民航飞机智慧维修+工业互联网关键生态要素研究

■ 李志明 任明翔 阳锦 刘宇辉/中国南方航空股份有限公司工程技术分公司（机务工程部）

0引言

进入21世纪以来，学科交叉融合加速，技术创新异常活跃，前沿领域不断延伸，以5G、人工智能、物联网、区块链、大数据为代表的新一代信息技术引发的技术革命已成为全球关注的重点。信息技术的快速发展影响到了传统制造业的发展方向。互联网与工业融合发展成为当今社会的一种发展趋势，互联网高度渗透工业，孕育出以数据为驱动、以制造能力为核心的工业互联网生态，俨然成为新时期全球产业竞争的制高点。

党中央国务院高度重视发展工业互联网，习近平总书记指出“要深入实施工业互联网创新发展战略，系统推进工业互联网基础设施和数据资源管理体系建设”。国务院印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，统筹布局网络、 平台、 安全三大功能体系建设。李克强总理连续两年在政府工作报告中提出“工业互联网平台”， 强调“打造工业互联网平台，拓展‘智能+’，为制造业转型升级赋能”。

国家发布的《“十四五”国家信息化规划》明确指出，信息化为中华民族带来了千载难逢的机遇，必须敏锐抓住信息化发展的历史机遇，加快数字化发展，建设网络强国、数字中国、智慧社会的战略决策。

近年来，南航依托“民航维修工程技术研究中心”平台，针对传统飞机维修场景资源需求量大、数字化水平低、维修差错集中等诸多痛点，不断探索飞机维修领域新信息技术应用，创新性研发并成功应用了“南航天瞳系统”“5G+AR远程技术支持系统”“南航VR航空器实训系统”等诸多成果，全面提升了南航维修数字化智能化水平。然而，本文认为现有的这些创新系统仍属于相对独立的平台，如果将这些平台放在一个集网络、平台、安全三大功能于一体的统一架构体系下予以管控，辅之相同的建设标准，则能够更好地发挥各平台优势，增强各平台凝聚力。因此本文认为应更好地利用智慧维修和工业互联网发展理念，设计及搭建一种以工业互联网原理为基础，以民航飞机维修为核心特征输出的民机智慧维修生态体系架构。

1智慧维修与工业互联网理念

1.1 智慧维修理念简述

智慧维修的重点是“智慧”。“智慧”的原意是指由人的智力系统、知识系统、方法与技能系统、非智力系统、观念与思想系统、审美与评价系统等多个子系统构成的复杂体系，代表了人的智力器官的终极功能。智慧维修就是将人的“智慧”转化为融入各种前沿技术的“人工智慧”，进而融入具体维修工作中，在增强维修品质、降低维修成本的同时，解除多余的人脑与体力的付出，使人获得更多的幸福感。智慧维修并不是简单地追求高超的科技运用、高效的维修效率与效益，还需要考虑到维修过程是否符合人类的观念与思想、审美与评价对美好生活的向往标准。

依照智慧民航建设发展理念，智慧维修是始终瞄准民航强国建设目标，应用新一轮科技革命和产业变革的最新成果，创新传统民航维修方式，实现对民航维修的全要素、全流程、全场景进行数字化处理、智能化响应和智慧化支撑的新模式新形态。具体说来，智慧维修是物理生产要素和信息生产数据实时交联的全新的维修工程管理体系，人流、物流和信息流可在虚拟和现实中实现无缝连接和实时互动，飞机的全部技术状态均可通过智能平台全面、实时地掌控，飞机的维修和维护可通过智能平台向下赋能，高质高效地完成各项任务。

1.2 工业互联网理念简述

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面连接，以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，形成平台化设计、智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理六大新模式，有力促进了实体经济提质、增效、降本、绿色、安全发展。

1.2.1 工业互联网的历史简述

工业互联网的概念是在2012年由美国通用电气（GE）公司首次提出的，其技术起源于GE航空发动机可预测维护的工业模式，即GE在自产的每台航空发动机上都安装了大量的传感器，不断地采集飞行数据，并在飞行过程中将数据实时传回数据中心进行分析，进而为飞机发动机提供预测性维护，减少停机时间，更好地优化其经济性和安全性。南航早在2002年就研发了南航飞机远程诊断实时跟踪系统，也就是南航天瞳系统的前身，该系统获得了民航科技进步二等奖，同样具备数据采集分析，故障诊断功能，与GE的发动机预测技术有异曲同工之妙。由此看来，南航的远诊系统已具备工业互联网的生态雏形。2014年，通用联合AT＆T、Cisco、IBM、Intel等五家企业成立工业互联网联盟，至此初步形成了产业生态。

