國內(nèi)外智能制造的發(fā)展及對我國商用航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的啟示

蘇巧靈

（中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306）

2014年，智能制造引起全球廣泛關(guān)注，各大制造強(qiáng)國先后部署了制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略[1]。我國對于制造企業(yè)，要求重視數(shù)據(jù)和應(yīng)用的集成，通過協(xié)同商務(wù)管理、協(xié)同制造、協(xié)同設(shè)計，促進(jìn)企業(yè)內(nèi)部信息共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，提高產(chǎn)業(yè)鏈上下游的商務(wù)合作效率，通過信息系統(tǒng)集成和應(yīng)用實現(xiàn)商業(yè)模式創(chuàng)新，探索多樣化的先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用模式，促進(jìn)智能制造概念實施。

同時，中國第十三個五年規(guī)劃綱要(簡稱“十三五”)草案中的未來5年中國計劃實施的100個重大工程及項目名單，航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)排在百大工程之首，體現(xiàn)出國家對航空發(fā)動機(jī)工業(yè)的高度重視。一款先進(jìn)發(fā)動機(jī)從某種程度上決定了戰(zhàn)斗機(jī)等軍用飛機(jī)的性能高低，而航空發(fā)動機(jī)一直是制約國產(chǎn)軍用飛機(jī)的瓶頸，航空發(fā)動機(jī)及燃?xì)廨啓C(jī)被放到如此重要的地位，說明國家下定決心解決航空動力頑疾。

民用航空發(fā)動機(jī)被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)“皇冠上的明珠”，代表一個國家的工業(yè)技術(shù)發(fā)展水平[2]。航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)業(yè)的附加值遠(yuǎn)超其他產(chǎn)業(yè)，根據(jù)日本通產(chǎn)省2002年的統(tǒng)計報告，按單位重量價值比計算，如輪船是1，則小汽車是9，電子計算機(jī)為300，噴氣客機(jī)是800，航空發(fā)動機(jī)是1400。先進(jìn)航空產(chǎn)品附加值高，發(fā)達(dá)國家鼓勵和促進(jìn)航空業(yè)的發(fā)展，而通常的國際經(jīng)驗也說明，一個航空項目發(fā)展10年后會給當(dāng)?shù)貛淼男б媸牵寒a(chǎn)出比為1∶80，技術(shù)轉(zhuǎn)移比為1∶6，就業(yè)帶動比為1∶12[3]。在航空發(fā)動機(jī)行業(yè)發(fā)展智能制造，將帶動航空發(fā)動機(jī)全產(chǎn)業(yè)鏈向智能化方向發(fā)展，具有極其深遠(yuǎn)的影響及重大歷史意義。

未來10年，全球渦扇/渦噴發(fā)動機(jī)累計需求總量將超7.36 萬臺，總價值超4160 億美元；渦軸發(fā)動機(jī)累計需求總量超3.4 萬臺，總價值超190 億美元；渦槳發(fā)動機(jī)累計需求總量超1.6 萬臺，總價值超150 億美元；活塞發(fā)動機(jī)累計需求總量超3.3 萬臺，占60%以上通飛動力市場，總價值約30 億美元。同時，國內(nèi)干線客機(jī)對大型渦扇發(fā)動機(jī)的市場累計需求總量超6000 臺，總價值超500 億美元，而低空空域的開放也將進(jìn)一步刺激通用飛機(jī)對渦軸、活塞等發(fā)動機(jī)的需求量。

航空發(fā)動機(jī)的研制和生產(chǎn)是相當(dāng)漫長而艱苦的過程，全壽命周期需要經(jīng)歷研發(fā)、生產(chǎn)采購和使用維護(hù)3個階段。航空發(fā)動機(jī)的基本構(gòu)造包括風(fēng)扇、低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)、燃燒室、驅(qū)動壓氣機(jī)的高壓渦輪、驅(qū)動風(fēng)扇的低壓渦輪和排氣系統(tǒng)。航空發(fā)動機(jī)的制造還需要上游的高端金屬材料、動力控制系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)零部件等作為基礎(chǔ)。我國目前已基本建立了完整的航空發(fā)動機(jī)研制體系，只是在某些領(lǐng)域的技術(shù)還略顯不足。在軍用、民航和通航三大領(lǐng)域?qū)娇瞻l(fā)動機(jī)需求日益增加的背景下，我國自主研發(fā)的航空發(fā)動機(jī)相關(guān)產(chǎn)品挑戰(zhàn)與機(jī)遇并存。

