新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在航空工業(yè)園的應(yīng)用

(中國商飛上海飛機制造有限公司航空技術(shù)研究所智能工廠技術(shù)研究部，上海 201324)

0 引言

無線通信技術(shù)驚人的展現(xiàn)了科技創(chuàng)新的迅猛發(fā)展。從1991年第二代移動通信系統(tǒng)(2G)登臺開始至2001年第三代移動通信系統(tǒng)(3G)首次使用，無線移動網(wǎng)絡(luò)從純粹的電話系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌騻鬏敶罅慷嗝襟w內(nèi)容的網(wǎng)絡(luò)[1]。4G無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給所有使用設(shè)備1個IP，實現(xiàn)了先進的國際無線通信(IMT-A)。

4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)發(fā)展成熟并應(yīng)用于許多國家，但是隨著無線移動設(shè)備或機械設(shè)備的發(fā)展，需要更大量的數(shù)據(jù)傳輸，更多的數(shù)據(jù)容量，更高的頻譜效率等仍然有許多技術(shù)無法通過4G實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的不夠迅速反過來也限制了設(shè)備的更新。新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在2012年開始實現(xiàn)，并迅速成為全球經(jīng)濟發(fā)展的助力[2]。雖然新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)屬于通信領(lǐng)域，但智能制造依賴于高速運營的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。高效的網(wǎng)絡(luò)能夠極大地促進網(wǎng)絡(luò)程序的發(fā)展速度，并應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。Yeping Chu等人進行了基于新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的研究分析新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的使用狀況以及如何提高該網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的使用質(zhì)量[3]。Jeehyeong Kim等人提出了基于新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的信息物理系統(tǒng)的集成統(tǒng)一架構(gòu)的服務(wù)器，提高制造業(yè)的信息傳遞效率[4]。越來越多的專家學(xué)者在新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中進行研究，但新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)與航空制造業(yè)的結(jié)合仍處于空白。

本文結(jié)合航空制造業(yè)的特點，對新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空智能制造業(yè)的應(yīng)用做了詳盡的研究。首先根據(jù)航空智能制造產(chǎn)業(yè)的特點對新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進行規(guī)劃，形成規(guī)劃思路。在規(guī)劃思路的基礎(chǔ)上建設(shè)航空智能制造工業(yè)園區(qū)，形成總體框架和具體的實施方案，運行該方案達到新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空制造工業(yè)園區(qū)的具體應(yīng)用。

1 新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空智能制造工業(yè)園區(qū)的規(guī)劃思路

航空工業(yè)園區(qū)主要制造飛機及其相關(guān)零部件，生產(chǎn)現(xiàn)場主要考慮產(chǎn)品、設(shè)備、工裝、工具、物料和人員六方面，通過對這6方面的數(shù)據(jù)采集，及時準確反映生產(chǎn)狀態(tài)的變化，使設(shè)計、工藝、工人能夠及時傳遞工作內(nèi)容、明確工作任務(wù)。采集的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)的承載下，傳遞給以MES為代表的制造管理系統(tǒng)，為正確應(yīng)對生產(chǎn)過程中的各種變動提供依據(jù)，驅(qū)動制造過程按照既定的規(guī)則運行?；趯@些數(shù)據(jù)的加工、處理、分析和提煉，能夠改善產(chǎn)品設(shè)計、優(yōu)化生產(chǎn)過程，從而改進生產(chǎn)質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，為企業(yè)創(chuàng)造價值。

因此將數(shù)據(jù)傳輸作為新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)航空智能制造工業(yè)園區(qū)建立的出發(fā)點，充分利用該網(wǎng)絡(luò)本身具有高帶寬、高速度、高可靠、低時延的特點，采集各方面的數(shù)據(jù)，建立滿足制造要求的傳輸通道，為目前制造提供良好的數(shù)據(jù)傳遞。

新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空智能制造工業(yè)園區(qū)建設(shè)的主體思路如圖1所示。

圖1 主體思路網(wǎng)絡(luò)示意圖

將產(chǎn)品、設(shè)備、工裝、物料、工具和人員6大類數(shù)據(jù)通過新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)進行相互關(guān)聯(lián)，達到生產(chǎn)數(shù)據(jù)的完整采集和及時傳遞，實現(xiàn)新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)工業(yè)園區(qū)的建設(shè)。

2 新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)智能制造在航空工業(yè)園區(qū)的建設(shè)

