航空智能制造的基礎(chǔ)
——軟件定義創(chuàng)新工業(yè)范式

寧振波

（中國航空工業(yè)集團信息技術(shù)中心，北京 100028）

一、前言

中國工程院院刊《Engineering》推出最新觀點性文章《走向新一代智能制造》，文章提出了智能制造的三個基本范式：數(shù)字化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造——新一代智能制造。指出智能制造是一個從傳統(tǒng)的“人-物理系統(tǒng)（HPS）”向“人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）”不斷演進發(fā)展的大概念，其核心是在傳統(tǒng)的人和物理系統(tǒng)之間增加信息系統(tǒng)，并不斷提升信息系統(tǒng)的感知、計算分析與控制能力，最終使其具有學習提升、產(chǎn)生知識的能力[1]。

軟件作為信息系統(tǒng)物化的表現(xiàn)，則是強化信息技術(shù)與工業(yè)技術(shù)融合發(fā)展的基礎(chǔ)支撐。國務(wù)院印發(fā)的《關(guān)于深化制造業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的指導意見》中也強調(diào)了加快計算機輔助設(shè)計仿真、制造執(zhí)行系統(tǒng)、產(chǎn)品全生命周期管理等工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)化，強化軟件支撐和定義制造業(yè)的基礎(chǔ)性作用[2]。新一代智能制造作為一個由智能產(chǎn)品、智能生產(chǎn)和智能服務(wù)三大信息系統(tǒng)以及工業(yè)智聯(lián)網(wǎng)和智能制造云兩大支撐信息系統(tǒng)組成的、并與工業(yè)技術(shù)集成的巨系統(tǒng)，在方法層面，推進研發(fā)虛擬化，產(chǎn)生了基于物理技術(shù)的各類專業(yè)工具；在過程層面，推進管理信息化，產(chǎn)生了以流程管理為核心的各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)；在裝置層面，推進生產(chǎn)裝備的自動化和產(chǎn)品智能化，產(chǎn)生了各類嵌入式軟件。因此，在智能制造發(fā)展的過程中，能否推動軟件定義來創(chuàng)新工業(yè)范式（包括定義產(chǎn)品、定義企業(yè)流程、定義生產(chǎn)方式、定義企業(yè)新型能力、定義產(chǎn)業(yè)生態(tài)等）實現(xiàn)以軟件定義為核心的生產(chǎn)方式變革，是新一輪工業(yè)革命的本質(zhì)所在。

二、基于紙張的符號定義

我們把傳統(tǒng)制造業(yè)的定義看作是基于紙張的符號定義。所謂傳統(tǒng)當然是與現(xiàn)代相區(qū)分的。具體區(qū)分標準主要以技術(shù)為參照，現(xiàn)代制造業(yè)的特點是：高精尖，比如新型飛機、微納米、激光、半導體、數(shù)控車床等一系列以現(xiàn)代高端技術(shù)為支撐的行業(yè)，與此相反，依然使用舊有的制造技術(shù)的就屬于傳統(tǒng)制造業(yè)。傳統(tǒng)制造系統(tǒng)包含人和物理系統(tǒng)兩大部分，是完全通過人對機器的操作控制去完成各種工作任務(wù)。從工業(yè)革命發(fā)展過程來說，包含了第一次工業(yè)革命和第二次工業(yè)革命。無論是蒸汽機、內(nèi)燃機或者電機（包含發(fā)電機和電動機）的應(yīng)用，都是“人-物理系統(tǒng)”。按照《三體智能革命》一書中的論述，一個完善的智能系統(tǒng)一定具備“狀態(tài)感知，實時分析，自主決策，精準執(zhí)行，學習提升”并循環(huán)往復[3]。在“人-物理系統(tǒng)”中，由人完成狀態(tài)感知，實時分析，自主決策以及學習提升；機器僅僅在人的操作下完成精準執(zhí)行。

