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前言:最近好久都没有推文的原因是,我正在准备博士毕业,忙于撰写大论文,同时还要疲于找工作,前不久论文初稿刚写完,然后又接到了赛迪研究院(中国电子信息产业发展研究院)的面试,期间和产业政策研究所的所长相聊甚欢,在聊到智能制造的时候,领导临时给我布置了一个作业,谈一谈对智能制造的理解,可以以我比较熟悉的中航工业为例。最近正好把论文送审了,闲暇之余,还是要好好思考一下这个问题,因为这个问题实在太大了,平时的研究也是针对一个很小的点,很少从顶层去看待这个系统问题。今天我就尝试着和大家一起分享一下我对中航工业智能制造的一些看法。
21世纪以来,全球出现了以物联网、泛在信息、云计算、大数据、移动互联网、信息物理融合系统(Cyber-Physical Systems, CPS)等为代表的新一轮技术创新浪潮,信息技术已成为支撑先进制造的关键技术。当前,新兴经济体快速崛起,全球市场经济交流合作规模异常庞大,多样化、个性化需求快速增长;能源需求快速发展,生态环境、气候变化备受关注;信息网络、先进材料、智能制造等科技与产业酝酿新突破。在此背景下,美国推进振兴高端制造,德国提出“工业4.0”,英国着力生物、纳米等高附加值制造,法国开启“新工业法国”总动员,日本发展协同机器人和无人工厂,中国推出“中国制造2025”。这些国家都将智能制造视为振兴实体经济和新兴产业的支柱与核心,以及提升竞争力和可持续发展能力的基础与关键。制造业是国民经济的物质基础和产业支柱,在国民经济中占有重要地位。我国是一个制造大国,但还不是制造强国,发展先进制造技术,对我国国民经济的发展意义尤其重大。“中国制造”在全球制造业中扮演重要角色,也愈加重要。智能制造科技发展“十二五”专项规划提出,“在信息化和自动化的基础上,将专家的知识不断融入制造过程以实现设计过程智能化、制造过程智能化和制造装备智能化,将实现拟人化制造,最终实现制造系统自组织、自学习与自适应技术。” 航空制造业处于制造业的高端,大多采用面向订单、多品种、小批量的生产组织方式,具有技术密集性很高、产品设计和加工周期长、生产高度集中组织、在制品数量庞大、基础数据不可靠、产品质量不稳定等特点。在智能制造环境下,航空制造企业期望通过智能制造技术最大程度地满足客户个性化需求的同时,确保按时按质按量交货,最大限度缩短生产周期、减少在制品,获取较高经济效益。
本篇文章将首先提出智能制造的概念,再结合航工工业的特点说明中航工业的现状,并在此基础上解释中航工业如何走上智能制造之路。中航工业信息技术中心(金航数码)对于中航工业智能制造的研究较早,已经形成了很多行业规范和标准,本文的一些观点也是来源于此。
智能制造始于20世纪80年代人工智能在制造业领域的应用,发展于20世纪90年代智能制造技术和智能制造系统的提出,成熟于21世纪基于信息技术的“Intelligent Manufacturing(IM)”的发展。在此过程中,世界各国基于自己的国情提出了相对应的发展战略,对智能制造也有自己独特的定义。
2014年,美国成立了“智能制造创新研究院”,该研究院由能源部牵头组织建设,能源部给出的智能制造定义如下:智能制造是先进传感、仪器、监测、控制和过程优化的技术和实践的组合,它们将信息和通信技术与制造环境融合在一起,实现工厂和企业中能量、生产率、成本的实时管理。
