工業(yè)4.0在航空制造業(yè)的應(yīng)用

殷 俊

（中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司，成都 610091）

0 引言

“工業(yè)4.0”是指在2011年德國的漢諾威工業(yè)博覽會上提出的以實現(xiàn)智能生產(chǎn)為主要目標的第四次工業(yè)革命。德國之所以將此次改革稱為“工業(yè)4.0”是為了與之前的三次工業(yè)革命作比較。第一次工業(yè)革命源于18世紀末蒸汽機的誕生，使得機械制造替代了純手工制造；20世紀初期的第二次工業(yè)革命時代，人們利用發(fā)電機、電動機替代了原有的蒸汽機作為動力能源，大大地提高了工業(yè)的生產(chǎn)效率。第三次工業(yè)革命是指生產(chǎn)自動化，由計算機控制替代了人工控制，提高了控制速度和精度，同時減少了工人的重復(fù)勞動，工業(yè)生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量得到進一步提高。而“工業(yè)4.0”是指利用如今已經(jīng)非常發(fā)達的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及數(shù)據(jù)處理能力，通過傳感器以及嵌入式操作系統(tǒng)采集生產(chǎn)制造過程中的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理，并將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的快速、精準的調(diào)控，形成智能生產(chǎn)系統(tǒng)[1]。

航空制造業(yè)作為衡量國家工業(yè)發(fā)展的重要標志，是我國的戰(zhàn)略性高科技產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展程度直接影響著國家安全和國民經(jīng)濟的發(fā)展，因此，實現(xiàn)我國航空制造業(yè)的技術(shù)改革對保衛(wèi)國家安全、提高人民生活水平具有重要的戰(zhàn)略意義[2]。

“工業(yè)4.0”主要包括兩方面內(nèi)容，一方面是“智能工廠”，該方面主要研究利用信息技術(shù)對目前工業(yè)的生產(chǎn)流程進行優(yōu)化改造，實現(xiàn)全生產(chǎn)線的質(zhì)量監(jiān)控。例如當前航空制造業(yè)在生產(chǎn)中出現(xiàn)生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量問題時，大多數(shù)只能依靠有經(jīng)驗的工人，對生產(chǎn)過程逐個進行檢驗得到問題所在，這種方式往往不僅費時費力，還存在問題定位不準確的缺陷；而在未來的“工業(yè)4.0”時代，每個產(chǎn)品從剛剛生產(chǎn)開始，便會獲得唯一的編號，我們將對每一個生產(chǎn)的產(chǎn)品進行實時的質(zhì)量監(jiān)控與跟蹤。另一方面是“智能生產(chǎn)”，該方面主要涉及整個企業(yè)的生產(chǎn)以及物流管理，通過市場調(diào)研、大數(shù)據(jù)分析等手段，根據(jù)市場需求動態(tài)調(diào)整生產(chǎn)產(chǎn)品與目標，從而提高資源配置效率，提高企業(yè)市場競爭力[3]。

1 工業(yè)4.0的特性

德國的“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略本質(zhì)是通過互聯(lián)網(wǎng)和物理信息系統(tǒng)實現(xiàn)制造業(yè)由信息化向智能化的轉(zhuǎn)變，從而構(gòu)建一種高度靈活的柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，其特性主要表現(xiàn)在互聯(lián)性、創(chuàng)新性、集成性以及大數(shù)據(jù)四個方面[4]。