基于紙張的符號定義決定了傳統(tǒng)制造業(yè)的工業(yè)范式就是設(shè)計-制造-試驗模式的串行模式，即過去所說愛迪生的“試錯法”，首先基于紙張的符號定義是人工設(shè)計的藍圖（零件圖和裝配圖）、工藝卡片、各類表單、生產(chǎn)計劃、紙質(zhì)文檔等，基于人工定義的各類設(shè)計圖文檔，才能開展工藝設(shè)計等后續(xù)工作，然后在機器上試制各種零件，裝配形成試驗品，用試驗來檢驗產(chǎn)品的設(shè)計功能和性能，達到設(shè)計指標就可以批生產(chǎn)了；達不到設(shè)計指標，就需要修改設(shè)計和工藝再試，直到達到設(shè)計指標為止。在這個工業(yè)范式下，200年來的手工制圖以及早期的計算機輔助設(shè)計（CAD）軟件，應(yīng)用范圍和深度都具有局限性，主要關(guān)注于工程意圖表達的一致性、標準性，這類軟件就是20世紀八九十年代大規(guī)模使用的CAD軟件。工業(yè)效率的提升還是主要依靠加工用的機器（物料、設(shè)備、工裝、工具、試驗設(shè)備），表現(xiàn)在蒸汽機、內(nèi)燃機和電動機的出現(xiàn)極大提高了物理系統(tǒng)（機器）的生產(chǎn)效率和質(zhì)量，物理系統(tǒng)（機器）代替了人類大量體力勞動。在傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中，要求人完成狀態(tài)感知，實時分析，自主決策，操作執(zhí)行，學習提升等多方面任務(wù)，不僅對人的要求高，勞動強度仍然很大，而且工作效率、質(zhì)量和完成復雜工作任務(wù)的能力也有限。

三、基于模型的數(shù)字定義

與傳統(tǒng)制造系統(tǒng)相比，第一代和第二代智能制造的工業(yè)范式發(fā)生了本質(zhì)變化，以波音777飛機的數(shù)字化產(chǎn)品定義（DPD）、數(shù)字化產(chǎn)品預裝配（DPA）、集成產(chǎn)品研發(fā)團隊（IPT）到波音787飛機的基于模型的定義（MBD）突破為例。它通過在人和物理系統(tǒng)之間增加信息系統(tǒng)，將人的相當部分的感知、分析、決策功能向信息系統(tǒng)復制遷移，局部信息系統(tǒng)可以代替人類完成部分腦力勞動，進而通過信息系統(tǒng)來控制物理系統(tǒng)，以代替人類完成更多的體力勞動。

波音777飛機是世界上第一個完全采用軟件定義飛機研制生產(chǎn)過程的產(chǎn)品。采用了三項技術(shù)就是100%的DPD、100%的DPA、327個并行的IPT。研制過程采用的計算機軟硬件為：8臺IBM大型計算機，用于3D設(shè)計的3 200臺UNIX工作站均連接了網(wǎng)絡(luò)，約20 000臺PC機，800種互不相關(guān)的軟件。而在波音787飛機的設(shè)計中全面推廣MBD技術(shù)，它改變傳統(tǒng)由二維圖文檔來描述幾何形狀信息，用一個集成化的三維數(shù)字化實體模型表達了完整的產(chǎn)品定義信息，成為制造過程中的唯一依據(jù)[4]。

由于以上數(shù)字化的技術(shù)進步和采用并行工程的管理變革，波音777飛機和與其相當?shù)?67 飛機相比，研制周期由12年減少為4.5年；而造出的第一架飛機就比已經(jīng)造了24 年的第400架波音747飛機質(zhì)量還好。更為重要的是基于模型的數(shù)字定義顛覆了傳統(tǒng)設(shè)計-制造-試驗的工業(yè)范式，實現(xiàn)了工業(yè)范式向設(shè)計-虛擬綜合-數(shù)字制造-物理制造的轉(zhuǎn)變。

