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作者简介:

宁振波,男,教授,中国航空工业集团信息技术中心原首席顾问,中国船舶独立董事。参加多型飞机研制。国家科技进步二等奖获得者。参与编制数字化、智能化制造系列丛书。发表相关制造业学术论文数百篇。也是多个行业、企事业单位的外聘专家。西北工业大学、广东工业大学兼职教授,工信部首批两化融合专家。《三体智能革命》、《智能制造术语解读》、《铸魂软件定义制造》作者,2019年12月,在人民大会堂获得第十五届光华龙腾奖中国设计贡献奖金质奖章新中国建立70年-中国设计70人。

通讯作者:

宁振波,E-mail:Ningzhenbo@163.com

中图分类号:V260;F424

文献标识码:A

DOI:10.19416/j.cnki.1674-9804.2021.02.001

参考文献 1
中国航空工业集团公司.智能制造体系架构/智能制造推进计划[R].[S.l.:s.n.],2016.
参考文献 2
范玉青,梅中义,陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京:航空工业出版社,2011.
参考文献 3
国防科学技术委员会.飞机制造业数字化工程系列丛书[M].[S.l.:s.n.],2004-2010.
参考文献 4
宁振波.航空智能制造的基础——软件定义创新工业范式[J].中国工程科学,2018,20(4):85-89.
参考文献 5
周济,李培根,周艳红,等.走向新一代智能制造[J].Engineering,2018,4(1):28-47.
参考文献 6
周济,李培根,董景辰,等.中国智能制造发展战略研究报告(征求意见稿)[R].北京:中国工程院,2018.
参考文献 7
德国联邦教育研究部工业4.0工作组.德国工业4.0战略计划实施建议[R].[S.l.:s.n.],2013.
参考文献 8
宁振波.先进飞机设计技术发展与展望[J].航空制造技术,2016(5):24-28.
参考文献 9
赵敏,宁振波.铸魂-软件定义制造[M].北京:机械工业出版社,2020.
参考文献 10
胡虎,赵敏,宁振波,等.三体智能革命[M].北京:机械工业出版社,2016.
参考文献 11
冯升华.达索3DEXPERIENCE孪生[R].北京:达索公司,2019.
参考文献 12
中国电子信息产业发展研究院.智能制造术语解读[M].北京:电子工业出版社,2018.
目录contents

    摘要

    智能制造包含智能制造技术和智能制造系统,是国际上公认的实现工业体系转型升级的新一代方法论,能够从根本上提升我国复杂产品的创新能力和研制水平,因此,正确理解、全面认识智能制造,对我国的经济发展、数字中国的建设具有极其重大的现实意义和历史意义。智能制造的基础是数字化,由于航空工业具有复杂性、可靠性、研制成本高的三高特征,因此三维全数字化设计在国际上以波音777为代表、国内以新飞豹为代表走在了前列,其成熟的数字化技术和管理体系已经持续的向其它行业推广,取得了领先的成绩。在此基础上通过近十几年的发展,初步构建了航空工业的智能制造体系和架构。

    Abstract

    Intelligent manufacturing, including intelligent manufacturing technology and intelligent manufacturing system, is a new generation of methodology recognized internationally to realize the transformation and upgrading of industrial system, which can fundamentally improve the innovation ability and R&D level of China’s complex products. Therefore, a correct and comprehensive understanding of intelligent manufacturing is of great practical and historical significance to China’s economic development and the construction of Digital China. The basis of intelligent manufacturing is digitization. Due to its three unique characteristics of high complexity, high reliability and high R&D cost, aviation industry’s 3D full digital design is in the leading position with Boeing 777 as the representation in the world and FBC-1 bomber in China, its mature digital technology and management system have been and continues to be extended to other industries and have made great achievements. Through the development of more than ten years on this foundation, the intelligent manufacturing system and architecture in aviation industry are initially constructed.

    关键词

    智能制造体系架构德国工业4.0

  • 0 引言

  • 随着“数字化转型”、“数字中国”建设的发展,人们今天的衣、食、住、行不仅仅与实物产品生产制造密切相关,而且和信息、数据获取紧密相关。在人类科学技术发展的漫长征途中,每一次工业革命的变革都给社会创造了巨大财富,并且极大地促进了社会的发展、人类的进步。制造业作为一个国家经济的源动力,左右着一个国家经济发展的命脉和人民的生活水平,同时造就并推动人类文明的蓬勃发展,计算机的发明、信息技术的大范围应用,以及随之而出现的智能制造技术,也是我们当前社会所面临的机遇与挑战。由于智能制造刚刚处于起步阶段,有着漫长的路径,必将走过数字化、网络化、智能化等三个阶段。但是智能制造是一个非常大的概念,至今没有确切的完整定义,没有一个完整的体系架构以及实施技术路线图。

