本文探討了智慧院所、智能車間信息化能力建設的核心技術(shù)、支撐能力，以及實現(xiàn)的功能。整理自作者相關課題研究討論會的報告PPT。本文來自：空天防務觀察（ID:AerospaceWatch）
劉亞威 | 淺談智慧院所／智能車間信息化能力建設需求
（本文整理自2017年5月在昌飛召開的相關課題研究討論會的報告PPT，航空工業(yè)科學技術(shù)委員會蔡小斌部長和張東波對本文亦有重要貢獻）
智慧院所／智能車間信息化能力建設是深化開展完善軍工產(chǎn)品全壽命周期數(shù)字化和制造過程管控信息化能力建設，創(chuàng)新拓展持續(xù)知識管理及知識共享與應用為目的的建設過程。智慧院所／智能車間信息化能力建設應圍繞工具、流程、知識、平臺等層面，達到工具集成、流程優(yōu)化、知識應用、平臺構(gòu)建等基本功能，形成軍工智能制造的支撐能力。通過信息化能力建設，智慧院所將擁有正向研發(fā)和基于知識的研發(fā)模式，智能車間將具備多品種、少批量、定制化生產(chǎn)能力。
一、軍工智能制造的核心技術(shù)
當前，全球正在經(jīng)歷智能制造轉(zhuǎn)型，各行各業(yè)在圍繞價值鏈建立智能制造系統(tǒng)，在這一進程中，軟件、數(shù)據(jù)和模型已經(jīng)成為企業(yè)的新興資產(chǎn)。智能制造的全新定義可以是，在Digital（數(shù)字化）制造使能基礎上，以Intelligent（功能角度的智能）制造系統(tǒng)實現(xiàn)制造的Smart（運行角度的智能）結(jié)果。Smart制造的三個基本元素是“人—機—物”，重點是建立它們的自感知和彼此的互聯(lián)通，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)信息知識智慧”（DIKW）過程的自組織和自優(yōu)化。Intelligent制造的三個基本元素是“數(shù)字虛體—物理實體—意識人體”（參見《三體智能革命》一書），重點是建立并維護彼此的接口，實現(xiàn)各層級智能制造系統(tǒng)的最佳涌現(xiàn)性。
從全球來看，軍工行業(yè)一直處于引領智能制造發(fā)展的位置，軍工智能制造的三類核心技術(shù)簇可以歸納為：數(shù)字線索技術(shù)（洛克希德·馬丁稱為數(shù)字織錦），賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)（CPPS）技術(shù)，智能人工增強系統(tǒng)技術(shù)。簡單地說，數(shù)字線索是集成軟件、傳遞數(shù)據(jù)、基于模型的全壽命周期分析框架，無縫連接各階段的“數(shù)據(jù)-信息-知識”系統(tǒng)，支撐最佳決策；CPPS是智能制造系統(tǒng)的核心，具備“動態(tài)感知—實時分析—自主決策—精準執(zhí)行—學習提升”這一特征；智能人工增強系統(tǒng)由數(shù)字線索支撐，提升對復雜系統(tǒng)和過程的理解和洞察，充分發(fā)揮人類智慧創(chuàng)新，確保任務高效無誤執(zhí)行。CPPS和智能人工增強系統(tǒng)基于定制構(gòu)建的信息化平臺，以集成的軟件工具為依托，運行其所使能、定義或優(yōu)化的流程，通過數(shù)字線索生成、傳遞并應用知識，支撐軍工智能制造轉(zhuǎn)型。
圖 數(shù)字線索在人-機-物之間傳遞數(shù)據(jù)-信息-知識
二、軍工智能制造的支撐能力
智慧院所/智能車間信息化能力建設應圍繞工具、流程、知識、平臺等層面，面向軍工智能制造的三類核心技術(shù)簇，形成軍工智能制造的支撐能力。
1. 工具層面
先進建模與仿真能力仍然是智慧院所/智能車間建設的基礎，隨著軍工產(chǎn)品復雜度和實現(xiàn)過程復雜度的提升，對建模與仿真的精度和效率要求也大幅提高。在工具層面，至少應能夠具備多尺度建模、數(shù)字系統(tǒng)模型構(gòu)建、聯(lián)合多物理仿真、多專業(yè)集成優(yōu)化和高性能計算等能力。通過數(shù)字線索，能夠在數(shù)字空間構(gòu)建全面表達裝備系統(tǒng)的數(shù)字系統(tǒng)模型，它是系統(tǒng)在生命周期單一的、可信的數(shù)字表達，具備多學科、多物理、多逼真度仿真能力，可在各系統(tǒng)層級、各技術(shù)領域快速生產(chǎn)基于物理特性的數(shù)字代理模型，利用集成的數(shù)據(jù)、信息、知識和軟件，實現(xiàn)對系統(tǒng)功能、性能和能力的高效分析與動態(tài)評價。工具層面的信息化能力就是要建設集成的建模與仿真工具鏈。比如美國國防部高級研究計劃局（DARPA）的自適應制造計劃，主要內(nèi)容就是構(gòu)建覆蓋“架構(gòu)設計-產(chǎn)品設計-工藝設計-車間設計”的集成的建模仿真工具鏈，利用軟件工具重新定義設計制造流程，達到將產(chǎn)品研制周期縮短80%的目標。