1.1 互聯(lián)性

“工業(yè)4.0”的核心內(nèi)容是實現(xiàn)設(shè)備之間的互聯(lián)。主要表現(xiàn)在生產(chǎn)設(shè)備之間、設(shè)備和產(chǎn)品之間、虛擬和現(xiàn)實之間的互聯(lián)三個方面。生產(chǎn)設(shè)備之間的互聯(lián)即利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將具有不同功能的單機智能設(shè)備連接在一起組成智能車間和工廠，使位于不同地域的生產(chǎn)線、車間、工廠、能夠?qū)崟r的通信從而組成一個龐大的智能生產(chǎn)系統(tǒng)；智能工廠的最終目標是實現(xiàn)工廠的自行運轉(zhuǎn)，設(shè)備和產(chǎn)品之間的互聯(lián)指設(shè)備和產(chǎn)品之間能夠互相交流，設(shè)備通過讀取產(chǎn)品的信息可以獲得下一步的操作指令，使整個生產(chǎn)系統(tǒng)更加智能，最終實現(xiàn)智能生產(chǎn)；物理信息融合系統(tǒng)作為“工業(yè)4.0”最本質(zhì)的內(nèi)容，它通過將單機智能設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的連接實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)世界和物理世界的融合，使這些智能設(shè)備具有自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)和遠程協(xié)助等功能[5]?！肮I(yè)4.0”發(fā)展的最終目標是使所有的產(chǎn)品和設(shè)備都成為一個網(wǎng)絡(luò)終端，實現(xiàn)人、設(shè)備、產(chǎn)品的互聯(lián)，使彼此之間可以實時的實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換功能。

1.2 集成性

“工業(yè)4.0”通過物理信息系統(tǒng)將生產(chǎn)系統(tǒng)中的傳感器、控制系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備連接在一起形成一個智能網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)工業(yè)的橫向、縱向以及端到端的高度集成。

“工業(yè)4.0”縱向集成的目標就是實現(xiàn)工廠內(nèi)部從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、物流運輸以及使用維護等環(huán)節(jié)信息無縫連接，這是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的基礎(chǔ)；在以前的工業(yè)生產(chǎn)模式中，企業(yè)一般只是追求自身內(nèi)部環(huán)節(jié)的連接與協(xié)同，但是在“工業(yè)4.0”的應(yīng)用過程中，要實現(xiàn)從企業(yè)內(nèi)部信息集成向產(chǎn)業(yè)鏈信息集成的轉(zhuǎn)變，使企業(yè)間的合作更加緊密。

1.3 創(chuàng)新性

“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)應(yīng)用的過程就是航空制造技術(shù)不斷發(fā)展創(chuàng)新的過程，其主要表現(xiàn)在技術(shù)、產(chǎn)品、模式創(chuàng)新等方面。

技術(shù)創(chuàng)新主要指傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)、人工智能技術(shù)、無線通信技術(shù)等方面的創(chuàng)新，為建設(shè)智能工廠奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)；產(chǎn)品創(chuàng)新即實現(xiàn)產(chǎn)品的智能化，將信息通信技術(shù)和傳感器技術(shù)融入到產(chǎn)品中，使產(chǎn)品具有感知、存儲、傳輸?shù)裙δ埽荒Ｊ絼?chuàng)新主要包括模式創(chuàng)新和組織創(chuàng)新兩個方面，由于單機智能設(shè)備利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實現(xiàn)自由的、動態(tài)的組合，以滿足不同的制造需求，因此，未來的生產(chǎn)模式將實現(xiàn)由大批量生產(chǎn)向個性化定制的轉(zhuǎn)變。

1.4 大數(shù)據(jù)

“工業(yè)4.0”的大數(shù)據(jù)是指智能制造設(shè)備在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量與生產(chǎn)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，需要對這些數(shù)據(jù)信息進行快速的收集、處理并反饋至生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)之中，使生產(chǎn)能夠高效高質(zhì)的運行[6]。例如，生產(chǎn)設(shè)備在長時間使用后會出現(xiàn)一定的磨損，再加上生產(chǎn)過程中環(huán)境、材質(zhì)等因素的影響，導(dǎo)致生產(chǎn)出的產(chǎn)品精度下降，智能制造設(shè)備能夠及時的將這些數(shù)據(jù)信息傳遞給智能制造設(shè)備。智能制造設(shè)備在接收到這些數(shù)據(jù)后對其進行分析、判斷，并調(diào)整控制策略，以保證生產(chǎn)的順利進行。大數(shù)據(jù)處理技術(shù)直接影響著生產(chǎn)的智能化水平，是實現(xiàn)智能生產(chǎn)的關(guān)鍵要素。

