從航空制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)特點出發(fā)，總結(jié)回顧航空工業(yè)推進智能制造工作的發(fā)展歷程，提出未來結(jié)合關鍵工藝裝備的智能化升級和行業(yè)的全面數(shù)字化轉(zhuǎn)型，以及加速推進智能制造創(chuàng)新發(fā)展的思路，以構(gòu)建符合產(chǎn)業(yè)發(fā)展特點和要求的智能制造新模式。

       1 序言 

       航空制造業(yè)是我國國防建設和國民經(jīng)濟的重要組成部分，關乎著國家戰(zhàn)略安全、經(jīng)濟建設與發(fā)展。我國航空制造業(yè)發(fā)展至今，度過了曲折的幾十年，迎來了現(xiàn)在的全面發(fā)展時期。在國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等一系列政策帶動影響下，航空制造業(yè)也急需建立完備的數(shù)字化智能化制造體系，融合最新的信息通信技術(shù)，推動產(chǎn)業(yè)升級，向?qū)崿F(xiàn)航空強國邁進。航空制造產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品系統(tǒng)復雜程度高，產(chǎn)業(yè)鏈長，結(jié)構(gòu)復雜且對質(zhì)量、精密性及生產(chǎn)制造效率等有著極高的要求。本文將詳細解讀航空制造業(yè)特點，以中國航空工業(yè)集團有限公司為例，介紹航空制造產(chǎn)業(yè)如何從頂層設計著手，構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)線，提升工業(yè)制造能力，實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型升級。
       2 航空制造業(yè)特點

       （1）系統(tǒng)復雜程度高，結(jié)構(gòu)復雜　由于航空產(chǎn)品應用領域的特殊性，導致航空制造業(yè)呈現(xiàn)系統(tǒng)高度綜合的產(chǎn)業(yè)特點，系統(tǒng)間構(gòu)成了復雜龐大的關系網(wǎng)并在精度上有高標準、嚴要求。航空制造產(chǎn)業(yè)零部件種類繁多，零部件數(shù)量達到500萬量級。而且，零部件之間相互聯(lián)系，要求具有很高的協(xié)調(diào)性。航空產(chǎn)品的研發(fā)較其他行業(yè)相對復雜，蘭德公司研究了1965－2000年美軍采購戰(zhàn)機的相關歷史數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，制約防空系統(tǒng)創(chuàng)新理念落地的瓶頸在于復雜度管理能力。在新的防務產(chǎn)品帶來的價值增長中，與復雜度管理相關的影響因素占5成左右，如圖1所示。圖中，紅色為集成電路產(chǎn)業(yè)，綠色為汽車制造產(chǎn)業(yè)，藍色為防務工業(yè)。航空航天系統(tǒng)從設計、集成到測試所耗費的時間大于集成電路、汽車制造。不考慮通貨膨脹因素，從20世紀60年代至今，航空航天系統(tǒng)開發(fā)費用增長率達8～12倍，其他兩個產(chǎn)業(yè)卻沒有明顯增長。

圖1　不同行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)流程中的復雜度

       （2）多品種、變批量和定制化　航空產(chǎn)品包括飛機、發(fā)動機及各類機載設備等，品種多，型號譜系和批次多達幾十種，但單一型號的飛機年產(chǎn)量卻往往不超過百架[1]。這個特點對數(shù)字化生產(chǎn)線的建立有很大的制約，增加了生產(chǎn)體系的構(gòu)建和運營成本，同時對生產(chǎn)設施的高度柔性化和智能化，以及生產(chǎn)運營過程的精益化提出了很高要求。

       （3）生產(chǎn)制造過程工藝路線長，產(chǎn)品制造和裝配要求高　作為高價值產(chǎn)品，航空產(chǎn)品工件生產(chǎn)制造工序多，誤差積累的環(huán)節(jié)多。航空行業(yè)的機械加工往往需要突破零部件尺寸大、結(jié)構(gòu)復雜、剛性弱、材料難加工和加工精度要求高等一系列復雜制造難題。航空產(chǎn)品裝配過程以人工為主，大部件精準對接，表面接插控制和零部件協(xié)調(diào)操作對操作人員來說操作難度大。在制造數(shù)據(jù)管理中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)模型體量龐大，從時間與準確性上對數(shù)據(jù)控制有嚴格要求。

       （4）生產(chǎn)組織管理復雜，供應鏈協(xié)同難度大　航空產(chǎn)品從設計試驗到生產(chǎn)制造，跨越產(chǎn)業(yè)鏈不同的企業(yè)，這些企業(yè)地理位置分散，屬于典型的跨企業(yè)跨地域協(xié)同，帶來產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同的難度較高，不方便管理。負責生產(chǎn)的單位層級多、配套鏈長[2]。成品供應商遍布世界各地，聯(lián)系不便。供應鏈-產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同一致是航空制造業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