如圖1所示，為便于理解，把飛機研制分為四個階段，分階段加以描述：第一個階段就是方案設(shè)計階段（包含需求工程，概念設(shè)計以及方案設(shè)計），核心是飛機的氣動布局和總體布置。以前的試錯法就是根據(jù)戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標，算出飛行剖面，依據(jù)剖面畫出外形草圖，加工出縮比模型，然后在風洞中吹風，來確定氣動外形。這個過程反復迭代，一直到滿意為止。因為加工一個飛機縮比模型需要好幾個月，吹一次風花費幾百萬元，因此要得到一個滿意的方案需要多年做多個方案反復對比才可以完成（如圖1左上方的風洞照片）?，F(xiàn)在的方法是首先根據(jù)氣動力數(shù)學方法計算結(jié)果，用軟件在計算機上構(gòu)建一個虛擬的飛機氣動外形（如圖1左下方飛機外形），然后做計算流體力學（CFD）計算，反復優(yōu)選拿出最好的幾種方案，加工成縮比模型再吹風。這些技術(shù)已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域開始了大規(guī)模應(yīng)用。

以波音787 飛機為例：波音787項目高級副總裁邁克·拜爾指出：“在767項目中，我們曾對50多種不同的機翼配置進行過風洞測試。而在787項目中，只測試了10多種?！憋L洞試驗少了，飛機質(zhì)量提高了，這就是在方案階段軟件定義飛機的氣動布局。

第二個階段就是工程研制，飛機氣動布局和總體布置已確定，就可以開始結(jié)構(gòu)設(shè)計了，現(xiàn)在幾乎所有的CAD軟件都可以完成結(jié)構(gòu)設(shè)計，在1991年波音777項目中，當時的三維CAD軟件只能定義幾何外形，到了2004年波音787研制時，CAD軟件不僅僅可以定義幾何外形，與機械結(jié)構(gòu)相關(guān)的材料數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、標準數(shù)據(jù)、生產(chǎn)定義數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)等和制造過程相關(guān)的所有數(shù)據(jù)都可以在三維模型上表達出來，這就是實現(xiàn)了軟件定義零件，進而定義產(chǎn)品，也就是MBD。換句話說，在三維模型上可以表達所有的數(shù)據(jù)，也意味著傳統(tǒng)的藍圖、工藝卡片等基于紙質(zhì)的符號定義可以不要了，這就是數(shù)字化革命。有了完整的數(shù)字化樣機（DMU），虛擬現(xiàn)實就可以逼真地展示各類應(yīng)用，制造過程就是和設(shè)計的符合性問題了，也就是數(shù)字化樣機的物理實現(xiàn)。這就是圖1中間中下方的全數(shù)字樣機，中上方的物理樣機。需要強調(diào)的是，在基于模型的數(shù)字定義中主線仍然是基于幾何模型的多學科仿真分析和優(yōu)化。

圖1 產(chǎn)品研制流程、傳統(tǒng)物理生產(chǎn)線和數(shù)字化主線

第三個階段就是批產(chǎn)交付，制造依據(jù)仍然是飛機全機數(shù)字化樣機，在數(shù)字化樣機指導下的生產(chǎn)，關(guān)鍵是生產(chǎn)能力的提升，滿足客戶需求，當然，現(xiàn)在生產(chǎn)線的建設(shè)一定要切合實際，數(shù)字的歸數(shù)字，物理的歸物理，混合的要混合。一切以提高質(zhì)量，增加效益為主線。

第四個階段是服務(wù)保障，有了全機數(shù)字化樣機，可以一直延續(xù)到這個階段，以前的飛機培訓手冊、空勤手冊、地勤手冊、維護維修手冊，都是紙質(zhì)的，數(shù)量巨大?，F(xiàn)在可以全部模型化了，依據(jù)全機數(shù)字化樣機可以生成交互式電子技術(shù)手冊（IETM），加上混合現(xiàn)實（MR）技術(shù)，服務(wù)保障人員就可以如虎添翼了。