  • 为解决上述问题,中国航空工业集团组织行业内大量一线工作的飞机设计、工艺、制造工程、管理专家,经论证和分析,构建了航空工业智能制造的各级各类模型,并在多家航空工业企、事业单位试用,经修订完善,提出了本文的智能制造架构和模型。

  • 1 智能制造的定义

  • 要正确理解智能制造,首先必须理解什么是“制造”。制造,包含了“制”与“造”两层含义。“造”相对比较简单,就是生产。但制造不仅是生产,“制”包含了制度、方法、标准和规范等含义。宏观的“制造”包含了产品策划、总体设计、产品设计、工艺设计、生产过程、交付、运行、维护维修、管理、决策等等重大研发过程和复杂的管理体系。因此,制造并不等同于生产,两者不能混为一谈。

  • 在《三体智能革命》一书中,描述了人类智能、机器智能、人工智能,智能制造就是给传统的制造赋予了智能的概念。这里的智能就是指“人工智能”。传统的人工智能,就是把专家学者的知识、经验、方法,以及数学、物理、化学等等的方法、算法,经过反复验证,把它变成软件,由电脑执行的过程,这就是人工智能把人的知识转化为电子计算机的知识。电子计算机支持软件运行,形成模型,完成工业产品的研制、生产、运行、综合管理等等复杂过程。

  • 智能制造不仅包含了复杂的产品研发技术体系,还有庞大的管理体系。自动化车间、无人车间、黑灯车间、自动物流配送、仓储都不是智能制造,仅仅是智能制造的组成部分,可以叫做智能车间、智能物流、智能仓储。

  • 明确了智能制造的内涵,我们就明白智能制造是今后几十年要干的事情,不可能一蹴而就;必须认识到两点,第一,智能制造是马拉松长跑;第二,从全国看,中国没有全面实现工业化,智能制造差距巨大。

  • 智能制造的本质就是用软件控制数据的自动流动,解决复杂产品的不确定性。

  • 2 智能制造的体系和架构

  • 智能制造的体系和架构,本文参考了德国工业4.0。德国工业4.0是2013年汉诺威工业博览会发布的,是德国根据国家的现有工业基础,制定的一项国家工业体系实现数字化转型的战略发展规划。它由工业管理体系和数字化转型体系构成,包含了成千上万项具体技术。

  • 2.1 德国工业4.0和智能制造

  • 德国工业4.0战略发展规划,其战略要点就是“1、2、3、8”。

  • 1) 建设一个系统:赛博物理系统(Cyber-Physical System,简称CPS);

  • 2) 研究两大主题:智能工厂和智能生产;

  • 3) 实现三项集成:通过价值链及网络实现企业间横向集成,贯穿整个价值链的端到端工程数字化集成企业,内部灵活且可重新组合的纵向集成;

  • 4) 实施八项计划:标准架构、系统模型、基础设施、安全保障、工作组织、持续培训、监管框架、资源利用。可以清晰看到,这八项计划是国家能力。

  • 德国工业4.0中的三项集成:纵向集成、端到端集成和横向集成,借鉴了图1。

  • 图1 三个维度的协同制造模型

  • 纵向集成就是模型的企业管理维,指的是企业及其所处行业的价值链中,从综合业务运行落地到生产运行的管理,细化就是从决策-计划-组织-执行-控制-反馈的层层穿透和双向交互,具体由决策支持系统、ERP、DCS、MES、MDC/DNC等系统之间的集成来实现。

  • 端到端集成就是这个模型的产品维,指的是源于市场,终于市场的产品研发和制造服务体系,即从市场需求研究、产品策划和定义到退役、报废和回收的整个产品链和资产链中,与产品和资产有关的信息的双向传递,以确保正确的时间、正确的地点、把正确的物料和正确的信息交给正确的人,主要通过PLM、BOM、ERP、MES、CRM、ALM、MRO等系统之间的集成来实现。

  • 横向集成就是这个模型的价值链维,从供应商到客户,指的是企业与上游、下游等之间,供应和需求信息的双向互通。横向集成主要通过数字化营销渠道、CRM、ERP、SCM、SRM等系统之间的集成来实现。

  • 2.2 智能制造的分层和分级

  • 将图1细化展开,企业管理维和价值链维不变,产品维改为产品寿命周期维,增加一个生产寿命周期维,就得到了图2,这样就可以把智能制造分解为三个层次,第一就是窄义的智能制造,第二就是一个集团级的智能制造,第三就是宏观意义上的智能制造。