       按照標準的供應鏈管理模型，制造業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)從供應商到核心企業(yè)再到客戶都具有采購、生產(chǎn)、配送和退貨等環(huán)節(jié)的協(xié)同迭代，是較長的價值創(chuàng)造協(xié)同過程。不同產(chǎn)業(yè)對產(chǎn)業(yè)鏈、供應鏈和價值鏈三鏈協(xié)同的關注點差異較大。流程制造業(yè)和電子等行業(yè)往往關注采購、庫存，這些行業(yè)供應鏈中采購成本占比較大；食品等行業(yè)關注物流和運輸，特別講究時效性；國防裝備的供應鏈則提出安全可控、充足保障、柔性敏捷等要求。而作為離散制造業(yè)的航空航天行業(yè)，由于自身產(chǎn)業(yè)特點，往往強調(diào)總集成商牽引的上下游協(xié)同，重點為精準供應鏈和精益化生產(chǎn)，通過追求生產(chǎn)均衡，實現(xiàn)從產(chǎn)品總裝、部件/系統(tǒng)到一配、二配供應鏈的精準協(xié)同，并尋求供應鏈、產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈協(xié)同下的最優(yōu)能力配置。

       3 建立智能制造架構(gòu)，構(gòu)建數(shù)字化生產(chǎn)線

       在世界工程技術(shù)發(fā)展歷程中，航空航天往往通過自身產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展牽引先進生產(chǎn)制造技術(shù)、裝備、大型工業(yè)軟件的創(chuàng)新發(fā)展，成為先進信息通信技術(shù)、先進工藝裝備和先進生產(chǎn)制造模式的應用高地。實現(xiàn)中國航空制造業(yè)的智能化發(fā)展，是一個復雜的系統(tǒng)工程。在集團公司指導下，中國航空制造技術(shù)研究院、航空工業(yè)信息技術(shù)中心聯(lián)合建設智能制造創(chuàng)新中心，完善航空工業(yè)智能制造架構(gòu)規(guī)劃和建設方案，為各單位開展項目論證、建設以及中心技術(shù)預研、解決方案開發(fā)等提供指導。參與航空智能制造試點推進，培育智能制造導航項目，總結(jié)提煉并形成推廣模式。研究智能制造關鍵技術(shù)并形成航空工業(yè)智能制造技術(shù)體系，從材料、技術(shù)、人力等方面支撐航空工業(yè)智能制造行動計劃。從發(fā)展規(guī)劃、架構(gòu)設計、體系建設、技術(shù)研發(fā)和應用驗證幾大方面統(tǒng)籌推進智能制造工作。
       （1）智能制造的關鍵特征　在進行智能制造頂層設計時，要了解什么是智能制造，抓住智能制造的關鍵特征是實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的第一要務。航空智能制造最終總結(jié)為四個典型特征：動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準執(zhí)行。

動態(tài)感知：全面感知企業(yè)、車間、設備的實時運行狀態(tài)，獲得一線數(shù)據(jù)，為后面環(huán)節(jié)打好基礎。實時分析：對獲取的實時運行狀態(tài)數(shù)據(jù)進行及時、快速地分析，包括數(shù)據(jù)的高級分析、邊緣層的自動化分析等，為后續(xù)的決策提供依據(jù)。自主決策：按照設定的規(guī)則，根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，為人在環(huán)的智能制造系統(tǒng)提供判斷和選擇依據(jù)的支撐。精準執(zhí)行：執(zhí)行決策，對設備狀態(tài)、車間和生產(chǎn)線的運行做出調(diào)整，使生產(chǎn)能夠順利、高效進行。這四個環(huán)節(jié)層層遞進，形成了良性的螺旋上升循環(huán)，促進了制造體系的有序高效進行。

       （2）智能制造參考架構(gòu)（見圖2）　在進行智能制造頂層架構(gòu)設計時，不只是要實現(xiàn)底層一個車間、一個產(chǎn)業(yè)線的數(shù)字化、智能化，而是要從動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟、企業(yè)管理到生產(chǎn)管理再到控制執(zhí)行層將智能化覆蓋需求工程、概念設計、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品試制、產(chǎn)品制造、使用保障以及退役產(chǎn)品全生命周期[3]。

圖2　智能制造參考架構(gòu)

       4 結(jié)合數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高端設備研制，加速推進航空智能制造發(fā)展