2016年是中国工业互联网“元年”，首批工业互联网企业诞生。2016年12月，树根互联率先发布了国内首个工业互联网平台“根云平台”。4个月后，在家电消费类产品生产制造领域有深厚基础的海尔发布引入用户体验为特色的工业互联网平台。2016年2月1日，工业互联网产业联盟在北京举行成立大会。该联盟立足于为推动《中国制造2025》和“互联网+”融合发展提供必要支撑。以推动工业互联网创新发展为宗旨，中国至今举办了三届中国互联网大赛，南航工程技术分公司携“面向复杂末端场景的飞机维修智慧工场解决方案”，取得全国第10名（三等奖）的优异成绩，彰显了南航机务维修锐意进取的工匠精神和国内领先的数字化技术水平。2022年7月，南航工程技术分公司举办南航首届机务智慧维修创新大赛，其中有一个重要赛道就是工业互联网赛道，旨在选育一批确保安全、促进生产、提升效率、创造价值的工业互联网智慧维修优秀方案成果。

1.2.2 工业互联网核心架构分析

工业互联网的核心功能原因是基于数据驱动的物理系统与数字空间全面互联与深度协同，以及在此过程中的智能分析与决策优化。通过网络、平台、安全三大功能体系构建，工业互联网全面打通设备资产、生产系统、管理系统和供应链条，基于数据整合与分析实现IT（信息技术）与OT（控制技术）的融合以及三大体系的贯通，功能原理如图1所示。

图1 工业互联网功能原理图

工业互联网以数据为核心，数据功能体系主要包含感知控制、数字模型、决策优化三个基本层次，以及由自下而上的信息流和自上而下的决策流构成的工业数字化应用优化闭环。感知控制层是构建工业数字化应用的底层“输入-输出”接口，包含感知、识别、控制、执行四类功能，简单说就是传感器采集数据后，明确数据所代表的对象，转化为具体控制信号和指令，从而改变物理世界资产状态。数字模型层强化数据、知识、资产等虚拟映射与管理组织，包含数据集成与管理、数据模型与工业模型构建、信息交互三类功能。数据模型和工业模型构建是综合利用大数据、人工智能等数据方法和物理、化学、材料等各类工业经验知识，对资产行为特征和因果关系进行抽象化描述，形成各类模型库和算法库。决策优化层是聚焦数据挖掘分析与价值转化，形成工业数字化应用核心功能，主要包括分析、描述、诊断、预测、指导及应用开发。自下而上的信息流和自上而下的决策流形成了工业数字化应用的优化闭环。其中，信息流是从数据感知出发，通过数据的集成和建模分析，将物理空间中的资产信息和状态向上传递到虚拟空间，为决策优化提供依据；决策流则是将虚拟空间中决策优化后所形成的指令信息向下反馈到控制与执行环节，用于改进和提升物理空间中资产的功能和性能。

网络体系由网络互联、数据互通和标识解析三部分组成。网络互联实现要素之间的数据传输，数据互通实现要素之间传输信息的相互理解，标识解析实现要素的标记、管理和定位。

平台体系包括边缘层、平台层和应用层三个关键功能组成部分。边缘层提供海量工业数据接入、转换、数据预处理和边缘分析应用等功能。平台层提供资源管理、工业数据与模型管理、工业建模分析和工业应用创新等功能。应用层提供工业创新应用、开发者社区、应用商店、应用二次开发集成等功能。

安全体系则包括信息安全、功能安全和物理安全，聚焦工业互联网安全所具备的主要特征，包括可靠性、保密性、完整性、可用性及隐私和数据保护。

1.2.3 智慧维修与工业互联网的关系

智慧维修高度符合智慧民航的核心要素，具备数字感知、数据决策能力，需要进行民航大数据管理体系建设。数字感知即推进新一代航空宽带通信技术、物联网技术应用；数据决策是包含综合趋势预判、风险评估预警、智能决策支持等；信息基础设施则包括完善民航大数据治理体系，构建民航大数据管理体系，深化民航大数据场景应用。这些核心特征都与工业互联网以数据为核心，围绕网络、平台、安全三大功能建设的核心理念基本一致。

民航飞机的主要用途是将乘客安全地送往目的地，在确保乘客行程顺利的情况下，为所有乘客的人身安全提供保证，所以持续保障飞机运行的安全性、可靠性及稳定性是重点要考虑的因素。那么如何以高质量地飞机检修和维护工作保证飞机持续安全可靠就变得至关重要。无论是智慧维修理念，还是工业互联网理念，目的均是运用新一代数字通信技术，提高企业的运维水平，所以通过运维可将智慧维修与工业互联网紧密结合在一起。