  • 图2 智能制造分级

  • 狭义的智能制造仅仅考虑了生产现场的智能制造,包含了制造运行管理、生产现场监控、现场设备的管理等等,包含的软件系统就是车间现场、MES、MDC/DNC等等。

  • 集团级的智能制造在狭义的智能制造范围内,从产品寿命周期维增加了设计工程、制造工程、集成验证和确认;从企业维增加了企业资源计划;价值链维增加了采办管理、物流管理;从生产寿命周期维增加了生产系统设计、建造、测试、生产系统的运行维护、重构、资产管理和处置等等内容。

  • 广义的智能制造在集团级的智能制造基础上,从产品寿命周期维增加了产品运行概念、和产品交付后的使用、维护、服务和支持;从企业维增加了战略决策和管理、综合业务管理;价值链维供应链管理和营销管理等等内容;宏观意义上的智能制造需要调动社会资源的方方面面,牵涉到整个国家制造业的资源配置能力和水平,是一个复杂的巨型系统。

  • 本文仅考虑集团级的智能制造及以下范围。

  • 3 航空工业智能制造的总体架构

  • 航空、航天、航母、核电站等等大型复杂产品,构成的零组件和元器件都超过上百万件。以1970年开始交付的波音747飞机为例,在上个世纪六十年代,第一没有大型机加件的整体加工设备,第二没有复合材料的应用,当时的波音747飞机全是金属件,第一架飞机结构件大概是800万个结构件和几千万个标准件;后期747飞机,减少到了400万个零部件;最典型就是生产零部件工艺流程和专业化分工,由分布在65个国家、1500个大企业和一万多家中、小企业参加协作生产,是飞机全球协同制造的典范。

  • 这么复杂的管理与协作,如何合理分层分级?如何定义复杂产品的智能制造总架构?这是我们面临的问题。

  • 要梳理智能制造架构,可按大型企业的管理体系从底向上。企业最底层是智能设备和智能装备层,第二层是车间级,也就是控制执行层;再向上多个车间和分厂的运行和管理是生产管理层;再向上就是企业管理层了;大型复杂产品制造需要多个企业集团协作,就是企业联盟层了。智能制造总架构图如图3所示。

  • 图3 智能制造总架构

  • 4 智能制造的分层架构

  • 企业联盟层如图4所示,复杂产品需要多家企业集团协同研制,首先是状态感知,感知各家供应商的供货状态、存在问题以及对最终产品交付的影响;其次是实时分析,根据供应商过去多年的供货状态,以及给其它企业配套供应的情况进行大数据的统计分析,进行供应商评价;然后就是根据评价情况和结果,预测可能出现的问题和解决办法,提出辅助决策意见,供自主决策使用;最后就是精准执行了,按照自主决策的结果,完成对供应链管理和控制的执行。

  • 图4 企业联盟层

  • 企业管理层,如图5所示,第一层的动态感知,感知的是产品状态、资源状态、分厂和车间状态、企业运行整体状态、产供销人财物等等管理状态;通过感知的状态数据对企业财务、效益、产品成本、生产周期、产品质量作实时分析;接下来就是自主决策,对分析出来的数据做出绩效考评、优化安排资源计划、调整生产计划排产、做出新的工艺决策;最后就是实时调度生产、完成资源配送和调整、解决出现的问题和故障、生产新的工艺路线,这就是精准执行了。

  • 生产管理层:动态感知物料状态、产品状态、设备设施运行状态、故障状态等等;实时分析计算物料需求、零件质量、任务计算分配、统计分析等等;自主决策完成作业动态调整决策、物料如何配送、作业单元定义、质量问题处理;最后的精准执行就是作业任务执行、物料指令发送、作业单元调整等等。

  • 图5 企业管理层

  • 控制执行层:紧密结合生产现场和现场设备,其状态感知就是感知各类应该管理和检测的数据,包括工件状态、设备状态、位置状态;数据传递到后台实时分析工件的几何误差、设备运动误差、问题状态分类;自主决策完成误差补偿、规则匹配、生成现场指令、完成作业数据生成;最后的精准执行就是控制设备运行、物料配送、作业执行、异常情况警示和显示。

  • 智能设备层:要考虑两个问题;第一就是传统的机加设备都是单机运行,数字化改造升级就是制造业面临的问题,如何低成本的完成设备和装备的改造升级,进入智能制造系统;第二就是有些高、精、尖设备,买不到;这样智能制造装备层的架构就非常重要了。第一状态感知设备运动状态、受力状态、工件状态、输入输出状态、耗能状态;然后实时分析设备的异常情况、加工位置的偏差、振动和噪声状态、输入输出是否异常、零件偏差等等;自主决策就是完成位置补偿、参数调整、软件调整,最后的精准执行完成设备的新的状态设置、位置调整、运动控制、进给控制,加工执行了。

