【深度】民用飞机在工业4.0“跑道”上起飞_5
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  工业化是人类社会赖以发展的支柱之一,历史上经历了以机械化、电力和信息技术为代表的3次工业革命,极大地推动整个工业文明跨入现代化进程。随着工业化和信息化的两化深度融合,在物联网等技术的推动下,制造业正发生着深刻变革,高度个性化的产品研发、广泛交互性的业务联络、深度耦合的产品与服务都成为新时期工业,特别是制造业的重要特征。

  工业4.0最早由德国提出,旨在借助物联网等新兴技术手段,在信息物理融合的基础上,打造由智能化的机械、存储系统和生产手段构成的并应用于智能工厂的网络物理融合系统(Cyber-Physical Systems,CPS),成为新一代工业生产技术的供应商和主导核心力量,进一步提高全球竞争力。工业4.0将从根本上改善制造、工程、材料使用、供应链和生命周期管理的工业过程,有力地提高全价值链效率。

  民用飞机制造业是高端装备领域的典型行业,从确定需求到最终交付使用是一项十分复杂的系统工程,需要高新技术支持、个性化定制和全球合作,集合材料、设计、制造、物流、管理等各个环节,工业4.0将为民用飞机制造业带来新的解决方案,从组织方式、研制流程、资源协调等方面提供新的技术实现途径,从根本上创新民用飞机的研制模式,引发民机制造业新的变革。

  我国民用飞机制造业现状

  1 杠铃型的产业分布

  目前我国总计有各类民用飞机从业单位132家,从业人员总数约32万,以经济带划分产业布局,其中:东部地区67家,中部地区23家,西部地区42家。

  从产业分布上看,东、西部地区均有较为密集的民用飞机从业单位,中部较少,总体呈现杠铃型分布。东部地区因经济发达、技术资源和资本丰富成为民用飞机产业活动较密集的地域;而西部则是因历史因素造成众多国有从业单位分布。这也从本质上揭示了民用飞机制造业是一个受国家政策影响较大、技术主导型的高资本投入领域。

  2 厂所配套的组织形式

  我国民用飞机制造业组织形式主要分为2类:一类以占有大部分产业比重的国有企业为代表,以设计所制造厂独立配套方式为主,双方在研制流程中属于上、下游关系,设计所主要完成产品的研发设计工作,制造厂进行工艺、工装及产品实现,相互独立又紧密相连;另一类以少量民营企业为代表,并未参与设计阶段工作,主要以引进技术进行批量生产为主。

  作为主导地位的厂所配套组织形式(如图2所示),具备责任主体清晰、资源集中度较高等优势,但随着技术的不断发展,该组织形式产品实现周期长、研制效率较低、主机厂所权限太大的缺点逐步显现,特别是对需求的响应不够迅速已成为市场机制下的竞争短板。

  3 高度集中的资源条件

  民用飞机研制工作十分庞大复杂,对各类资源和条件要求众多,如人员要求、设备要求、设施要求等,为了应对适航的最低安全性审核,还需具备相关的试验和验证条件。由于我国特定的历史情况和组织形式,目前产业内从业单位基本全部配置相应的软硬件条件(如表1所示),资源呈现高度的集中化,因此也形成了较高的行业门槛,不仅对自身转型发展形成了资源拖累的压力,也对其他意向从业者的进入形成了较大的挑战。

  工业4.0的内涵与特征

  1 智能工厂

  工业4.0将CPS系统应用于制造业和物流行业,融合机器、存储和生产设施,实现相互独立的信息交换、动作触发和控制,将虚拟世界和实体物理相结合,形成具备高度互联互通的智能生产设备,从而构建工业4.0的核心智能工厂(Smart Factory)。

  智能工厂实现了网络化分布式生产,以人为交互核心,进行决策和流程优化,显著提高资源利用率,缩短个性化产品的研制周期,减少流通成本,并且通过产品虚拟生产的实时图像显示有效减少浪费。

  2 典型特征

  工业4.0不仅要实现信息和通信技术与传统高技术工业产业的集成,同时也需要培育以CPS技术为基础的全新产品和能力,其典型特征包括:

  (1)通过价值网络实现横向集成。横向集成是指将各种使用不同制造阶段和商业计划的系统集成在一起,既包括公司内部的材料、能源和信息的配置,也包括不同公司间的配置(价值网络)。

  (2)贯穿全价值链的端到端工程数字化集成。端到端集成意味着价值链将由静态变为动态,顾客不再从供应商预先制作的系列中挑选产品,而是通过个性化功能和组件的混合或配置,满足特定的需求。

  (3)纵向集成和网络化制造系统。纵向集成是为提供端到端的解决方案,将不同层面的系统集成,包括执行机构、传感器、控制、管理、企业计划等。

  民用飞机研制模式探索

  随着工业4.0的进程,工业化技术实现质的飞跃,民用飞机产业将走出以往的研制模式,逐步减小对政策、地域、资本等的依赖,依托物联网技术,推进智能生产过程,建立智能化的新型民用飞机研制模式。通过对工业4.0和民机研制发展趋势的研究,新型的研制模式主要有以下几方面特征。