2 民航飞机维修工业互联网体系搭建

在民航局关于智慧民航建设路线图总体框架中明确提出智慧民航运输系统由智慧出行、智慧空管、智慧机场、智慧监管组成，如图2所示。而作为智慧出行的保证要素，民航飞机维修是民航运输系统得以正常运转不可或缺的基础条件，是民航高质量发展的启动按钮。研究民航飞机维修业如何能够与智慧民航发展总体规划相匹配，打好智慧安全地基，就必需紧跟时代的步伐，积极探索新技术新理念的在维修业的应用和融合，建立民航飞机维修工业互联网体系。

图2 智慧民航建设路线图总体架构

在工业4.0时代，民航飞机维修已不再是“哪里痛，治哪里”的事后检修，现代的维修理念更注重预测性、计划性和单机定制，更关注每架飞机的全寿命周期和健康状况，通过远程诊断、大数据分析、数学建模等科技手段为飞机“悬丝诊脉”“治未病”。在过去，虽然科学技术在民航业内已广泛使用，但却缺乏体系构建，未能充分利用科技发展的红利。究其根本，民航飞机维修工业互联网体系不能照搬工业互联网的传统架构，而是要串联起维修的各个环节，充分融合智慧维修与工业互联网理念，通过建立有效的物-场模型搭建属于民航的飞机维修智慧工场。

2.1 智慧维修物-场模型搭建

物-场分析模型是创造性问题解决理论（TRIZ）中所描述的一项分析工具，是通过模型分析并改进技术系统的功能。简单的功能模型可分解为两种物质（S1,S2）和一种场（F），两种物质通过场效应实现功能。两种物质可以是材料、工具、零件、人、环境，场可以是机械场、声场、热场、化学场、电场、磁场等。物-场模型的种类有五种，其中有用并且充分的相互作用即是有效、完整的物-场模型，是一种理想状态。智慧维修工场搭建物-场功能模型时尽量考虑理想状态下的物-场模型，在此基础上，加入不同场和物质，将功能改进完善，并消除或抵消潜在的有害效应。

举例来说，要建立飞机故障监控物-场模型，就是要使飞机触发的ACARS数据（S1）通过数据链（F）作用于人（S2）。这一过程中需要充分考虑人文因素的影响，避免大量数据呈现对人观察、思考、判断及决策产生影响，这时可以引入多种物质改善这一行为，如让ACARS数据根据不同机型、不同种类、不同等级、发送不同时间显示、紧急故障特别标识显示、故障记录功能、辅助决策功能等，将物-场模型搭建完善。智慧维修工场就是由很多不同种类的物-场功能模型组成，最终形成一个完整的且可以相互作用的复杂大物-场。

2.2 体系搭建

结合民航飞机维修模式，建立以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障的民航飞机维修工业互联网体系，以数据中心为核心，平台、网络、安全协同运行，并拓展出具体应用模式，如图3所示。

图3 民航飞机维修智慧工场（工业互联网体系）结构图

3体系内关键生态要素分析

3.1 构型管理

民航飞机维修的直接对象是民航运输飞机，维修工作的实施贯穿飞机初始引进到退租/出售，维修工作的目标是保持飞机持续适航。飞机的维修计划、维修任务、改装设计等往往是为机队机群制定的，而维修工作却只能是单机实施，因此如何精准施策、精确施工，飞机构型管理至关重要。

此处的构型管理是指智慧型动态管理，它以飞机引进时的初始构型为起点，以平台为核心，以网络串联，根据飞机全寿命周期中实施的各类维修/维护、软件升级、硬件加/改装等实时、动态、自主识别更新，并传递至与之相关的各个环节。例如，当一架飞机的某个关键盖板锁扣构型因技术迭代改装后，除了维修直接相关的手册、工卡随之及时变更外，与之隐形相关的培训系统也应及时更新，以便于维修人员更新锁扣开关的新技能培训。

3.2 运行控制

运行是飞机智慧维修工场的重要环节，高的飞机可用率和低的出勤故障率是评价维修保障能力的重要指标。在运行开始前保障飞机状态可用；在运行中远程实时监控，根据飞机报文对故障进行预判和预警，以平台为核心，联动维修工作的各个生产环节，提前制定排故方案、准备工具、航材，配备排故人员；在飞机到场后立即开展故障排除工作，并实时监测排故进展，与运行控制智慧协同，灵活调配飞机执飞航班，保障航班运行正常，旅客出行体验良好。

