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工业40与大飞机数字化转型0基于数字化转型的飞机智能制造随着世界最新信息技术的不断涌现,以5g、云计算、大数据、物联网和人工智能为代表的下一代信息技术正带来了工业、生产模式、产业形式和产业分工模式的深刻变化在这一趋势下,欧洲由于具有深厚的工业基础,提出了以工业驱动为核心的工业
4.0战略美国在发达的信息技术支撑下,提出了以信息驱动为核心的工业互联网方案我国也提出了中国制造2025战略,找到一条属于自己的智能制造道路大飞机被称为工业的“皇冠”,是衡量一个国家综合国力、工业基础和科技水平的集中体现之一,是国家安全和强国地位的重要战略保障大飞机的研制面临产品高度复杂、市场竞争残酷、安全标准高、产业发展艰难的挑战飞机制造业与普通工业一样,也经历了从“工业
1.0到“工业
4.0的发展历程从早期的无动力飞行开始,到后期的小批量手工打造,直到现在的基于三维模型的全数字量制造,经历了数百年的时间如今,越来越多的自动化、数字化甚至智能化技术,已经被运用到航空产品的制造过程当中,大飞机制造已经进入到了新一代智能制造阶段一一基于数字化转型的智能制造数字化转型是指利用数字化技术对业务重新定义,开展企业组织、业务模式的变革之路,建成智能工厂基于数字化转型的飞机智能制造从挖掘数据的深度、网络传输的速度、价值应用的广度三个维度入手,构建数据采集、贮存、流通的信息化平台,建立工业互联网络,实现万物互联、打破信息孤岛开发数据融合应用场景,释放数据潜在价值通过数字化转型,大飞机的工艺、生产、维修、运营等环节正不断融合,进而不断提高生产效率,保障质量,持续提升中国民用飞机服务水平以及竞争力1大飞机智能制造总体框架基于数字化转型的大飞机智能制造按照“数字化、网络化、智能化”三步走实施根据“用数据定义产品、用数据驱动制造、用数据创造价值”的发展思路,围绕数字化、网络化、智能化的发展路径,结合最新一代的5G移动通信技术和工业信息安全与智能制造标准,构建出大飞机智能制造总体框架(如图1所示),包括:通过物联网及传感器,实现业务全流程的数字定义,打破信息孤岛,建成全连接工厂(数字化建设);建设5G高速信息传输通路,实现全方位、全过程、全领域的数据实时流动、共享、交互,构建工厂工业互联网平台(网络化建设);建成“工厂大脑”,开发工业APP,找出数据的“新秩序”,通过“工厂大脑”的分析、计算,从而快速构建新型数据智能APP,支撑复杂多样化的决策(智能化建设);同步构建工业信息安全体系和智能制造标准体系,形成覆盖智能制造建设成果与满足智能制造中长期期发展需求的标准集下面将详细阐释大飞机智能制造的实施路线
1.1数字建筑
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1.1采用信息化系统开展制造管理,实现信息管理的互数字化是智能制造的基础,是企业数字化转型的第一步,其内涵是实现研发、生产、运营与“新一代IT技术”的融合,实现技术应用的升级数字化转换需要实现“五化”工艺设计的数字化、过程管理的无纸化、生产设备的自动化、信息采集的多元化和质量监控的集成化目前,国内民用飞机的制造,在管理层面,基本上实现了信息化系统的融合,通过制造企业的生产执行系统manufacturing executionsystem,MES、企业资源计划enterprise resourceplanning,ERP系统、产品生命周期管理product life-cycle management,PLM等信息化系统的集成,实现了制造现场到企业决策层的一体化管理在设计与制造协同方面,围绕单一数据源,通过定义规范与标准化流程,基于协同研制平台,实现了设计商、制造商、供应商、集成商等成员单位间的协同产品定义与工艺设计
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1.2运用依托大飞机制造,实现六大要素融合发展目前,大飞机总装基地已完成了5G基础设施建设,建成了5座宏基站,车间安装了室分系统、边缘计算设备,保证了园区5G信号全覆盖,下载速度达到L6Gbit/s,时延低于10mso同时,厂区内部署了私有云,搭载了人工智能模块,通过这些部署,厂区已拥有信息传输的高速公路、信息处理的神经中枢和工业私有云大脑,大大提升了大飞机制造的核心能力同时,随着5G园区的建设,厂区内部署大量传感器,实现了工业领域和信息领域六大要素的深入融合,即6M+6C,实现61如图2所示6M是指材料、机器、工艺、测量、维护、数据和知识建模6c是指连接、云、虚拟网络、数据内容与来源背景、社群、定制化61是指设备互联、工装互联、工刀具互联、物料互联、产品互联、人的互联
3.
