航空企业智能设计水平评价体系研究

姜佳俊，张岩涛，李学常，赵辛雨，吴灿辉

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

航空企业智能设计水平评价体系研究

姜佳俊，张岩涛，李学常，赵辛雨，吴灿辉

（中国航空综合技术研究所，北京 100028）

目前国内在航空企业智能设计水平评价方面还没有一个比较完整的评价指标体系，因此对各企业的智能设计能力也没有明显的界定。通过对航空企业智能设计发展方向的分析，构建了智能设计水平评价模型和指标体系，并在此基础上给出了航空企业智能设计水平评价的操作流程和计算方法，最后给出某航空企业的评价实例，验证了本评价方案的可行性和有效性。

航空企业；智能设计；水平评价

0 引言

为了加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，《中国制造2025》把智能制造作为主攻方向：着力发展智能产品和智能装备，推进生产过程数字化网络化智能化，培育新型生产方式和产业模式，全面提升企业设计、生产、管理和服务的智能化水平。航空制造业作为“工业之花”，其智能化水平一定程度上代表了中国智能制造的能力[1]。

智能制造是一个长期发展和推进的过程，目前不同航空企业内部智能化水平发展不均衡，因此为了分析判断不同航空企业智能制造发展现状、水平，制定规划及发展战略，需要智能制造评价指标及评估方法，为各个企业提供一个指导、考评本企业智能制造发展水平的工具，找好自身在智能制造中的定位，为企业制定智能制造发展规划提供依据，分阶段分步骤实现中国智能制造所设定的目标[2]。

设计环节作为智能制造前端用户需求和后端生产的衔接环节，其智能化程度直接影响着智能制造目标的实现，面对未来设计制造一体化的趋势，我们需要将设计作为智能制造的一个重要环节进行综合考量和评估，因此，本文针对航空企业的产品设计环节提出智能设计的能力等级评价模型和方法，主要用于航空企业智能设计能力水平的评价。

1 航空企业智能设计发展方向

航空产品是典型的复杂产品，其设计过程与普通的工业产品设计过程有着很大的差别，可以说航空产品的设计是集工业产品设计之大成者。航空产品由于其研制过程的复杂性，越来越多的使用虚拟化技术以及跨区域的协同研制技术，集成不同企业的研发优势，降低成本。同时随着智能制造以及通用航空的快速发展，客户快速个性化定制的需求越来越强烈，大量设计知识的固化和重用有利于实现设计的智能化和个性化。因此随着工业化和信息化的深度融合以及智能制造工程的推进，航空企业智能设计发展趋势大致可以归纳为五个方向：个性化、知识化、模型化、协同化和虚拟化。

图1 航空企业智能设计发展方向

1）个性化

面对当今世界航空产品的快速发展，尤其是通用航空领域的迅速崛起，消费者对航空产品的需求也与日俱增。而面对如此庞大而复杂的客户群体，航空产品的个性化定制必将成为未来航空企业智能设计的一个重要方向和支撑业务。而航空产品属于典型的复杂产品系统，产品设计环节的一个小小改动也许会影响产品的整体设计，如何在保证客户个性化需求的前提下又能尽量减少产品的研制周期，这对航空企业的产品设计提出了较高的要求。要实现航空产品大规模定制的基础上更多的个性化内容，首先必须在航空产品的设计方面实现标准化、参数化、模块化的设计方法[3]。纵观航空业的发展，航空产品的个性化设计的发展大致可以分为以下五个阶段：

（1）整机设计阶段；

（2）模块化设计阶段；

（3）参数化设计阶段；

（4）基于参数的模块化设计阶段；

（5）基于知识库的个性化定制阶段。

2）知识化

设计从本质来说是一个知识提炼、存储和运用的过程。因此，设计的知识化是力图将设计者的经验提炼出来，建立相应的知识库，其基本模式是基于知识库的推理机制[4]。航空产品作为典型的复杂产品，其设计过程本身包含了大量的知识，而智能设计的实现离不开对这些设计知识的固化、存储、推理、创新，最终实现基于设计知识库自动推理创新的航空产品智能设计。设计的知识化大致可以分为以下五个阶段：