3.3 故障管控

飞机维修工作的核心是排除飞机故障，保障飞机持续适航，保证运行安全。因此故障管控是智慧工场的核心。故障管控模块包含数据中心功能，而数据中心能够最大化发挥作用，关键技术支撑是数字孪生。利用数字孪生技术，将飞机全生命周期内技术数据和资产数据在虚拟端进行同步映射管控，飞机在引进阶段的初始构型管理，在持续适航阶段的维修方案、工程指令、改装设计、结构修理等技术状态管理，飞机系统与结构故障运行数据管理，都将以数据状态呈现在每架飞机的全生命周期模型中，为公司生产运行提供科学数据支撑。

3.4 维修现场

飞机的维修工作包含技术文件的评估、维修方案的制定、工作单卡的制定、维修计划的安排等诸多环节，但最终的落实都在维修现场，维修现场是智慧工场的涉及面最广、节点最多、网络最复杂的环节。智慧维修现场首先要实现智慧互联，有场区智能物流、航材工具智能识别、智慧地面支持以及AR电子工卡等。

3.4.1场区智能物流

场区智能物流通过智能调度中台进行人员工作的智能计划安排，航材、工具状态的智能监控以及数字化管理，给合航材工具智能识别、航材定位设备、机器人配送等实现整体智慧工场的生产维修工作有条不紊的开展。通过智能调度中台提供一体化工业互联网解决方案，实现生产的数字协同、提升维修工场的自动化运作程度。智能中台通过对接上层系统关键维修任务资源管控模块，其中包括(但不仅限于)计划管理、排程流程、物料需求计划，结合机器学习算法实现维修计划自动排程，并且实时跟踪维修计划中的里程碑节点、进度状态，同时实现根据维修排产计划自动运算物料的需求计划，结合物料采购回货入库情况，对缺料异常进行及时预警。

在智慧工场的应用场景中，飞机状态、维修方案、排故方案、施工工卡等均为实时同步状态，且与工具、航材库存信息物联，可实现航材工具智能识别与无人配送：当一份维修任务生成时，匹配该任务的工具、航材通过系统自动识别，进入待用状态，运用配送机器人，定时（或呼叫）从仓库各收货点，收集运送航材配件运送到维修机库的指定位置。配送机器人可以满足24小时无间断工作，适应机库多变的场景环境。同时具有远程呼叫能力，让配送机器人到达指定的发货点接收物品。整个系统采用5G网络作为主要的通信链路，满足全场景机器人实时位置定位跟踪。同时机器人将对接门控及电梯，完成行走路线上自动开门、自动乘梯业务，以达到全程自动输送物品的业务目标，如图4所示。

图4 机器人配送流程

3.4.2基于AR的场区新工作方式

相较于单纯由人实施的维修和由机器（人）实施的维修，人+AR的模式在结合多种主体数字化后，可实现针对不同场景下多个数字化主体协同合作，实现前端维修的数字化与智能化维修的蜕变，这是未来飞机维修业的发展方向。AR技术可以对获得的工业大数据进行采集、过滤、沉淀、清洗等一系列处理操作，或从云端服务器处理获取分析处理结果，从而进行经验的沉淀及流程的优化，甚至可以借此构建数据模型和相关智能算法。

以AR工卡的实施为例，通过对工卡信息的重构，人机交互过程的优化，AR工卡的执行将给工作者带来全新的工作体验。

1） 场景化的执行步骤：工作者面对的不再是一整版的文字任务，而是随工作进程而逐步展开的一幕幕场景，场景化便于工作者聚焦具体任务，充分了解当前任务的同时免除无效信息的干扰；

2） 代入式的工作指引：在场景中，工作者具有上帝化的视角，增强签署、辅助拍照、自动测量等辅助工具仿佛游戏装备一样挥手即来；手册资料、经验文档、APS指引等借助知识图谱技术可以更方便触达；后台专家也可以随时呼叫，提供更多支援。

3） 沉浸式的工作体验：AR化工作方式建立的是一种资源找人、知识找人的新体验，工作者虽然“单兵作战，装备轻量”，但却随时处于“重炮火”的支援之下，营造了以人为中心的“工作场”，工作者可以最大程度地专注于工作进程，避免频繁中断。

3.5 安全防控

安全是一切工作前提，也是底线。在智慧维修工场中，维修场景的所有相关要素均互联互通，安全环环相扣，牵一发而动全身。同时因5G网络、物联网、图像识别、AR/VR、经验预判等新技术的引入，智慧维修工场中的安全防护又有着得天独厚的优势。

