智能制造基礎(chǔ)
——數(shù)字化

■ 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司信息技術(shù)中心 （北京 100028） 寧振波

■ 北京航空航天大學(xué)人文社會科學(xué)學(xué)院 （北京 100191） 劉 澤

中國航空工業(yè)集團(tuán)公司信息技術(shù)中心寧振波

1. 智能制造現(xiàn)狀

中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級是以兩化深度融合為主線，智能制造為突破口。智能制造的基礎(chǔ)是什么？為什么要數(shù)字化轉(zhuǎn)型？這兩個問題一直困惑了很多人，實(shí)際上，智能制造的基礎(chǔ)就是數(shù)字化制造。首先看什么不是智能制造，我認(rèn)為無人工廠、黑燈車間不是智能制造，當(dāng)然機(jī)器人換人也不是智能制造。要清楚智能制造是什么，首先需要破題智能制造。智能制造前兩個字是智能，后兩個字是制造，先解讀這四個字。人工智能和1946年出現(xiàn)的第一臺電子計算機(jī)緊密相關(guān)，1956年出現(xiàn)人工智能的概念，實(shí)際上就是把我們?nèi)祟悢?shù)千年積累的算法、方法以及在工業(yè)過程中積累的知識、經(jīng)驗(yàn)和技能變成軟件，由電腦來執(zhí)行。2019年11月，華為公司創(chuàng)始人任正非講得非常好，他認(rèn)為：傳統(tǒng)的人工智能就是數(shù)學(xué)算法加大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。我認(rèn)為他講得非常準(zhǔn)確。制造分為兩個字，一個字是造，意思是生產(chǎn)。生產(chǎn)就是有了固定的設(shè)計圖樣和生產(chǎn)工藝，按照這個標(biāo)準(zhǔn)就可以造出滿足設(shè)計需求的產(chǎn)品，因此造就是生產(chǎn)。制就很有意思了，是制度、方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。由于中國的工業(yè)化開始于20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)援華的157個項(xiàng)目，和歐美國家?guī)装倌甑墓I(yè)發(fā)展史相比差距很大，因此我們的絕大多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)，基本都是源于對國外的學(xué)習(xí)，制度、方法、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范也都是從借鑒學(xué)習(xí)開始的。

制造包含了產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計、生產(chǎn)過程以及整個企業(yè)的管理。我認(rèn)為世界上現(xiàn)在還沒有智能工廠，只有數(shù)字化工廠，全世界都在走向智能制造的路上，主要有以下4個原因。第一，把人工智能技術(shù)和大量工業(yè)軟件全面用于工業(yè)企業(yè)的全部產(chǎn)品定義、工藝開發(fā)、生產(chǎn)過程和企業(yè)管理系統(tǒng)等方面，才可以叫做智能制造或者智能工廠。所以，無人工廠、黑燈車間僅僅是生產(chǎn)過程，而機(jī)器人換人也僅僅是生產(chǎn)過程中的一部分，最多只能叫智能生產(chǎn)。第二，從工業(yè)革命發(fā)展路徑來看，第一次工業(yè)革命以及第二次、第三次工業(yè)革命，都是經(jīng)過了幾十年甚至上百年的歷史才完成。我們把智能制造作為第四次工業(yè)革命的標(biāo)志，2013年4月漢諾威工業(yè)博覽會上，工業(yè)4.0之父孔翰寧先生發(fā)布了德國工業(yè)4.0，以這個為起點(diǎn)，到現(xiàn)在為止?jié)M打滿算不到8年時間，我們就完成了第四次工業(yè)革命嗎？顯然不是。第三，我近5年多次去漢諾威工業(yè)博覽會參觀學(xué)習(xí)，德國人非常務(wù)實(shí)，第6～9展館一直叫數(shù)字化工廠展館，沒有叫智能工廠。需要補(bǔ)充說明的是，正確理解Smart非常重要，英文原文Smart既不是智能，更沒有智慧，充其量是聰明的意思。第四，2015年德國宣布了工業(yè)4.0參考架構(gòu)和評價體系，按照這個評價體系實(shí)施工業(yè)4.0的企業(yè)滿分是4.0分，世界上最好的數(shù)字化工廠是西門子在德國紐倫堡的安貝格工廠，2016年評價得分是3.5分，華為2016年得分是2.7分，德國博世公司3.4分，2017年初濰柴動力總部得分是2.4分。2017年西門子安貝格工廠CEO接待中國訪問團(tuán)的時候回答記者：如果要達(dá)到工業(yè)4.0的標(biāo)準(zhǔn)還需要20年的時間。因此，2018年以來我在多個場合講過：如果把智能制造比喻為一場馬拉松，我們中國智能制造作為其中的一名運(yùn)動員，正在熱身。

2. 智能制造基礎(chǔ)