2 工業(yè)4.0在航空制造業(yè)的應(yīng)用

“工業(yè)4.0”的核心是智能化，即利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)軟硬件設(shè)備與系統(tǒng)，建立貫通虛擬產(chǎn)品開發(fā)和現(xiàn)實制造執(zhí)行的智能化工廠，以企業(yè)橫向和縱向集成為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)過程提供多維信息和總體框架，實現(xiàn)制造業(yè)從自動化向智能化的飛躍?！肮I(yè)4.0”在航空制造業(yè)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是建設(shè)“智能工廠”，即重點研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)；二是實現(xiàn)“智能生產(chǎn)”，主要涉及智能檢測、人機互動以及3D等技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等[7～9]。

2.1 建設(shè)智能工廠

智能工廠是指通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將智能物理設(shè)備連接起來，使智能設(shè)備具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)調(diào)和自治五大功能。建設(shè)智能工廠的核心就是開發(fā)單機智能設(shè)備和實現(xiàn)單機智能設(shè)備的互聯(lián)。

單機智能設(shè)備主要指高度集成的模塊化的能進行自我控制并能獨立完成某些任務(wù)的執(zhí)行單元，其主要包括通信、檢測、控制、存儲以及執(zhí)行等功能[10]。通過通信單元能夠?qū)崿F(xiàn)機器和機器之間的溝通，并能產(chǎn)生和存儲相關(guān)的數(shù)據(jù)；檢測功能單元通過傳感器實時檢測設(shè)備當前的狀態(tài)信息并實時反饋給控制單元；控制單元根據(jù)控制規(guī)則和檢測單元反饋回來的信息部署任務(wù)并將任務(wù)發(fā)送給執(zhí)行單元；執(zhí)行單元接收到任務(wù)后操控物理對象。

在未來航空制造業(yè)的智能工廠中，即使最小的設(shè)備也有會一定程度的內(nèi)置功能。我們可以看到一些高度集成、低功耗、低成本、存儲和無線傳輸?shù)裙δ軜撕炠N在生產(chǎn)設(shè)備上。智能設(shè)備之間可以通過讀取彼此的標簽實現(xiàn)信息傳遞功能。以航空制造業(yè)的智能化裝配車間為例，當原件被送到裝配車間后，智能裝配機器人通過讀取元件的標簽可以獲得其參數(shù)信息以及該器件從哪來該送往何處，進而自動的選擇夾具，然后通過讀取裝配目標的標簽信息判斷該器件是否為目標需要的，最后通過讀取到的標簽信息自動規(guī)劃路徑，實現(xiàn)自動裝配功能。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示，智能化裝配系統(tǒng)的使用使裝配成本降低了30%，裝配失誤率降低了80%，裝配周期縮短了70%，極大地提高了裝配質(zhì)量和效率。

建造智能工廠的核心內(nèi)容是實現(xiàn)智能設(shè)備的互聯(lián)，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將工廠內(nèi)智能設(shè)備連接在一起，使得不同類型和功能的智能設(shè)備連接起來組成智能車間，最終再由不同功能的智能車間互聯(lián)組成智能工廠。這些單機智能設(shè)備、智能生產(chǎn)線、智能車間及智能工廠可以自由的、動態(tài)的組合，以滿足不斷變化的制造需求，形成高度柔性的生產(chǎn)方式，使高度快速的智能化生產(chǎn)成為可能。

由于智能單元配有傳感器和用以識別設(shè)備身份的標簽，并具有通訊功能，工廠管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)可以實時監(jiān)控智能設(shè)備的運行狀態(tài)以及所在的位置等信息，進而實現(xiàn)對工廠的監(jiān)控與管理。

航空制造業(yè)中智能工廠的互聯(lián)網(wǎng)連接方式和普通的互聯(lián)網(wǎng)不同，智能工廠利用互聯(lián)網(wǎng)相連接的最終目的是實現(xiàn)人與設(shè)備以及設(shè)備與設(shè)備之間的互聯(lián)，把不同的設(shè)備通過數(shù)據(jù)交換連接在一起，是工廠內(nèi)部的智能設(shè)備形成一個整體，進而實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。在這一階段，智能工廠通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接在一起可以更好地協(xié)調(diào)各個車間、工廠的生產(chǎn)，對提高航空制造業(yè)的生產(chǎn)效率、降低成本具有重大的意義。

2.2 智能生產(chǎn)

由于航空制造業(yè)具有材料難以切削、工藝及精度要求高、過程控制及檢測要求嚴格、多品種小批量等特點，使得航空制造業(yè)對制造過程的實時監(jiān)測以及柔性化生產(chǎn)有著迫切的需求。