2. 流程層面
基于設計制造流程變革的科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型是智慧院所/智能車間運行的關鍵，以往在物理現(xiàn)實中的試錯將轉(zhuǎn)移到數(shù)字空間中來完成，“設計-制造-試驗”模式將向“設計-虛擬綜合-數(shù)字制造-物理制造”的新模式轉(zhuǎn)變。流程層面，模型跨階段連續(xù)傳遞、生命周期數(shù)據(jù)雙向流動、數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動的虛實結(jié)合分析等新能力，將為智慧院所/智能車間帶來優(yōu)化的分析、決策和管理流程。比如，通過數(shù)字線索，對于F-35戰(zhàn)斗機進氣道加工中的工程缺陷處理流程，利用數(shù)據(jù)（圖像、工藝、修理數(shù)據(jù)）精準映射與三維可視分析方法，實現(xiàn)快速和精確的自動分析縮短處理時間，將決策時間縮短了33%；對于F135發(fā)動機兩個組件的設計流程，通過量化性能不確定性和面向波動的設計實現(xiàn)基于性能的產(chǎn)品定義，減少了廢品和返工，每年預計可以節(jié)省高達4200萬美元的成本。
3. 知識層面
充分挖掘和利用知識是智慧院所/智能車間創(chuàng)新的保障，這也是區(qū)別以往軍工信息化能力建設的重要因素，國際軍工巨頭往往做到了隱性知識的顯性化和互聯(lián)網(wǎng)+、顯性知識的結(jié)構(gòu)化和嵌入式應用。知識層面，要做的無非就是知識捕獲與結(jié)構(gòu)化、知識訪問與接入、知識獲取與散播、知識推動與重用、外部知識掃描與提取，最重要的就是獲得結(jié)構(gòu)化的、加速關鍵業(yè)務流程的知識。比如，波音建立了全球知識網(wǎng)絡，空客建立了知識管理體系；美國國防部通過數(shù)字線索，致力于建立集成工程知識的全方位數(shù)字樣機，更好地理解在試系統(tǒng)，在數(shù)字空間中高效完成大部分分析試驗，實現(xiàn)“建造前飛行”，其減少風洞試驗和結(jié)構(gòu)試驗的方法已分別通過F-22和F-15戰(zhàn)斗機項目的真實數(shù)據(jù)完成確認。
4. 平臺層面
智慧院所/智能車間發(fā)展的核心是智慧工作平臺/智能制造集成應用平臺，前者主要包括數(shù)字化工作平臺、信息化工作平臺和知識應用平臺，后者主要包括設計制造一體化平臺、物聯(lián)網(wǎng)平臺和制造過程智能管控平臺。平臺層面，必須是支撐“數(shù)據(jù)-信息-知識”系統(tǒng)的平臺，能夠支持工具的集成、流程的優(yōu)化以及知識的應用，特別是科研生產(chǎn)模式的轉(zhuǎn)型，如系統(tǒng)工程從基于文檔向以模型為中心再不斷升級到數(shù)字系統(tǒng)模型的變革。今后，保障工作甚至可以在智慧院所/智能車間中提前開展，產(chǎn)品生命周期管理將實現(xiàn)個體化、綜合化、可預測、預防性的“使用前保障”，比如通過數(shù)字線索，F(xiàn)-22和F-35的歷史數(shù)據(jù)對維護和工程人員開放，可針對單架飛機定制預先維修方案。
三、智慧院所／智能車間信息化能力建設實現(xiàn)的功能
智慧院所/智能車間信息化能力建設應實現(xiàn)支撐能力的全面集成，即技術(shù)管理流程（創(chuàng)新鏈-價值鏈）的橫向集成、資源管理流程（企業(yè)內(nèi)部）的縱向集成、需求到實現(xiàn)的端到端集成、個體產(chǎn)品DIKW的點到點集成。在建設的工具、流程、知識和平臺層面，要達到的功能就是工具集成、流程優(yōu)化、知識應用和平臺構(gòu)建。對于信息化能力建設，特別注重的是賽博物理系統(tǒng)（CPS）中的賽博/C（計算）以及賽博/C與物理/P的交互（通信/控制）。
圖 信息化能力建設中工具、流程、知識、平臺層面的功能關系示意
1. 工具集成
