觀點 | 以智能制造推動航空工業的兩化深度融合

2017-08-15 09:09:00
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   以制造業為核心的實體 經濟是保持國家競爭力和經濟持續健康發展的基礎。美國、德國、中國等陸續出臺了“美國先進制造業發展計劃”“德國工業 4.0”“中國制造 2025”等國家戰略,以大力推進制造業的轉型升級并力爭在產業結構轉型升級中占據價值鏈高端。

 

        航空制造業是知識、技術和資本密集型的國家戰略產業,在數字化、全球化協同、基于模型的系統工程等方面,引領了制造業的發展。但在制造業格局轉變的大競爭背景和航空市場強勁的需求拉動下,航空制造業則更需要結合自身產業特點,引入智能制造體系,打破數字化管理和物理實體運行管理的界限,進一步深化物聯網、大數據、虛實映射、智能設備等新一代信息和裝備技術與航空制造業的融合,推動飛機智能化創新,催生新的飛機研制和服務模式。 

世界先進航空企業兩化融合現狀飛機等航空裝備的研制及運營服務是一個復雜的系統工程,其研制成功和商業化成功都離不開先進數字化技術的支持。從未來發展的角度,以空客、波音、洛克希德 -馬?。羼R)等公司為代表的歐美先進航空企業持續進行著業務模式的改進,并通過引入先進數字化技術、智能化設備來推動業務模式的轉型,是航空制造行業進行業務轉型和兩化融合的引領企業。

        數字化技術支撐業務模式持續優化        隨著市場競爭的加劇,以及新技術、新材料等基礎供應鏈體系的不斷變化,空客、波音、洛馬等主承包商也在不斷優化自身的業務模式,突出集成商的核心能力??湛驮谌蚧瘧鹇灾敢?,其業務模式由“按圖生產模式”(Build to Print)向“集成商模式”(Integrators)轉換,即只關注頂層設計及集成、客戶服務、適航等核心業務,剝離非核心業務,將70% 以上的零部件分包給“風險共擔供應商”(RSP)和二三級供應商。為了適應該業務模式,空客在2007年實施了“面向集成優化的 PLM 統一項目”(PHENIX),以推進PLM 等信息化平臺在其3個子公司和擴展企業(EE)范圍內的應用以及工具及流程的統一。此外,空客還啟動了“卓越研發和生產”項目以梳理和優化其研發、生產及廣義企業協同的業務流程,在業務體系中引入并行工程、協同工程等先進理念,通過PLM等平臺提供落地支撐。

        波音公司用了兩年的時 間 及 超 過 25 億 美 元 的 投入,將最初的“按圖生產模式”(Build to Print)先轉變為“面向性能的生產模式”(Build to Performance),再到現在的“面向飛行的生產模式”(Build to Fly,即面向飛機整體需求,加強與供應商的集成協同),成功地完成了從飛機制造商向主規劃 商(Master Planner) 的轉變。其Build to Fly模式與空客的Integrators模式類似,即強調核心能力和剝離非核心業務,并強調加強與供應商的緊密協同及控制,既保證質量又能體現創新。為了體現該模式,波音公司從產品工程化研制、供應鏈、質量等三條業務鏈分別構建了完善的應用體系,以實現精益管理、客戶服務和集成系統的核心能力,如圖1所示。此外,波音公司還通過“定義和控制飛機構型/制造資源管理”(DCAC/MRM)項目,以單一產品數據源為基礎,以精簡作業流為主線來組織和管理整個波音公司的構型設計、工藝計劃、生產制造和服務支持全過程。



圖1 波音公司基于Build to Fly 進行業務轉型和應用體系改造。


        引入先進智能裝備推動由點到面的精益生產

        與流程式制造業不同,飛機產品裝配復雜、專業集成度和質量要求高,很難實現全自動化智能裝配。但是,近年來隨著智能機器人等技術的發展,波音、空客、洛馬等企業對飛機部裝、總裝生產線進行了精益布局和物流配送優化,通過精益制造思想優化生產流程,通過智能設備及物聯網技術等建設飛機總裝、部裝脈動生產線,大大提高了生產效率和裝配質量。比較典型的包括波音的“機身全自動化制造工廠”、洛馬的“F-35中機身智能裝配線”、空客的“脈動制造線”和基于增強現實/物聯網的零部件裝配等。

 

        飛機總裝、部裝脈動生產線技術,源于豐田生產方式和精益生產理論,主要結合飛機裝配制造特點,將傳統的批量裝配生產模式變革為單件流拉動式生產方式,并在此業務模式中采用先進的測量技術、自動制孔、柔性對接、自動檢測、可移動機器人等構建數字化生產和柔性裝配單元,以實現飛機生產的自動化和準時化,其中的自動化是基于拉動式生產模式的人機綜合協同的自動化,而不是單純的機械自動化。歐美先進航空企業在精益生產建設方面,統一采用先進制造理念驅動業務流程優化、單點技術引入驗證并在全生產線推廣,以提升企業的核心制造能力和滿足持續增長的客戶訂單需求。 