1.3数字化技术的联动大飞机数字化建设是基于私有云、边缘计算和5G通讯高速公路,通过信息技术、自动化技术、传感技术、软件技术等数字化技术的联动实现万物互联在数据广泛互连互通、交互共享的基础上,开展数字化的全面定义,实现数字化制造整个企业的管理及制造流程的运行,在基于数字模型的设计基础上,开展基于数字模型的系统工程、工程分析、制造与试验,生产、服务及供应链管理等,最终建立企业整体业务流程的数字模型化,并建设相关的标准规范及支持环境1g网络为制造业转型提供更广阔的应用市场5G是第一个可为各类传感器、机器人、自动驾驶车辆、虚拟现实等智能设备服务的网络,它将重新定义工业制造5G通信技术将推动物联网、人工智能、大数据、云计算的发展,为制造业数字化转型提供更清晰、更广阔的应用前景制造企业可以通过内部全面部署5G网络,覆盖整个园区提供一个低延时、大带宽、高传输的信息高速公路通过打通从工程研发到产品制造的网络数据链,实现信息系统和虚拟制造环境与生产现场物理环境加工中心、运输设备、装配设备、智能工装等的集成,实现对车间生产过程的实时监控2突破信息孤岛,实现一切连接在5G信息化网络的基础上,实现工业化和信息化的融合,通过部署各类传感器,实现企业生产要素的万物互联互通3统一数据处理平台利用5G网络大带宽特性,将复杂数模,大数据处理部署在云端,在云平台管理体系和安全体系保障下,为各类用户终端提供统一数据处理平台云端制造模式可带来云端及终端的用户体验,实现设备便捷化、轻量化,将工厂产能、工艺等数据都集中于云平台,在云端进行大数据分析与客户关系管理,发挥企业最佳效能
1.2网络建设
1.
2.1美国“工业互联网”的概念网络化建设是指利用通信技术和计算机技术,把分布在不同地点的计算机及各类电子终端设备互联起来,按照一定的网络协议相互通信,以达到所有用户都可以共享软件、硬件和数据资源的目的通过数据网络的升级改造,基于统一语言架构下的数据集成,实现全方位、全过程、全领域的数据实时流动、共享、交互,构筑形成数据驱动力网络化建设在“工业互联网”、“工业
4.0”等方案中被广泛提及美国倡导的“工业互联网”,希望采用先进的互联网技术打造新型的产业生态,通过互联网模式对产业界进行全面革新而德国主张的“工业
4.0”,将大数据、云计算等互联网技术引入到工业领域,推动智能工厂的发展,提高生产效率,降低能源消耗
1.
2.2信息监控,实时监控大飞机制造车间已建设车间级MES如图3所示,打通从工程研发到产品制造的网络数据链,实现信息系统、虚拟制造环境、生产现场物理环境加工中心、运输设备、装配设备、智能工装等的集成,实现对车间生产过程的实时监控,构建适合单件小批量复杂产品的高效、透明、均衡、柔性的制造执行体系
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2.3息化管理系统MES是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统智能MES实质就是一个虚实融合系统级的信息物理系统cyber-physical systems,CPS1数字化设备互联互通通过实施设备物联网系统,将车间中的机床、机器人、自动导航小车automated guidedvehicle,AGV、热处理设备等数字化设备实现互联互通,包括设备状态的远程自动采集、加工程序的网络化传输、工业大数据智能化分析与可视化,生产设备由信息化孤岛变为一个个信息化节点,从而形成一条信息高速公路,构成了一个设备级的CPS系统,这是智能MES的物理基础2精益管理,减少生产误操作带来的风险通过MES对工、刀、量具等的生产资源进行出入库、查询、盘点、报损、并行准备、切削专家库、统计分析等管理,在CPS对物理空间的库存进行精益化管理,可最大程度地减少因生产资源不足带来的生产延误,也可避免因生产资源的积压造成生产辅助成本居高不下的问题3设备与生产任务的重新分配通过信息化手段,以设备为中心,将生产环节各相关人员根据设备对应的生产任务进行重新分配,提高人员工作效率通过智能化的生产协同管理,将串行工作变为并行工作,从而明显地减少设备等待时间,提升了设备的利用率,缩短了产品生产周期
1.
