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以智能制造推动航空工业的两化深度融合

时间:2017-06-30 11:51:40 点击:

以制造业为核心的实体 经济是保持国家竞争力和经济持续健康发展的基础。美国、德国、中国等陆续出台了“美国先进制造业发展计划”“德国工业 4.0”“中国制造 2025”等国家战略,以大力推进制造业的转型升级并力争在产业结构转型升级中占据价值链高端。


航空制造业是知识、技术和资本密集型的国家战略产业,在数字化、全球化协同、基于模型的系统工程等方面,引领了制造业的发展。但在制造业格局转变的大竞争背景和航空市场强劲的需求拉动下,航空制造业则更需要结合自身产业特点,引入智能制造体系,打破数字化管理和物理实体运行管理的界限,进一步深化物联网、大数据、虚实映射、智能设备等新一代信息和装备技术与航空制造业的融合,推动飞机智能化创新,催生新的飞机研制和服务模式。



世界先进航空企业两化融合现状


飞机等航空装备的研制及运营服务是一个复杂的系统工程,其研制成功和商业化成功都离不开先进数字化技术的支持。从未来发展的角度,以空客、波音、洛克希德 -马丁(洛马)等公司为代表的欧美先进航空企业持续进行着业务模式的改进,并通过引入先进数字化技术、智能化设备来推动业务模式的转型,是航空制造行业进行业务转型和两化融合的引领企业。


数字化技术支撑业务模式持续优化

随着市场竞争的加剧,以及新技术、新材料等基础供应链体系的不断变化,空客、波音、洛马等主承包商也在不断优化自身的业务模式,突出集成商的核心能力。空客在全球化战略指引下,其业务模式由“按图生产模式”(Build to Print)向“集成商模式”(Integrators)转换,即只关注顶层设计及集成、客户服务、适航等核心业务,剥离非核心业务,将70% 以上的零部件分包给“风险共担供应商”(RSP)和二三级供应商。为了适应该业务模式,空客在2007年实施了“面向集成优化的 PLM 统一项目”(PHENIX),以推进PLM 等信息化平台在其3个子公司和扩展企业(EE)范围内的应用以及工具及流程的统一。此外,空客还启动了“卓越研发和生产”项目以梳理和优化其研发、生产及广义企业协同的业务流程,在业务体系中引入并行工程、协同工程等先进理念,通过PLM等平台提供落地支撑。


波音公司用了两年的时 间 及 超 过 25 亿 美 元 的 投入,将最初的“按图生产模式”(Build to Print)先转变为“面向性能的生产模式”(Build to Performance),再到现在的“面向飞行的生产模式”(Build to Fly,即面向飞机整体需求,加强与供应商的集成协同),成功地完成了从飞机制造商向主规划 商(Master Planner) 的转变。其Build to Fly模式与空客的Integrators模式类似,即强调核心能力和剥离非核心业务,并强调加强与供应商的紧密协同及控制,既保证质量又能体现创新。为了体现该模式,波音公司从产品工程化研制、供应链、质量等三条业务链分别构建了完善的应用体系,以实现精益管理、客户服务和集成系统的核心能力,如图1所示。此外,波音公司还通过“定义和控制飞机构型/制造资源管理”(DCAC/MRM)项目,以单一产品数据源为基础,以精简作业流为主线来组织和管理整个波音公司的构型设计、工艺计划、生产制造和服务支持全过程。


图1 波音公司基于Build to Fly 进行业务转型和应用体系改造。


引入先进智能装备推动由点到面的精益生产

与流程式制造业不同,飞机产品装配复杂、专业集成度和质量要求高,很难实现全自动化智能装配。但是,近年来随着智能机器人等技术的发展,波音、空客、洛马等企业对飞机部装、总装生产线进行了精益布局和物流配送优化,通过精益制造思想优化生产流程,通过智能设备及物联网技术等建设飞机总装、部装脉动生产线,大大提高了生产效率和装配质量。比较典型的包括波音

的“机身全自动化制造工厂”、洛马的“F-35中机身智能装配线”、空客的“脉动制造线”和基于增强现实/物联网的零部件装配等。


飞机总装、部装脉动生产线技术,源于丰田生产方式和精益生产理论,主要结合飞机装配制造特点,将传统的批量装配生产模式变革为单件流拉动式生产方式,并在此业务模式中采用先进的测量技术、自动制孔、柔性对接、自动检测、可移动机器人等构建数字化生产和柔性装配单元,以实现飞机生产的自动化和准时化,其中的自动化是基于拉动式生产模式的人机综合协同的自动化,而不是单纯的机械自动化。欧美先进航空企业在精益生产建设方面,统一采用先进制造理念驱动业务流程优化、单点技术引入验证并在全生产线推广,以提升企业的核心制造能力和满足持续增长的客户订单需求。