德国推出的“工业4.0”是欧洲各国最为典型和完善的智能制造发展战略,不过德国对智能制造的理解也是一个逐渐深入的过程,在2013年推出“工业4.0”战略时,对其还没有严格的定义,只是简单概括了“工业4.0”的特征。在2015年,德国工业4.0平台发布的《工业4.0战略计划实施》报告对工业4.0进行了较为严格的定义:工业4.0概念表示第四次工业革命,它意味着在产品生命周期内对整个价值创造链的组织和控制迈上新台阶,意味着从创意、订单,到研发、生产、终端客户产品交付,再到废物循环利用,包括与之紧密联系的各服务行业,在各个阶段都能更好地满足日益个性化的客户需求。所有参与价值创造的相关实体形成网络,获得随时从数据中创造最大价值流的能力,从而实现所有相关信息的实时共享。以此为基础,通过人、物和系统的连接,实现企业价值网络的动态建立、实时优化和自组织,根据不同的标准对成本、效率和能耗进行优化。
2015年,工信部将智能制造定义为基于新一代信息技术,贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节,具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。
虽然以上定义看起来似乎不同,但本质上殊途同归,都是要实现制造业的智能化。个人理解为,智能制造是一种新型的制造模式,其以制造为本质(最终服务于制造),自感知、自决策、自执行、自适应、自学习为特征(智能的体现),数据为基础(系统输入),数字化、信息化、网络化、自动化为前提(智能化的必要条件),以赛博物理系统(CyberPhysical System,CPS)为支撑,以人、机(智能制造装备)和资源等的深度融合为核心(信息),单元、车间、工厂、供应链和产业集群为载体(智能的发展层级),贯穿于研发、设计、生产、试验、管理、服务等制造活动各个环节(产品全生命周期管理),目标是实现高度的自动化、柔性化和智能化。
航空工业是国家工业的基础,处在装备制造业的高端,是一个国家制造业水平、科技水平、综合国力和国防实力的重要体现。中航工业在其发展中形成了自己的特点,包括产业特点、产品特点、生产特点和信息化特点。
中航工业聚集了各种高精尖技术和知识,涉及飞行器、航空发动机和机载设备等产业,军用和民用共存,因此具有技术密集度高、产业关联范围广、军民融合性强、辐射带动效应大、工业化和信息化融合程度深等显著特点。
飞行器、航空发动机和机载设备等产品构成复杂、结构层级多、零部件之间协调关系复杂、装配难度大,制造精度要求高、制造过程多、定制化程度高,制造周期长。
产品制造工序多,制造过程路线长,误差累积环节多,设计、研制、生产单位分散,生产单位层级多、配套链长,成品供应商遍布世界各地,使得航空产品的生产组织管理特别复杂。产品型号多、种类多,检验环节多、检验时间长,涉及镗铣、车削等各种设备类别,具有高离散性;科研、批产混线生产,工艺变更频繁,车间现场异常,废品率、返工率居高不下,具有高不稳的特点。典型的多品种、小批量生产组织方式,具有很强的定制化需求。
针对以上特点,在“十一五”、“十二五”、“十三五”国家制造信息化工程的推动下,中航工业各制造企业视图在信息化、数字化和自动化方面进行全面升级以降低成本,提高生产率。
首先,各企业在产品设计、企业管理等方面实现了CAD、CAM、CAPP、PDM、ERP、MES、APS等系统的应用,企业的信息化程度大大提升;
其次,企业的研发制造流程中设计、仿真、分析等工具软件基本具备,在产品设计阶段甚至是工艺设计阶段引入了基于模型的定义(MBD),已经实现了基于三维模型的产品定义,产品全生命周期数据管理平台和相关知识管理平台搭建完成;
最后,随着大型装备制造企业数控机床的大量使用,底层制造单元数字化与自动化程度大幅提高。
中航工业尽管在数字化、信息化等方面已经取得了长足的进步,但是普遍而言,仍存在大量的问题亟待解决,具体表现在以下几个方面:
信息不兼容
厂、所分离造成厂、所之间信息规划不同、数据传递不畅,平台兼容性差,同时产品研制各个环节应用不同信息系统,数据的类型和格式不同,信息化标准要求不统一、不协调。
