從航空制造業的產業特點出發，總結回顧航空工業推進智能制造工作的發展歷程，提出未來結合關鍵工藝裝備的智能化升級和行業的全面數字化轉型，以及加速推進智能制造創新發展的思路，以構建符合產業發展特點和要求的智能制造新模式。

       1 序言 

       航空制造業是我國國防建設和國民經濟的重要組成部分，關乎著國家戰略安全、經濟建設與發展。我國航空制造業發展至今，度過了曲折的幾十年，迎來了現在的全面發展時期。在國家“十四五”發展規劃和推動制造業高質量發展等一系列政策帶動影響下，航空制造業也急需建立完備的數字化智能化制造體系，融合最新的信息通信技術，推動產業升級，向實現航空強國邁進。航空制造產業產品系統復雜程度高，產業鏈長，結構復雜且對質量、精密性及生產制造效率等有著極高的要求。本文將詳細解讀航空制造業特點，以中國航空工業集團有限公司為例，介紹航空制造產業如何從頂層設計著手，構建數字化生產線，提升工業制造能力，實現智能化轉型升級。
       2 航空制造業特點

       （1）系統復雜程度高，結構復雜　由于航空產品應用領域的特殊性，導致航空制造業呈現系統高度綜合的產業特點，系統間構成了復雜龐大的關系網并在精度上有高標準、嚴要求。航空制造產業零部件種類繁多，零部件數量達到500萬量級。而且，零部件之間相互聯系，要求具有很高的協調性。航空產品的研發較其他行業相對復雜，蘭德公司研究了1965－2000年美軍采購戰機的相關歷史數據后發現，制約防空系統創新理念落地的瓶頸在于復雜度管理能力。在新的防務產品帶來的價值增長中，與復雜度管理相關的影響因素占5成左右，如圖1所示。圖中，紅色為集成電路產業，綠色為汽車制造產業，藍色為防務工業。航空航天系統從設計、集成到測試所耗費的時間大于集成電路、汽車制造。不考慮通貨膨脹因素，從20世紀60年代至今，航空航天系統開發費用增長率達8～12倍，其他兩個產業卻沒有明顯增長。

圖1　不同行業產品開發流程中的復雜度

       （2）多品種、變批量和定制化　航空產品包括飛機、發動機及各類機載設備等，品種多，型號譜系和批次多達幾十種，但單一型號的飛機年產量卻往往不超過百架[1]。這個特點對數字化生產線的建立有很大的制約，增加了生產體系的構建和運營成本，同時對生產設施的高度柔性化和智能化，以及生產運營過程的精益化提出了很高要求。

       （3）生產制造過程工藝路線長，產品制造和裝配要求高　作為高價值產品，航空產品工件生產制造工序多，誤差積累的環節多。航空行業的機械加工往往需要突破零部件尺寸大、結構復雜、剛性弱、材料難加工和加工精度要求高等一系列復雜制造難題。航空產品裝配過程以人工為主，大部件精準對接，表面接插控制和零部件協調操作對操作人員來說操作難度大。在制造數據管理中，產生的數據模型體量龐大，從時間與準確性上對數據控制有嚴格要求。

       （4）生產組織管理復雜，供應鏈協同難度大　航空產品從設計試驗到生產制造，跨越產業鏈不同的企業，這些企業地理位置分散，屬于典型的跨企業跨地域協同，帶來產業鏈協同的難度較高，不方便管理。負責生產的單位層級多、配套鏈長[2]。成品供應商遍布世界各地，聯系不便。供應鏈-產業鏈協同一致是航空制造業發展的主要瓶頸。

       按照標準的供應鏈管理模型，制造業產品的生產從供應商到核心企業再到客戶都具有采購、生產、配送和退貨等環節的協同迭代，是較長的價值創造協同過程。不同產業對產業鏈、供應鏈和價值鏈三鏈協同的關注點差異較大。流程制造業和電子等行業往往關注采購、庫存，這些行業供應鏈中采購成本占比較大；食品等行業關注物流和運輸，特別講究時效性；國防裝備的供應鏈則提出安全可控、充足保障、柔性敏捷等要求。而作為離散制造業的航空航天行業，由于自身產業特點，往往強調總集成商牽引的上下游協同，重點為精準供應鏈和精益化生產，通過追求生產均衡，實現從產品總裝、部件/系統到一配、二配供應鏈的精準協同，并尋求供應鏈、產業鏈和價值鏈協同下的最優能力配置。

       3 建立智能制造架構，構建數字化生產線

       在世界工程技術發展歷程中，航空航天往往通過自身產業的創新發展牽引先進生產制造技術、裝備、大型工業軟件的創新發展，成為先進信息通信技術、先進工藝裝備和先進生產制造模式的應用高地。實現中國航空制造業的智能化發展，是一個復雜的系統工程。在集團公司指導下，中國航空制造技術研究院、航空工業信息技術中心聯合建設智能制造創新中心，完善航空工業智能制造架構規劃和建設方案，為各單位開展項目論證、建設以及中心技術預研、解決方案開發等提供指導。參與航空智能制造試點推進，培育智能制造導航項目，總結提煉并形成推廣模式。研究智能制造關鍵技術并形成航空工業智能制造技術體系，從材料、技術、人力等方面支撐航空工業智能制造行動計劃。從發展規劃、架構設計、體系建設、技術研發和應用驗證幾大方面統籌推進智能制造工作。
       （1）智能制造的關鍵特征　在進行智能制造頂層設計時，要了解什么是智能制造，抓住智能制造的關鍵特征是實現數字化、智能化的第一要務。航空智能制造最終總結為四個典型特征：動態感知、實時分析、自主決策和精準執行。

