淺析智能制造在航空航天制造業(yè)的應(yīng)用

向恒

近年來(lái)，為推進(jìn)我國(guó)制造業(yè)工業(yè)化和信息化融合，智能制造技術(shù)受到廣泛關(guān)注，航空航天制造業(yè)作為裝備制造業(yè)的最高端，也面臨著向智能化轉(zhuǎn)型。本文以航空航天智能制造的關(guān)鍵技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，分別介紹了數(shù)字線索、CPS和智能人工增強(qiáng)的技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用方向，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型提供借鑒意義。

一、引言

航空航天制造業(yè)是典型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，處于先進(jìn)裝備制造業(yè)的最高端，具有高技術(shù)含量、大市場(chǎng)容量、廣泛的行業(yè)覆蓋面等特征，代表一個(gè)國(guó)家整體制造業(yè)的發(fā)展水平，國(guó)家航空航天制造業(yè)的發(fā)展極大地促進(jìn)了國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)，加快國(guó)防現(xiàn)代化和社會(huì)科技前進(jìn)步伐，提高國(guó)家的綜合國(guó)力。因此，當(dāng)代世界各國(guó)尤其是發(fā)展強(qiáng)國(guó)都在不遺余力的發(fā)展航空航天工業(yè)。經(jīng)過(guò)六十多年的艱苦奮斗和自主創(chuàng)新，我國(guó)航空航天制造業(yè)獨(dú)立自主的工業(yè)體系已經(jīng)基本建成，其發(fā)展速度和成就令世界矚目。近年來(lái)，我國(guó)航空航天工業(yè)進(jìn)入快速發(fā)展期，航空航天科研生產(chǎn)水平飛躍發(fā)展，然而隨著智能制造技術(shù)的興起，制造業(yè)需要由自動(dòng)化向智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，我國(guó)航空航天制造業(yè)也迎來(lái)了更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。

目前，全球制造業(yè)正在圍繞價(jià)值關(guān)系組建智能制造系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型。智能制造技術(shù)集合了人工智能、柔性制造、虛擬制造、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)集成、信息處理等學(xué)科和技術(shù)，由智能裝備、智能控制和智能信息共同組成的人機(jī)一體化制造系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)制造過(guò)程自動(dòng)化、智能化、精益化、綠色化，是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展的重要途徑，因此，智能制造已成為我國(guó)航空航天制造業(yè)新一輪產(chǎn)業(yè)技術(shù)變革的主要方向之一。本文以智能制造的三個(gè)核心技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，展開(kāi)介紹了智能制造技術(shù)在航空航天制造業(yè)的應(yīng)用方向。

二、航空航天智能制造技術(shù)概況

智能制造是指在制造相關(guān)的各環(huán)節(jié)、活動(dòng)、資源等形成的系統(tǒng)中，其主要部分具有自主感知、學(xué)習(xí)、分析、決策和協(xié)調(diào)控制能力，能動(dòng)態(tài)地適應(yīng)制造環(huán)境的變化，以達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)。目前，根據(jù)航空航天產(chǎn)品的研制過(guò)程和特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析航空航天制造業(yè)對(duì)智能制造的要求，初步形成了具有航空航天特色的智能制造架構(gòu)模型，如圖l所示。該架構(gòu)模型提出面向企業(yè)聯(lián)盟、企業(yè)管理、生產(chǎn)管理和控制執(zhí)行等四個(gè)層面建立具有“動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”特征的智能制造系統(tǒng)，打通產(chǎn)品研制生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和管理智能處理流程，形成全局推進(jìn)和協(xié)同發(fā)展的制造新模式。其中，動(dòng)態(tài)感知是指全面感知、監(jiān)測(cè)供應(yīng)鏈、企業(yè)、生產(chǎn)線、設(shè)備以及產(chǎn)品的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài);實(shí)時(shí)分析是對(duì)獲取的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)、快速的分析;自主決策是按照設(shè)定的規(guī)則，根據(jù)分析結(jié)果，自主做出判斷決策;精準(zhǔn)執(zhí)行則是執(zhí)行決策，控制產(chǎn)品、設(shè)備、生產(chǎn)線、企業(yè)和供應(yīng)鏈的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)整。

三、智能制造在航空航天制造業(yè)的應(yīng)用

智能制造關(guān)鍵技術(shù)主要有識(shí)別技術(shù)、實(shí)時(shí)定位技術(shù)、信息物理融合技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)、系統(tǒng)協(xié)同技術(shù)等。根據(jù)航空航天領(lǐng)域制造特點(diǎn)，航空智能制造技術(shù)可歸納為三類核心技術(shù)，分別為數(shù)字線索（Digital Thread）技術(shù)、賽博物理生產(chǎn)技術(shù)（CPS，亦稱：信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)）和智能人工增強(qiáng)系統(tǒng)技術(shù)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，數(shù)字線索是軟件、信息傳遞、模型建立集于一體的全壽命周期管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)—信息—知識(shí)”無(wú)縫 連接的系統(tǒng);信息物理生產(chǎn)系統(tǒng)是智能制造系統(tǒng)最重要的核心技術(shù)，具有實(shí)時(shí)感知并分析狀態(tài)信息，并據(jù)此自主做出決策進(jìn)行精準(zhǔn)的動(dòng)作，最后根據(jù)執(zhí)行過(guò)程及結(jié)果反饋給整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行自身學(xué)習(xí)提升的功能特征;智能人工增強(qiáng)技術(shù)主要由數(shù)字線索技術(shù)作為支撐，通過(guò)分解和細(xì)化復(fù)雜系統(tǒng)和操作過(guò)程，輔助增強(qiáng)人對(duì)其系統(tǒng)過(guò)程的理解和掌握，保證高效準(zhǔn)確的執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)。