数字量未打通全流程
企业的数字化水平仍然较低,这是导致产品质量不稳定,生产效率难以提升的重要原因。大多企业目前仅在产品设计阶段实现了基于三维模型的产品定义,而在工艺设计、产品制造等环节仍主要沿用传统的纸质工艺规程,这就导致产品设计、工艺设计和制造过程中间仍然是分离的,数字量还没有完全打通航空产品设计制造的全流程。
单机未实现自动化
企业从单纯数控普及率的角度看,已经接近或达到国外同行的水平,但在应用层面,仍以单台应用为主,生产过程人工干预现象严重,导致机床大量停机,不具备柔性化、自动化,设备利用率和生产效率低下。
缺乏高效的生产流程管理手段
飞机产品的制造流程非常复杂,其中所涉及的数据管理、流程管理、资源管理等工作难度非常大。目前,对制造流程的管控仍然主要依赖于经验丰富的相关人员,这种工作方式难以综合考虑制造过程中的各种因素,难以保证生产过程的流畅运转。
自动化的物流配送系统缺失
目前各航空企业车间内的物流流转以人工方式为主,一方面,这种方式效率低下,另一方面,因为自动化物流系统的缺失,导致整个物流信息的缺失,从而无法实现物流的追踪和预测。
对制造过程无法形成闭环的管控
各航空企业数据采集手段有限,大多以手动反馈为主,数据自动采集能力薄弱,同时对加工过程中的具体数据也不能充分地利用,从车间、生产线中采集的数据大多仅用于显示与统计,而由于设备工位传感检测系统能力不足,对于加工设备的实时数据也尚未做到实时采集,更未能实现基于这些数据的制造过程分析与优化。
为了提高产品的稳定性和一致性,大幅降低非增值时间,提高生产效率、降低成本,提升系统的智能化程度,适应多品种、小批量、定制化需求,智能制造已然成为一套势在必行的解决方案。那如何让中航工业走上智能制造之路呢?我认为可以把企业类比成一个有机生命体(人体模型),运动器官如四肢就像是车间底层制造单元或设备,它们的活动带来价值增量;感知器官如眼耳鼻等就像是车间内的各类传感器,时刻收集不同类型的信息,并传递给中央处理器进行处理;血管就像是自动物流系统,将物料、工具等资源运输各个需要的位置;神经就像是整个网络系统,负责信息的传导和交换;大脑在是中央处理器,根据感知的信息,在经过分析后,根据经验知识做出决策判断,再将其下达到车间现场,实现自适应调整。我们说人是智能的,那么具备类似特征的企业也可以认为其是智能的,所以要实现智能制造,除了要大力发展先进制造硬技术(增材制造、3D打印、生物制造等),我认为还需要从以下几个方面的软技术入手。
中航工业经过几十年的信息化发展历程,已经学会“走路”,但还是不稳,仍需要继续深入发展自动化和数字化,完成补课工业2.0,尽快学会“由走变跑”实现工业3.0,并最终实现对西方发达国家的“弯道超车”,实现“工业4.0”。这里引用北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士生导师刘强教授说过的话:不要在不具备成熟工艺的基础上稿自动化,这是工业2.0解决的问题;不要在不成熟的管理基础上搞信息化,这是工业3.0解决的问题;不要在不具备网络化和数字化的基础上搞智能化,这是工业4.0解决的问题。因此在目前,仍然需要在工艺、管理、网络化和数字化等方面进行大量的补课。