2.1 總體框架

在總體思路的基礎(chǔ)上，規(guī)劃新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空工業(yè)園區(qū)的建設(shè)，提出核心內(nèi)容組成，以及核心內(nèi)容模塊間的主要聯(lián)系，新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空工業(yè)園區(qū)建設(shè)的總體框架與核心內(nèi)容如圖2所示。

圖2 總體框架與核心內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)示意圖

如圖2所示，將航空制造業(yè)的數(shù)據(jù)整體分成3個層，每個層又分成信息空間和物理空間。

最底層由整個工業(yè)園區(qū)產(chǎn)生的生產(chǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)成，將工廠、工藝、產(chǎn)品在信息空間分別用數(shù)字定義，然后在物理空間呈現(xiàn)出物料、工裝、工具、人員、設(shè)備和產(chǎn)品的互聯(lián)，形成飛機各零部件，與信息空間的數(shù)據(jù)相呼應(yīng)。底層的數(shù)據(jù)采集集成得到中間層，中間層的信息空間是以MES為核心的制造綜合系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)傳輸分析滿足資源優(yōu)化調(diào)度、生產(chǎn)動態(tài)調(diào)整要求，形成實現(xiàn)高效、均衡生產(chǎn)的核心驅(qū)動力，隨著數(shù)據(jù)的豐富和管理要求的拓展，向制造運營管理系統(tǒng)發(fā)展，為新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)通道提高業(yè)務(wù)信息。相應(yīng)的物理空間建設(shè)新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋了增強型移動寬帶(EMBB)、大規(guī)模機器類通信(mMTC)、超高可靠低延時通信(uRLLC)三類應(yīng)用場景，建立生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)驅(qū)動的快速通道，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動制造的基礎(chǔ)支撐。當?shù)诙拥臄?shù)據(jù)積累達到一定程度，則可由最上層的信息空間采用大數(shù)據(jù)、云平臺、信息物理融合等平臺系統(tǒng)進行分析和決策，提供至該層物理空間進行智能執(zhí)行，實現(xiàn)支持生產(chǎn)現(xiàn)場的AR、機器視覺、機器人等智能裝備的作用發(fā)揮，創(chuàng)造實物價值。

在三個層的基礎(chǔ)上，增加標準規(guī)范、信息安全等必要的輔助內(nèi)容，建立總體框架，如圖3所示。

圖3 總體框架示意圖

總體框架分為六部分。

2.1.1 物聯(lián)網(wǎng)與傳感器

此部分主要是通過物聯(lián)網(wǎng)與傳感器，采集設(shè)備、工裝、工具、物料、產(chǎn)品、人等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，形成對生產(chǎn)現(xiàn)場與制造過程的全面感知，是實現(xiàn)智能化的算據(jù)。對應(yīng)核心內(nèi)容數(shù)字化，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

2.1.2 信息高速公路

此部分主要由高可靠低延時高帶寬通信的以及私有云形成的數(shù)據(jù)快速傳輸通道，是物理世界和信息世界映射的橋梁。對應(yīng)核心內(nèi)容網(wǎng)絡(luò)化圈層的新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)，保證了海量數(shù)據(jù)的高效、安全傳遞。

2.1.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺、工業(yè)大數(shù)據(jù)平臺、工業(yè)知識庫平臺、MES、VFK、ERP、PLM等基于互聯(lián)網(wǎng)的信息系統(tǒng)，形成實現(xiàn)智能化的算力。對應(yīng)了核心內(nèi)容數(shù)字化圈層的數(shù)字定義和網(wǎng)絡(luò)化圈層的擴展MES，是智能決策的數(shù)據(jù)來源以及綜合運營管控的核心。

2.1.4 工業(yè)APP

工業(yè)APP是將技術(shù)、知識、算法等進行規(guī)則化、軟件化等處理形成的應(yīng)用系統(tǒng)，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型智能制造的使能要素，主要包括人機交互、數(shù)字孿生、AR/VR等智能應(yīng)用，是實現(xiàn)智能化的各類智能算法。對應(yīng)了核心內(nèi)容智能化圈層的智能決策和智能執(zhí)行，是智能制造的具體體現(xiàn)。

2.1.5 工業(yè)信息安全

工業(yè)信息安全包括終端安全、私有云安全、數(shù)據(jù)備份安全等，是整個智能工廠運行的基本保障。

2.1.6 智能制造標準

智能制造標準建設(shè)包括基礎(chǔ)共性標準、關(guān)鍵技術(shù)標準、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用標準等，標準化建設(shè)對整體建設(shè)起到支撐作用，為產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展保駕護航。