  • 5 智能制造的理想模型

  • 如图6所示,智能制造的核心是图中的虚线部分,工业软件大规模的使用,从设计、工艺、生产、制造、装备到试验全是虚的,产品数字化,研制过程数字化,才能够让产品在网络上高速的流转。在这个过程中反复快速迭代,发现问题,修改模型,然后拿这些数据来指导生产过程和试验过程,蓝色的大框架才是智能制造的核心体系,大脑是虚拟流程,设计、生产、工艺、装配、试验等等都是依靠软件实现,用软件和生成的数据指导实物的生产实践,这就是智能制造。

  • 图6 智能制造理想模型

  • 6 结论

  • 随着“数字中国”、“数字化转型”进程的加速,大家越来越认识到智能制造对实现中国工业体系转型升级的重要性。智能制造难点在建模,焦点在仿真,没有大规模、成体系的工业软件的使用,智能制造只能停留在口头上。智能制造的本质是软件化的工业技术,软件定义的生产体系,带来的一定是生产关系的重构,因此是第四次工业革命。革命不是小打小闹,也不是几个几十个工业软件的应用,更不是点上的革新和小的变革,而是整个工业体系的升级换代。要实现整个工业体系的升级和换代,必须建立完善的体系和架构。本文描述的智能制造的架构和体系,只是一个开始,在这个基础上通过我们持续的努力,不断的优化,一定可以形成适合我国客观实际的智能制造架构和体系。

  • 参考文献

    • [1] 中国航空工业集团公司.智能制造体系架构/智能制造推进计划[R].[S.l.:s.n.],2016.

    • [2] 范玉青,梅中义,陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京:航空工业出版社,2011.

    • [3] 国防科学技术委员会.飞机制造业数字化工程系列丛书[M].[S.l.:s.n.],2004-2010.

    • [4] 宁振波.航空智能制造的基础——软件定义创新工业范式[J].中国工程科学,2018,20(4):85-89.

    • [5] 周济,李培根,周艳红,等.走向新一代智能制造[J].Engineering,2018,4(1):28-47.

    • [6] 周济,李培根,董景辰,等.中国智能制造发展战略研究报告(征求意见稿)[R].北京:中国工程院,2018.

    • [7] 德国联邦教育研究部工业4.0工作组.德国工业4.0战略计划实施建议[R].[S.l.:s.n.],2013.

    • [8] 宁振波.先进飞机设计技术发展与展望[J].航空制造技术,2016(5):24-28.

    • [9] 赵敏,宁振波.铸魂-软件定义制造[M].北京:机械工业出版社,2020.

    • [10] 胡虎,赵敏,宁振波,等.三体智能革命[M].北京:机械工业出版社,2016.

    • [11] 冯升华.达索3DEXPERIENCE孪生[R].北京:达索公司,2019.

    • [12] 中国电子信息产业发展研究院.智能制造术语解读[M].北京:电子工业出版社,2018.

  • 参考文献

    • [1] 中国航空工业集团公司.智能制造体系架构/智能制造推进计划[R].[S.l.:s.n.],2016.

    • [2] 范玉青,梅中义,陶剑.大型飞机数字化制造工程[M].北京:航空工业出版社,2011.

    • [3] 国防科学技术委员会.飞机制造业数字化工程系列丛书[M].[S.l.:s.n.],2004-2010.

    • [4] 宁振波.航空智能制造的基础——软件定义创新工业范式[J].中国工程科学,2018,20(4):85-89.

    • [5] 周济,李培根,周艳红,等.走向新一代智能制造[J].Engineering,2018,4(1):28-47.

    • [6] 周济,李培根,董景辰,等.中国智能制造发展战略研究报告(征求意见稿)[R].北京:中国工程院,2018.

    • [7] 德国联邦教育研究部工业4.0工作组.德国工业4.0战略计划实施建议[R].[S.l.:s.n.],2013.

    • [8] 宁振波.先进飞机设计技术发展与展望[J].航空制造技术,2016(5):24-28.

    • [9] 赵敏,宁振波.铸魂-软件定义制造[M].北京:机械工业出版社,2020.

    • [10] 胡虎,赵敏,宁振波,等.三体智能革命[M].北京:机械工业出版社,2016.

    • [11] 冯升华.达索3DEXPERIENCE孪生[R].北京:达索公司,2019.

    • [12] 中国电子信息产业发展研究院.智能制造术语解读[M].北京:电子工业出版社,2018.

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