物联及大数据推动飞机服务模式的转型

世界航空先进制造企业都由制造商向集成商和服务提供商转型,不断探索和优化客户服务的新模式,并依托先进数字化技术构建完善的客户服务技术体系,以提高客户服务质量,增加飞机客户服务附加利润。如空客提供的“飞行小时”(FHS)服务,航 空 公 司 可以选 择FHS服务包中的飞机维修(维修规划、航线维修)、工程服务(机队技术管理、可靠性监控、构型优化和控制)、备件供应等服务。波音公司的Edge服务主要包括航材服务、飞行服务、信息服务、综合服务与客户支援,已有多家客户选择了波音公司“按小时付费”(CPH)的协议,如挪威航空的波音787飞机、新加坡货运航空的波音747-400货机、途易旅游的波音787航材管理等。为了支撑该服务模式,空客、波音等都采用了物联网、大数据分析等技术,构建了先进的数字化应用体系。


在军机综合保障领域,以洛马公司为代表的企业逐步将综合保障服务模式由原来的卖飞机和备件模式转变为 基 于 性 能 的 后 勤(PBL)模式,维修模式也由事后维修和计划维修逐步转变为预测性维修和自主维修,大大提高了保障效率和飞机运行可靠性,节约了保障成本。2016—2018年,洛马公司将与普惠公司和 F-35 项目办公室共同建设PBL体系,并计划到2023年形成完全成熟的PBL供应链。目前已经建成了自主后勤信息系统(ALIS)管理零备件的全球供应链,ALIS通过物联等手段获取飞机飞行状态信息,并将获取的信息发送给用户,还可以跟踪零备件在维修保障网络中的使用情况,及时进行库存优化和需求预测。



中国航空制造业两化融合的挑战


随着国内经济的快速发展及国家政策的支持,依托国家重点飞机型号项目,中国航空工业集团公司、中国商用飞机公司等构建了飞机数字化研制体系,为ARJ21、C919、 运 20 等重点型号的研制成功提供了保障,其两化融合的实践主要体现在以下三方面。


一 是数字量体系。转变了以二维为核心、以模拟量为主的产品设计及传递体系,实现了以三维MBD为核心的数字量表达及传递体系,提高了飞机设计效率和设计质量,优化了飞机设计规范体系。


二是研制全球化协同。由一厂一所的飞机研制模式转变为“主制造商- 供应商”的全球广域协同模式。依托型号建立的数字化协同研制平台为该业务模式提供了有力的支撑,提高了异地协同效率,加强了供应商管理。


三是端到端集成。打通了设计、工艺、生产等环节,实 现了信息流的集成和共享,减少了设计、工艺、生产等环节的不一致性,降低了研制成本。


然而,与国外先进航空制造企业相比,国内航空制造企业的数字化技术多局限于飞机研制业务模式,设计制造分离、供应链体系缺乏管控、客户服务体系不完善等问题仍然广泛存在,并行工程、智能脉动生产、PBL等理念未真正纳入业务体系中,虽然部分引入了智能机器人等装备,但是更多体现的是单点效应,难以有效地从体系上支撑企业向集成商、服务供应商的业务模式转型。



智能制造体系在航空制造业的应用方向及参考架构


美国国家标准与技术研究院(NIST)在2016年发布的《智能制造系统标准体系》中指出,智能制造是先进信息技术与先进制造模式融合后构建的先进制造体系。智能制造不仅仅是一些先进技术的组合,也不仅仅局限在生产制造的业务领域,其体系是以融合了当前最新技术,贯穿研发、制造、客户服务等端到端价值链的全新业务主线。


应用方向

智能制造体系在航空的应用不只是技术的引入,而应与航空制造企业的业务模

式转型方向、市场发展及竞争能力提升重点、研发及生产实际需求相匹配,其应用方向主要包括以下几方面。


一是正向创新研发。国内航空制造企业的飞机研发体系侧重逆向工程模式,传统研发信息化平台侧重数据管理、设计协同和状态控制。为了进一步提升飞机产品市场竞争能力,拓展新的客户服务模式,需要采用基于模型的系统工程方法,以正向工程的模式构建业务和信息化体系,支持飞机智能化创新设计、嵌入式软件全生命周期管理、多专业集成仿真验证、基于大数据分析的研发创新等,并在体系构建中引入并行工程等先进的设计及管理理念。


二是精益智能生产。国内飞机生产企业在大型飞机总装、大型复杂结构件制造、壁板自动钻铆、大部件柔性对接、零部件数控加工等方面已经取得了显著的突破,保证了一些大型飞机型号的研制成功。但是,面对客户需求大幅增加、生产任务量不断加大的情况,在生产管理方面也暴露出越来越多的问题,亟须借鉴国外先进航空制造企业的精益思想,优化生产加工、供应链、物流仓储等业务过程,逐步引入智能数字化单元,体系化构建相应的脉动生产线,打通工厂垂直环节,支持智能工厂规划设计、面向智能飞机和智能工厂的综合工艺设计、生产运营集成管控、设备健康监视等,实现飞机的精益智能生产。


