面向智能制造的航空发动机企业标准化探究

李 伟

（中国航发研究院，北京 101304）

面向智能制造的航空发动机企业标准化探究

李 伟

（中国航发研究院，北京 101304）

结合智能制造系统架构，从生命周期、系统层级和智能功能3个维度分析了航空发动机企业智能制造发展方向以及智能制造对航空发动机企业标准化的挑战，指出面向智能制造的航空发动机企业标准化的重点工作。

智能制造；航空发动机；标准化

随着新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合，美国制定了“再工业化”、“制造业复兴”、“先进制造业伙伴计划”，德国抛出了“工业 4.0”，日本开始实施“再兴战略”，韩国制定了“新增长动力规划及发展战略”，法国提出“新工业法国”，我国提出了《中国制造2025》[1]。这些国家层面制定实施的发展战略或行动计划是希望通过技术进步和产业政策调整重振制造业，保持或提升本国制造业的竞争优势，实际上都是瞄准了信息技术的深化应用。以“数字化、网络化、智能化”为特征的智能制造已经成为制造业发展的主流方向，在这股产业升级的强劲浪潮中，航空发动机产业成为发展的重点之一。航空发动机产业作为体现国家综合实力、军事威慑能力和国际影响力的战略性高科技产业，是衡量国家工业基础、科技领先水平、综合国力以及国防现代化程度的重要标志，具有牵引科技创新和带动众多产业升级的重要推动作用。

智能制造是指将物联网、大数据、云计算等新一代信息技术与设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节融合，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精确控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称[2]。智能制造是新一代信息技术与制造技术的融合，以及制造业不同环节的集成和互联。标准化是推进智能制造发展必不可少的基础，标准化建设是推进智能制造的先机和制高点，是产业发展和企业竞争的关键所在。我国航空发动机企业要适用智能制造的发展要求，需要在标准化方面进行先期研究，发挥标准化在推进智能制造发展中的基础性和引导性作用。

1 航空发动机企业智能制造发展现状

我国航空发动机已经具备了第三代航空发动机研制和生产能力，建立起了相对完整的航空发动机产业体系，初步形成了专业化分工合作的大格局。“十五”以来，在国家累计技改投入支持下，航空发动机企业生产设备和试验设施有了较大改善，补充了大量数控加工和检测设备，建立了叶片、机匣、盘轴、装配等专业化生产线。在数字化制造方面，开展了数字化工艺设计、工装设计、数控编程、工艺过程仿真等技术的研究及应用，建立了完整的制造资源管理系统和生产计划管理系统。尤其是“十二五”期间，我国航空发动机企业在协同研发平台、工程数据中心、基础网络等共性基础平台建设上投入了大量资源，初步具备了开展智能制造的信息化环境。

客观而言，我国航空发动机企业只有部分生产线达到了“工业3.0”阶段，距离“工业4.0”智能制造的目标尚有较大差距，主要表现为：

● 机床设备的智能化水平不足。智能制造很重要的一点就是数据采集和设备互联，然而大部分航空发动机企业的机床设备，由于机床种类和数控系统版本限制，数据接口很难统一，给数据采集、传递和集成带来很大的困难；

● 大数据分析能力不足。生产过程中产生的数据蕴含着丰富的技术状态信息，只有经过提炼和分析，形成数学模型并经过实际验证的才具有指导价值，而我们在这方面的尝试非常有限，技术储备严重不足；

● 制造仿真能力不足。智能制造需要借助仿真软件对工艺过程、装配过程和测量过程等进行数值仿真，我们现在只在部分型号产品上做过验证，还没有大范围推广应用，并且仿真软件的种类和数量都很少，基本上不具备独立的软件二次开发能力；

● 制造系统的集成需要进一步研究验证。硬件与软件的集成，各单位MES（制造执行系统）、ERP（企业资源计划）、PDM（产品数据管理）等应用系统与行业协同平台、工程数据中心之间的集成等等，都需要开展专题研究。

