從航空制造業(ye)的(de)產(chan)業(ye)特點出(chu)發(fa)，總結回顧(gu)航空工業(ye)推進智(zhi)能(neng)制造工作(zuo)的(de)發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)歷程，提出(chu)未來結合(he)(he)關鍵工藝裝備的(de)智(zhi)能(neng)化(hua)升(sheng)級和行業(ye)的(de)全面數字(zi)化(hua)轉型，以及加速(su)推進智(zhi)能(neng)制造創新發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)的(de)思路，以構建(jian)符合(he)(he)產(chan)業(ye)發(fa)展(zhan)(zhan)(zhan)特點和要(yao)求的(de)智(zhi)能(neng)制造新模式。

       1 序言 

       航空制造業是我國國防建設和國民經濟的重要組成部分，關乎著國家戰略安全、經濟建設與發展。我國航空制造業發展至今，度過了曲折的幾十年，迎來了現在的全面發展時期。在國家“十四五”發展規劃和推動制造業高質量發展等一系列政策帶動影響下，航空制造業也急需建立完備的數字化智能化制造體系，融合最新的信息通信技術，推動產業升級，向實現航空強國邁進。航空制造產業產品系統復雜程度高，產業鏈長，結構復雜且對質量、精密性及生產制造效率等有著極高的要求。本文將詳細解讀航空制造業特點，以中國航空工業集團有限公司為例，介紹航空制造產業如何從頂層設計著手，構建數字化生產線，提升工業制造能力，實現智能化轉型升級。
       2 航空制造業特點

       （1）系(xi)統(tong)復雜(za)程(cheng)度(du)高，結構復雜(za)　由于航空(kong)產(chan)(chan)品(pin)應(ying)用領域的(de)(de)特殊性，導(dao)致(zhi)航空(kong)制造業呈現系(xi)統(tong)高度(du)綜合的(de)(de)產(chan)(chan)業特點，系(xi)統(tong)間構成(cheng)了復雜(za)龐大的(de)(de)關系(xi)網并在(zai)精(jing)度(du)上有高標準、嚴(yan)要求(qiu)。航空(kong)制造產(chan)(chan)業零(ling)(ling)部(bu)件(jian)種類繁(fan)多，零(ling)(ling)部(bu)件(jian)數(shu)量達到(dao)500萬(wan)量級。而(er)且，零(ling)(ling)部(bu)件(jian)之間相(xiang)互聯(lian)系(xi)，要求(qiu)具有很(hen)高的(de)(de)協調性。航空(kong)產(chan)(chan)品(pin)的(de)(de)研發較其他行業相(xiang)對復雜(za)，蘭德(de)公司研究了1965－2000年美軍采(cai)購戰(zhan)機的(de)(de)相(xiang)關歷史數(shu)據后發現，制約防空(kong)系(xi)統(tong)創新(xin)理(li)念落地的(de)(de)瓶(ping)頸(jing)在(zai)于復雜(za)度(du)管理(li)能力(li)。在(zai)新(xin)的(de)(de)防務(wu)產(chan)(chan)品(pin)帶(dai)來的(de)(de)價值增(zeng)長(chang)中，與復雜(za)度(du)管理(li)相(xiang)關的(de)(de)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)占5成(cheng)左右(you)，如(ru)圖(tu)1所(suo)示。圖(tu)中，紅色為集成(cheng)電(dian)路產(chan)(chan)業，綠(lv)色為汽(qi)車制造產(chan)(chan)業，藍色為防務(wu)工業。航空(kong)航天(tian)系(xi)統(tong)從設計、集成(cheng)到(dao)測試所(suo)耗費(fei)的(de)(de)時間大于集成(cheng)電(dian)路、汽(qi)車制造。不(bu)考慮(lv)通貨膨脹因(yin)素(su)，從20世紀60年代至(zhi)今，航空(kong)航天(tian)系(xi)統(tong)開(kai)發費(fei)用增(zeng)長(chang)率達8～12倍(bei)，其他兩個產(chan)(chan)業卻沒有明顯增(zeng)長(chang)。

