航空企業(yè)智能設計水平評價體系研究

姜佳俊，張巖濤，李學常，趙辛雨，吳燦輝

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

航空企業(yè)智能設計水平評價體系研究

姜佳俊，張巖濤，李學常，趙辛雨，吳燦輝

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

目前國內在航空企業(yè)智能設計水平評價方面還沒有一個比較完整的評價指標體系，因此對各企業(yè)的智能設計能力也沒有明顯的界定。通過對航空企業(yè)智能設計發(fā)展方向的分析，構建了智能設計水平評價模型和指標體系，并在此基礎上給出了航空企業(yè)智能設計水平評價的操作流程和計算方法，最后給出某航空企業(yè)的評價實例，驗證了本評價方案的可行性和有效性。

航空企業(yè)；智能設計；水平評價

0 引言

為了加快推動新一代信息技術與制造技術融合發(fā)展，《中國制造2025》把智能制造作為主攻方向：著力發(fā)展智能產(chǎn)品和智能裝備，推進生產(chǎn)過程數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化，培育新型生產(chǎn)方式和產(chǎn)業(yè)模式，全面提升企業(yè)設計、生產(chǎn)、管理和服務的智能化水平。航空制造業(yè)作為“工業(yè)之花”，其智能化水平一定程度上代表了中國智能制造的能力[1]。

智能制造是一個長期發(fā)展和推進的過程，目前不同航空企業(yè)內部智能化水平發(fā)展不均衡，因此為了分析判斷不同航空企業(yè)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀、水平，制定規(guī)劃及發(fā)展戰(zhàn)略，需要智能制造評價指標及評估方法，為各個企業(yè)提供一個指導、考評本企業(yè)智能制造發(fā)展水平的工具，找好自身在智能制造中的定位，為企業(yè)制定智能制造發(fā)展規(guī)劃提供依據(jù)，分階段分步驟實現(xiàn)中國智能制造所設定的目標[2]。

設計環(huán)節(jié)作為智能制造前端用戶需求和后端生產(chǎn)的銜接環(huán)節(jié)，其智能化程度直接影響著智能制造目標的實現(xiàn)，面對未來設計制造一體化的趨勢，我們需要將設計作為智能制造的一個重要環(huán)節(jié)進行綜合考量和評估，因此，本文針對航空企業(yè)的產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)提出智能設計的能力等級評價模型和方法，主要用于航空企業(yè)智能設計能力水平的評價。

1 航空企業(yè)智能設計發(fā)展方向

航空產(chǎn)品是典型的復雜產(chǎn)品，其設計過程與普通的工業(yè)產(chǎn)品設計過程有著很大的差別，可以說航空產(chǎn)品的設計是集工業(yè)產(chǎn)品設計之大成者。航空產(chǎn)品由于其研制過程的復雜性，越來越多的使用虛擬化技術以及跨區(qū)域的協(xié)同研制技術，集成不同企業(yè)的研發(fā)優(yōu)勢，降低成本。同時隨著智能制造以及通用航空的快速發(fā)展，客戶快速個性化定制的需求越來越強烈，大量設計知識的固化和重用有利于實現(xiàn)設計的智能化和個性化。因此隨著工業(yè)化和信息化的深度融合以及智能制造工程的推進，航空企業(yè)智能設計發(fā)展趨勢大致可以歸納為五個方向：個性化、知識化、模型化、協(xié)同化和虛擬化。

圖1 航空企業(yè)智能設計發(fā)展方向

1）個性化

面對當今世界航空產(chǎn)品的快速發(fā)展，尤其是通用航空領域的迅速崛起，消費者對航空產(chǎn)品的需求也與日俱增。而面對如此龐大而復雜的客戶群體，航空產(chǎn)品的個性化定制必將成為未來航空企業(yè)智能設計的一個重要方向和支撐業(yè)務。而航空產(chǎn)品屬于典型的復雜產(chǎn)品系統(tǒng)，產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)的一個小小改動也許會影響產(chǎn)品的整體設計，如何在保證客戶個性化需求的前提下又能盡量減少產(chǎn)品的研制周期，這對航空企業(yè)的產(chǎn)品設計提出了較高的要求。要實現(xiàn)航空產(chǎn)品大規(guī)模定制的基礎上更多的個性化內容，首先必須在航空產(chǎn)品的設計方面實現(xiàn)標準化、參數(shù)化、模塊化的設計方法[3]?？v觀航空業(yè)的發(fā)展，航空產(chǎn)品的個性化設計的發(fā)展大致可以分為以下五個階段：