目前，我國航空發(fā)動機(jī)行業(yè)仍處朝陽期；未來10 年，將是我國振興航空的發(fā)展新時期。在過去60 年創(chuàng)建航空發(fā)動機(jī)行業(yè)的基礎(chǔ)上，從21世紀(jì)的“十五”計劃開始展望，經(jīng)過30年的艱苦奮斗，完成從仿制到自行設(shè)計的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，開創(chuàng)中國航空發(fā)動機(jī)振興的新局面。2012 年7 月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)民航業(yè)發(fā)展的若干意見》，鼓勵民航業(yè)與航空工業(yè)形成科研聯(lián)動機(jī)制，加強(qiáng)適航審定和航空器運(yùn)行評審能力建設(shè)，健全適航審定組織體系。積極為大飛機(jī)戰(zhàn)略服務(wù)，鼓勵國內(nèi)支線飛機(jī)、通用飛機(jī)的研發(fā)和應(yīng)用。需要運(yùn)用數(shù)字化、信息化、智能化技術(shù)升級發(fā)動機(jī)生產(chǎn)線，實現(xiàn)設(shè)計、制造數(shù)字化交互協(xié)同，建成典型航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的智能化生產(chǎn)線，具備敏捷制造和柔性制造能力，滿足航空發(fā)動機(jī)快速研發(fā)和智能生產(chǎn)的需求。

智能制造的內(nèi)涵

工信部印發(fā)的《2015年智能制造試點示范專項行動實施方案》中給出了智能制造的明確定義[4]，指出“智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動各個環(huán)節(jié)，是具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運(yùn)營成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗”[5]。上述定義表明智能制造的概念包含“過程、系統(tǒng)、模式”3個層次，以“數(shù)據(jù)自感知、信息快速分析、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行”為功能特征，通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)流，從關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)和工廠兩個層面實現(xiàn)智能化，從而在綠色環(huán)?；A(chǔ)上，從速度、質(zhì)量、成本3個方面提升制造業(yè)核心競爭力。由于這種新的制造模式突出了知識在制造活動中的價值地位，而知識經(jīng)濟(jì)又是繼工業(yè)經(jīng)濟(jì)后的主體經(jīng)濟(jì)形式，所以智能制造就成為影響未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程的制造業(yè)重要生產(chǎn)模式。

智能制造是人工智能、先進(jìn)制造、信息化等技術(shù)在制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用，其發(fā)展是制造業(yè)發(fā)展需求和人工智能技術(shù)共同推動的結(jié)果。

從制造業(yè)發(fā)展的需求來看，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的性能大幅提升，功能多種多樣，結(jié)構(gòu)更趨向于復(fù)雜精細(xì)，隨著市場競爭日趨激烈，產(chǎn)品更新所需的設(shè)計和工藝的工作量明顯增加，造成企業(yè)生產(chǎn)線和設(shè)計內(nèi)部的信息流量增加，制造過程和管理決策的信息量暴漲。隨著這種趨勢的發(fā)展，制造企業(yè)由原先的能量驅(qū)動逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔Ⅱ?qū)動，提高制造企業(yè)對于爆炸性增長的信息處理的能力、效率及質(zhì)量成為了制造業(yè)技術(shù)發(fā)展的首要關(guān)鍵需求，制造系統(tǒng)必須具備一定的智能性，才能應(yīng)對大量復(fù)雜的信息判斷決策工作。

從人工智能技術(shù)發(fā)展的角度看，自20世紀(jì)60年代以來，計算機(jī)技術(shù)以及以深度學(xué)習(xí)為代表的模擬人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法技術(shù)的發(fā)展，促使人工智能技術(shù)有了長足的進(jìn)步[6]，已經(jīng)在模式識別、自動工程、知識工程等領(lǐng)域獲得了實際的應(yīng)用，這為其在工業(yè)制造領(lǐng)域與傳統(tǒng)技術(shù)的融合奠定了發(fā)展基礎(chǔ)。

智能制造系統(tǒng)（Intelligent Manufacturing System，IMS）是一種由具有一定程度智能的機(jī)器設(shè)備和人類專家共同組成的人機(jī)協(xié)同工作系統(tǒng)。智能制造系統(tǒng)是相關(guān)智能技術(shù)集成應(yīng)用的環(huán)境，也是智能制造模式實施的載體，核心是大規(guī)模信息處理、識別、分析、決策等技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用。