圖1　不同行(xing)業產品(pin)開發流(liu)程(cheng)中的(de)復雜(za)度

       （2）多品(pin)種(zhong)、變批(pi)量和定(ding)制化　航空產(chan)(chan)(chan)品(pin)包括飛(fei)機、發(fa)動機及各類機載設備(bei)等，品(pin)種(zhong)多，型號譜系和批(pi)次(ci)多達(da)幾十(shi)種(zhong)，但(dan)單一(yi)型號的(de)飛(fei)機年產(chan)(chan)(chan)量卻往往不(bu)超過百架[1]。這個特點對(dui)數(shu)字化生(sheng)產(chan)(chan)(chan)線的(de)建立有很大的(de)制約(yue)，增(zeng)加了生(sheng)產(chan)(chan)(chan)體系的(de)構建和運營(ying)成本，同時(shi)對(dui)生(sheng)產(chan)(chan)(chan)設施的(de)高度柔性化和智能化，以(yi)及生(sheng)產(chan)(chan)(chan)運營(ying)過程的(de)精益化提出了很高要求(qiu)。

       （3）生產(chan)(chan)制(zhi)造過程工(gong)(gong)藝路線(xian)長，產(chan)(chan)品制(zhi)造和裝配(pei)要(yao)求(qiu)高(gao)　作(zuo)為高(gao)價值產(chan)(chan)品，航(hang)(hang)空產(chan)(chan)品工(gong)(gong)件生產(chan)(chan)制(zhi)造工(gong)(gong)序多，誤(wu)差積累的環節多。航(hang)(hang)空行業的機(ji)械加工(gong)(gong)往往需要(yao)突破零部件尺寸大(da)(da)(da)、結構復雜(za)、剛性弱、材料難(nan)加工(gong)(gong)和加工(gong)(gong)精度要(yao)求(qiu)高(gao)等一系列(lie)復雜(za)制(zhi)造難(nan)題。航(hang)(hang)空產(chan)(chan)品裝配(pei)過程以人(ren)工(gong)(gong)為主，大(da)(da)(da)部件精準(zhun)對接，表面接插控制(zhi)和零部件協調(diao)操(cao)(cao)作(zuo)對操(cao)(cao)作(zuo)人(ren)員(yuan)來(lai)說(shuo)操(cao)(cao)作(zuo)難(nan)度大(da)(da)(da)。在制(zhi)造數(shu)據管理中，產(chan)(chan)生的數(shu)據模型體量龐大(da)(da)(da)，從時間與(yu)準(zhun)確性上對數(shu)據控制(zhi)有嚴格要(yao)求(qiu)。

       （4）生產(chan)(chan)組織管理(li)復雜(za)，供(gong)應(ying)鏈(lian)協(xie)(xie)同(tong)難度(du)大　航(hang)空產(chan)(chan)品從(cong)設計試驗到生產(chan)(chan)制造，跨越(yue)產(chan)(chan)業鏈(lian)不(bu)同(tong)的(de)企(qi)(qi)業，這些企(qi)(qi)業地(di)理(li)位置分散，屬于典型的(de)跨企(qi)(qi)業跨地(di)域協(xie)(xie)同(tong)，帶(dai)來產(chan)(chan)業鏈(lian)協(xie)(xie)同(tong)的(de)難度(du)較高，不(bu)方便(bian)管理(li)。負責生產(chan)(chan)的(de)單位層級多、配套鏈(lian)長[2]。成品供(gong)應(ying)商遍(bian)布世(shi)界各地(di)，聯系不(bu)便(bian)。供(gong)應(ying)鏈(lian)-產(chan)(chan)業鏈(lian)協(xie)(xie)同(tong)一致是航(hang)空制造業發展(zhan)的(de)主要(yao)瓶(ping)頸。