（1）整機設計階段；

（2）模塊化設計階段；

（3）參數(shù)化設計階段；

（4）基于參數(shù)的模塊化設計階段；

（5）基于知識庫的個性化定制階段。

2）知識化

設計從本質來說是一個知識提煉、存儲和運用的過程。因此，設計的知識化是力圖將設計者的經(jīng)驗提煉出來，建立相應的知識庫，其基本模式是基于知識庫的推理機制[4]。航空產(chǎn)品作為典型的復雜產(chǎn)品，其設計過程本身包含了大量的知識，而智能設計的實現(xiàn)離不開對這些設計知識的固化、存儲、推理、創(chuàng)新，最終實現(xiàn)基于設計知識庫自動推理創(chuàng)新的航空產(chǎn)品智能設計。設計的知識化大致可以分為以下五個階段：

（1）人工經(jīng)驗的記錄階段；

（2）設計知識的固化存儲階段；

（3）設計知識的結構化存儲階段；

（4）知識庫與研發(fā)平臺的集成階段；

（5）設計知識的自主推理創(chuàng)新階段。

3）模型化

自大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)以來，產(chǎn)品設計過程已經(jīng)從完全基于二維圖紙的設計演變成基于全三維模型的設計，航空產(chǎn)品的設計過程中率先以基于模型的定義（Model Based Definition，MBD）技術實現(xiàn)了產(chǎn)品設計的全三維數(shù)字化，徹底取消了二維工程圖樣，使三維模型作為協(xié)同設計、制造和檢驗的唯一授權數(shù)據(jù)。未來的航空產(chǎn)品設計都會基于三維設計模型展開，并構建各個環(huán)節(jié)對應的業(yè)務模型，比如工藝設計環(huán)節(jié)會存在工藝模型，制造環(huán)節(jié)會存在制造模型，裝配環(huán)節(jié)會構建裝配模型[5,6]。產(chǎn)品的整個生產(chǎn)周期都將是基于模型而開展工作。航空產(chǎn)品設計模型化的發(fā)展階段大致可以分為：

（1）計算機輔助二維設計階段；

（2）計算機輔助三維設計階段；

（3）基于模型的定義階段；

（4）基于模型的設計制造一體化階段；

（5）基于模型的產(chǎn)品全生命周期管理階段。

4）協(xié)同化

航空產(chǎn)品的研制過程涉及結構、強度、氣動、試驗、工藝、制造、裝配等多個學科專業(yè)，需要不同部門或者企業(yè)之間的協(xié)同工作才能滿足航空產(chǎn)品高效率、高質量和低成本的研制要求。因此，協(xié)同化也是航空企業(yè)智能設計發(fā)展的重要趨勢，航空企業(yè)的協(xié)同化不僅有產(chǎn)品設計不同專業(yè)之間、不同部件之間的設計協(xié)同，也包括設計與制造、維修、保障等業(yè)務環(huán)節(jié)的協(xié)同[7,8]。隨著航空產(chǎn)品設計協(xié)同化的發(fā)展，未來會向著跨平臺跨領域的全球協(xié)同邁進。航空企業(yè)設計協(xié)同化發(fā)展階段大致可分為：