1、數(shù)字線索技術(shù)

智能制造的過(guò)程是一個(gè)由終至始的管理過(guò)程，每一個(gè)過(guò)程的管理都是要上下對(duì)應(yīng)，否則會(huì)造成加工鏈斷裂無(wú)法實(shí)現(xiàn)精密的體現(xiàn)，而數(shù)字線索技術(shù)在產(chǎn)品的全壽命周期管理方向有非常突出的作用。數(shù)字線索旨在通過(guò)先進(jìn)的建模與仿真工具建立一種技術(shù)流程，提供訪問(wèn)、綜合并分析系統(tǒng)壽命周期各階段數(shù)據(jù)的能力，使軍方和工業(yè)部門能夠基于高逼真度的系統(tǒng)模型，充分利用各類技術(shù)數(shù)據(jù)、信息和工程知識(shí)的無(wú)縫交互與集成分析，完成對(duì)項(xiàng)目成本、進(jìn)度、性能和風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)分析與動(dòng)態(tài)評(píng)估。由數(shù)字線索技術(shù)實(shí)現(xiàn)的數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)“設(shè)計(jì)—虛擬綜合—數(shù)字制造—物理制造”的新產(chǎn)品生產(chǎn)模式，它是對(duì)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的集成仿真技術(shù)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)狀態(tài)進(jìn)行感知和收集數(shù)據(jù)，建立較為合理的數(shù)據(jù)模型，來(lái)反映和預(yù)測(cè)相對(duì)應(yīng)的“物理孿生”在其生命周期內(nèi)的過(guò)程狀態(tài)和性能特征。

美空軍在2013年發(fā)布的《全球地平線》頂層科技規(guī)劃文件中，將數(shù)字線索和數(shù)字孿生（Digital Twin）視為“改變游戲規(guī)則”的顛覆性機(jī)遇，并從2014財(cái)年起組織洛克希德·馬丁、波音、諾斯羅普·格魯門、通用電氣、普拉特·惠特尼等公司開(kāi)展了一系列應(yīng)用研究項(xiàng)目，已陸續(xù)取得成果。美空軍計(jì)劃在E-8對(duì)地監(jiān)視與攻擊指揮飛機(jī)替換、T-X高級(jí)教練機(jī)、遠(yuǎn)程防區(qū)外空射核巡航導(dǎo)彈等重要采辦項(xiàng)目中推廣應(yīng)用數(shù)字線索技術(shù)。此外，諾斯羅普·格魯門公司將數(shù)字線索技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于F-35中機(jī)身生產(chǎn)中，通過(guò)改進(jìn)不合格產(chǎn)品的信息采集方式搭建數(shù)字線索系統(tǒng)，再通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)建立三維可視化模型，實(shí)現(xiàn)快速和精確的自動(dòng)分析，大幅縮短了劣品的處理時(shí)間，并通過(guò)不合格產(chǎn)品特征反饋，對(duì)制造工藝和夾具進(jìn)行改進(jìn)以減少后期對(duì)產(chǎn)品更改，目前，該公司處理F-35進(jìn)氣道加工缺陷的時(shí)間縮短了33%。波音公司與美國(guó)空軍協(xié)作針對(duì)F-15C機(jī)體建立了數(shù)字孿生模型，采用先進(jìn)三維建模和仿真軟件，可以模擬建立產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)測(cè)產(chǎn)品的殘余應(yīng)力、運(yùn)行載荷、邊界條件、材料微觀缺陷和剩余壽命等，幫助公司及時(shí)調(diào)整結(jié)構(gòu)檢查、修改、大修和替換的時(shí)間。

2、CPS技術(shù)

賽博物理系統(tǒng)CPS （Cyber-Physical Systems）是一個(gè)包含計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理實(shí)體的復(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，通過(guò)人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)和物理進(jìn)程的交互，使賽博空間以遠(yuǎn)程、可靠、實(shí)時(shí)、安全、協(xié)作和智能化的方式操控一個(gè)物理實(shí)體。其技術(shù)架構(gòu)有連接層、轉(zhuǎn)換層、網(wǎng) 絡(luò)層、認(rèn)知層與配置層，其能力構(gòu)架分為資源液化能力、數(shù)據(jù)增值能力、資源集成能力、智能分析能力、資源調(diào)配能力五層，相對(duì)應(yīng)的應(yīng)用構(gòu)架分別為裝備數(shù)字化、裝備自監(jiān)測(cè)、工廠網(wǎng)絡(luò)化、工廠自決策、工廠自配置五個(gè)方面。圖2為CPS技術(shù)構(gòu)架、能力構(gòu)架和應(yīng)用構(gòu)架間的相互關(guān)系。