       按照標準的(de)(de)(de)供(gong)(gong)應(ying)(ying)鏈(lian)(lian)(lian)管理(li)模型，制造(zao)(zao)業(ye)(ye)產品(pin)(pin)的(de)(de)(de)生(sheng)產從(cong)供(gong)(gong)應(ying)(ying)商到核心企業(ye)(ye)再到客戶都具有采購(gou)(gou)、生(sheng)產、配(pei)(pei)送和(he)(he)退(tui)貨等(deng)環節(jie)的(de)(de)(de)協同迭代，是較(jiao)長的(de)(de)(de)價(jia)值(zhi)創造(zao)(zao)協同過(guo)(guo)程。不(bu)同產業(ye)(ye)對產業(ye)(ye)鏈(lian)(lian)(lian)、供(gong)(gong)應(ying)(ying)鏈(lian)(lian)(lian)和(he)(he)價(jia)值(zhi)鏈(lian)(lian)(lian)三(san)鏈(lian)(lian)(lian)協同的(de)(de)(de)關注(zhu)點(dian)(dian)(dian)差異較(jiao)大。流程制造(zao)(zao)業(ye)(ye)和(he)(he)電(dian)子等(deng)行(xing)業(ye)(ye)往(wang)往(wang)關注(zhu)采購(gou)(gou)、庫存，這(zhe)些行(xing)業(ye)(ye)供(gong)(gong)應(ying)(ying)鏈(lian)(lian)(lian)中(zhong)采購(gou)(gou)成本占比較(jiao)大；食(shi)品(pin)(pin)等(deng)行(xing)業(ye)(ye)關注(zhu)物流和(he)(he)運輸，特(te)別講究時效(xiao)性；國防裝備的(de)(de)(de)供(gong)(gong)應(ying)(ying)鏈(lian)(lian)(lian)則提(ti)出安全可控、充足保(bao)障、柔性敏捷等(deng)要求(qiu)。而作為(wei)離(li)散制造(zao)(zao)業(ye)(ye)的(de)(de)(de)航空航天行(xing)業(ye)(ye)，由于自身產業(ye)(ye)特(te)點(dian)(dian)(dian)，往(wang)往(wang)強調總集成商牽(qian)引的(de)(de)(de)上(shang)下(xia)游協同，重點(dian)(dian)(dian)為(wei)精(jing)準供(gong)(gong)應(ying)(ying)鏈(lian)(lian)(lian)和(he)(he)精(jing)益(yi)化(hua)生(sheng)產，通過(guo)(guo)追求(qiu)生(sheng)產均衡，實現(xian)從(cong)產品(pin)(pin)總裝、部件/系統(tong)到一配(pei)(pei)、二配(pei)(pei)供(gong)(gong)應(ying)(ying)鏈(lian)(lian)(lian)的(de)(de)(de)精(jing)準協同，并尋求(qiu)供(gong)(gong)應(ying)(ying)鏈(lian)(lian)(lian)、產業(ye)(ye)鏈(lian)(lian)(lian)和(he)(he)價(jia)值(zhi)鏈(lian)(lian)(lian)協同下(xia)的(de)(de)(de)最優能力配(pei)(pei)置(zhi)。

       3 建立智能制造架構，構建數字化生產線

       在世界工程技術發展歷程中，航空航天往往通過自身產業的創新發展牽引先進生產制造技術、裝備、大型工業軟件的創新發展，成為先進信息通信技術、先進工藝裝備和先進生產制造模式的應用高地。實現中國航空制造業的智能化發展，是一個復雜的系統工程。在集團公司指導下，中國航空制造技術研究院、航空工業信息技術中心聯合建設智能制造創新中心，完善航空工業智能制造架構規劃和建設方案，為各單位開展項目論證、建設以及中心技術預研、解決方案開發等提供指導。參與航空智能制造試點推進，培育智能制造導航項目，總結提煉并形成推廣模式。研究智能制造關鍵技術并形成航空工業智能制造技術體系，從材料、技術、人力等方面支撐航空工業智能制造行動計劃。從發展規劃、架構設計、體系建設、技術研發和應用驗證幾大方面統籌推進智能制造工作。
       （1）智能制(zhi)(zhi)造的關鍵特征(zheng)(zheng)　在進行智能制(zhi)(zhi)造頂層(ceng)設計(ji)時(shi)，要(yao)了解什么(me)是智能制(zhi)(zhi)造，抓住智能制(zhi)(zhi)造的關鍵特征(zheng)(zheng)是實(shi)(shi)現數(shu)字化、智能化的第一要(yao)務。航空智能制(zhi)(zhi)造最終總(zong)結(jie)為四個典(dian)型特征(zheng)(zheng)：動態感知、實(shi)(shi)時(shi)分析、自主決(jue)策和精準執(zhi)行。