國內(nèi)外智能制造發(fā)展部署航空發(fā)動機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

1 國內(nèi)外智能制造的國家戰(zhàn)略部署

智能制造是未來先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展方向，已受到廣泛重視，各制造強(qiáng)國均將此列入國家發(fā)展計劃，大力推動實施[7]。不過目前總體處于概念和試驗階段。德國提出的工業(yè)4.0和美國提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與我國提出的智能制造一致，其理念和發(fā)展思路對我國發(fā)展智能制造有借鑒意義。

德國工業(yè)4.0是在德國工程院、弗勞恩霍夫協(xié)會等德國學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的建議和推動下形成，由德國聯(lián)邦教研部與聯(lián)邦經(jīng)濟(jì)和能源部聯(lián)手支持，2013年4月在漢諾威工業(yè)博覽會上被正式推出并逐步上升為國家戰(zhàn)略，其核心目的是為了提高德國工業(yè)的競爭力，在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機(jī)。德國工業(yè)4.0的核心內(nèi)容可以總結(jié)為：建設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)（信息物理系統(tǒng)）、研究兩大主題（智能工廠、智能生產(chǎn)）、實現(xiàn)三大集成（縱向集成、橫向集成與端到端集成）、推進(jìn)三大轉(zhuǎn)變（生產(chǎn)由集中向分散轉(zhuǎn)變、產(chǎn)品由趨同向個性轉(zhuǎn)變、用戶由部分參與向全程參與轉(zhuǎn)變）（圖1）。

美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的愿景是在產(chǎn)品生命周期的整個價值鏈中，將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接起來，形成開放的全球化工業(yè)網(wǎng)絡(luò)（圖2）。實施方式是通過通信、控制和計算技術(shù)的交叉應(yīng)用，構(gòu)建信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical System，CPS），促進(jìn)物理系統(tǒng)和數(shù)字系統(tǒng)的融合。2014年3月，由 AT&T、Cisco、GE、IBM和 Intel成立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，進(jìn)行生態(tài)系統(tǒng)調(diào)節(jié)，使用公共的體系結(jié)構(gòu)和開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，來連接對象、人、過程和數(shù)據(jù)。2015年6月該聯(lián)盟發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系結(jié)構(gòu)》，從商業(yè)視角、使用視角、功能視角和技術(shù)實現(xiàn)視角對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了定義。

我國對智能制造相關(guān)技術(shù)的研究，起步與國際基本同步，20世紀(jì)80年代末已將“智能模擬”列入國家科技發(fā)展規(guī)劃的主要課題，并在專家系統(tǒng)、模式識別、機(jī)器人、漢語機(jī)器理解方面取得了一批成果。但是我國產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程一直比較滯后，與工業(yè)制造業(yè)發(fā)展的結(jié)合不太緊密。2015年5月8日，國務(wù)院發(fā)布了《中國制造2025》（圖3），其核心就是智能制造將“加快推動新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展，把智能制造作為兩化深度融合主攻方向：著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”。其中，重點要求加快航空、機(jī)械、船舶等行業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的智能化改造，提高精準(zhǔn)制造、敏捷制造能力。

2 國內(nèi)外航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品研制智能制造技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著高性能航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜、制造精度要求越來越高，對制造工藝提出了更高的要求，航空工業(yè)發(fā)達(dá)國家在研制高性能航空發(fā)動機(jī)上都投入大量的資金、人力，在新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)、先進(jìn)的生產(chǎn)線技術(shù)以及作為上述制造技術(shù)集成手段和平臺的信息技術(shù)上進(jìn)行技術(shù)突破，實現(xiàn)了減重、增效、改善性能的目標(biāo)。

圖1 德國工業(yè)4.0的核心三大集成Fig.1 Three parts for Industrial 4.0 in Germany

圖2 美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考體系架構(gòu)Fig.2 American industrial internet reference architectures

中國制造2025、智能制造模式下的新一代信息技術(shù)引領(lǐng)的現(xiàn)代航空制造業(yè)徹底顛覆了傳統(tǒng)的制造模式，通過構(gòu)建數(shù)字化協(xié)同工作平臺，不僅實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化定義、數(shù)字化制造與數(shù)字化管理，而且實現(xiàn)異地協(xié)同設(shè)計與協(xié)同制造，在智能制造發(fā)展建設(shè)過程中，其強(qiáng)大的數(shù)字化建設(shè)能力也大大加速了飛機(jī)、發(fā)動機(jī)等航空制造企業(yè)的發(fā)展，實施數(shù)字化建設(shè)、發(fā)展智能制造已成為現(xiàn)代航空制造業(yè)的共同選擇。