四、基于信息-物理系統(tǒng)的數(shù)字定義

“獵鷹-9”重型火箭的發(fā)射成功，宣告世界航天歷史進入了一個全新的時代。“獵鷹-9”以及背后的美國SpaceX公司的成功，展示了很多技術(shù)路線、研發(fā)思路、流程管理體系上的可行性和巨大成功。它通過需求/功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)到物理架構(gòu)的關(guān)聯(lián)與轉(zhuǎn)換，完整地回答從抽象的問題域（需求/功能）開始，對功能分解的行為（做什么）描述，并將行為（運行）分配到具體解決域的產(chǎn)品（結(jié)構(gòu)）的過程。從而避免直接從功能映射到結(jié)構(gòu)，導致在需求中提出要解決的問題后，就跨越邏輯設(shè)計和功能/行為分析而直奔物理實現(xiàn)的“飛躍式開發(fā)怪圈”。比如助推器的分離措施，傳統(tǒng)上各國火箭主要采用火工品——比如爆炸螺栓進行分離。而“獵鷹-9”采用了機械分離方式，這種嘗試此前不是沒有人做過，中國臺灣地區(qū)的雄風三導彈在早期曾經(jīng)采用過，結(jié)果分離屢屢失敗，最后還是采用了火工品分離。而SpaceX公司不僅采用了機械分離方式，而且沒有做實物驗證試驗就正式采用了這一設(shè)計；其合理性和可靠性完全依靠仿真計算來實現(xiàn)。因此，SpaceX公司的測試驗證成本壓縮要遠低于傳統(tǒng)火箭。避免使用火工品、取消大量實物試驗的結(jié)果，使SpaceX公司節(jié)省了大量的時間和資金。必須要強調(diào)的是，仿真計算雖然在今天取得了長足的進步，但遠遠談不上萬無一失；它的結(jié)果可靠性，直接取決于基礎(chǔ)研究的積累要求和操作、分析人員的水平。筆者認為這就是基于信息物理系統(tǒng)的數(shù)字定義。

在這個階段中的虛擬環(huán)境下，實現(xiàn)自頂向下的設(shè)計、自底向上的綜合設(shè)計思想，分階段、分層次實現(xiàn)設(shè)計-虛擬綜合（基于功能、性能和幾何模型的系統(tǒng)仿真）再到數(shù)字制造-物理制造驗證、最后到產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變。這就是新一代智能制造創(chuàng)新的工業(yè)范式，也是基于虛擬綜合（基于功能、性能和幾何模型的系統(tǒng)仿真）的最終追求的結(jié)果。

“獵鷹-9”重型火箭的機械分離方式的助推器，沒有做實物驗證試驗，其合理性和可靠性完全依靠仿真計算實現(xiàn)，避免了使用火工品、取消大量實物試驗的原因就是大量計算和仿真，大量工業(yè)軟件的應(yīng)用就是把人的知識和智能賦予軟件，這已經(jīng)是具備了新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”的基礎(chǔ)了。我們再從理論上分析一下，第一代和第二代智能制造系統(tǒng)通過集成人、信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的各自優(yōu)勢，系統(tǒng)的能力尤其是計算分析、精確控制以及感知能力都得以很大提高。一方面，系統(tǒng)的工作效率、質(zhì)量與穩(wěn)定性均得以顯著提升；另一方面，人的相關(guān)制造經(jīng)驗和知識轉(zhuǎn)移到信息系統(tǒng)，能夠有效提高人的知識的傳承和利用效率。制造系統(tǒng)從傳統(tǒng)的“人-物理系統(tǒng)”向“人-信息-物理系統(tǒng)”的演變可進一步進行抽象描述：“信息系統(tǒng)”的引入使得制造系統(tǒng)同時增加了“人-信息系統(tǒng)（HCS）”和“信息-物理系統(tǒng)（CPS）”。其中，“信息-物理系統(tǒng)”是非常重要的組成部分。美國在2006年提出了“信息-物理系統(tǒng)”的完整理論，德國將其作為工業(yè)4.0的核心技術(shù)?！靶畔?物理系統(tǒng)”在工程上的應(yīng)用是實現(xiàn)信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的完美映射和深度融合，而人是實現(xiàn)“信息”的核心要素，在人的全程參與下，形成的新一代“人-信息-物理系統(tǒng)”中，“人-信息系統(tǒng)”“人-物理系統(tǒng)”和“信息-物理系統(tǒng)”三者都將實現(xiàn)質(zhì)的飛躍[1]。