動態(tai)感知(zhi)：全面感知(zhi)企業、車間、設備(bei)的(de)(de)實時運行狀態(tai)，獲得一線數據(ju)(ju)，為后(hou)面環(huan)(huan)節(jie)打(da)好(hao)基礎。實時分(fen)析(xi)：對(dui)獲取的(de)(de)實時運行狀態(tai)數據(ju)(ju)進(jin)行及(ji)時、快速地分(fen)析(xi)，包(bao)括(kuo)數據(ju)(ju)的(de)(de)高(gao)級(ji)分(fen)析(xi)、邊緣層(ceng)(ceng)的(de)(de)自動化分(fen)析(xi)等(deng)，為后(hou)續的(de)(de)決策(ce)(ce)提(ti)供依(yi)據(ju)(ju)。自主決策(ce)(ce)：按照設定的(de)(de)規(gui)則(ze)，根(gen)據(ju)(ju)數據(ju)(ju)分(fen)析(xi)的(de)(de)結果，為人在環(huan)(huan)的(de)(de)智能制(zhi)造(zao)系(xi)統提(ti)供判斷和選擇(ze)依(yi)據(ju)(ju)的(de)(de)支撐。精(jing)準執(zhi)行：執(zhi)行決策(ce)(ce)，對(dui)設備(bei)狀態(tai)、車間和生產(chan)線的(de)(de)運行做(zuo)出(chu)調整(zheng)，使生產(chan)能夠順利、高(gao)效(xiao)進(jin)行。這四個環(huan)(huan)節(jie)層(ceng)(ceng)層(ceng)(ceng)遞進(jin)，形(xing)成了良性的(de)(de)螺旋上升循(xun)環(huan)(huan)，促進(jin)了制(zhi)造(zao)體系(xi)的(de)(de)有(you)序高(gao)效(xiao)進(jin)行。

       （2）智能制(zhi)(zhi)造參考架(jia)構（見圖2）　在進行智能制(zhi)(zhi)造頂(ding)層架(jia)構設計時，不(bu)只是要(yao)實現底層一個車間、一個產業(ye)線(xian)的數字化(hua)(hua)、智能化(hua)(hua)，而是要(yao)從動(dong)態企(qi)業(ye)聯盟(meng)、企(qi)業(ye)管理(li)(li)到生產管理(li)(li)再到控制(zhi)(zhi)執行層將智能化(hua)(hua)覆蓋需求(qiu)工(gong)程、概(gai)念設計、產品(pin)設計、產品(pin)試(shi)制(zhi)(zhi)、產品(pin)制(zhi)(zhi)造、使用保障以及退(tui)役產品(pin)全生命周期[3]。