2.1 GE航空公司

GE航空將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完美地應(yīng)用在了航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品上（圖4），其通過將傳感器安裝在飛機(jī)發(fā)動機(jī)葉片上，實時將發(fā)動機(jī)運(yùn)行參數(shù)發(fā)回監(jiān)測中心，通過對發(fā)動機(jī)狀態(tài)的實時監(jiān)控，提供及時的檢查、維護(hù)、維修服務(wù)，并以此為基礎(chǔ)，發(fā)展了“健康保障系統(tǒng)”。從1991年至2009年，GE開展“按小時支付”等商業(yè)服務(wù)模式，飛機(jī)發(fā)動機(jī)業(yè)務(wù)從年收入69億美金增長到187億美金，服務(wù)業(yè)收入占比從1994年的30%～40%，增長到2000年的60%以上。

GE航空在其自身的設(shè)計、實現(xiàn)、服務(wù)和客戶關(guān)系上更全面地應(yīng)用了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，其IT架構(gòu)分為5個部分，分別是基礎(chǔ)支持層、核心應(yīng)用層、數(shù)據(jù)管理層、商務(wù)服務(wù)層、洞悉與決策層?；A(chǔ)支持層架構(gòu)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，有效集成了各種數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、信息傳遞標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)等；核心應(yīng)用層分別是各個業(yè)務(wù)模塊的應(yīng)用系統(tǒng)，同時也與各飛機(jī)機(jī)體研制公司、航空公司及合作伙伴的信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；數(shù)據(jù)管理層通過主數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理；商務(wù)與服務(wù)層實現(xiàn)對業(yè)務(wù)視圖的管理、流程的管理控制及數(shù)據(jù)的挖掘與分析；洞悉與決策層通過分析和可視化實現(xiàn)企業(yè)的商務(wù)智能。

圖3 《中國制造2025》國家戰(zhàn)略Fig.3 National strategy of “Made in China 2025”

2.2 普惠公司

普惠公司在發(fā)展計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信、主模型、快速原型仿制、計算機(jī)分析和仿真技術(shù)，建立企業(yè)級核心數(shù)據(jù)庫和實施PDM的基礎(chǔ)上，采用集成產(chǎn)品開發(fā)團(tuán)隊，以項目的形式來管理發(fā)動機(jī)全生命周期內(nèi)不同階段的計劃、流程、技術(shù)、信息等經(jīng)濟(jì)技術(shù)活動，并逐漸發(fā)展成為以并行工程為核心的集成產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。

2013年11月，該公司宣布未來5年的投資計劃，共計2.75億美金，在公司總部建立了世界級智能制造卓越中心，通過開發(fā)和建設(shè)智能生產(chǎn)線，對工廠進(jìn)行大規(guī)模升級。普惠公司的智能制造卓越中心具備自動化、數(shù)字化閉環(huán)流程控制和高精密機(jī)械加工技術(shù)等。

2.3 羅羅公司

羅羅公司通過建立專業(yè)化設(shè)計系統(tǒng)、發(fā)展CFD仿真分析、建立發(fā)動機(jī)典型零件的自動化生產(chǎn)線等措施，建立了在線協(xié)同工作環(huán)境，通過逐步實施并行工程，從整體上增強(qiáng)了其航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展能力。

羅羅公司還發(fā)展了集測量、數(shù)據(jù)處理、分析、控制、管理為一體的試驗信息系統(tǒng)，通過增強(qiáng)發(fā)動機(jī)的試驗驗證能力，采用先進(jìn)的虛擬試驗技術(shù)，克服了巨額投資、縮短了研制周期、彌補(bǔ)了各類大型試驗設(shè)施能力不足等各類問題。羅羅參與研制的第四代攻擊機(jī)F-35項目，從一開始就形成了“從設(shè)計到飛行試驗全面數(shù)字化”，初步預(yù)估研制周期比F-22縮短一半，風(fēng)洞吹風(fēng)試驗減少75%，試飛飛行架次減少40%，定型試驗周期縮短30%。