智能制造基礎(chǔ)是什么？2017世界智能制造大會在南京召開，在主論壇上，中國工程院原院長周濟(jì)作了《中國智能制造發(fā)展戰(zhàn)略研究》主題報告，指出在推進(jìn)智能制造的過程中，不斷涌現(xiàn)新技術(shù)、新理念、新模式，新一代智能制造的主題是以智能服務(wù)為核心的產(chǎn)業(yè)模式革命。周濟(jì)認(rèn)為，數(shù)十年來，智能制造在演化中形成許多不同方式，可以總結(jié)歸納為走向智能的三步曲：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。其中第一步就是數(shù)字化制造，因此，數(shù)字化制造是智能制造的基礎(chǔ)。數(shù)字化制造非常困難，不是一件簡單的事情。到底什么是數(shù)字化制造，數(shù)字化制造做什么，誰來做，什么時間做，什么地點(diǎn)做，怎樣做，能給企業(yè)帶來什么？數(shù)字化制造做好了，實(shí)現(xiàn)智能制造就有了很好的基礎(chǔ)。

數(shù)字化難度極大，首先看看世界上領(lǐng)先企業(yè)波音公司的數(shù)字化制造發(fā)展史：1986年波音開始在已經(jīng)交付的多架飛機(jī)機(jī)型上做部件級的三維驗(yàn)證；1991年波音777飛機(jī)全機(jī)研制是世界上第一次采用三維設(shè)計，用了800種工業(yè)軟件；2005年，波音787飛機(jī)全機(jī)研制是世界上第一次采用MBD設(shè)計，用了8 000種工業(yè)軟件；據(jù)判斷，波音現(xiàn)在應(yīng)該有超過1萬種工業(yè)軟件在用。讓我們詳細(xì)看一下這段歷史。

（1）起步 1986年，波音公司受法國達(dá)索飛機(jī)公司“隼公務(wù)機(jī)”三維設(shè)計成功的影響，啟動了自己的飛機(jī)數(shù)字化設(shè)計驗(yàn)證計劃，先后在5種成熟機(jī)型和新研機(jī)型上開展了數(shù)字化設(shè)計和驗(yàn)證，如757-46段數(shù)字化預(yù)裝配、767-200駕駛艙三維制造過程、V-22（魚鷹垂直起降飛機(jī)）管路電纜協(xié)調(diào)驗(yàn)證和747-400液壓管路系統(tǒng)等。由于當(dāng)時的計算機(jī)軟硬件條件的限制，大型CAD軟件都是和大型計算機(jī)捆綁的專用軟件，用的是8臺IBM大型計算機(jī)，操作系統(tǒng)是MVS，每臺大型計算機(jī)只能連接5～10臺用于三維設(shè)計的5080圖形工作站，大致核算每個三維設(shè)計工程師需要的軟硬件投資就超過一百萬美元，成本極其高昂。通過4年對三維設(shè)計、工藝和制造過程的學(xué)習(xí)、研究以及工程應(yīng)用驗(yàn)證，波音公司形成了相關(guān)的規(guī)范和設(shè)計方法，對三維設(shè)計有了全面的認(rèn)識和理解，培養(yǎng)了一批人才。

（2）騰飛 1991年，波音公司開始研制波音777飛機(jī)，由于有了過去多年的三維設(shè)計基礎(chǔ)，波音大膽啟動了777的全飛機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計。777零件全部基于三維溝通，數(shù)字化裝配驗(yàn)證，數(shù)字化工裝定義，300萬個零件全部采用三維表達(dá)。結(jié)果是：777飛機(jī)研制過程工程更改減少90%，首架飛機(jī)的組裝就比已經(jīng)生產(chǎn)了24年的747更便捷，同類飛機(jī)研制周期由通常的10多年縮短到了4年半。需要說明的是，777飛機(jī)采用的是三維設(shè)計、二維發(fā)圖，仍然是以圖樣為制造依據(jù)。但是，此圖樣非過去的圖樣，發(fā)出的777圖樣是經(jīng)過三維設(shè)計、裝配并協(xié)調(diào)后產(chǎn)生的全機(jī)數(shù)字樣機(jī)（DMU）生成的圖樣。另外，隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)水平的提高，777設(shè)計采用了3 200套IBM RISC6000工作站，操作系統(tǒng)是AIX（UNIX的IBM版本），平均每臺軟硬件價格不超過20萬美元。其中3 000臺是零件設(shè)計工作站，200臺是裝配工作站。

