基于工业互联网的南航智慧维修创新大赛作品剖析

■ 吕江敏 任明翔 刘蓉蓉/中国南方航空股份有限公司工程技术分公司（机务工程部）

工业经济由数字化向网络化、智能化深度拓展，工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，日益成为深化“互联网+先进制造业”的重要基石。本文通过深入剖析南航智慧维修创新大赛作品，找寻南航智慧维修发展路线与提升方向，归纳总结出作品典型问题并给出相应改善建议，为后续南航智慧维修高质量发展搭建理论支撑。

0 引言

工业互联网平台作为驱动制造业数智化升级和带动创新型中小微企业成长的新引擎，受到前所未有的关注和期待。在顶层设计上，促进工业互联网发展的政策制度相继出台，从2015 年国务院发布《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，到工信部在2020 年发布《关于推动工业互联网加快发展的通知》，和在2021 年发布《工业互联网创新发展行动计划( 2021—2023 年) 》，种种迹象表明国家试图以制度引导和推动制造业和各类创新型企业积极发展工业互联网或接入工业互联网平台[1]。

1 工业互联网的概念

工业互联网，是整个产业的数字化、信息化、智能化转型。它首先通过通信技术，实现工业生产全流程要素资源的连接，然后通过计算技术，存储并运算数据，挖掘数据价值，优化生产流程，打通薄弱环节，从而实现效率提升、生产力提升、成本下降、利润增长。工业互联网是“工业技术革命”和“信息通信（ICT）技术革命”相结合的产物。

作为一个非常复杂的系统，工业互联网不仅涵盖与工业领域相关的所有实体、工具、数据、方法与流程，也涉及了软硬件数据协议、分布式技术、虚拟化技术、数据化技术、数据建模与分析、组件封装及可视化等多种关键技术与工具，如图1 所示。当今工业领域和计算机学科的所有前沿技术，包括边缘计算、智能控制、数字孪生、智能感知、5G传输、大数据处理与决策、人工智能等，都能在工业互联网中找到具体应用。工业领域和计算机学科交织组成了工业互联网的九大技术支柱，他们是工业物联网、云计算、工业大数据、工业机器人、3D 打印、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实、人工智能。

图1 工业互联网概念示意图

工业互联网的关键工作场景可大致概括如下：

1）将多源异构设备通过工业网关、可编程控制器（PLC）等接入工业互联网的边缘计算层；

2）利用传感器、图像等多传感方式对设备进行智能感知和数据采集；

3）通过网卡、数据总线等将数据传输到边缘层数据库；

4）利用既定的规则对不同协议的设备数据进行解析和统一转换，保持数据的一致性。

5）利用机器学习等算法对多源数据进行预处理、聚类和分析，剔除冗余数据,完成数据的规整和分类；

6）利用信息技术如5G 技术等将数据从边缘层传输到工业互联网的云端平台数据库中。

7）云端大数据系统通过大数据建模与分析技术，基于各个基础场景、通用场景和专用场景，建立各实体、数据及过程之间的映射模型，构建可视化知识图谱，形成知识库并进行知识推理。

8）基于平台层通用的平台部署与管理模块，在工业大数据模型的支撑下，建立一套软件开发与部署、微服务组件库和模型库，为软件应用层的产品部署和服务创新提供基础。

9）根据具体的使用场景，开发MES、ERP、SCADA、SCM 等综合决策应用程序，并部署到工业互联网平台的软件应用层。

10）通过平板、PDA 等终端设备中安装应用软件，实现基于产品全生命周期的生产流程优化、排产调度、智能控制及故障诊断。

2 大赛工业互联网作品分析

工业经济由数字化向网络化、智能化深度拓展，工业互联网作为新一代信息技术与制造业深度融合的产物，日益成为深化“互联网+先进制造业”的重要基石[2]。在此契机下，南航工程技术分公司启动了南航首届公司级智慧维修创新大赛，开启了国内机务维修技能竞赛的新篇章。

本次南航首届机务智慧维修创新大赛吸引了215 个团队报名参加，大部分作品围绕智能装备和工业软件两个方面展开分析和寻找解决途径，如图2 所示。团队针对生产过程中遇见的问题、痛点积极寻找解决办法，结合工业互联网相关的新技术，在大数据分析、数字模型、海量数据计算、知识图谱等核心技术支持下形成了94 个落地方案、121 个创意方案。这些方案覆盖生产、工程、航材、航线、定检等机务维修的各个方面，涉及产学研一体化、人才孵化引进、新材料引入、新技法引入等几个方面，解决了节能减排、价值再生、增强公众体验，提升安全裕度、提升维修质量、降低生产成本、提升生产效率等多个问题。

图2 参赛作品分布

2.1 全面质量管理角度分析

从全面质量管理理论中的五个影响产品质量的主要因素来分析，作品在人、机、料、法、环等方面均有研究，但侧重点主要集中在法、人和机三个方面，如图3 所示。从这点可以体现出参赛选手能深入实际，从日常工作中查找问题，积极主动寻找解决办法。项目比其传统的全面质量管理更重视使用者的体验质量，有作品尝试从使用者角度出发，着眼流程的流畅度和使用便捷性，注重人机交互体验，引入自身健康情况测量和评价等智能化元素。同时注重多专业知识的融合，其中32 个项目从人、机、料、法、环等两个角度以上去思考解决问题，在打通专业壁垒的同时，多角度地去解决问题。