圖2　智能(neng)制造參考架構

       4 結合數字化轉型和高端設備研制，加速推進航空智能制造發展

       當前，以新一代信息技術為代表，數字技術與制造業的深入融合正在加速智能制造向更高層面、更深層次的發展。當然，航空制造業數字化、智能化轉型工作不是一蹴而就的，要分層推進，多層面同步發力。通過引入數字孿生的理念，建立基于模型的企業，多維推動企業的數字化、智能化轉型。首先在產業鏈層面，要更加關注應用供應鏈建模和仿真技術來優化產業布局和分工，在“數字中國”大環境中建立航空工業的數字供應網絡；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字化生產線設計建造的過程。當然，工廠和生產線設計建造過程也不局限于行業內部，也可以延伸至行業外。在這個基礎上，對實際的生產過程，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，促進生產制造活動的優化和重構，使之更加柔性化和智能化。在生產執行層，如生產設備、物流系統、制造資源等同步引入建模與仿真，構建數字孿生。在產品全生命周期模型貫通方面，產品的數字化定義（MBD）在航空航天行業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(wei)來(lai)航空制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)業(ye)的(de)(de)智能制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)系統(tong)應該(gai)是基于混合(he)云(yun)的(de)(de)智能制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)系統(tong)，同時通過綜(zong)合(he)構建(jian)工業(ye)賽博(bo)物理(li)系統(tong)（CPS），實現(xian)虛(xu)擬世界和(he)現(xian)實世界的(de)(de)融(rong)(rong)合(he)發(fa)展。隨著客戶需求及市場(chang)的(de)(de)變化，航空生(sheng)產(chan)(chan)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)模(mo)式在(zai)柔(rou)性化和(he)可重構方(fang)面要(yao)求越來(lai)越高。要(yao)以(yi)總裝，比(bi)如飛機(ji)(ji)整機(ji)(ji)總裝或者發(fa)動機(ji)(ji)總裝為牽(qian)引，重構柔(rou)性制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)模(mo)式，同時向下牽(qian)引各個專業(ye)生(sheng)產(chan)(chan)線(xian)(xian)的(de)(de)建(jian)設(she)和(he)運(yun)作，如機(ji)(ji)械加工、鈑(ban)金成(cheng)形、焊(han)接、復(fu)合(he)材料及表(biao)面處理(li)等。生(sheng)產(chan)(chan)制(zhi)(zhi)(zhi)造(zao)(zao)(zao)系統(tong)在(zai)生(sheng)產(chan)(chan)線(xian)(xian)層(ceng)面基本上是以(yi)CPS的(de)(de)理(li)念(nian)推進(jin)，也稱做工業(ye)CPS系統(tong)，期望形成(cheng)虛(xu)實融(rong)(rong)合(he)兩(liang)個層(ceng)面，并在(zai)賽博(bo)層(ceng)做更多的(de)(de)工作。無論是從產(chan)(chan)品工藝(yi)過程的(de)(de)規劃、資(zi)產(chan)(chan)設(she)備(bei)的(de)(de)數字化管理(li)，還(huan)是從生(sheng)產(chan)(chan)過程的(de)(de)精益化運(yun)營等方(fang)面，在(zai)虛(xu)擬空間都應盡(jin)量進(jin)行(xing)高精度的(de)(de)仿真，指(zhi)導(dao)生(sheng)產(chan)(chan)現(xian)場(chang)的(de)(de)運(yun)作，以(yi)便實現(xian)虛(xu)實互動、虛(xu)實結(jie)合(he)的(de)(de)新CPS系統(tong)。