（1）人工经验的记录阶段；

（2）设计知识的固化存储阶段；

（3）设计知识的结构化存储阶段；

（4）知识库与研发平台的集成阶段；

（5）设计知识的自主推理创新阶段。

3）模型化

自大规模工业化生产以来，产品设计过程已经从完全基于二维图纸的设计演变成基于全三维模型的设计，航空产品的设计过程中率先以基于模型的定义（Model Based Definition，MBD）技术实现了产品设计的全三维数字化，彻底取消了二维工程图样，使三维模型作为协同设计、制造和检验的唯一授权数据。未来的航空产品设计都会基于三维设计模型展开，并构建各个环节对应的业务模型，比如工艺设计环节会存在工艺模型，制造环节会存在制造模型，装配环节会构建装配模型[5,6]。产品的整个生产周期都将是基于模型而开展工作。航空产品设计模型化的发展阶段大致可以分为：

（1）计算机辅助二维设计阶段；

（2）计算机辅助三维设计阶段；

（3）基于模型的定义阶段；

（4）基于模型的设计制造一体化阶段；

（5）基于模型的产品全生命周期管理阶段。

4）协同化

航空产品的研制过程涉及结构、强度、气动、试验、工艺、制造、装配等多个学科专业，需要不同部门或者企业之间的协同工作才能满足航空产品高效率、高质量和低成本的研制要求。因此，协同化也是航空企业智能设计发展的重要趋势，航空企业的协同化不仅有产品设计不同专业之间、不同部件之间的设计协同，也包括设计与制造、维修、保障等业务环节的协同[7,8]。随着航空产品设计协同化的发展，未来会向着跨平台跨领域的全球协同迈进。航空企业设计协同化发展阶段大致可分为：

（1）协同管理机制阶段；

（2）设计内部的协同阶段；

（3）设计与制造的并行协同阶段；

（4）与供应商的协同研制阶段；

（5）跨平台跨领域的全球协同阶段。

5）虚拟化

虚拟仿真技术以其投入少、风险小等优点，已经渗透进航空产品的概念研究、方案论证、分析设计、虚拟制造、模拟试飞、故障诊断直到运营投入等多个阶段。通过在软件平台上模拟飞机、发动机等航空产品不同方面的工作状况，能够起到辅助设计、减少物理试验、缩短研制周期、降低研制成本等作用，航空产品的虚拟仿真技术已成为航空产品研制的重要手段之一[7]。航空产品的虚拟仿真技术从以前的物理仿真到如今的基于三维模型仿真，未来更会向着在线虚拟仿真的方向发展，实现产品研制全过程的虚拟仿真。航空产品设计虚拟化发展阶段大致可分为：

（1）人工推理验证阶段；

（2）自定义模型虚拟仿真阶段；

（3）基于三维模型虚拟仿真阶段；

（4）在线虚拟仿真和优化阶段；

（5）全生命周期的虚拟仿真阶段。

2 航空企业智能设计水平评价模型

航空企业智能设计能力等级定义了智能设计的阶段水平，描述了一个航空企业逐步向智能设计最终愿景迈进的路径，代表了当前实施智能设计的程度，同时也是智能设计评估活动的结果。

按前文所述，航空企业智能设计发展趋势分为五个方向，分别为个性化、知识化、模型化、协同化和虚拟化。对于每个发展方向，上文均梳理了相应的发展脉络和阶段划分，因此，按照航空企业智能设计的发展方向，以及不同方向的阶段划分，本文提取了航空企业智能设计水平评价的模型。

航空企业智能设计能力水平分为五个等级，分别为：

入门级：基于设计经验开展计算机辅助二维设计，并制定产品设计相关标准规范，积累产品设计经验；

初级：实现计算机辅助三维设计及产品设计内部的协同，并且能够实现对产品模块的选型以及自定义模型的仿真；

中级：构建集成产品设计信息的三维模型，进行关键环节的三维模型仿真优化，实现产品设计与工艺设计的并行协同以及设计知识的结构化存储；

高级：实现基于模型的设计制造一体化以及基于参数的模块化设计，建立与供应商之间的协同平台以及产品全维度的仿真平台；

特级：实现基于大数据、知识库的产品设计云服务，实现产品个性化设计、协同化设计，将产品模型的应用贯穿于整个产品生命周期。

在该评价模型中，航空企业智能设计的不同能力等级评价依据均来源于五个发展方向所对应的阶段。比如入门级的评价内容来源于五个发展方向的第一阶段，以此类推。

3 航空企业智能设计水平评价指标

评价指标的确定是航空企业智能设计水平评价的基础和关键，也是具体评价过程中的最主要依据，直接影响到评价结果，评价指标体系建立反映了航空企业设计能力的发展脉络和目标。

根据上文中建立的航空产品智能设计水平评价模型，建立相应的评价指标体系。如下表所示。对航空企业智能设设计水平评价指标体系研究的关键问题是指标体系的构建及其相互关系的确立、指标评价值和权系数的确定以及合成关系的处理。