       當前，以新一代信息技術(shù)為代表，數(shù)字技術(shù)與制造業(yè)的深入融合正在加速智能制造向更高層面、更深層次的發(fā)展。當然，航空制造業(yè)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型工作不是一蹴而就的，要分層推進，多層面同步發(fā)力。通過引入數(shù)字孿生的理念，建立基于模型的企業(yè)，多維推動企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。首先在產(chǎn)業(yè)鏈層面，要更加關注應用供應鏈建模和仿真技術(shù)來優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局和分工，在“數(shù)字中國”大環(huán)境中建立航空工業(yè)的數(shù)字供應網(wǎng)絡；第二，在智能工廠建設層面，要更加注重基于過程仿真的智能車間和數(shù)字化生產(chǎn)線設計建造的過程。當然，工廠和生產(chǎn)線設計建造過程也不局限于行業(yè)內(nèi)部，也可以延伸至行業(yè)外。在這個基礎上，對實際的生產(chǎn)過程，即整個物理制造過程要進行更加細致和逼真的建模和仿真，促進生產(chǎn)制造活動的優(yōu)化和重構(gòu)，使之更加柔性化和智能化。在生產(chǎn)執(zhí)行層，如生產(chǎn)設備、物流系統(tǒng)、制造資源等同步引入建模與仿真，構(gòu)建數(shù)字孿生。在產(chǎn)品全生命周期模型貫通方面，產(chǎn)品的數(shù)字化定義（MBD）在航空航天行業(yè)的應用已有相當成效，但遠期要向全生命周期進一步扎實推進。
       未來航空制造業(yè)的智能制造系統(tǒng)應該是基于混合云的智能制造系統(tǒng)，同時通過綜合構(gòu)建工業(yè)賽博物理系統(tǒng)（CPS），實現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實世界的融合發(fā)展。隨著客戶需求及市場的變化，航空生產(chǎn)制造模式在柔性化和可重構(gòu)方面要求越來越高。要以總裝，比如飛機整機總裝或者發(fā)動機總裝為牽引，重構(gòu)柔性制造模式，同時向下牽引各個專業(yè)生產(chǎn)線的建設和運作，如機械加工、鈑金成形、焊接、復合材料及表面處理等。生產(chǎn)制造系統(tǒng)在生產(chǎn)線層面基本上是以CPS的理念推進，也稱做工業(yè)CPS系統(tǒng)，期望形成虛實融合兩個層面，并在賽博層做更多的工作。無論是從產(chǎn)品工藝過程的規(guī)劃、資產(chǎn)設備的數(shù)字化管理，還是從生產(chǎn)過程的精益化運營等方面，在虛擬空間都應盡量進行高精度的仿真，指導生產(chǎn)現(xiàn)場的運作，以便實現(xiàn)虛實互動、虛實結(jié)合的新CPS系統(tǒng)。

       智能制造系統(tǒng)最終需要通過一個個分層分級的智能系統(tǒng)組成。智能單元和智能工藝裝備是未來構(gòu)建智能系統(tǒng)的硬核心。航空制造業(yè)要實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展，高端工藝裝備的投入必不可少?！皺C器代人”在航空制造業(yè)有新的內(nèi)涵。在金屬切削領域，要重點突破五坐標加工中心、五坐標強力切削銑床和三坐標、五坐標高速切削銑床等；在復合材料構(gòu)件領域要突破復合材料自動鋪絲鋪帶設備和復合材料自動檢測設備等；在金屬成形領域要重點突破智能化熱成形設備、蒙皮拉伸設備、超速成形/擴散連接設備、旋壓成形設備和噴丸成形設備等；在特種加工領域要重點突破激光表面強化設備、等離子噴涂設備、電解加工設備、磨粒流加工設備、電液束加工設備和3D打印設備等；在焊接領域要重點突破電子束焊接設備、激光焊接設備、攪拌摩擦焊接設備和線性摩擦焊接設備等；在精密加工領域要突破超精密加工機床、三坐標測量機和慣導測試與運動姿態(tài)設備等等。

       5 結(jié)束語

       航空工業(yè)推進數(shù)字化和智能化，最終目標是滿足用戶對航空產(chǎn)品的新需求，以國防實力，推動大眾享受航空，實現(xiàn)對美好生活的向往。未來航空工業(yè)智能制造的發(fā)展要以用戶需求為核心，為用戶提供高質(zhì)量的個性化定制服務。以此為牽引推動構(gòu)建網(wǎng)絡化協(xié)同和智能化生產(chǎn)網(wǎng)絡，形成一種新的生產(chǎn)制造模式。在這基礎上提升產(chǎn)品服務的質(zhì)量，降低成本，提高綜合效率。整個行業(yè)要迎合以數(shù)字技術(shù)為代表的新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的歷史趨勢，抓住新一輪發(fā)展的機遇來推動數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化技術(shù)在航空航天的應用。