2.4ndscheduing算法通过高级计划与排程advanced planningand scheduling,APS算法,将每一道工序分解到每一设备的每一分钟,可最大程度地减少交期延误,以及最大程度从整体上提升设备的有效利用率,保证生产过程的有序、高效5工艺监控与预警通过对数字化生产设备进行数据采集与智能化管理,对各类工艺过程数据进行实时监测、动态预警、过程记录分析等,可实现对加工过程实时的、动态的、严格的工艺控制,确保产品生产过程完全受控6等多维同步展现与融合通过对生产过程中的设备、生产、质量、库存等多维数据的采集、分析、挖掘、展现,为相关人员提供科学、直观的图形、报表,在CPS实现对物理实体的同步展现与人机交互
1.3智能施工
1.
4.1智能化工厂的概念智能化是指使对象具备灵敏准确的感知功能、正确的感知能力与判断功能以及行之有效的执行功能而进行的工作智能化的概念很早就被提出来,其最具标志性的产物是机器人如果说数字化是网络化的基本阶段,那么智能化就是网络化的高级阶段如今,智能化的概念迅猛发展,逐渐渗透到我们生活的各个方面,如智能物流、智能交通等极大的方便了我们的生活对于企业工厂而言,智能化工厂是采用智能技术的生产实现模式,以智能系统为载体和平台,代替人的部分活动智能化强调整体自组织能力与个体的自主性,系统的建模仿真需要大量的基础数据,系统的仿真需要实时数据支持,系统要具备一定的容错能力,并具有学习能力通过与物联网、移动应用,虚拟现实等新技术结合,不断将智能化工厂的功能扩展智能化工厂的主要特征如下1思维能力测试智能系统具有思维能力,即具有处理和再生信息的能力,通过模型和知识库及相关规则,进行经验思维,逻辑思维或创造性思维,从而使系统具有智能的行动和反应能力支持快速的智能管理决策,使生产操作更加智能和可控2学习和调整智能系统可以从专家和知识库直接获取知识,可以依据指令、状态变化和工作任务,学习和积累相关知识,完善和改进相关策略,在信息不完整或出现误差时,可以自我判断、自我调整,具有容错能力3外信息互联通过物联网实现物与物、人与物的互联,通过互联网实现企业内外信息互联通过与设备控制系统集成,以及外接传感器等方式,实时采集设备的状态、生产完工的信息及质量信息,实现生产现场的可监控、生产过程可追溯等,帮助各级管理人员做出正确决策
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4.2传统业态的融合基于海量传感器产生的数据,在云端部署人工智能算法,初步构建“工厂大脑”,实现智能排产、资源调度、工艺优化等工作内容,加快传统业态的变革与重构在数字化和网络化的基础上,将信息汇总至私有云平台,实现集中处理,释放数据的潜在效益,并通过工也APP实时调整优化工厂运行的各环节,大幅度提升工厂运行的智能化程度
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4.3数据驱动的业务应用工厂内的传统资源是物理资源,随着信息技术的进步,工厂的物理资源正向数据资源转变工厂大脑结合大数据技术与人工智能技术,可对工厂内的数据资源进行分析,洞悉人脑难以发现的复杂及隐藏的工业规律与机理,开发大量基于数据的工业应用,如设备异常预警与预测性维护、智能排程与突发调度、生产过程全流程追溯、多维健康度分析、智能供应链等1工厂内部设备间的通信5G感知层不同于传统的传感器感知,它将所有的数据流通过5G协议传输,极大的提高了数据传输能力当数据传输速度不再是阻力时,传感器的选择也从以往的站点式传感变为全局式监控通信维度也从工厂内部设备间的通信,提高到工厂与工厂间、地区与地区间的通信以5G为传输手段构建的感知执行层颠覆了工业总线数据传输模式在感知执行层中,工厂中的所有元素人、设备、产品、物料等均通过5G终端进行信号传输,不再形成工业环网,直接传输至工业云端,传输的数据也不再局限于工业语言数据,而是拓展为图片、模型、视频等,包含的信息显著增多,数据传输效率大大提升2工业互联网架构以工厂大脑为操作系统