  1 网络化研发制造系统

  网络化研制是异地协同和并行工程的深度发展,网络化的民用飞机研制将彻底摆脱地域的限制,推进智能传感技术和数字化集成能力提升,实现过程高度融合。依托智能工厂的自主监控,体现实体物理和虚拟网络的交互,达到研制过程的实时传感和执行监控,使研制过程中同一层面(如材料、能源、加工设备、物流等)信息基于价值目标高度集成,完成价值网络的横向集成,如图3所示。

  2 一体化全生命周期集成

  民用飞机研制分为立项论证、可行性论证、预发展、工程发展、产业化5个阶段,产品全生命周期一般包括需求分析、可行性论证、设计、制造、交付使用、客户服务等环节,目前的研制过程以主机厂所为核心的阶段集成为主,实现了在设计、制造及客户服务等重点环节的功能与数据集成。而基于工业4.0的技术,以智能工厂为依托,实现物联网互通,建立全生命周期过程中人、系统、设备、数据等的联网和集成,使得任何一个节点都可以感知全生命周期价值链的全部信息,构建一体化的纵向数据、信息集成,如图4所示。

  3 动态化产品需求匹配

  民用飞机领域是高度市场化的产业,客户需求对产品有着唯一的决定权,智能化研制模式将前端需求与后端产品紧密结合,借助快速的产品实现手段和信息数据高度集成,实现动态产品需求匹配。从产品开发到制造工程、产品生产和服务,需求的即时变化都将以智能方式装换成数据,并以最快的响应体现到产品物理实体中,增强产品的个性化配置,削弱民用飞机的系列化属性,体现客户生产商之间以CPS为核心的端到端集成。

  4 层次化智能供应商管理

  目前,在民用飞机的研制中,供应商是必不可少的角色,随着工业4.0的发展,供应商将完成向智能工厂的转变,供应产品的选择也将由系列化货架产品更多地转变为智能生产的定制产品。面向市场主导的民机产业,需求响应不同,供应产品层级不同必然导致智能供应商等级分化,新模式下的民机供应商将具备网络化、可视化、数据化等的综合集成能力,具备针对特定产品的智能生产过程,根据供应商自身的资源条件,以经济可承受性作为关键指标体现类别化和层次化。如图5是一种基于数字化应用能力的供应商等级划分方式。

  5 单元化产品模块实现

  工业4.0技术下民用飞机产品组成模块将进一步细分,离散化、专业化、集成性是模块划分的核心,以模块为中心延伸辐射智能工厂的配置布局,形成围绕飞机产品的独特功能智能供应商工厂,使产品的实现能迅速传导到以模块为单位的智能工厂,实现单元化的产品研制。产品实现的单元化将对现有民机产业分布产生深远的影响,产业集中度下降,将形成以优势产品为引导的分布式地区生产新格局,降低产业重心,提升产品研发效率。

  6 标准化成为模式转变的关键

  工业4.0要求信息数据的互联互通,实体和虚拟的即时可控,不仅在民机研制企业内部要求极高的集成度,不同企业间也需要建立基于同一价值网络的连接和集成,众多的设备需要互通,海量的数据需要集成,系统间需要信息交互,因此必须制定一套单一的共同遵循的标准,并以此为标准构建典型的参考架构,提供工业4.0条件下民机研制相关技术系统的构建、开发、集成和运行框架,满足价值网络合作和信息交换的需求。

  在工业4.0新的民用飞机研制模式中,以智能工厂为核心的形式迫切需要标准在更大范围内进行认同和协调,标准化主要的工作要点包括:(1)建立策略、目标、利益、可行性、风险等方面的统一理解,利于互信;(2)构建全系框架统一并且解释唯一的术语和关键词;(3)建立基于模型的统一研制数据(数据生成、交互、使用、存储);(4)建立统一的新型民机研制参考体系、方法、程序;(5)制定智能工厂统一的各领域内(设备、软件、工程、商务等)信息交互标准,便于集成。

  工业 4.0 的一个核心要求是信息技术、制造技术和物流环境中广泛的技术和组织流程支持,设备、产品和系列的整个寿命周期的广泛技术和组织流程支持。基于工业4.0的需求,标准化应突破学科系统和组织机构的界限进行跨领域协同,保证系统和工艺流程、制造技术、物流、机械制造和信息技术的方案之间的互用性,打通民机研制过程中产品生命周期、组织和技术生命周期以及业务4大流程,这一点也只有标准化才可以实现,标准化是工业4.0条件下民机研制模式转变的关键所在。

  结束语

  本文对目前我国民用航空企业的现状,结合工业4.0提出的新技术和新要求,提出了智能型民用飞机研制的新模式,对其特征进行了分析描述,总结并提出了我国民用飞机产业发展的方向。

  工业4.0的兴起正推动着新一轮创新驱动、转型升级的浪潮,身处高端装备制造业的民用飞机领域势必最先经历转变,在影响因素、产业结构、组织架构、集成方式等方面发生变革,以构建新型智能工厂为蓝图,借助互联网和物联网的快速发展,实现CPS技术的全面应用,促进民用飞机研制模式向着横向价值网络集成、纵向全生命周期集成方向发展,创新推广全价值链的端到端数字化集成模式,促进民用飞机研制领域的结构调整和产业转型,为提升我国民机产业的核心能力和竞争力奠定坚实的基础。

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