前面提到过,中国的制造车间可能拥有世界上最先进的机床,但是利用率和生产率却很低,一个重要的原因是生产过程人工干预现象严重,而人工干预严重的原因在于工艺水平的不高,因此要实现智能制造,一个重要的任务就是实现产品设计制造的一体化,即在开展产品策划、详细设计的同时完成生产规划、工艺设计,在虚拟环境中完成制造过程的仿真、产品性能的分析,不断进行设计和制造过程的迭代,使生产的工艺指令、数控程序在生产现场能够实现生产一次成功,即机床在start后无需再停机直到end。单机自动化是实现生产线、单元、车间实现自动化的基础,所以首先着眼于单机自动化,就要提高工艺的稳定性,涉及的关键技术就是采用基于模型的设计(MBD)相关技术,实现设计、工艺、工装、制造、检测的协同,打通产品设计、工艺设计和制造过程之间的壁垒,在产品加工前就可以提前发现问题并持续改进。当然除此之外,要实现单机自动化还应包括一些自动化装置,如自动物流系统、自动自动上下料装置、自动定位等。
自动化物流系统实现了工位、缓存库、工具库、立体库等资源库之间的精准配送,有利于物料和资源的动态跟踪和管理,大大提升了物料和资源信息的可追溯性,可以满足对物料和资源信息自动、实时、快速、准确、完整、有效采集、主动配送需求。实现自动化物流系统的前提是车间内各种物料和资源都应该有唯一的标识(“身份证”),从而可以通过对应的条码或标签准确地追踪位置,因此在各工位、缓存库、工具库、立体库及整个运输路径上,都应该覆盖有完整的数据采集设备,如条码枪、RFID天线等。自动物流系统接收MES的配送指令,通过内部的智能调度系统产生运输任务,主动地将所需物料和运输资源运输至请求地点,其改变了传统的物料领用模式,将其变为“计划拉动”的主动配送模式,有效降低物流成本、缩短现场生产周期。
从智能制造的概念中可以看出,无论是美国的再工业化、德国的工业4.0,还是中国的新型工业化,其共同特征都是赛博物理系统CPS,这是因为数据是智能制造的基础,是一切决策的依靠来源,只有根据感知的数据并对其进行分析,才能相应地做出决策并下达执行指令。常见的数据采集设备包括RFID、各类传感器、DNC、触摸屏、摄像头、机器人、加工中心、运输车辆等,通过这些设备实时地对车间内各种对象进行监控,在此过程中,可能出现数据的漏读、误读、多读等问题,因此在用这些数据之前首先会进行数据的清洗,同时这些数据来源不同、状态不同,还需要通过进一步的转换,之后再利用复杂事件处理,将这些杂乱的数据变成反映车间真实情况的状态或事件。这个过程中主要涉及智能传感技术、大数据处、复杂事件处理等。
网络化一方面应该实现上下层之间的纵向集成,在设备层、传输层、车间层、企业层和决策层之间解决信息孤岛的问题,实现ERP与MES、MES与PLM之间的信息集成,另一方面也应该实现不同生产阶段甚至是企业间的横向集成,包括研发设计、生产制造、营销等阶段,同时还将企业内部的业务信息向企业外扩展,进而实现企业与企业、企业与产品之间的协同。因此网络化已经不仅仅是只将物接入网络,更是通过工业互联网技术在车间内不同层之间、不同生产阶段之间甚至是企业间的集成。
智能决策系统作为智能工厂的大脑,会根据车间实时信息做出优化的决策,在传统的制造车间中,尽管很多信息已经存储于数据库中,但是初期阶段的MES系统并没有充分地去利用这些数据,从中挖掘规律,决策功能大多是由人来根据经验知识来执行的,因而人是决策过程的唯一主体,制造设备仅仅是根据输入的指令自动地执行制造过程,而并不具备如判断、思维等高级智能化的行为能力。而在智能工厂中,决策系统会基于机器学习技术,充分利用这些数据,挖掘其中的规律,与此同时,在决策过程中形成的知识可作为后续制造决策的原始依据,进而使决策知识库得到不断优化与拓展,从而不断提升智能制造系统的智能化水平。在加工车间中,一类非常重要的决策就是计划调度决策,即什么时间用什么资源加工什么任务,计划调度对于提升设备利用率和生产效率至关重要,如何针对不同的车间特征自适应地实行不同的调度策略,这也是笔者博士期间研究的课题。
总体来说,中航工业才刚刚收拾好行装准备踏上智能制造之路,任重而道远,好在其他行业的一些成功应用案例已经层出不穷,中航工业也应该借鉴成功的案例,总结出一条属于自己的智能制造成功之路。