（1）協(xié)同管理機制階段；

（2）設計內部的協(xié)同階段；

（3）設計與制造的并行協(xié)同階段；

（4）與供應商的協(xié)同研制階段；

（5）跨平臺跨領域的全球協(xié)同階段。

5）虛擬化

虛擬仿真技術以其投入少、風險小等優(yōu)點，已經(jīng)滲透進航空產(chǎn)品的概念研究、方案論證、分析設計、虛擬制造、模擬試飛、故障診斷直到運營投入等多個階段。通過在軟件平臺上模擬飛機、發(fā)動機等航空產(chǎn)品不同方面的工作狀況，能夠起到輔助設計、減少物理試驗、縮短研制周期、降低研制成本等作用，航空產(chǎn)品的虛擬仿真技術已成為航空產(chǎn)品研制的重要手段之一[7]。航空產(chǎn)品的虛擬仿真技術從以前的物理仿真到如今的基于三維模型仿真，未來更會向著在線虛擬仿真的方向發(fā)展，實現(xiàn)產(chǎn)品研制全過程的虛擬仿真。航空產(chǎn)品設計虛擬化發(fā)展階段大致可分為：

（1）人工推理驗證階段；

（2）自定義模型虛擬仿真階段；

（3）基于三維模型虛擬仿真階段；

（4）在線虛擬仿真和優(yōu)化階段；

（5）全生命周期的虛擬仿真階段。

2 航空企業(yè)智能設計水平評價模型

航空企業(yè)智能設計能力等級定義了智能設計的階段水平，描述了一個航空企業(yè)逐步向智能設計最終愿景邁進的路徑，代表了當前實施智能設計的程度，同時也是智能設計評估活動的結果。

按前文所述，航空企業(yè)智能設計發(fā)展趨勢分為五個方向，分別為個性化、知識化、模型化、協(xié)同化和虛擬化。對于每個發(fā)展方向，上文均梳理了相應的發(fā)展脈絡和階段劃分，因此，按照航空企業(yè)智能設計的發(fā)展方向，以及不同方向的階段劃分，本文提取了航空企業(yè)智能設計水平評價的模型。

航空企業(yè)智能設計能力水平分為五個等級，分別為：

入門級：基于設計經(jīng)驗開展計算機輔助二維設計，并制定產(chǎn)品設計相關標準規(guī)范，積累產(chǎn)品設計經(jīng)驗；

初級：實現(xiàn)計算機輔助三維設計及產(chǎn)品設計內部的協(xié)同，并且能夠實現(xiàn)對產(chǎn)品模塊的選型以及自定義模型的仿真；

中級：構建集成產(chǎn)品設計信息的三維模型，進行關鍵環(huán)節(jié)的三維模型仿真優(yōu)化，實現(xiàn)產(chǎn)品設計與工藝設計的并行協(xié)同以及設計知識的結構化存儲；

高級：實現(xiàn)基于模型的設計制造一體化以及基于參數(shù)的模塊化設計，建立與供應商之間的協(xié)同平臺以及產(chǎn)品全維度的仿真平臺；

特級：實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)、知識庫的產(chǎn)品設計云服務，實現(xiàn)產(chǎn)品個性化設計、協(xié)同化設計，將產(chǎn)品模型的應用貫穿于整個產(chǎn)品生命周期。

在該評價模型中，航空企業(yè)智能設計的不同能力等級評價依據(jù)均來源于五個發(fā)展方向所對應的階段。比如入門級的評價內容來源于五個發(fā)展方向的第一階段，以此類推。

3 航空企業(yè)智能設計水平評價指標

評價指標的確定是航空企業(yè)智能設計水平評價的基礎和關鍵，也是具體評價過程中的最主要依據(jù)，直接影響到評價結果，評價指標體系建立反映了航空企業(yè)設計能力的發(fā)展脈絡和目標。

根據(jù)上文中建立的航空產(chǎn)品智能設計水平評價模型，建立相應的評價指標體系。如下表所示。對航空企業(yè)智能設設計水平評價指標體系研究的關鍵問題是指標體系的構建及其相互關系的確立、指標評價值和權系數(shù)的確定以及合成關系的處理。