2.4 國內(nèi)航空發(fā)動機(jī)智能制造應(yīng)用現(xiàn)狀

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，我國航空發(fā)動機(jī)經(jīng)歷了由維修到制造，從仿制到研制的歷程，通過一系列發(fā)動機(jī)相關(guān)預(yù)研和型號研制，突破了精密制坯技術(shù)、切削技術(shù)、焊接技術(shù)、特種加工技術(shù)等關(guān)鍵制造工藝，并初步具備了數(shù)字化設(shè)計制造能力，在設(shè)計、制造、裝配、試驗等方面有了巨大的進(jìn)步。目前，國內(nèi)大型航空發(fā)動機(jī)主要生產(chǎn)廠擁有各類主要工藝設(shè)備超過10000臺（套），工廠制造數(shù)控化率達(dá)到15%～18%，已形成較為完善的制造體系。

同時，通過近40年的發(fā)展，我國航空發(fā)動機(jī)制造廠通過不斷深入開展數(shù)字化制造技術(shù)研究與應(yīng)用，在基礎(chǔ)支撐環(huán)境方面，基本形成了數(shù)字化基礎(chǔ)能力，為發(fā)動機(jī)型號研制和數(shù)字化技術(shù)推廣應(yīng)用提供了重要保障，在重要制造環(huán)節(jié)，如工藝設(shè)計環(huán)節(jié)數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)得到了普遍的應(yīng)用，生產(chǎn)制造管理也初步建成了制造執(zhí)行系統(tǒng)，數(shù)字化技術(shù)也成功應(yīng)用于生產(chǎn)計劃管理、物資供應(yīng)、財務(wù)管理、項目管理、人力資源管理等方面，同時在管理體系規(guī)范化、制度化建設(shè)方面取得了一定成績。但也存在信息系統(tǒng)相互獨(dú)立，缺少統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，信息流通、共享、傳遞過程管理不到位等問題，需要規(guī)劃切實可行的系統(tǒng)架構(gòu)與技術(shù)系統(tǒng)，推動數(shù)字化技術(shù)發(fā)揮更大作用，推進(jìn)智能化進(jìn)程。

2.5 國內(nèi)外差距分析

從國內(nèi)外的發(fā)展情況來看，國外發(fā)達(dá)國家一方面通過整體葉盤、葉環(huán)結(jié)構(gòu)、鈦合金、鎳基高溫合金，以及比強(qiáng)度高、比模量大、抗疲勞性能好的樹脂基復(fù)合材料等新材料、新工藝研制，實現(xiàn)了先進(jìn)材料與制造技術(shù)突破，達(dá)到了減重、增效、改善性能的目標(biāo)。同時，借助于先進(jìn)信息技術(shù)，實現(xiàn)了貫穿產(chǎn)品全生命周期的卓越管理。

國內(nèi)借助智能制造的發(fā)展，一方面需要在材料及工藝技術(shù)方面進(jìn)行突破，同時，構(gòu)建設(shè)計商用航空發(fā)動機(jī)及圍繞整個航空發(fā)動機(jī)全生命周期的基礎(chǔ)設(shè)施，以便于能夠持續(xù)研發(fā)和維護(hù)發(fā)動機(jī)，提供卓越的商用航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品，當(dāng)務(wù)之急是需要發(fā)展4方面的能力：

（1）數(shù)據(jù)自感知能力。提高產(chǎn)品研制及產(chǎn)品使用過程數(shù)據(jù)獲取的準(zhǔn)確性和可檢驗性，確保生產(chǎn)過程一次做對的能力。

（2）信息分析能力。缺乏商用航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的健全完善的技術(shù)體系，在此基礎(chǔ)上形成有效的控制、管理機(jī)制，形成信息有效分析的基礎(chǔ)體系。

（3）智能決策能力。目前國內(nèi)對于設(shè)計軟件、辦公自動化軟件等普及比較全面，對于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計和制造過程管理的智能高端產(chǎn)品存在缺失，關(guān)鍵技術(shù)如決策模型、決策機(jī)制方面的技術(shù)還有待突破。

（4）精準(zhǔn)執(zhí)行能力。國內(nèi)的發(fā)展側(cè)重于技術(shù)追蹤和技術(shù)引進(jìn)，面向精準(zhǔn)執(zhí)行的控制機(jī)制、控制結(jié)構(gòu)和控制模式目前存在部分缺失。

圖4 GE航空工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施框架Fig.4 Implementation framework of industrial internet for GE aviation

