2.3 企業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用

在智能工廠的理想環(huán)境下，企業(yè)工藝流程優(yōu)化改進(jìn)決策具有自主判斷、自動(dòng)推薦的功能，這主要取決于企業(yè)大數(shù)據(jù)的應(yīng)用。圖7是某項(xiàng)目裝配線的流程建模仿真基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入，可以看出生產(chǎn)制造中的每一個(gè)流程環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都通過(guò)企業(yè)信息化系統(tǒng)進(jìn)行了收集，為后續(xù)仿真分析、智能決策做準(zhǔn)備。

圖7 裝配線上的企業(yè)大數(shù)據(jù)樣例Fig.7 Big data sample from assembly line in the enterprise

2.4 目前的技術(shù)差距

圖8通過(guò)對(duì)比的方式，對(duì)工業(yè)4.0概念內(nèi)容與現(xiàn)在技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行了比較?？梢钥闯?，目前飛機(jī)總裝工藝流程設(shè)計(jì)正處于工業(yè)4.0的雛形階段。

圖8 工藝流程建模仿真在工業(yè)4.0模式與目前模式的對(duì)比Fig.8 Comparison of industrie 4.0 and current mode in process modelling and simulation

雖然有學(xué)者認(rèn)為德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略的智能工廠、智能生產(chǎn)可在2025年左右實(shí)現(xiàn)，但其實(shí)很多工業(yè)4.0的技術(shù)在航空制造業(yè)中已經(jīng)處于初步應(yīng)用階段，要過(guò)渡到工業(yè)4.0主要是考驗(yàn)多項(xiàng)技術(shù)的集成能力，即信息物理系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)和實(shí)施。

3 飛機(jī)總裝配線建模仿真初步應(yīng)用

如前所述，工業(yè)4.0一些應(yīng)用的基本雛形已經(jīng)在航空制造業(yè)中萌芽。下文就飛機(jī)總裝配線工藝流程建模仿真的應(yīng)用情況進(jìn)行初步案例分析。

3.1 國(guó)內(nèi)飛機(jī)總裝配線現(xiàn)狀

圖9 70年代美國(guó)F-16飛機(jī)的固定式裝配線Fig.9 F-16 fixed final assembly line in 1970s USA

目前，國(guó)內(nèi)總裝配專業(yè)依舊采用傳統(tǒng)的固定式裝配工藝流程，其具體形式類(lèi)似于早期的F-16總裝配模式，如圖9所示。

固定式裝配的主要問(wèn)題體現(xiàn)在這種生產(chǎn)組織模式中的技術(shù)與生產(chǎn)的脫節(jié)，沒(méi)有一種緊耦合的形式來(lái)促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)工藝、計(jì)劃、調(diào)度、質(zhì)控甚至分配的深度融合。

3.2 工藝設(shè)計(jì)和改進(jìn)策略

針對(duì)上述問(wèn)題，制定工藝流程設(shè)計(jì)初步改進(jìn)策略和措施：（1）采用 “識(shí)別-整理-排序”的策略，對(duì)現(xiàn)行工藝流程進(jìn)行測(cè)量和梳理；（2）重新定義“裝配線”、“子裝配線”流程，重構(gòu)MBOM頂層結(jié)構(gòu)；（3）針對(duì)飛機(jī)主“裝配線”特點(diǎn)，合理劃分站位，調(diào)整廠房工藝布局，分階段逐步實(shí)施；（4）根據(jù)“裝配線”、“子裝配線”流程和站位定義，對(duì)人力資源進(jìn)行仿真規(guī)劃；（5）新設(shè)計(jì)物流配送體系和策略。

3.3 定義問(wèn)題和研究對(duì)象

圖10 生產(chǎn)系統(tǒng)建模仿真流程Fig.10 Work flow of production system modelling and simulation

根據(jù)裝配線建模仿真一般流程，具體仿真的流程如圖 10所示[7]。

表1 仿真問(wèn)題定義

由于實(shí)際飛機(jī)總裝配線的復(fù)雜性與仿真技術(shù)的限制，不可能在仿真模型中事無(wú)巨細(xì)地重現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)做一些簡(jiǎn)化假設(shè)可以大大降低仿真的難度，并且可以得到滿意精度的仿真結(jié)果[8]。因此，這里主要假設(shè)的參數(shù)有：工人技能參數(shù)關(guān)系、各班次下的全年工作日、飛機(jī)總生產(chǎn)周期、系列機(jī)投產(chǎn)比例、試制產(chǎn)品與批產(chǎn)的關(guān)系、工段人力資源配置、物流配送周期（見(jiàn)表1）。