每個級別的評價指標對在該級別中的影響和作用是不完全相同的，因此在指標體系的建立過程中，需要綜合考慮各指標在該等級評價過程中所占比重。通過對不同航空企業(yè)調研以及專家研討的方式，確定了各項指標在不同等級評級中所占的比重，如表1所示。

4 航空企業(yè)智能設計水平評價方法

航空企業(yè)智能設計水平評價不同級別指標的計算方法如下：

其中，i表示能力水平等級，j表示指標項，m表示第i級的指標總數(shù)。

圖2 航空企業(yè)智能設計水平評價模型

Li為第i級的評價結果，ωiijj為第i級的第j項評價指標在企業(yè)產(chǎn)品應用中的覆蓋率（比如該指標在企業(yè)的50%產(chǎn)品中已經(jīng)展開應用，則該參數(shù)的設定是為了加速技術成果在全企業(yè)范圍內的推廣應用；kij為第i級的第j項評價指標在該級別中所占權重，Xij為第i級的第j項評價指標的實現(xiàn)情況。

表1 航空企業(yè)智能設計水平評價指標

同時以上參數(shù)滿足下列條件：

利用式(1)可以計算出航空企業(yè)在不同能力等級中所獲得的評價結果。同時，需要設定相應的評價閾值來判定評價結果是否達到該級別的能力水平。在評價閾值的設計過程中，為了將智能制造的成果在本企業(yè)中加速推廣應用，實現(xiàn)全企業(yè)范圍內產(chǎn)品的智能化，選取指標的應用覆蓋率ωiijj的閾值為0.6，即該項指標在60%的產(chǎn)品中實現(xiàn)應用。同時考慮不同企業(yè)的特殊性，未必所有的指標都是企業(yè)在智能制造建設過程中關注的重點，因此選取某一級別的指標實現(xiàn)情況為80%，由此確定評價指標的閾值為0.48。即規(guī)定當Li≥0.48時，該航空企業(yè)達到第i級的能力水平。

對航空企業(yè)進行智能設計的評價采用逐級遞進的評價方法，詳細的評價流程如圖3所示。在本評價方法中，需要從入門級開始計算評價指標，當計算結果達到該級別要求后，才能開始計算下一級別的評價指標。以此類推，直到某一級別的評價指標未達到該級別要求，則判定該企業(yè)智能設計水平達到前一級別。

圖3 智能設計水平評價流程

5 航空企業(yè)智能設計水平評價實例

基于上文提出的航空企業(yè)智能設計水平評價指標和方法，選取了某航空企業(yè)作為試點進行智能設計能力水平的綜合評價，評價指標結果如表2所示。

表2 某航空企業(yè)評價實例

該航空企業(yè)各等級計算結果為：

因此該航空企業(yè)達到的智能設計水平為中級，符合其處于航空領域智能設計中等水平的現(xiàn)狀。

6 結論

航空企業(yè)智能設計水平評價是一個綜合性問題，通過分析航空企業(yè)未來智能設計發(fā)展方向以及不同方向的發(fā)展脈絡，建立了航空企業(yè)設計水平評價模型，同時給出了水平評價模型的計算方法和流程，具有較強的實用性和可操作性，能夠有效指導航空企業(yè)設計能力的提升和改進，為智能制造的實現(xiàn)奠定基礎。

但本文所建立的指標體系是從航空企業(yè)智能設計發(fā)展的脈絡進行提取的模型，只針對航空企業(yè)的設計階段，后期將會從智能制造的其他環(huán)節(jié)入手，研究和提取智能制造所有環(huán)節(jié)的評價方法和指標，建立完整的智能制造評價體系和方法，為實現(xiàn)智能制造實現(xiàn)提供方向和指引。

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Research on level evaluation of intelligent design for aviation enterprises

JIANG Jia-jun, ZHANG Yan-tao, LI Xue-chang, ZHAO Xin-yu, WU Can-hui

TP391.7

A

1009-0134(2016)12-0104-05

2016-08-25

質檢公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費（201510202）

姜佳俊（1989 -），男，江蘇人，工程師，碩士，研究方向為航空制造業(yè)信息化。