“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)的最終目標是實現(xiàn)產(chǎn)品的智能生產(chǎn)。智能生產(chǎn)技術(shù)是在目前自動化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線傳感技術(shù)以及人工智能的基礎(chǔ)上，通過感知、人機交互、決策、執(zhí)行和反饋，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程、制造過程和企業(yè)管理的智能化，是信息技術(shù)和制造技術(shù)的深度融合與集成[11]。實現(xiàn)航空制造業(yè)的智能生產(chǎn)是一種目標，其最核心的部分就是實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)排序自動化、生產(chǎn)線自動化、測試檢測自動化、裝配自動化等。

智能生產(chǎn)是一種目標，就是全面實現(xiàn)生產(chǎn)智能化。生產(chǎn)過程中，智能生產(chǎn)系統(tǒng)能夠?qū)⒅悄軉螜C設(shè)備存儲的信息進行管理和分析，在無人或者較少人參與的情況下利用這些數(shù)據(jù)提高生產(chǎn)效率、降低成本以及增加生產(chǎn)的靈活性，最終實現(xiàn)智能生產(chǎn)。

以數(shù)控加工車間為例，在對飛機的零部件進行切割時，無論其設(shè)計如何精準，在實際的切割過程中如果道具或者其他設(shè)備出現(xiàn)問題，都會導(dǎo)致零部件產(chǎn)品的加工偏差。而在智能生產(chǎn)過程中，在零部件進行切割之前就能預(yù)測出能否實現(xiàn)準確切割，并在加工工程中實現(xiàn)設(shè)備的實時監(jiān)測，一旦設(shè)備或產(chǎn)品即將出現(xiàn)偏差，智能檢測系統(tǒng)能夠及時的自動修復(fù)及調(diào)整設(shè)備，使之加工出來的產(chǎn)品滿足航天工業(yè)精度要求。

航天制造業(yè)實現(xiàn)智能化生產(chǎn)還依賴于另一項重要技術(shù)：3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。以航天制造業(yè)的鑄造車間為例，大多數(shù)情況下，即使在實時監(jiān)測的生產(chǎn)環(huán)境中，產(chǎn)品的精度也無法達到100%的準確度。但是采用3D打印技術(shù)，工人只需要輸入需要加工的零部件的3D模型，智能制造系統(tǒng)便可以立即將產(chǎn)品制造出來。由于3D打印技術(shù)采用增材制造（過去的車銑刨磨是減材制造），它不僅可以將產(chǎn)品生產(chǎn)出來，而且還可以在保證產(chǎn)品精度的前提下修補生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的缺陷，避免浪費。

智能產(chǎn)品也是“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)應(yīng)用的一個重要體現(xiàn)。智能工廠生產(chǎn)出來的半成品或者產(chǎn)品應(yīng)該自身信息存儲、自我檢測、無線傳輸?shù)裙δ?。智能產(chǎn)品內(nèi)置的存儲功能可以存儲產(chǎn)品的工藝參數(shù)、加工過程、測試結(jié)果等數(shù)據(jù)，外部設(shè)備將不再是記錄產(chǎn)品數(shù)據(jù)的唯一手段；智能產(chǎn)品的自我檢測功能可以實時的對自身進行檢測，一旦檢測到故障信號，及時的將故障內(nèi)容和原因通過自身的無線傳輸功能傳送到智能管理系統(tǒng)。由于航空制造業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，智能產(chǎn)品的自我檢測可以大大提高檢測準確度，減輕工人的工作負擔(dān)。

3 技術(shù)要求

目前，“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段，想要完成智能工廠的建設(shè)還有許多問題亟待解決。由于“工業(yè)4.0”涉及到系統(tǒng)工程、工業(yè)工程、軟件工程等多個學(xué)科的綜合運用，所以想要解決目前所面臨的問題還有很長的路要走，下面總結(jié)出目前“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)應(yīng)用中所面臨的主要問題。

3.1 行業(yè)標準制定[12]