我國商用航空發(fā)動機(jī)發(fā)展智能制造的思考與建議

目前，智能制造是中國制造2025的主要建設(shè)方向。對于制造企業(yè)是一次轉(zhuǎn)型機(jī)會，如何實現(xiàn)全流程、端到端的集成是關(guān)鍵。鑒于目前我國是第一次研發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)，必須要走過設(shè)計、制造、試驗、失敗到再設(shè)計，反復(fù)修改和試驗驗證，直到發(fā)動機(jī)通過各項試驗驗證的摸索過程。為了建立商用航空發(fā)動機(jī)設(shè)計、制造、試驗、失敗再設(shè)計過程的數(shù)據(jù)積累，并保證數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)、改進(jìn)再設(shè)計過程，需要通過計算機(jī)的集成系統(tǒng)（由仿真、三維可視化、分析學(xué)和各類協(xié)同工具組成），將設(shè)計、制造、試驗、保障和報廢系統(tǒng)的要求進(jìn)行連接，完善成熟完整的數(shù)據(jù)線。

建設(shè)航空發(fā)動機(jī)智能工廠是中國制造2025重點支持的方向，通過底層設(shè)備的互聯(lián)互通、基于大數(shù)據(jù)分析的決策支持、可視化展現(xiàn)等技術(shù)手段，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)過程的管理與控制，最終建設(shè)成智能工廠，是航空發(fā)動機(jī)行業(yè)發(fā)展智能制造的重點。探討和明確如何建設(shè)智能工廠及體現(xiàn)智能，發(fā)展行業(yè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工具，促進(jìn)產(chǎn)品智能化改造，實現(xiàn)生產(chǎn)組織數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化是當(dāng)前非常重要的問題。

1 建立健全行業(yè)智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工具

標(biāo)準(zhǔn)在航空產(chǎn)品設(shè)計、制造和維護(hù)各階段發(fā)揮著不可或缺的作用，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)是推進(jìn)航空工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵力量。在智能工廠建設(shè)過程中，逐步建立起商用航空發(fā)動機(jī)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，形成航空發(fā)動機(jī)行業(yè)智能制造的關(guān)鍵術(shù)語集合和詞匯表，提供給具有供需關(guān)系的企業(yè)進(jìn)行互聯(lián)與集成智能設(shè)備、智能生產(chǎn)線、智能工廠、智能傳感器、儀器儀表、機(jī)器人、工業(yè)通信、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、信息系統(tǒng)、工業(yè)安全等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)下建設(shè)基于網(wǎng)絡(luò)安全的航空發(fā)動機(jī)智能工廠，形成數(shù)字化/智能化終端應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)分析應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。建立標(biāo)準(zhǔn)化業(yè)務(wù)流程和管理模式，容納產(chǎn)品設(shè)計、制造、驗證、供應(yīng)、管理、服務(wù)等產(chǎn)業(yè)鏈所涉及的關(guān)鍵領(lǐng)域，實現(xiàn)信息流、技術(shù)流、物流、價值流的數(shù)字化、智能化。

2 促進(jìn)產(chǎn)品數(shù)字化、智能化改造

商用航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品由動力裝置、傳動裝置和工作裝置3部分構(gòu)成，產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計、智能化運(yùn)行可以通過工作原理創(chuàng)新來實現(xiàn)，也可以通過驅(qū)動和控制系統(tǒng)創(chuàng)新實現(xiàn)，后者是數(shù)字化智能化創(chuàng)新的核心。其核心技術(shù)路線是采用軟硬件集成系統(tǒng)對機(jī)械運(yùn)動與工作執(zhí)行過程進(jìn)行控制，即在航空發(fā)動機(jī)上核心部位增加大腦，然后進(jìn)一步應(yīng)用智能技術(shù)不斷提高產(chǎn)品的知識聚集、知識使用智能化程度。

智能發(fā)動機(jī)產(chǎn)品的一個業(yè)務(wù)場景來自于發(fā)動機(jī)維修領(lǐng)域的備品備件庫存管理。智能發(fā)動機(jī)產(chǎn)品會實時反饋數(shù)據(jù)至維修人員，何時以及哪些零件可能更換，這就會使得發(fā)動機(jī)運(yùn)營從當(dāng)前周期性維護(hù)過程轉(zhuǎn)變?yōu)楦鶕?jù)實際運(yùn)行需要的維護(hù)。傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析，以及人、產(chǎn)品與機(jī)器之間的數(shù)據(jù)共享等將有望降低航空公司的成本，并提高維修維護(hù)效率。