三是敏捷客户服务。目前,国内飞机客户服务体系存在维修职责不明确、业务

职能交叉、维修模式单一等问题,且尚未建立配套的完整信息化应用体系。为了转变服务模式,提高服务敏捷性,向服务要效益,有必要构建数字化的客户服务业务及应用体系,打通研制与服务环节,支持飞机运营监控、机载软件远程灌装、远程维修服务、故障诊断及视情维修、现场维修支持、备件保障优化等。


四是工程管理融合。国内航空制造企业的管理体系与工程环节存在较大脱节,企业决策层更是难以了解实际工程及运营状态。随着用户方对飞机质量的要求越来越高,如何主动地对飞机研制及服务质量进行可视监控,并为领导层提供数据分析及决策支持,成为航空制造企业提高管理精细化水平、研发质量和降低成本的主要挑战。


参考架构

以中国航空工业和中国商飞为代表的国内先进航空制造企业,已经构建了产品全生命周期管理(PLM)、制造执行管理系统(MES)/企业资源计划(ERP)为主干的信息化基础框架体系,形成了基于模型的系统工程、设计工程、制造工程为核心的先进制造业务体系,有效地支撑了飞机全价值链的协同、集成和共享。围绕上述智能制造未来应用方向,需要梳理和整合现有的应用体系,形成统一的技术参考框架,如图2所 示,具体描述如下。


图2 航空智能制造技术参考架构。


一是新技术支撑 IT/OT融合。基于物联及集成、虚实映射、分析及预测、用户体验、大数据管理等新技术,实现设备、车间、企业级的垂直集成,重点解决异构设备互联、设备 /系统的互联、大数据管理等关键能力。其中,PLM、ERP、MES等 传统IT应用体系将与数据采集与监控系统(SCADA)、硬件设备、物理飞机等运营技术(OT)体系进行融合,以打通数字化和物理运营环节,为业务转型优化提供基础支撑。


二 是 APP支撑业务转型。在实现企业全价值链互联互通、虚实映射、数据畅通的基础上,根据业务转型需求,辅助业务流程优化,面向不同角色提供相应的APP应用,该APP应用可以基于应用使能平台进行快速构建。其中,APP 应用主要从研发、制造、客户服务等全价值链各个环节的业务需求出发进行构建,并突出研发创新、生产精益和服务敏捷等核心能力。



构建航空智能制造体系


航空智能制造体系的构建是一个循序渐进的过程,包括了业务体系优化、技术体系重构和组织体系完善,是一个复杂的系统工程。因此,在智能制造实施中需要遵循统一架构规划、逐步试点和逐步推广的策略开展工作。对于统一技术架构中规划的航空智能制造建设内容,可以根据基础、提升、卓越的3个层次业务成熟度水平进行分类,如图3所示。企业可以根据实际情况基于该框架进行建设内容更新完善。


一是创新研发。针对飞机研发设计单位,围绕智能化飞机研发创新,进行业务优化并匹配技术体系建设,逐步提升创新能力。在基础能力方面,构建数字化设计、单一数据源及构型管理、研发质量管理等能力 ;在能力提升方面,构建基于模型的系统工程、多专业综合设计、集成仿真验证等 ;在创新能力方面,在前面两个阶段能力建设的基础上,实现虚实映射、基于大数据分析的飞机研发创新,并支持飞机的全球研发协同。


图3 基于业务成熟度的智能制造建设内容分布。


二是精益生产。针对飞机生产企业,建设内容同样分为基础、提升、精益三个层次。其中,基础能力包括数字化工艺设计、异构设备互联及透明化监控等 ;能力提升包括数字化工厂设计及工艺联合仿真、脉动产线健康监视、智能物流监控、基于AR的生产指导等 ;精益能力包括飞机运营监控及决策支持、基于物联的质量大数据中心、全球制造分包协同等。

三是敏捷服务。 面向飞机客户服务企业或业务部门。基础能力包括工程协同、
维修工程规划、技术资料管理等 ;能力提升包括飞机运营监控、预测性/视情维修、远程服务、备件库存优化等;敏捷能力包括飞行小时服务、持续服务方案优化、飞机故障知识库及诊断辅助等。

航空制造企业可以结合企业实际现状、战略转型方向、实际业务需求等,基于航空智能制造总体技术框架,规划企业适合的建设路线,逐步深化工业化和先进信息化技术、智能装备技术的融合,推动企业的业务成功转型。

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