除此之外，还有很多技术和管理问题，我国航空发动机企业要实现真正的智能制造还有很长的路要走。

2 航空发动机企业智能制造发展方向

智能制造系统架构可以分3个维度，如图1所示。其中生命周期维度，是由设计、生产、物流、销售、服务等一系列相互联的价值创造活动组成的链式集合，不同行业的生命周期构成不尽相同。针对航空发动机行业，代表了产品研制的全生命周期模型，一般可以选择论证、方案、工程研制、设计定型、生产定型、批量生产、使用保障进行描述。

系统层面维度自下而上共5层，分别为设备层、控制层、车间层、企业层和协同层，体现了装备的智能化和互联网协议化，以及网络的扁平化趋势。针对我国航空发动机智能制造的系统层级体现了智能设备、数据采集及监控、制造执行系统、中国航发运营管理体系（AEOS）、基于航发网的协同平台等。

智能功能维度自上而下，包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合、新兴业态，其中以互联互通为目的的工业互联网，实现了物理世界和信息世界的融合。智能功能维度主要实现了信息资源和产品生命周期的集成与共享，针对航空发动机企业重点是实现虚拟仿真与物理现实相结合，推动建立设计、制造、试验等规划和验证过程的“数字化双胞胎”，实现虚拟与现实的相互验证和迭代优化。

随着新中国航发集团的成立和国家两机重大专项的实施，我国航空发动机企业正在大力开展智能制造技术研究，以信息化带动传统制造业长足发展，以网络化突破空间地域对企业生产经营范围和方式的约束，实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成，将数字化制造技术渗透到产品研制的设计、制造、试验和管理的全过程中，逐步实现“产品研制数字化”、“设计制造一体化”、“制造过程自动化”、“机器设备网络化”、“过程监控实时化”、“生产配套系统化”、“管理决策智能化”和“服务保障知识化”，全面提升航空发动机研发、制造和服务能力，推动航空发动机企业向创新型企业转型升级。

● 产品研制数字化：在产品研发的全过程，大范围采用模拟仿真手段，通过设计仿真、工艺过程仿真、模拟试验、物理样机等方法进行设计迭代优化，减少物理验证，降低研发成本。

● 设计制造一体化：智能制造提出端到端的集成，涵盖产品设计、工艺、制造、服务全过程，整个过程有唯一的数据模型，各环节不断对模型进行补充和完善，并映射到设计需求。设计、制造、验证通过统一的平台进行协同，迭代效率和产品质量得到大幅提升。

● 制造过程自动化：在智能化工厂，生产制造过程呈现高度自动化，单一重复性的工作都被机械设备替代，对生产线的人工干预被降低到最低限度，生产流程标准化、过程可控。

● 机器设备网络化：智能化设备是构成赛博物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）的基础条件，智能制造模式下，机器设备通过互联网或总线形式进行系统集成和在线控制，智能设备间实现实时的互联互通。

● 过程监控实时化：利用物联网技术和监控技术实时监控生产现场运行情况，设备运行状态、加工过程参数和报警等信息自动采集并通过人机交互设备展示。

● 生产配套系统化：智能制造强化了产业链的集成，与企业生产制造相关的协作配套关系得到进一步加强，并通过信息化系统，实现对供应商和采购过程的动态管理。

● 管理决策智能化：把产品研发全过程产生的工程和管理数据，通过数据库和信息化平台进行统一管理，基于大数据分析技术，智能工厂对生产计划、制造资源、工厂运行、质量信息、故障信息等情况进行综合分析，并具备主动判断、规划的能力，能够根据预设逻辑做出自主决策和动态调整。

● 服务保障知识化：智能制造强化了数据服务能力，产品数据和维修服务数据通过系统平台实现动态管理，与实物状态保持一致。基于结构化的实做数据（实际操作使用数据）、产品数据、故障知识数据等大数据资源，具备航空发动机自感知、自诊断、自决策能力，实现智能健康管理。

3 智能制造对航空发动机企业标准化的挑战

航空发动机的研究与发展是复杂的系统工程，标准是其中至为关键的核心要素，作为研发技术体系的承载，以及技术发展与型号研制的保障，有着举足轻重的作用[3]。标准化工作是指标准制定、发布、实施的过程。航空发动机标准化工作不仅是航空发动机企业生产、经营、管理的重要基石，也是形成企业核心能力和保持比较优势的关键要素。