五、新一代智能制造創(chuàng)新的工業(yè)范式

2002年，國防科學技術(shù)工業(yè)委員會啟動了“飛機制造業(yè)數(shù)字化工程”項目的論證工作，參加的國內(nèi)飛機研制單位多達18家，制定了明確的發(fā)展目標：打通飛機制造業(yè)數(shù)字化生產(chǎn)線，形成飛機數(shù)字化研發(fā)體系，實現(xiàn)管理方式、生產(chǎn)模式、組織流程、技術(shù)標準等方面的變革。換句話說，就是在飛機制造業(yè)的全部流程上，從方案設(shè)計階段的數(shù)字化模型不斷完善演進，一直沿用到工程研制、批生產(chǎn)、維護維修、報廢回收的全壽命周期環(huán)節(jié)。今天回頭來看，這個是什么？不就是數(shù)字主線（digital thread）嗎？到了今天，中國的工業(yè)體系已經(jīng)發(fā)展并形成了世界最完整的工業(yè)體系，我們必須建立自己的理論自信。

飛機制造業(yè)數(shù)字化工程的目標中已經(jīng)包含了數(shù)字主線的概念，而且一脈相承。讓我們再研究圖1最上面的一條線物理線，就是傳統(tǒng)制造業(yè)的定義：基于紙張的符號定義。圖1中間的一條線就是飛機研制流程，下面的一條線就是基于軟件定義的數(shù)字化線；整個圖就構(gòu)成了CPS中的系統(tǒng)之系統(tǒng)（SoS），而圖中的每個研制階段的垂直對應(yīng)的物理系統(tǒng)和數(shù)字化系統(tǒng)，構(gòu)成了多對數(shù)字孿生（digital twin）；當然，數(shù)字孿生不僅僅是垂直相關(guān)，前后也是關(guān)聯(lián)的。

毋容置疑，智能制造的前身是數(shù)字化制造，而數(shù)字化制造的成功是基于幾百年來傳統(tǒng)制造業(yè)打下的物理制造的基礎(chǔ)。工業(yè)范式的創(chuàng)新是應(yīng)用軟件定義的數(shù)字化模型來實現(xiàn)的，因此軟件定義數(shù)字模型，乃至定義一切，都必須具備強大的物理實體的基礎(chǔ)。中國古話說：“皮之不存，毛將焉附?！蔽锢韺嶓w是皮，數(shù)字模型就是毛，兩者的相互融合，構(gòu)成了智能制造的基礎(chǔ)。在智能制造體系中，工業(yè)軟件不僅僅是核心，更是人類的新思維方式，因此，我國工業(yè)軟件的發(fā)展，急需提升到國家戰(zhàn)略層面，并借鑒國外發(fā)達國家經(jīng)驗，軟件人才培養(yǎng)從娃娃抓起，認識工業(yè)，認識軟件，重視人才，保護產(chǎn)權(quán)，必須成為全民共識。

隨著以大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)為代表的數(shù)字技術(shù)的崛起，我們已身處數(shù)字經(jīng)濟時代。發(fā)展軟件定義技術(shù)和CPS技術(shù)，并在新一代信息技術(shù)（云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動通信、大數(shù)據(jù)、智能制造）的支持下，實現(xiàn)與人、設(shè)備和物料相融合的未來新一代智能制造創(chuàng)新的工業(yè)范式，其典型特點就是數(shù)字主線使能的數(shù)字孿生。

我國是世界第一制造大國，在工業(yè)化尚未全面完成的情況下，迎來了數(shù)字化浪潮，面臨著追趕工業(yè)化進程、同步數(shù)字化機遇的雙重歷史任務(wù)和嚴峻挑戰(zhàn)。黨的“十九大”報告提出，“推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合”，培育新增長點、形成新動能。新一代智能制造為助推我國傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)數(shù)字轉(zhuǎn)型，催生新業(yè)態(tài)、重塑創(chuàng)新鏈、重構(gòu)產(chǎn)業(yè)鏈、拓展經(jīng)濟發(fā)展新空間提供了重要的方針和路徑。我們必須充分發(fā)揮人工智能技術(shù)創(chuàng)新的引領(lǐng)作用，加快建設(shè)制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經(jīng)濟深度融合，促進我國產(chǎn)業(yè)向全球價值鏈中高端邁進。