智能產(chǎn)品的另一個愿景是通過協(xié)同，自動接收訂單，利用大數(shù)據(jù)，智能產(chǎn)品會自動調(diào)配各類資源分解制造計劃，推送至各業(yè)務(wù)部門和管理部門，開展產(chǎn)品工藝設(shè)計、仿真分析，推送至生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)，生成生產(chǎn)指令和制造指令，推送到智能物配系統(tǒng)和專業(yè)平臺的數(shù)字化終端，進(jìn)行產(chǎn)品制造和驗證，生成單臺產(chǎn)品數(shù)據(jù)，最終交付客戶，并進(jìn)行產(chǎn)品售后的狀態(tài)跟蹤和服務(wù)。通過智能終端、傳感器等，采集制造過程各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)，傳輸?shù)缴逃冒l(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)庫，通過系統(tǒng)本身和集成的分析軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行單項分析和綜合分析，積累形成并持續(xù)優(yōu)化完善數(shù)據(jù)知識，形成基于數(shù)據(jù)和知識的閉環(huán)自適應(yīng)控制。

基于智能產(chǎn)品平臺、大數(shù)據(jù)體系強(qiáng)化后臺整合運(yùn)營管理體系，可支持并實現(xiàn)現(xiàn)有企業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈擴(kuò)張。

3 實現(xiàn)商用航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)組織數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化

3.1 通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)制造過程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化

對航空發(fā)動機(jī)制造企業(yè)，在生產(chǎn)、試驗驗證和工廠建設(shè)方面，它依然以規(guī)?；?、標(biāo)準(zhǔn)化、精確化、自動化為基礎(chǔ)，同時還將被賦予柔性化、定制化、可視化、低碳化的新特征：

（1）柔性化，體現(xiàn)智能工廠內(nèi)部設(shè)備的數(shù)字化、智能化程度，能夠?qū)Νh(huán)境變化做出反應(yīng)，在適當(dāng)時候采取面向目標(biāo)的行動，以及從其自身的經(jīng)歷、所處的環(huán)境的交互中學(xué)習(xí)。

（2）定制化，體現(xiàn)智能工廠產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計的數(shù)字化、智能化程度，航空發(fā)動機(jī)產(chǎn)品具有小批量、定制化特征，需要有效存儲、管理數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)定制化制造。

（3）可視化，體現(xiàn)智能工廠生產(chǎn)過程透明度的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平，可以清楚掌握產(chǎn)銷過程，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的可見可控，減少對生產(chǎn)線意外插單或調(diào)整，及時正確地采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并合理編排生產(chǎn)計劃與控制生產(chǎn)進(jìn)度。

（4）低碳化，體現(xiàn)為工廠或企業(yè)的環(huán)保數(shù)字化、智能化水平，綠色智能的手段應(yīng)用于智能制造系統(tǒng)，形成一個高效、節(jié)能、環(huán)保、舒適的工廠或企業(yè)。

企業(yè)通過對智能工廠進(jìn)行規(guī)劃和建設(shè)，實現(xiàn)工廠標(biāo)準(zhǔn)化價值網(wǎng)絡(luò)水平化、連接價值鏈終端到終端實現(xiàn)工程上的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化在制造系統(tǒng)的垂直化應(yīng)用，完成航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零部件智能工廠建設(shè)及整機(jī)級智能裝配線建設(shè)，形成以航空發(fā)動機(jī)大數(shù)據(jù)為根本，以智能分析、智能決策、智能制造為主要方法的全新動態(tài)智能制造模式，形成集總裝測試、關(guān)鍵零部件試制試驗、關(guān)鍵工藝材料研究、發(fā)動機(jī)批量生產(chǎn)、發(fā)動機(jī)MRO為一體的智能工廠（圖5）。

3.2 通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)業(yè)務(wù)過程數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化