動態感知：全面感知企業、車間、設備的實時運行狀態，獲得一線數據，為后面環節打好基礎。實時分析：對獲取的實時運行狀態數據進行及時、快速地分析，包括數據的高級分析、邊緣層的自動化分析等，為后續的決策提供依據。自主決策：按照設定的規則，根據數據分析的結果，為人在環的智能制造系統提供判斷和選擇依據的支撐。精準執行：執行決策，對設備狀態、車間和生產線的運行做出調整，使生產能夠順利、高效進行。這四個環節層層遞進，形成了良性的螺旋上升循環，促進了制造體系的有序高效進行。

       （2）智能制造參考架構（見圖2）　在進行智能制造頂層架構設計時，不只是要實現底層一個車間、一個產業線的數字化、智能化，而是要從動態企業聯盟、企業管理到生產管理再到控制執行層將智能化覆蓋需求工程、概念設計、產品設計、產品試制、產品制造、使用保障以及退役產品全生命周期[3]。

圖2　智能制造參考架構

       4 結合數字化轉型和高端設備研制，加速推進航空智能制造發展

       當前，以新一代信息技術為代表，數字技術與制造業的深入融合正在加速智能制造向更高層面、更深層次的發展。當然，航空制造業數字化、智能化轉型工作不是一蹴而就的，要分層推進，多層面同步發力。通過引入數字孿生的理念，建立基于模型的企業，多維推動企業的數字化、智能化轉型。首先在產業鏈層面，要更加關注應用供應鏈建模和仿真技術來優化產業布局和分工，在“數字中國”大環境中建立航空工業的數字供應網絡；第二，在智能工廠建設層面，要更加注重基于過程仿真的智能車間和數字化生產線設計建造的過程。當然，工廠和生產線設計建造過程也不局限于行業內部，也可以延伸至行業外。在這個基礎上，對實際的生產過程，即整個物理制造過程要進行更加細致和逼真的建模和仿真，促進生產制造活動的優化和重構，使之更加柔性化和智能化。在生產執行層，如生產設備、物流系統、制造資源等同步引入建模與仿真，構建數字孿生。在產品全生命周期模型貫通方面，產品的數字化定義（MBD）在航空航天行業的應用已有相當成效，但遠期要向全生命周期進一步扎實推進。
       未來航空制造業的智能制造系統應該是基于混合云的智能制造系統，同時通過綜合構建工業賽博物理系統（CPS），實現虛擬世界和現實世界的融合發展。隨著客戶需求及市場的變化，航空生產制造模式在柔性化和可重構方面要求越來越高。要以總裝，比如飛機整機總裝或者發動機總裝為牽引，重構柔性制造模式，同時向下牽引各個專業生產線的建設和運作，如機械加工、鈑金成形、焊接、復合材料及表面處理等。生產制造系統在生產線層面基本上是以CPS的理念推進，也稱做工業CPS系統，期望形成虛實融合兩個層面，并在賽博層做更多的工作。無論是從產品工藝過程的規劃、資產設備的數字化管理，還是從生產過程的精益化運營等方面，在虛擬空間都應盡量進行高精度的仿真，指導生產現場的運作，以便實現虛實互動、虛實結合的新CPS系統。

       智能制造系統最終需要通過一個個分層分級的智能系統組成。智能單元和智能工藝裝備是未來構建智能系統的硬核心。航空制造業要實現創新發展，高端工藝裝備的投入必不可少。“機器代人”在航空制造業有新的內涵。在金屬切削領域，要重點突破五坐標加工中心、五坐標強力切削銑床和三坐標、五坐標高速切削銑床等；在復合材料構件領域要突破復合材料自動鋪絲鋪帶設備和復合材料自動檢測設備等；在金屬成形領域要重點突破智能化熱成形設備、蒙皮拉伸設備、超速成形/擴散連接設備、旋壓成形設備和噴丸成形設備等；在特種加工領域要重點突破激光表面強化設備、等離子噴涂設備、電解加工設備、磨粒流加工設備、電液束加工設備和3D打印設備等；在焊接領域要重點突破電子束焊接設備、激光焊接設備、攪拌摩擦焊接設備和線性摩擦焊接設備等；在精密加工領域要突破超精密加工機床、三坐標測量機和慣導測試與運動姿態設備等等。

       5 結束語

       航空工業推進數字化和智能化，最終目標是滿足用戶對航空產品的新需求，以國防實力，推動大眾享受航空，實現對美好生活的向往。未來航空工業智能制造的發展要以用戶需求為核心，為用戶提供高質量的個性化定制服務。以此為牽引推動構建網絡化協同和智能化生產網絡，形成一種新的生產制造模式。在這基礎上提升產品服務的質量，降低成本，提高綜合效率。整個行業要迎合以數字技術為代表的新一輪科技革命和產業變革的歷史趨勢，抓住新一輪發展的機遇來推動數字化、網絡化和智能化技術在航空航天的應用。