3.4 建立理性概念模型

圖11 Witness仿真工具中建立的4站位理想模型Fig.11 4 stations conceptual ideal model in witness simulation software

假設(shè)采用4站位的總裝配線，按自上而下的原則先建立段位模型，即主裝配線站位的理想概念模型如圖11所示（其中所有時(shí)間參數(shù)均轉(zhuǎn)換為仿真時(shí)鐘的對(duì)應(yīng)時(shí)間）。

3.5 理想模型初步仿真分析

3.5.1 假設(shè)情況一

圖12 假設(shè)一的參數(shù)輸入Fig.12 Input parameters of hypothesis 1

假設(shè)4個(gè)站位節(jié)拍均為10天，各站位故障率較低，且部裝交付周期小于等于總裝站位節(jié)拍（見(jiàn)圖12），則仿真分析得到在全年250個(gè)工作日，4站位理想模型下，8h工作制的年產(chǎn)量為18架，16h工作制的年產(chǎn)量為40架（見(jiàn)圖 13）。

圖13 假設(shè)一的仿真分析結(jié)果Fig.13 Simulation analysis results of hypothesis 1

圖14 假設(shè)一的裝配線平衡性能分析Fig.14 Balance performance of assembly line for hypothesis 1

此時(shí)的裝配線平衡性能如圖14所示，站位間的空閑等待、故障造成的工序等待均較少。

3.5.2 假設(shè)情況二

圖15 假設(shè)二的參數(shù)輸入Fig.15 Input parameters of hypothesis 2

假設(shè)4個(gè)站位節(jié)拍實(shí)際不相同，各站位故障率較高，且部裝交付周期大于總裝站位節(jié)拍（見(jiàn)圖15），則在全年250個(gè)工作日，4站位理想模型下，8h工作制的年產(chǎn)量為12架，16h工作制的年產(chǎn)量為29架（見(jiàn)圖16）。此時(shí)的裝配線平衡性能如圖17所示，出現(xiàn)了大量站位間的空閑等待，第一站位中故障造成的工序等待較多。

圖16 假設(shè)二的仿真分析結(jié)果Fig.16 Simulation analysis results of hypothesis 2

圖17 假設(shè)二的裝配線平衡性能分析Fig.17 Balance performance of assembly line for hypothesis 2

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)4.0戰(zhàn)略的兩大主題智能工程與智能生產(chǎn)在目前航空制造業(yè)中已經(jīng)初具雛形?？梢灶A(yù)見(jiàn)，飛機(jī)制造作為高端制造業(yè)，在不遠(yuǎn)的將來(lái)具備在我國(guó)率先實(shí)現(xiàn)信息物理系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，進(jìn)而帶動(dòng)制造產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型升級(jí)。而以工藝流程為核心關(guān)注的飛機(jī)總裝，作為航空制造產(chǎn)業(yè)鏈的末端環(huán)節(jié)正是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0所倡導(dǎo)的智能制造的切入點(diǎn)和突破口。工藝流程仿真建模、裝配線性能平衡、企業(yè)大數(shù)據(jù)應(yīng)用等是未來(lái)一段時(shí)間航空制造業(yè)需要重點(diǎn)關(guān)注和發(fā)展的技術(shù)，是企業(yè)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

[1] 托馬斯·保爾漢森 (Bauernhansl T.).實(shí)施工業(yè)4.0:智能工廠的生產(chǎn)·自動(dòng)化·物流及其關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用遷移和實(shí)戰(zhàn)案例.北京:電子工業(yè)出版社,2015.

[2] 《航空制造工程手冊(cè)》總編委會(huì).航空制造工程手冊(cè)（第2版）-飛機(jī)裝配.北京:航空工業(yè)出版社, 2010.

[3] Industrie 4.0 Working Group. Recommendations for implementing the strategic initiative Industie 4.0. The Final Report,National Academy of Science and Engineering, 2013.

[4] 華制國(guó)際.德國(guó)工業(yè)4.0：生產(chǎn)流程創(chuàng)新[EB/OL]. (2014-07-16)[2015-06-29]. www.micc.cn.

[5] AVERILL M L. Simulation Modeling and Analysis. 4th Ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2007.

[6] FRANCK F. Integration of witness with an MES to control a workshop in real time. Lanner user conference, Department of Industrial Engineering, Think Tank, Birmingham, UK, 2008.

[7] ROBINSON S. Successful simulation-a practical approach to simulation projects, New York: John Wiley & Sons, 1994.

[8] ROBINSON S. Simulation: the practice of model development and use, Chichester, John Wiley & Sons, 2004.