以德國(guó)“工業(yè)4.0”高科技戰(zhàn)略計(jì)劃和美國(guó)通用電氣公司（GE）提出的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”對(duì)CPS技術(shù)有不同的理解。德國(guó)以生產(chǎn)設(shè)備作為CPS化的重要對(duì)象，將設(shè)備最為可以感知產(chǎn)品的類別，并據(jù)此進(jìn)行工藝參數(shù)和控制參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。而GE提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，則把產(chǎn)品作為CPS化的最典型應(yīng)用，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)可以采集運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，云端對(duì)其進(jìn)行運(yùn)行分析，并予以優(yōu)化運(yùn)行建議和回饋。但是，智能制造需要CPS化的物理實(shí)體不僅僅是設(shè)備，而是應(yīng)該對(duì)涉及產(chǎn)品生產(chǎn)的5MIE（人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)）予以全面CPS化，例如：通過(guò)對(duì)攜帶RFID的人的移動(dòng)軌跡的采集分析，提出更精益的操作規(guī)程，并通過(guò)穿戴設(shè)備提供給員工，最典型的如現(xiàn)場(chǎng)的物料配送人員等;此外，還有通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工藝參數(shù)（如熱處理溫度）的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)大數(shù)據(jù)分析，給出工藝參數(shù)優(yōu)化的指導(dǎo)。

中國(guó)企業(yè)在這輪的轉(zhuǎn)型升級(jí)浪潮中，將一些復(fù)雜的高附加值的產(chǎn)品CPS化（如遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備健康維護(hù)管理系統(tǒng)等）是一個(gè)可行的方向，而對(duì)于制造過(guò)程，需要根據(jù)行業(yè)的裝備水平、傳感水平、投入產(chǎn)出來(lái)確定哪些生產(chǎn)資源可以進(jìn)行CPS化（改造），然后分步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

3、智能人工增強(qiáng)技術(shù)

智能制造過(guò)程中的人仍然起著決定性作用，但是面對(duì)復(fù)雜、枯燥的重復(fù)工作和惡劣的工作環(huán)境，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，采用機(jī)器人作業(yè)成本過(guò)高，而人的工作效率和準(zhǔn)確率難以得到保證，如：飛機(jī)制造過(guò)程中在狹小空間進(jìn)行成千上萬(wàn)個(gè)接線動(dòng)作的工作，因此，智能人工增強(qiáng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可以大大提升這一過(guò)程的效率和質(zhì)量。智能人工增強(qiáng)技術(shù)旨在提升人的感知、分析、決策、執(zhí)行能力，它將人與智能制造環(huán)境相連接，增強(qiáng)了人獲取和利用信息的能力，是智能制造的一個(gè)核心技術(shù)內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是智能人工增強(qiáng)系統(tǒng)的重要支撐，其中虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)則是發(fā)展的重中之重。

普惠公司于2017年采用VR技術(shù)研發(fā)了VR培訓(xùn)模擬器，對(duì)其最新的GTF型發(fā)動(dòng)機(jī)的維修過(guò)程進(jìn)行培訓(xùn)，使得學(xué)員更容易掌握發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理和各部位運(yùn)行結(jié)構(gòu)，直觀模擬發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中可能產(chǎn)生的問(wèn)題和解決辦法，大大縮短了培訓(xùn)時(shí)間，降低了培訓(xùn)難度。GE公司針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)螺栓安裝過(guò)程中容易產(chǎn)生過(guò)松或過(guò)緊的現(xiàn)象，研發(fā)了SaltusMWR-85 TA智能扭矩扳手，輔以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，為安裝工程師配備安裝有Skylight 軟件的智能眼鏡，以圖像形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)和指導(dǎo)每個(gè)安裝步驟，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)扳手扭矩，并反饋指導(dǎo)工程師做出相應(yīng)調(diào)整，采用該套系統(tǒng)后，裝配錯(cuò)誤率顯著下降，效率也提高百分之十左右?？湛凸狙邪l(fā)了智能增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具（SART）用于裝配過(guò)程中管線定位托架的質(zhì)量管理，使得飛機(jī)機(jī)身八萬(wàn)多管線定位托架的檢查時(shí)間縮短為原來(lái)的七分之一。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著智能制造的不斷發(fā)展和制造業(yè)的不斷轉(zhuǎn)型，智能制造在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷拓展，航空航天制造作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)智能化制造不僅需要“智能”，更需要“制造”，因此在企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中，應(yīng)該堅(jiān)持以實(shí)際問(wèn)題和需求為導(dǎo)向的方針，切記不可盲目追求智能。本文以智能制造的三個(gè)核心技術(shù)為出發(fā)點(diǎn)，分別介紹了數(shù)字線索、CPS和智能人工增強(qiáng)的技術(shù)內(nèi)涵和應(yīng)用方向及實(shí)例，希望能夠?yàn)橥泄ぷ髡咛峁┮欢ǖ膮⒖甲饔谩?/p>