2.2 基于新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的智能制造方案的實施

在總體框架的基礎(chǔ)上，進行智能制造實施方案的設(shè)計，明確具體建設(shè)項目和建設(shè)層次，使建設(shè)實施具有更加清晰的可操作性，實施方案如圖 4所示。

圖4 智能制造實施方案

從圖中可以看到，根據(jù)總體框架的部署，實施方案分為平臺層、網(wǎng)絡(luò)層和現(xiàn)場層。平臺層通過大數(shù)據(jù)私有云平臺、信息物理融合平臺、企業(yè)綜合運營平臺和應(yīng)用服務(wù)平臺，基于計算機仿真、虛實融合控制技術(shù)、云計算技術(shù)等支持企業(yè)制造生產(chǎn)過程的全面智能化決策。網(wǎng)絡(luò)層由新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)和以MES為核心的制造過程綜合管控系統(tǒng)組成。基于新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成高速、高寬帶、高可靠、低延時的數(shù)據(jù)通道，形成數(shù)據(jù)信息的便利、高效載體，實現(xiàn)對生產(chǎn)任務(wù)的科學(xué)安排、制造資源的全面管理、制造數(shù)據(jù)的及時采集和制造過程的全方位監(jiān)控，構(gòu)成數(shù)據(jù)傳遞通道和承載內(nèi)容的集成?，F(xiàn)場層包括各車間現(xiàn)場支持作業(yè)操作、檢驗測試、物流倉儲等業(yè)務(wù)內(nèi)容的智能裝備和設(shè)施，根據(jù)平臺層下發(fā)的產(chǎn)品、工藝等生產(chǎn)要素，完成作業(yè)執(zhí)行、物料流轉(zhuǎn)、檢驗測試、數(shù)據(jù)采集等內(nèi)容，并向網(wǎng)絡(luò)層反饋生產(chǎn)進度、檢驗結(jié)果、質(zhì)量狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)要求的精準執(zhí)行以及對現(xiàn)場狀態(tài)的全面感知。

在上述方案的支持下，面向飛機生產(chǎn)制造，形成總體運行流程，如圖 5所示。

圖5 飛機智能制造總體運行流程

客戶通過飛機選配和個性化定制，形成訂單，制造公司接到訂單后，一方面進行并行設(shè)計、工藝仿真等為生產(chǎn)執(zhí)行提供依據(jù)；另一方面通過大數(shù)據(jù)、云平臺等基于已有大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的深入分析，對原材料、物流、加工、裝配等生產(chǎn)流程進行科學(xué)的整體規(guī)劃，形成生產(chǎn)計劃結(jié)合制造裝配指令，各生產(chǎn)執(zhí)行單位完成零部件加工、部組件裝配、總裝集成、檢測測試、產(chǎn)品運轉(zhuǎn)等作業(yè)，并對全過程質(zhì)量給予嚴格控制，對各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進行全面采集和實時分析，最終形成合格產(chǎn)品交付給客戶，并將采集的各類數(shù)據(jù)予以保存、分類、分析、處理，形成指導(dǎo)后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)和系統(tǒng)優(yōu)化的知識，構(gòu)成制造能力不斷提升、推動企業(yè)健康發(fā)展的智慧。

3 結(jié)語

依托新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)高帶寬、快速度、低時延、高可靠、海量介入能力等眾多特點，融合新一代信息技術(shù)，建立生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)驅(qū)動的快速通道，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動制造的基礎(chǔ)支撐，推動新技術(shù)發(fā)揮的作用，打造萬物互聯(lián)的全連接生產(chǎn)工廠。

整個制造環(huán)境內(nèi)通過布控新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)替代傳統(tǒng)有線連接、特別是設(shè)備間的有線連接，采用統(tǒng)一的標準進行數(shù)據(jù)交換，從而替代傳統(tǒng) IT與OT兩級網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使工業(yè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與網(wǎng)絡(luò)環(huán)境形成統(tǒng)一的整體，從而實現(xiàn)信息化與工業(yè)化的高度融合。

然而，新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空智能制造工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用還處于初步階段，仍需要進一步研究新一代移動通信網(wǎng)絡(luò)在航空工業(yè)園區(qū)的應(yīng)用，以及發(fā)展到智能制造的其他制造領(lǐng)域。