商用航空發(fā)動機(jī)制造過程需要廣泛利用遍布在全國乃至世界各地的物理資源，網(wǎng)絡(luò)化是實現(xiàn)萬物高效互聯(lián)的基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)化把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、企業(yè)、供應(yīng)商、客戶緊密地連接在一起，將各種物通過傳感器、嵌入式終端、自動控制系統(tǒng)、通信設(shè)施等通過物聯(lián)網(wǎng)形成智能網(wǎng)絡(luò)，使得物理產(chǎn)品與生產(chǎn)設(shè)備之間、不同的生產(chǎn)設(shè)備之間以及數(shù)字世界和物理世界之間能夠互聯(lián)，使得機(jī)器設(shè)備、工作組件、內(nèi)外部系統(tǒng)以及人通過網(wǎng)絡(luò)保持信息交流。通過各類信息處理和信息管理軟件應(yīng)用，進(jìn)行價值鏈上不同企業(yè)資源的整合協(xié)作，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、試驗驗證、使用維護(hù)、再制造的產(chǎn)品全生命周期的業(yè)務(wù)活動，以產(chǎn)品價值鏈創(chuàng)造為基礎(chǔ)需求，建立集成物料供應(yīng)商、產(chǎn)品制造商、分銷商以及客戶相關(guān)信息流、物流和資金流的體系，在為客戶提供有價值的產(chǎn)品和高效服務(wù)的同時，形成價值體系重構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈中各環(huán)節(jié)的價值定位（圖6）。

4 構(gòu)建商用航空發(fā)動機(jī)智能制造藍(lán)圖

航空發(fā)動機(jī)研制技術(shù)難度大、風(fēng)險高、投入多、周期長。中國在技術(shù)難度大的商用航空發(fā)動機(jī)研發(fā)方面基礎(chǔ)薄弱，尚未走出從研發(fā)到生產(chǎn)、使用、維護(hù)的完整過程，是目前中國大飛機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展亟待突破的重要瓶頸[8-9]。

圖5 航空發(fā)動機(jī)智能工廠構(gòu)架Fig.5 Smart factory framework for commercial aircraft engine manufacturing

圖6 航空發(fā)動機(jī)智慧產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)Fig.6 Smart industrial chain for aircraft engine product lifecycle

規(guī)劃航空發(fā)動機(jī)智能工廠的愿景藍(lán)圖,建立商用航空發(fā)動機(jī)智能工廠，構(gòu)建產(chǎn)品全生命周期先進(jìn)生產(chǎn)運(yùn)作管理模式，具體體現(xiàn)在產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)制造、維護(hù)及管理的各方面：

（1）基于模型的數(shù)字化企業(yè)的應(yīng)用及實踐。通過建立基于模型的數(shù)字化企業(yè)，具有自主判斷能力，進(jìn)行協(xié)同、重構(gòu)及可擴(kuò)展特性，可采集獲取和理解外界及自身的信息，并分析判斷及規(guī)劃自身行為。按照產(chǎn)品生命全生命周期各階段的運(yùn)營管理要求，企業(yè)中各組成單位依據(jù)工作任務(wù)，通過一定規(guī)則自組織形成最佳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)工作目標(biāo)。

（2）網(wǎng)絡(luò)互連技術(shù)應(yīng)用及實踐。一方面通過有效的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，廣泛應(yīng)用智能工廠建設(shè)中的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)基礎(chǔ)，進(jìn)行信息及實體互聯(lián)互通，實現(xiàn)信息有效傳遞；同時，在環(huán)境允許，且數(shù)據(jù)需求精確、及時要求前提下，可通過使用機(jī)器視覺，結(jié)合信號處理、仿真及多媒體技術(shù)，將可視化實景擴(kuò)增至現(xiàn)實生活中，完善設(shè)計與制造全過程。

（3）產(chǎn)品自學(xué)習(xí)及自修復(fù)能力：產(chǎn)品在設(shè)計、制造、使用及維護(hù)過程中，通過自身的信息積累，轉(zhuǎn)化為知識，進(jìn)行自學(xué)習(xí)，在全生命周期中進(jìn)行知識庫補(bǔ)充、更新及實時執(zhí)行故障診斷，具備對故障排除與維護(hù)的知識，并通知相應(yīng)系統(tǒng)執(zhí)行。

（4）人機(jī)共存互助。人與機(jī)器之間相互協(xié)調(diào)配合，在各自不同層次上進(jìn)行相輔相成。

航空發(fā)動機(jī)建設(shè)智能工廠的優(yōu)勢同樣體現(xiàn)在企業(yè)運(yùn)營管理上，通過實施和部署智能工廠，實現(xiàn)包括企業(yè)內(nèi)部和分布在全球的風(fēng)險合作伙伴、客戶、供應(yīng)商進(jìn)行協(xié)同、并行工作，實現(xiàn)產(chǎn)品組合管理、采購和外包管理、客戶需求管理、協(xié)同產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)共享，可以成為國際高端裝備行業(yè)互聯(lián)互通、協(xié)同創(chuàng)新的示范企業(yè)。

參 考 文 獻(xiàn)

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