的管理控制层、智能应用层,颠覆了以流程为特征的工业互联网架构其中管理控制层部署工厂大脑,打破了原有MES、ERP等系统的信息孤岛,建立信息池,运用人工智能分析,找到生产制造的最佳路径,重塑企业管理流程,最终通过第三层的智能应用层进行实施2生产应用场景随着智能制造的实施,中国大飞机的生产模式正在发生深刻的变革装配柔性化5G的无线通讯方式实现了工业产线的柔性可拓展,让机器人摆脱线束的束缚,更加灵活可移动模块化组合的柔性装配线可以完成多种类产品的生产装配任务,真正做到“软件定义生产”检验智能化:质量检测由传统的抽检、终检方式,变更为机器视觉实时在线监测,大量的机器视觉替代了人的眼睛,具备自感知、自学习、自判断、自决策的能力,实现了工位、产线无人化在线检测,保障了产品的全生命周期质量管控工厂透明化5G赋能下的工厂大脑,打造了真正意义上的数字李生工厂,每一个终端都能实时产生并发送数据,物理世界通过5G高速公路实时映射到虚拟世界,实现了工厂内“一草一木皆智能”飞机数字化:基于5G网络及工厂大脑,构建贯穿产品全息全生命周期的数字飞机,涵盖设计、制造、维修、运营及供应链的全流程,实现全机协同设计、飞机全息数据在线共享,提供精确定制化的客户服务,提升客户满意程度及对产品安全的信心以下为目前大飞机生产环节中的数个智能制造场景,涵盖生产、装配、检测等场景1基于5G网络的全连接工厂为打破飞机制造过程中存在的大量信息孤岛,合理调配生产资源,大飞机的数控机加车间通过条形码、二维码、射频识别radio frequencyidentification,RFID、超宽带ultra wideband,UWB定位标签等数字化技术,结合智能终端与物联网系统,实现了工厂全生产要素全生命周期的实时数据跟踪,如图4所示海量实时数据在云平台进行大数据智能分析决策,不断消除工厂运营中的各种浪费,实现工厂生产的高度精益化相比传统生产,全连接工厂设备利用率达到了80%以上,生产周期降低70%场景2数字挛生车间目前大飞机的数控车间使用光学镜头对体验空间进行高级别覆盖,达到亚毫米级别空间定位精度,在虚拟现实virtual reality,VR环境中对真实工厂进行高精度数字化重构,形成部署在云端的真实工厂的11数字化交互式镜像,如图5所示整个场景在云端高精度渲染后利用5G的高通量低延时特性传输到头显在交互端实现虚实深度融合场景3基于AR的线缆搭接系统在大飞机的装配现场,利用基于5G的增强现实augmented reality,AR线缆辅助端接系统,通过导线号识别后,AR终端从云平台上调取相关数据,自动将对应的插孔定位显示在连接器实物上,同时将端接工具等辅助信息在边上显示出来,操作人员不用花大量的时间去查找,大大缩短了端接的时间,提高线缆端接效率和质量,如图6所示场景4基于机器视觉的在线质量检测系统5G时代的到来,意味着设备与设备之间、设备与总控之间通信可以做到彻底无线化,提升设备柔性化能力,大飞机装配产线正探索运用5G+机器视觉的质量检测方式,将图像数据通过5G信号传输至远程云端进行质量数据分析,改变了原有以工业总线传输质量数据的通信方式,如图7所示场景5双目协同相机实时检测系统大飞机装配车间已部署基于云化的双目协同相机实时检测系统如图8所示,可以在瞬间获取两台相机的图像,并在云端自动进行分析,8s内完成所有分析工作,只需保证相机不被遮挡即可,从而使安装工作从3小时,缩短为30分钟3智能制造中国方案用数字定义产品、用数字驱动制造、用数据创造价值,从数字化、网络化到智能化,是国产大飞机智能制造的实施路线,也是中国制造业转型升级的发展趋势形成以大飞机为样板的智能制造中国方案,有助于发挥大飞机的示范效应,带动产业链协同发展,形成产业规模,推动我国制造业从跟随、并行向引领迈进,实现“换道超车”、跨越发展智能制造建设是一项系统工程,也是企业需要去逐步建设对于不同行业、不同竞争格局、不同发展阶段和能力的企业而言,建设智能化工厂的着重点和着手点也不尽相同,应根据自己的情况有的放矢、循序渐进,以更好的实现建设智能工厂的既定目标。