面向智能制造的航空发动机企业标准化与传统标准化不同。传统标准化是在总结成熟技术的基础上，经过广泛协调，制定相应标准，以指导应用。而信息化标准化具有超前性，在智能制造的信息技术应用的同时，需要制定相应的标准，并保持动态修改，以适应信息技术实施的新问题。这样要求标准化工作早介入，并纳入信息化工程的计划，以使标准化在信息化建设中充分发挥作用。

面向智能制造的航空发动机标准化工作就是围绕航空发动机制造系统的纵向集成、横向集成和端到端集成而开展标准制定、发布、实施的一系列工作，强调的是数据的共享和交互，数据的管理和标准化是基础。同时，智能制造标准化的对象具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精确控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式，针对智能设备、智能工厂、智能服务、工业软件与大数据、工业互联网，要重点关注标准与知识的结合。

当前面向智能制造的航空发动机的企业标准化，重点要开展以下标准化工作：

● 建立航空发动机智能制造支撑环境标准。统一定义航空发动机智能制造术语和参考模型，制定对象标识、元数据、数据描述和数据字典标准，支撑各信息化应用系统的开发与使用；开展工业大数据、工业互联网、云计算、网络通信、人工智能、数字化双胞胎和物联网等新一代信息技术的功能模型、数据集成与管理、数据分析、服务定义和管理等技术标准研究及应用；制定航空发动机智能制造信息安全管理标准，制定包括软件安全、设备信息安全、网络安全、数据安全、信息安全防护、产品测评及安全能力评估在内的技术标准，规范制造信息安全管理活动，消除信息安全隐患。

● 制定航空发动机智能制造产品研发标准。重点开展基于知识的先进计算、MBD（基于模型定义）建模和仿真分析标准，设计、材料和制造工艺适用性分析验证、协同研发等技术标准的研究；研究基于模型的需求工程、定义、制造和检验与保障标准；研究复杂赛博—电子—机械系统建模与仿真标准等；制定航空发动机产品全生命周期技术标准，规范产品研发、生产、服务全过程的业务流程，支持产品协同研制。

● 制定航空发动机数字化车间、智能装备等标准。面向智能制造，支撑更柔性、互联、协同、高效的军工数字化车间/生产线建设，重点开展航空发动机工艺参考模型研究，数字化车间/生产线系统架构与参考模型研究；确定航空发动机行业智能生产线构建标准，形成与行业发展水平相一致的系统架构，指导智能生产线相关软硬件建设；开展增材制造、微纳米加工及工业机器人等智能装备标准应用研究；数字化车间/生产线可视化和实时优化标准研究；数字化车间/生产线增强现实和可穿戴设备、信息采集设备等移动计算、数据交换标准应用研究。

● 开展航空发动机智能服务标准研究。面向基于价值链的虚拟航空发动机企业的组织和运营，重点开展航空发动机供应链管理标准研究，开展航空发动机远程/在线故障检测与维修标准、制造型服务模式标准研究等。

4 结论

当前已经进入了一个全新的信息智能时代，全国、乃至全世界的工业界都已经行动起来，走上了产业智能升级之路，作为高端制造业“皇冠上的明珠”，我国航空发动机产业也应该伴随 “中国制造2025”的强劲东风启程，迈出向高端制造企业转型升级的坚实步伐。“智能制造，标准先行”，要做到不是跟风上路，不是盲目上路，我国航空发动机企业需要深入研究面向智能制造的航空发动机标准，做好标准化工作规划，做到有备而行。

[1] 郭朝先，王宏霞. 中国制造业发展与“中国制造2025”规划[J]. 经济研究参考，2015（31）：3～10.

[2] 辛国斌，田世宏. 国家智能制造标准体系建设指南（2015年版）解读[M]. 北京：电子工业出版社，2016.

[3] 李伟. 基于系统工程的航空发动机标准体系建设研究[J]. 航空标准化与质量，2016（6）：10～13.

T-65 [文献标识码] C [文章编号] 1003-6660（2017）04-0006-04

10.13237/j.cnki.asq.2017.04.002

2017-06-23

（编辑：闲庭）