工具集成，一般來說包括建模、仿真、分析、試驗、測試等工具的集成，無縫集成科研生產(chǎn)中的各類數(shù)據(jù)流（數(shù)據(jù)、模型）。集成工具鏈依托模型集成語言和多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可支撐多學科、跨領域、互操作模型的建立與運用，支撐數(shù)據(jù)到模型的映射及其與軟件的交互。未來，智慧院所/智能車間可能建設有集成多物理仿真平臺，賽博物理系統(tǒng)設計空間探索環(huán)境，基于數(shù)據(jù)-模型交互的虛擬試驗分析系統(tǒng)等。以智慧院所的智慧工作平臺為例，工具集成將逐步提升其數(shù)字化工作平臺的基礎能力，比如：1.0狀態(tài)，使用CAD，能夠完成集合樣機單學科仿真；2.0狀態(tài)，使用基于模型的定義（MBD），能夠完成功能/性能樣機跨學科仿真；3.0狀態(tài)，使用基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），能夠完成數(shù)字系統(tǒng)模型聯(lián)合仿真。
2. 流程優(yōu)化
流程優(yōu)化，一般來說是對科研生產(chǎn)中的分析、決策和管理流程的優(yōu)化，實現(xiàn)創(chuàng)新鏈-價值鏈之中以及企業(yè)內(nèi)部各類信息流的實時交互。優(yōu)化的流程支撐橫向流程的集成，從“概念設計制造試驗使用……”上，實現(xiàn)連續(xù)統(tǒng)一的技術(shù)狀態(tài)管理；支撐縱向流程的集成，從“戰(zhàn)略計劃執(zhí)行反饋追溯……”上，實現(xiàn)泛在、自適應、可跟蹤的資源管理。未來，智慧院所/智能車間可能建設有生產(chǎn)資源自適應調(diào)度系統(tǒng)，基于歷史信息的不良品處理分析平臺，基于物聯(lián)網(wǎng)的車間信息實時推送與告警系統(tǒng)等。以智慧院所的智慧工作平臺為例，工具集成將逐步提升其信息化工作平臺的基礎能力，比如：1.0狀態(tài)，流程基于文檔，分析手動進行，被動實施決策；2.0狀態(tài)，流程以模型為中心，分析自動進行，提供輔助決策；3.0狀態(tài)，實現(xiàn)流程再造，分析實時完成，實時預防性決策。
3. 知識應用
知識應用，一般來說涉及知識的獲取、管理、共享和應用，使知識流貫穿橫向流程和縱向流程。這一功能將支撐知識挖掘，使顯性知識結(jié)構(gòu)化、隱性知識顯性化、外部知識內(nèi)部化等；支撐知識推送，即知識嵌入、知識訪問、知識擴散、知識重用等。未來，智慧院所/智能車間可能建設有基于本體的知識管理系統(tǒng)，基于知識的設計可生產(chǎn)性分析平臺，支撐產(chǎn)品最優(yōu)設計的材料-工藝組合專家系統(tǒng)等。以智慧院所的智慧工作平臺為例，工具集成將逐步提升其知識應用平臺的基礎能力，比如：1.0狀態(tài)，知識是碎片化的，是需要被動查詢的；2.0狀態(tài)，知識是高度結(jié)構(gòu)化的，是能夠自動推送的；3.0狀態(tài)，擁有全面的知識管理系統(tǒng)，是嵌入各項流程直接發(fā)揮作用的。
4. 平臺構(gòu)建
平臺構(gòu)建，既是完成智慧院所/智能車間中智慧工作平臺與智能制造集成應用平臺的構(gòu)建，這些平臺支撐“數(shù)據(jù)-信息-知識”系統(tǒng)，支撐產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）、試驗數(shù)據(jù)管理（TDM）、保障數(shù)據(jù)管理（SDM）等。未來，智慧院所/智能車間可能建設有車間人-機-物實時監(jiān)測平臺，基于需求工程的正向研發(fā)環(huán)境，保障數(shù)據(jù)采集、管理與分析系統(tǒng)等。以智慧院所的智慧工作平臺為例，平臺構(gòu)建將逐步提升其集成能力，比如：1.0狀態(tài)，單項平臺集成，實現(xiàn)PDM；2.0狀態(tài)，平臺兩兩集成，實現(xiàn)TDM；3.0狀態(tài)，三者無縫集成，實現(xiàn)真正的PLM。
四、結(jié)束語
智慧院所、智能車間信息化能力建設達到的效果應該包括：完成縱向集成、橫向集成及其無縫聯(lián)合，實現(xiàn)端到端、點到點的精準執(zhí)行；達到“動態(tài)感知實時分析自主決策精準執(zhí)行學習提升”這一特征；數(shù)據(jù)流、信息流、知識流的集成與交互。通過面向軍工智能制造轉(zhuǎn)型的信息化能力建設，智慧院所將擁有正向研發(fā)和基于知識的研發(fā)模式，智能車間將具備多品種、少批量、定制化生產(chǎn)能力，知識以自主的軟件、數(shù)據(jù)、模型的形式固化并且廣泛利用知識進行自主創(chuàng)新，以實現(xiàn)縮短周期、提升性能/質(zhì)量、降低成本的最終目標。
作者單位：
劉亞威——中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心