若想實現(xiàn)“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)的應(yīng)用，就必須解決各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溝通以及銜接問題。目前航空制造業(yè)涉及到機械、材料、信息、自動化等多個復(fù)雜的領(lǐng)域，雖然在各個領(lǐng)域已經(jīng)存在通用的既定標準，但是不同領(lǐng)域之間的標準需要進一步調(diào)整和制定。而行業(yè)標準的制定可以大大提高產(chǎn)品從一級生產(chǎn)到下一級的生產(chǎn)效率。

3.2 非接觸式檢測

由于航空制造業(yè)具有工藝及精度要求高的特性，因此檢測技術(shù)是工業(yè)升級中所要解決的重要問題?！肮I(yè)4.0”的一大特點就是實現(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)線實時監(jiān)控，因此對質(zhì)量檢測也提出了更高的要求，需要達到高效率、高精度的檢測。傳統(tǒng)的接觸式檢測雖然在精度方面相較于非接觸式檢測存在一定優(yōu)勢，但是由于其效率遠低于非接觸式測量，無法滿足“工業(yè)4.0”的要求。因此穩(wěn)定、高效的無線檢測技術(shù)是實現(xiàn)“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)應(yīng)用的了基礎(chǔ)。

3.3 工業(yè)機器人

工業(yè)機器人作為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)自動化、智能化的重要工具，在實現(xiàn)“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用。目前工業(yè)生產(chǎn)過程中，依舊是以工人勞動為主導(dǎo)，機器人只是起到輔助作用。若想用機器人逐漸替代工人進行生產(chǎn)對以下兩個方面技術(shù)提出了很高的要求。

1）復(fù)雜裝配問題。目前工業(yè)機器人已經(jīng)可以在簡單重復(fù)性工作（如噴漆、弧焊、電焊、堆垛等）上很好的替代工人，但是面對體積小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的對象時，工業(yè)機器人依舊無能為力。2）柔性問題。目前工業(yè)機器人大多數(shù)均為完全剛性的，因此導(dǎo)致其一旦出現(xiàn)誤差將會導(dǎo)致工件或者其自身遭到損壞。

3.4 自動識別技術(shù)

“工業(yè)4.0”追求物聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)網(wǎng)相融合，生產(chǎn)線上的產(chǎn)品不僅僅是單方面接受檢測，還可以與生產(chǎn)設(shè)備相互通信，主動發(fā)送信息。智能工廠中，設(shè)備與設(shè)備之間的“交流”都是通過讀取彼此的標簽信息進行的，因此自動識別技術(shù)尤其是條形碼和無線射頻技術(shù)，是實現(xiàn)“工業(yè)4.0”不可缺少的部分。無線射頻技術(shù)相對于條形碼技術(shù)除了具有非接觸性外的優(yōu)勢外，還可以存儲溫度、濕度等信息。但是由于考慮到成本的因素，目前工廠仍然在廣泛應(yīng)用條形碼技術(shù)。因此要實現(xiàn)“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)的應(yīng)用還需研究開發(fā)低成本、低功耗的無線射頻技術(shù)[13]。

3.5 網(wǎng)絡(luò)安全與可靠性問題

安全和保密問題是軍工企業(yè)的產(chǎn)生系統(tǒng)的首要設(shè)計原則。一旦軍工企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)遭受到黑客的攻擊，將對國家的安全和國民經(jīng)濟造成不可估量的影響。因此，要實現(xiàn)“工業(yè)4.0”在航空制造業(yè)的發(fā)展首先要研究可靠安全的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以妥善處理好保密安全問題。

4 結(jié)論

由于我國航空制造業(yè)目前面臨著資源使用效率低，環(huán)境壓力大，人力成本、運營費用高等多種問題，以智能生產(chǎn)為核心的“工業(yè)4.0”是未來航空制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢?！肮I(yè)4.0”具有資源配置效率高，對市場需求變化響應(yīng)快，人力成本與物流成本低等諸多優(yōu)點。但是，我國航空制造業(yè)存在基礎(chǔ)較為貧乏，高新技術(shù)落后的情況，因此在此次變革過程中，應(yīng)當發(fā)揮自己市場巨大，擅長數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢，拉動航空制造業(yè)改革，最終借助此次機會縮小與發(fā)達國家的差距，甚至實現(xiàn)“彎道超車”。

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