        物聯及大數據推動飛機服務模式的轉型

        世界航空先進制造企業都由制造商向集成商和服務提供商轉型,不斷探索和優化客戶服務的新模式,并依托先進數字化技術構建完善的客戶服務技術體系,以提高客戶服務質量,增加飛機客戶服務附加利潤。如空客提供的“飛行小時”(FHS)服務,航 空 公 司 可以選 擇FHS服務包中的飛機維修(維修規劃、航線維修)、工程服務(機隊技術管理、可靠性監控、構型優化和控制)、備件供應等服務。波音公司的Edge服務主要包括航材服務、飛行服務、信息服務、綜合服務與客戶支援,已有多家客戶選擇了波音公司“按小時付費”(CPH)的協議,如挪威航空的波音787飛機、新加坡貨運航空的波音747-400貨機、途易旅游的波音787航材管理等。為了支撐該服務模式,空客、波音等都采用了物聯網、大數據分析等技術,構建了先進的數字化應用體系。

 

        在軍機綜合保障領域,以洛馬公司為代表的企業逐步將綜合保障服務模式由原來的賣飛機和備件模式轉變為 基 于 性 能 的 后 勤(PBL)模式,維修模式也由事后維修和計劃維修逐步轉變為預測性維修和自主維修,大大提高了保障效率和飛機運行可靠性,節約了保障成本。2016—2018年,洛馬公司將與普惠公司和 F-35 項目辦公室共同建設PBL體系,并計劃到2023年形成完全成熟的PBL供應鏈。目前已經建成了自主后勤信息系統(ALIS)管理零備件的全球供應鏈,ALIS通過物聯等手段獲取飛機飛行狀態信息,并將獲取的信息發送給用戶,還可以跟蹤零備件在維修保障網絡中的使用情況,及時進行庫存優化和需求預測。 

中國航空制造業兩化融合的挑戰

        隨著國內經濟的快速發展及國家政策的支持,依托國家重點飛機型號項目,中國航空工業集團公司、中國商用飛機公司等構建了飛機數字化研制體系,為ARJ21、C919、 運 20 等重點型號的研制成功提供了保障,其兩化融合的實踐主要體現在以下三方面。

        一是數字量體系。轉變了以二維為核心、以模擬量為主的產品設計及傳遞體系,實現了以三維MBD為核心的數字量表達及傳遞體系,提高了飛機設計效率和設計質量,優化了飛機設計規范體系。

 

        二是研制全球化協同。由一廠一所的飛機研制模式轉變為“主制造商- 供應商”的全球廣域協同模式。依托型號建立的數字化協同研制平臺為該業務模式提供了有力的支撐,提高了異地協同效率,加強了供應商管理。

 

        三是端到端集成。打通了設計、工藝、生產等環節,實 現了信息流的集成和共享,減少了設計、工藝、生產等環節的不一致性,降低了研制成本。

 

        然而,與國外先進航空制造企業相比,國內航空制造企業的數字化技術多局限于飛機研制業務模式,設計制造分離、供應鏈體系缺乏管控、客戶服務體系不完善等問題仍然廣泛存在,并行工程、智能脈動生產、PBL等理念未真正納入業務體系中,雖然部分引入了智能機器人等裝備,但是更多體現的是單點效應,難以有效地從體系上支撐企業向集成商、服務供應商的業務模式轉型。 

智能制造體系在航空制造業的應用方向及參考架構       

 美國國家標準與技術研究院(NIST)在2016年發布的《智能制造系統標準體系》中指出,智能制造是先進信息技術與先進制造模式融合后構建的先進制造體系。智能制造不僅僅是一些先進技術的組合,也不僅僅局限在生產制造的業務領域,其體系是以融合了當前最新技術,貫穿研發、制造、客戶服務等端到端價值鏈的全新業務主線。

        應用方向

        智能制造體系在航空的應用不只是技術的引入,而應與航空制造企業的業務模式轉型方向、市場發展及競爭能力提升重點、研發及生產實際需求相匹配,其應用方向主要包括以下幾方面。

        一是正向創新研發。國內航空制造企業的飛機研發體系側重逆向工程模式,傳統研發信息化平臺側重數據管理、設計協同和狀態控制。為了進一步提升飛機產品市場競爭能力,拓展新的客戶服務模式,需要采用基于模型的系統工程方法,以正向工程的模式構建業務和信息化體系,支持飛機智能化創新設計、嵌入式軟件全生命周期管理、多專業集成仿真驗證、基于大數據分析的研發創新等,并在體系構建中引入并行工程等先進的設計及管理理念。

        二是精益智能生產。國內飛機生產企業在大型飛機總裝、大型復雜結構件制造、壁板自動鉆鉚、大部件柔性對接、零部件數控加工等方面已經取得了顯著的突破,保證了一些大型飛機型號的研制成功。但是,面對客戶需求大幅增加、生產任務量不斷加大的情況,在生產管理方面也暴露出越來越多的問題,亟須借鑒國外先進航空制造企業的精益思想,優化生產加工、供應鏈、物流倉儲等業務過程,逐步引入智能數字化單元,體系化構建相應的脈動生產線,打通工廠垂直環節,支持智能工廠規劃設計、面向智能飛機和智能工廠的綜合工藝設計、生產運營集成管控、設備健康監視等,實現飛機的精益智能生產。