       智(zhi)能(neng)(neng)制造系統最終需要(yao)(yao)通過一個個分(fen)層(ceng)分(fen)級(ji)的(de)(de)智(zhi)能(neng)(neng)系統組成。智(zhi)能(neng)(neng)單元和(he)智(zhi)能(neng)(neng)工(gong)藝裝備(bei)(bei)(bei)是未來構建智(zhi)能(neng)(neng)系統的(de)(de)硬核心。航空制造業要(yao)(yao)實(shi)現創新發展，高端工(gong)藝裝備(bei)(bei)(bei)的(de)(de)投入必不可少。“機器代人”在航空制造業有新的(de)(de)內(nei)涵(han)。在金屬(shu)切(qie)(qie)削(xue)領(ling)域(yu)，要(yao)(yao)重(zhong)(zhong)(zhong)點(dian)突(tu)(tu)破五坐(zuo)(zuo)標加(jia)工(gong)中心、五坐(zuo)(zuo)標強力切(qie)(qie)削(xue)銑(xian)床和(he)三(san)坐(zuo)(zuo)標、五坐(zuo)(zuo)標高速(su)切(qie)(qie)削(xue)銑(xian)床等(deng)(deng)；在復合材料(liao)構件領(ling)域(yu)要(yao)(yao)突(tu)(tu)破復合材料(liao)自動鋪(pu)絲鋪(pu)帶設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)和(he)復合材料(liao)自動檢測設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)等(deng)(deng)；在金屬(shu)成形(xing)領(ling)域(yu)要(yao)(yao)重(zhong)(zhong)(zhong)點(dian)突(tu)(tu)破智(zhi)能(neng)(neng)化熱成形(xing)設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、蒙皮拉伸設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、超速(su)成形(xing)/擴散(san)連接設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、旋(xuan)壓成形(xing)設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)和(he)噴丸成形(xing)設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)等(deng)(deng)；在特種加(jia)工(gong)領(ling)域(yu)要(yao)(yao)重(zhong)(zhong)(zhong)點(dian)突(tu)(tu)破激光表(biao)面強化設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、等(deng)(deng)離子噴涂設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、電(dian)(dian)解加(jia)工(gong)設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、磨(mo)粒流(liu)加(jia)工(gong)設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、電(dian)(dian)液束加(jia)工(gong)設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)和(he)3D打(da)印設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)等(deng)(deng)；在焊(han)(han)接領(ling)域(yu)要(yao)(yao)重(zhong)(zhong)(zhong)點(dian)突(tu)(tu)破電(dian)(dian)子束焊(han)(han)接設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、激光焊(han)(han)接設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)、攪拌摩擦(ca)(ca)焊(han)(han)接設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)和(he)線(xian)性摩擦(ca)(ca)焊(han)(han)接設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)等(deng)(deng)；在精(jing)密(mi)加(jia)工(gong)領(ling)域(yu)要(yao)(yao)突(tu)(tu)破超精(jing)密(mi)加(jia)工(gong)機床、三(san)坐(zuo)(zuo)標測量機和(he)慣導(dao)測試(shi)與(yu)運動姿態設(she)(she)(she)(she)備(bei)(bei)(bei)等(deng)(deng)等(deng)(deng)。

       5 結束語

       航(hang)(hang)空工業(ye)推(tui)進數字(zi)化和智能(neng)化，最(zui)終目(mu)標(biao)是滿足用(yong)戶(hu)對航(hang)(hang)空產(chan)(chan)品的(de)(de)(de)新(xin)(xin)需求(qiu)，以國(guo)防實(shi)力，推(tui)動(dong)大眾享受(shou)航(hang)(hang)空，實(shi)現對美(mei)好(hao)生活的(de)(de)(de)向往。未來航(hang)(hang)空工業(ye)智能(neng)制造的(de)(de)(de)發展要以用(yong)戶(hu)需求(qiu)為(wei)核心，為(wei)用(yong)戶(hu)提供高質(zhi)量(liang)的(de)(de)(de)個(ge)性化定(ding)制服(fu)務。以此為(wei)牽(qian)引推(tui)動(dong)構建網絡(luo)化協(xie)同和智能(neng)化生產(chan)(chan)網絡(luo)，形成(cheng)一(yi)種新(xin)(xin)的(de)(de)(de)生產(chan)(chan)制造模(mo)式。在這基礎上提升產(chan)(chan)品服(fu)務的(de)(de)(de)質(zhi)量(liang)，降低(di)成(cheng)本，提高綜(zong)合效(xiao)率(lv)。整個(ge)行業(ye)要迎合以數字(zi)技(ji)術(shu)(shu)為(wei)代表的(de)(de)(de)新(xin)(xin)一(yi)輪科技(ji)革命和產(chan)(chan)業(ye)變(bian)革的(de)(de)(de)歷(li)史趨(qu)勢，抓(zhua)住新(xin)(xin)一(yi)輪發展的(de)(de)(de)機遇來推(tui)動(dong)數字(zi)化、網絡(luo)化和智能(neng)化技(ji)術(shu)(shu)在航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天的(de)(de)(de)應用(yong)。