图3 依照全面质量管理五要素分析作品占比

按照作品结果导向，可以看出作品主要解决生产效率提升、生产成本降低、维修质量提升和安全裕度提升等几个方面，如图4 所示。这些方面是维修工作者日常都能遇到的，是各个维修单位重点关注的方面。

图4 参赛作品方案解决问题分类

2.2 技术层面分析

新技术进一步拓展工业互联网平台发展空间。 本次大赛中涌现出了数字孪生、VR/AR 技术、5G 技术、机器学习等新技术使用相关的项目。通过新技术的使用降低了生产复杂度，提高了协作水平和生产效率。其中30.7%的作品着眼在流程优化、25.1%的作品着眼在云系统平台，20.5%的作品着眼在大数据处理上，具体分布如图5 所示。

图5 作品方向和技术使用统计

应用的分布和全球工业互联网平台发展相类似。根据国家工业信息安全发展研究中心选取全球77 个工业互联网平台，并筛选出其中206 个相关工业互联网应用案例进行了调查分析。调查发现，目前全球工业互联网平台发展主要聚焦于设备运行过程中的成本节约和效率提升。其中，83%的工业企业基于平台开展工业设备和产品状态在线监测、故障在线诊断、预测性维护、远程运维等应用服务；68%的工业企业基于平台处理分析生产制造、企业运营管理等各类数据，开展生产过程优化、能耗优化、质量优化、安全管理、作业指导、采销决策优化等业务运营优化服务；19%的工业企业基于平台开展业务转型和模式创新。通过对比发现本届南航首届机务智慧维修创新大赛参赛作品基本符合国际趋势。参赛者的关注点从产品导向转向到“产品+服务”的过程导向中，企业的成本管理转到以满足需求导向为目标，利用新技术升级现有的生产过程，在价值链的延伸、数据整合、提供集成服务和整体解决方案上进行突破，提供生产过程的知识含量，降低成本，提高效率。

2.3 问题和措施

通过作品初审，智慧维修大赛评审组项目组也发现了一些问题。一是部分作品的应用场景比较单一，适合本工段或者本厂的环境，推广性不强，这个虽有个别项目组自身的原因，但总体上来看，主要是南航机务系统内部工业互联网推行的比较晚，大家缺乏对总体的认识，缺少理论指导，最终影响了项目效果。二是“信息孤岛”阻碍了数据集成共享和创新应用。南航机务系统从2019 年度开始着手打造机务云平台，现在已初具规模。但出于安全考虑数据权限较多，上下游之间的数据尚未完全打通，存在“信息孤岛”，这些“信息孤岛”造成了信息集成和共享困难，影响了进一步协调应用。三是缺乏规模效应，各个项目团队都着眼与自身生产过程中遇到的问题，这些问题在整体机务环境中不仅有相似性，也有一定的差异性。如何求同存异，从全盘角度考虑这些问题，形成规模，还需进一步讨论。四是关键平台技术如图像识别算法、大数据平台等使用现有开源库，团队成员对这些开源系统缺乏深入了解和评估，尚存在安全隐患和被网络攻击的风险。五是资源保障能力不够。工业互联网平台连接人、机器以及多种工业引用场景，是一个复杂的系统，在前期对企业来讲需要投入大量的硬件软件资源。项目团队大多依赖本单位五小创新资金进行研究，如果需要深入展开后期需要持续投入。

大赛组委会也根据项目情况联合相关部门，针对大赛评选出的优秀项目进行指导和孵化，在相关领域专家的带领下，投入经费和人力进行优秀成果的孵化、重构和推广工作。针对工业互联网新技术多的情况，组织专家制定相关系列教程。由浅到深逐步普及工业互联网新技术和发展趋势。针对工业互联网涉及标准，组委会未来计划组织专家制定标准，以开源和开放标准完善工业互联网生态环境，激发和保持员工的创新活力，引入更多的员工发现问题，参与解决问题。

3 展望和总结

纵览工业互联网发展历史，工业互联网平台发展演化经历短期和长期两个发展阶段[3]。短期阶段主要包括运营效率提升和新服务或产品提升，主要通过工业互联网平台预测维护资产管理，减少设备故障，以改善工人工作条件；长期阶段则包括结果经济阶段和智能拉式经济阶段。“结果经济”就是在工业互联网平台生态系统支撑下的“按结果收费模式”。例如 Taleris 软件公司在其工业物联网生态系统平台支持下，为航空公司提供故障担保，对所有引起航班延误和取消的设备故障负责。“智能拉式经济”是工业互联网和消费互联网高度发展与融合，智能满足所有消费者的个性化需求。

目前作品还集中在短期阶段，后续大赛组织方还将持续跟进，对获奖作品进行指导改造，并加以推广。组织专家制定课程，让员工了解工业互联网的发展和新技术的应用，提高大家的创新水平。