        三是敏捷客戶服務。目前,國內飛機客戶服務體系存在維修職責不明確、業務職能交叉、維修模式單一等問題,且尚未建立配套的完整信息化應用體系。為了轉變服務模式,提高服務敏捷性,向服務要效益,有必要構建數字化的客戶服務業務及應用體系,打通研制與服務環節,支持飛機運營監控、機載軟件遠程灌裝、遠程維修服務、故障診斷及視情維修、現場維修支持、備件保障優化等。

        四是工程管理融合。國內航空制造企業的管理體系與工程環節存在較大脫節,企業決策層更是難以了解實際工程及運營狀態。隨著用戶方對飛機質量的要求越來越高,如何主動地對飛機研制及服務質量進行可視監控,并為領導層提供數據分析及決策支持,成為航空制造企業提高管理精細化水平、研發質量和降低成本的主要挑戰。

        參考架構

        以中國航空工業和中國商飛為代表的國內先進航空制造企業,已經構建了產品全生命周期管理(PLM)、制造執行管理系統(MES)/企業資源計劃(ERP)為主干的信息化基礎框架體系,形成了基于模型的系統工程、設計工程、制造工程為核心的先進制造業務體系,有效地支撐了飛機全價值鏈的協同、集成和共享。圍繞上述智能制造未來應用方向,需要梳理和整合現有的應用體系,形成統一的技術參考框架,如圖2所 示,具體描述如下。






圖2 航空智能制造技術參考架構。

        一是新技術支撐 IT/OT融合?;谖锫摷凹?、虛實映射、分析及預測、用戶體驗、大數據管理等新技術,實現設備、車間、企業級的垂直集成,重點解決異構設備互聯、設備 /系統的互聯、大數據管理等關鍵能力。其中,PLM、ERP、MES等 傳統IT應用體系將與數據采集與監控系統(SCADA)、硬件設備、物理飛機等運營技術(OT)體系進行融合,以打通數字化和物理運營環節,為業務轉型優化提供基礎支撐。

        二是APP支撐業務轉型。在實現企業全價值鏈互聯互通、虛實映射、數據暢通的基礎上,根據業務轉型需求,輔助業務流程優化,面向不同角色提供相應的APP應用,該APP應用可以基于應用使能平臺進行快速構建。其中,APP 應用主要從研發、制造、客戶服務等全價值鏈各個環節的業務需求出發進行構建,并突出研發創新、生產精益和服務敏捷等核心能力。 

構建航空智能制造體系

        航空智能制造體系的構建是一個循序漸進的過程,包括了業務體系優化、技術體系重構和組織體系完善,是一個復雜的系統工程。因此,在智能制造實施中需要遵循統一架構規劃、逐步試點和逐步推廣的策略開展工作。對于統一技術架構中規劃的航空智能制造建設內容,可以根據基礎、提升、卓越的3個層次業務成熟度水平進行分類,如圖3所示。企業可以根據實際情況基于該框架進行建設內容更新完善。

        一是創新研發。針對飛機研發設計單位,圍繞智能化飛機研發創新,進行業務優化并匹配技術體系建設,逐步提升創新能力。在基礎能力方面,構建數字化設計、單一數據源及構型管理、研發質量管理等能力 ;在能力提升方面,構建基于模型的系統工程、多專業綜合設計、集成仿真驗證等 ;在創新能力方面,在前面兩個階段能力建設的基礎上,實現虛實映射、基于大數據分析的飛機研發創新,并支持飛機的全球研發協同。







圖3 基于業務成熟度的智能制造建設內容分布。

        二是精益生產。針對飛機生產企業,建設內容同樣分為基礎、提升、精益三個層次。其中,基礎能力包括數字化工藝設計、異構設備互聯及透明化監控等 ;能力提升包括數字化工廠設計及工藝聯合仿真、脈動產線健康監視、智能物流監控、基于AR的生產指導等 ;精益能力包括飛機運營監控及決策支持、基于物聯的質量大數據中心、全球制造分包協同等。

        三是敏捷服務。 面向飛機客戶服務企業或業務部門?;A能力包括工程協同、維修工程規劃、技術資料管理等 ;能力提升包括飛機運營監控、預測性/視情維修、遠程服務、備件庫存優化等;敏捷能力包括飛行小時服務、持續服務方案優化、飛機故障知識庫及診斷輔助等。

        航空制造企業可以結合企業實際現狀、戰略轉型方向、實際業務需求等,基于航空智能制造總體技術框架,規劃企業適合的建設路線,逐步深化工業化和先進信息化技術、智能裝備技術的融合,推動企業的業務成功轉型。

來源:PTC中國




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