以最直接的生产对象飞机为例，在维修工场中，经常需要推/拖飞机出入机库，如何利用现代物联和互联技术保障飞机安全？传统的人工监控由于机身与维修平台的间隙大小、视觉盲区、拖行线路干扰等而出现误判，具有较高的风险性。在智慧维修工场应用中可采用三维建模技术、多传感器融合技术等新技术构建飞机防撞功能，通过三维感知设备，实现机库内部实时三维检测，飞机轮廓提取，实时比对，实时预警，基于低时延、高带宽的5G网络将信息实时传送至终端和云控平台，指引飞机安全出入机库。

飞机入库防撞只是维修工场中一个普通的安全生产示例，在实际生产中还涉及维修人员安全、维修场地安全、维修物料安全、网络安全、数据安全等关键安全要素，要保证工场中各个环节的安全，除了新技术新设备的运用外，还要构建与之适应的管理制度，设立管理机构，组建管理团队，对整个工场运转全局的把控和实时的管理。

3.6 标准规范

标准和规范是行业健康有序发展不可或缺的宝典，它既是工作的理论依据，又是工作安全开展的避坑指南，但标准和规范不是一成不变的，传统的维修标准和行业规范在现代的维修工作中已逐渐不相适应，它亟需更新技术的应用，结合维修生产实际中的实例、数据积累，通过实践分析和经验总结，不断优化更迭，以适应传统维修到智慧维修的转变。

维修标准和规范来源于维修工作，经研究、优化、赋能后，再指导维修工作的实施，是“取之于彼，用之于彼”的螺旋上升式的良性循环。智慧维修的标准和规范制定应围绕智慧建设的主线，充分研究维修工场各个环节，全面考虑智慧维修涉及的各个生产要素，高屋建瓴，系统考量，细节打磨，分门别类，并建立动态修正机制，以实践为指导，纠偏纠错，为智慧维修发展提供理论支撑。

4 结语

作为我国的国家重点规划之一，国家对工业互联网从产业升级、技术创新、经济推动等方面均给予了极大的帮扶和支持，发展前景可谓极其广阔。民航飞机维修业的数字化信息化建设在民航领域中位居前列，具备搭建工业互联网体系的先天优势。但是搭建较为完善的工业互联网体系不仅需要实战经验，更需要长期的较大资金投入与技术投入，且没有特别明确的投资回报率和盈利模式，对于以盈利为主的航空公司来说不得不说值得慎重考虑。此文对民航搭建互联网体系下的民机智慧维修生态体系架构作初步的研究与探索，仅为各航空公司搭建体系做参考和指引。

多措并举统筹推进 持续打造“四过硬”的南航机务班组长队伍——南航技术分公司积极探索“一四五六”班组长队伍建设组织体系

机务班组，是民航安全生产链条上最基础的一环，是确保队伍稳定、实现安全质量提升、夯实“三基”建设的重要力量。今年，技术分公司全面加强南航机务系统班组长队伍建设规划、高质量推动“选育管用”环节，致力打造一支结构合理、作风优良的优秀班组长队伍。

系统盘点，摸清班组长队伍底数和结构

南航机务系统班组长包括分队长、工段长和班组长，目前总人数为1300余人。今年3月，技术分公司启动调研，综合分析研判班组长队伍结构、队伍职责、提升需求和面临挑战等方面。技术分公司坚持问题导向，将班组长能力建设定位在业务技能、管理沟通、素质提升三个方面。

整体提升，着力打造班组长“强基赋能”工程

技术分公司着力打造干部人才队伍建设“五项工程”，以“强基赋能”工程为抓手，逐步形成南航机务系统班组长队伍建设“一四五六”总思路，即以“一张清单”明确班组长岗位权责，以“四个规范”梳理班组长聘任管理制度，以“五类课程”做好班组长培养工作，以“六项机制”支撑班组长“选育管用”体系，为着力打造一支政治过硬、本领过硬、纪律过硬、作风过硬的班组长队伍。

统筹推进，让“班组长”成为青年员工向往的岗位经历

今年，技术分公司持续举办机务系统班组长培训优秀班、提升班和初始班，组织评选2021年度南航机务系统“十佳班组长”，大力选树优秀班组长代表，讲好机务班组长故事，树立班组长“能上”的导向，真正让“班组长”成为青年员工向往的岗位经历。

下一步，技术分公司将持续落实南航集团党组关于“三长”队伍建设的决策部署，充分发挥“总部管总”能力，统筹推动南航机务班组长队伍建设落地，为打造世界一流航空维修服务品牌夯实维修管理基础。