每个级别的评价指标对在该级别中的影响和作用是不完全相同的，因此在指标体系的建立过程中，需要综合考虑各指标在该等级评价过程中所占比重。通过对不同航空企业调研以及专家研讨的方式，确定了各项指标在不同等级评级中所占的比重，如表1所示。

4 航空企业智能设计水平评价方法

航空企业智能设计水平评价不同级别指标的计算方法如下：

其中，i表示能力水平等级，j表示指标项，m表示第i级的指标总数。

图2 航空企业智能设计水平评价模型

Li为第i级的评价结果，ωiijj为第i级的第j项评价指标在企业产品应用中的覆盖率（比如该指标在企业的50%产品中已经展开应用，则该参数的设定是为了加速技术成果在全企业范围内的推广应用；kij为第i级的第j项评价指标在该级别中所占权重，Xij为第i级的第j项评价指标的实现情况。

表1 航空企业智能设计水平评价指标

同时以上参数满足下列条件：

利用式(1)可以计算出航空企业在不同能力等级中所获得的评价结果。同时，需要设定相应的评价阈值来判定评价结果是否达到该级别的能力水平。在评价阈值的设计过程中，为了将智能制造的成果在本企业中加速推广应用，实现全企业范围内产品的智能化，选取指标的应用覆盖率ωiijj的阈值为0.6，即该项指标在60%的产品中实现应用。同时考虑不同企业的特殊性，未必所有的指标都是企业在智能制造建设过程中关注的重点，因此选取某一级别的指标实现情况为80%，由此确定评价指标的阈值为0.48。即规定当Li≥0.48时，该航空企业达到第i级的能力水平。

对航空企业进行智能设计的评价采用逐级递进的评价方法，详细的评价流程如图3所示。在本评价方法中，需要从入门级开始计算评价指标，当计算结果达到该级别要求后，才能开始计算下一级别的评价指标。以此类推，直到某一级别的评价指标未达到该级别要求，则判定该企业智能设计水平达到前一级别。

图3 智能设计水平评价流程

5 航空企业智能设计水平评价实例

基于上文提出的航空企业智能设计水平评价指标和方法，选取了某航空企业作为试点进行智能设计能力水平的综合评价，评价指标结果如表2所示。

表2 某航空企业评价实例

该航空企业各等级计算结果为：

因此该航空企业达到的智能设计水平为中级，符合其处于航空领域智能设计中等水平的现状。

6 结论

航空企业智能设计水平评价是一个综合性问题，通过分析航空企业未来智能设计发展方向以及不同方向的发展脉络，建立了航空企业设计水平评价模型，同时给出了水平评价模型的计算方法和流程，具有较强的实用性和可操作性，能够有效指导航空企业设计能力的提升和改进，为智能制造的实现奠定基础。

但本文所建立的指标体系是从航空企业智能设计发展的脉络进行提取的模型，只针对航空企业的设计阶段，后期将会从智能制造的其他环节入手，研究和提取智能制造所有环节的评价方法和指标，建立完整的智能制造评价体系和方法，为实现智能制造实现提供方向和指引。

[1] 陶永,李秋实,赵罡.大力发展航空智能制造 支撑高端装备制造转型升级[J].制造业自动化,2016,38(3),106-111.

[2] 龚炳铮.智能制造企业评价指标及评估方法的探讨[J].电子技术应用,2015,41(11):6-8.

[3] 袁根华.个性化需求下的智能制造[J].机械工程师,2015,(12),240-242.

[4] 陈思.面向产品设计的语义化知识服务关键技术研究[D].北京理工大学,2015.

[5] 冯廷廷.基于MBD的飞机装配工艺规划与仿真[D].南京航空航天大学,2011.

[6] 赵亮,张岩涛,吕翔,陶剑.MBE发展动态及标准体系研究[J].信息技术与标准化,2013,(3),1-3.

[7] 陈冰.面向智能制造的航空发动机协同设计与制造[J].航空制造技术,2016,(5):16-21.

[8] 莫蓉.航空复杂产品协同设计的几个基本问题[J].航空制造技术,2009,(11):51-55.

Research on level evaluation of intelligent design for aviation enterprises

JIANG Jia-jun, ZHANG Yan-tao, LI Xue-chang, ZHAO Xin-yu, WU Can-hui

TP391.7

A

1009-0134(2016)12-0104-05

2016-08-25

质检公益性行业科研专项经费（201510202）

姜佳俊（1989 -），男，江苏人，工程师，硕士，研究方向为航空制造业信息化。