（3）巔峰 波音787全飛機(jī)采用全三維數(shù)字化設(shè)計，起源于對波音777飛機(jī)研制過程中問題的改進(jìn)。由于波音777的數(shù)字化設(shè)計工作方式采用了8臺大型計算機(jī)、3 200套CAD工作站和超過2萬臺PC機(jī)，因此每天上萬人在計算機(jī)上的工作產(chǎn)生了天量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由大量的設(shè)計數(shù)據(jù)、零件模型、裝配模型、管理數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)構(gòu)成。但是當(dāng)時波音只有常規(guī)的文件管理系統(tǒng)來管理這些數(shù)據(jù)，文件管理系統(tǒng)是樹狀架構(gòu)，而生成的飛機(jī)模型是立體的網(wǎng)狀架構(gòu)，靠常規(guī)的文件管理系統(tǒng)，第一無法管理天量的數(shù)據(jù)，第二無法管理飛機(jī)的構(gòu)型和狀態(tài)變化。因此，在波音777飛機(jī)的研制過程中，暴露了大量難以解決的協(xié)調(diào)問題。另外，從三維DMU模型生成二維圖樣，給設(shè)計師帶來了巨大的工作量，而這個工作量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出建三維模型的工作量。

為解決數(shù)據(jù)管理的問題，波音1994年啟動了DCAC/MRM項(xiàng)目，這個項(xiàng)目的核心就是數(shù)字化的飛機(jī)構(gòu)型和控制、制造資源管理，這也是世界上第一個PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）和ERP的應(yīng)用結(jié)合。這個項(xiàng)目波音預(yù)計用5年時間完成，結(jié)果實(shí)施了二期，用了10年時間，到2003年才完成，投資超過10億美元。

至于發(fā)圖的問題，三維設(shè)計二維發(fā)圖，特別耗費(fèi)人力、物力和時間，另外由于大量人工的介入，經(jīng)常會出現(xiàn)錯誤，而圖樣拿到車間去，車間的工人師傅看圖樣的時候，又會產(chǎn)生理解上的二次錯誤。1996年波音公司痛下決心，聯(lián)合了世界上16家公司，推動美國機(jī)械工程師協(xié)會ASME，花了7年時間，建立了基于三維模型的設(shè)計、工藝和生產(chǎn)制造標(biāo)準(zhǔn)，這個標(biāo)準(zhǔn)就是ASME Y14.41，也就是MBD（Model Based Definition）標(biāo)準(zhǔn)。意思就是基于模型的定義，換句話說，就是在三維模型上表達(dá)設(shè)計、材料、工藝、生產(chǎn)制造過程、計量檢測以及質(zhì)量管理數(shù)據(jù)。

波音787就是在兩個數(shù)字化基礎(chǔ)項(xiàng)目成功的背景下開始研發(fā)的。有了DCAC/MRM項(xiàng)目的加持，波音建立了全球廣域?qū)崟r協(xié)同環(huán)境GCE（Global Concurrent Engineering）；有了MBD標(biāo)準(zhǔn)，波音787飛機(jī)就是全飛機(jī)全三維數(shù)字化設(shè)計了。全三維的意思是說取消了生產(chǎn)過程中的二維圖樣、紙質(zhì)的生產(chǎn)計劃、手工的表單，并減少了大量紙質(zhì)的技術(shù)文檔。研制過程全三維就是MBD的核心所在，取消傳統(tǒng)的二維圖樣，用全三維的DMU解決設(shè)計、工藝、生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)品的復(fù)雜問題，這是一個重大的技術(shù)突破。從此我們?nèi)祟愃J(rèn)識的產(chǎn)品，計算機(jī)也能認(rèn)識了，這樣計算機(jī)就可以幫助我們做大量的工作，減少了我們的腦力勞動和勞動負(fù)荷，直接把設(shè)計的三維模型重構(gòu)生成工藝模型，交給智能化的設(shè)備生產(chǎn)，又可以大量降低體力勞動的強(qiáng)度，結(jié)果就是提升了產(chǎn)品的質(zhì)量，加快了研制進(jìn)度，當(dāng)然對復(fù)雜產(chǎn)品也大幅度降低了研制成本，這就是數(shù)字化的最高水平。再看看2000年后，計算機(jī)軟硬件發(fā)展非常迅猛，世界上主流大型CAD軟件廠商的軟件都可以在Windows+Intel上運(yùn)行，大幅度降低了制造業(yè)企業(yè)的數(shù)字化成本，一臺高端PC工作站軟硬件成本2～3萬美元足矣。這就是我所說的昔日皇家燕，今飛百姓家。

波音787的幾項(xiàng)核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全球廣域?qū)崟r協(xié)同環(huán)境GCE、MBD的全面應(yīng)用，在裝配環(huán)境下進(jìn)行上下游的關(guān)聯(lián)設(shè)計。在此基礎(chǔ)上，數(shù)字化生產(chǎn)開發(fā)成本減少50%，而且全部覆蓋件使用復(fù)合材料，復(fù)合材料占飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量的50%，使該機(jī)型取得了極大的商業(yè)成功。

3. 結(jié)語

從以上論述可知，如果我們做到了數(shù)字化制造，智能制造離我們還遠(yuǎn)嗎？這就是要講智能制造，一定要思考數(shù)字化轉(zhuǎn)型的奧秘所在。