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宁振波:航空智能制造的基础--软件定义创新工业范式
作者: 作者单位:走向智能论坛 所属类别: 2018-11-08 10:27:04 浏览:351
  摘要:
  本文依据中国工程院最新观点性文章“走向新一代智能制造”,结合航空工业智能制造的演进路径,从传统研制方式HPS入手,分析了飞机制造业的数字化到智能化的发展。对飞机基于模型的数字化定义,到基于赛博物理系统的数字定义,最后谈了对新一代智能制造的认识。
  引言:
  中国工程院院刊《Engineering》推出最新观点性文章“走向新一代智能制造”,作者周济、李培根、周艳红、王柏村、臧冀原、孟柳,提出了智能制造的三个基本范式:数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造——新一代智能制造。指出智能制造是一个从传统的“人-物理系统”向“人-赛博-物理系统”(human-cyber-physical systems,HCPS)不断演进发展的大概念,其核心就在传统的人和物理系统之间增加赛博系统,并不断提升赛博系统的感知、计算分析与控制能力,最终使其具有学习提升、产生知识的能力[1]。
  软件作为赛博系统物化的表现,则是强化信息技术与工业技术融合发展基础支撑。国家在发布的《深化制造业与互联网融合发展的指导意见》中也强调了加快计算机辅助设计仿真、制造执行系统、产品全生命周期管理等工业软件产业化,强化软件支撑和定义制造业的基础性作用[2]。新一代智能制造作为一个由智能产品、智能生产和智能服务三大信息系统以及工业智联网和智能制造云两大支撑信息系统组成的、并与工业技术集成的巨系统,在方法层面,推进研发虚拟化,产生了基于物理技术的各类专业工具;在过程层面,推进管理信息化,产生了以流程管理为核心的各类业务系统;在装置层面,推进生产装备的自动化和产品智能化,产生了各类嵌入式软件。因此,在智能制造发展的过程中,能否推动软件定义来创新工业范式(包括定义产品,定义企业流程,定义生产方式,定义企业新型能力,定义产业生态等)实现以软件定义为核心的生产方式变革,是新一轮工业革命的本质所在。
  1、基于纸张的符号定义
  我们把传统制造业的定义看做是基于纸张的符号定义。所谓传统当然是与现代相区分的。具体区分标准主要以技术为参照,现代制造业特点是:高精尖,比如新型飞机,微纳米,激光,半导体,数控车床等一系列现代高端技术为支撑的行业,与此相反,依然使用旧有的制造技术的就属于传统制造了。传统制造系统包含人和物理系统两大部分,是完全通过人对机器的操作控制去完成各种工作任务。从工业革命发展过程来说,包含了第一次工业革命和第二次工业革命。无论是蒸汽机、内燃机或者电机(包含发电机和电动机)的应用,都是人-物理系统(HPS)系统。按照《三体智能革命》一书中的论述,一个完善的智能系统一定具备“状态感知,实时分析,自主决策,精准执行,学习提升”并循环往复[3]。在HPS系统中,由人完成状态感知,实时分析,自主决策以及学习提升;机器仅仅在人的操作下完成精准执行。
  基于纸张的符号定义决定了传统制造业的工业范式就是设计-制造-试验模式的串行模式,即过去所说爱迪生的“试错法”,首先基于纸张的符号定义是人工设计的蓝图(零件图和装配图)、工艺卡片、各类表单、生产计划、纸质文档等,基于人工定义的各类设计图文档,才能开展工艺设计等后续工作,然后在机器上试制各种零件,装配形成试验品,用试验来检验产品的设计功能和性能,达到设计指标就可以批生产了;达不到设计指标,就需要修改设计和工艺再试,一直到达到设计指标为止。这个工业范式下,两百年来的手工制图以及早期的CAD软件,应用范围和深度都具有局限性,主要关注于工程意图表达的一致性、标准性,这类软件就是80年代和90年代大规模使用的二维CAD软件。工业效率的提升还是主要依靠加工用的机器(物料、设备、工装、工具、试验设备),表现在蒸汽机、内燃机和电动机的出现极大提高了物理系统(机器)的生产效率和质量,物理系统(机器)代替了人类大量体力劳动。传统制造系统中,要求人完成状态感知,实时分析,自主决策,操作执行,学习提升等多方面任务,不仅对人的要求高,劳动强度仍然很大,而且工作效率、质量和完成复杂工作任务的能力也有限。
  2、基于模型的数字定义
  与传统制造系统相比,第一代和第二代智能制造的工业范式发生了本质变化,以波音777飞机的DPD、DPA、IPT到787的MBD突破为例。它通过在人和物理系统之间增加赛博系统,将人的相当部分的感知、分析、决策功能向赛博系统复制迁移,局部赛博系统可以代替人类完成部分脑力劳动,进而通过赛博系统来控制物理系统,以代替人类完成更多的体力劳动。
  波音777飞机是世界上第一个完全采用软件定义飞机研制生产过程的产品。采用了三项技术就是100%的数字化产品定义(DPD)、100%的数字化产品预装配(DPA)、327个并行工作小组(IPT)。研制过程采用的计算机软硬件为:8台IBM大型计算机,用于3D设计的3200台UNIX工作站均连接了网络,约20000台PC机,800种互不相关的软件。而在波音在787飞机的设计中全面推广基于模型的定义技术,它改变传统由二维图文档来描述几何形状信息,用一个集成化的三维数字化实体模型表达了完整的产品定义信息,成为制造过程中的唯一依据。[9]
  由于以上的数字化的技术进步和采用并行工程的管理变革,一方面使的波音公司的777飞机和与其相当的以前的767飞机相比,研制周期由12年减少为4.5年。而造出的第一架飞机就比已经造了24年的第400架波音747质量还好。更为重要的是基于模型的数字定义颠覆了传统设计-制造-试验的工业范式,实现了工业范式向设计-虚拟综合-数字制造-物理制造的转变。
  图产品研制流程、传统物理生产线和数字化主线
  如图所示,为便于理解,我们把飞机研制分为四个阶段,分阶段加以描述:第一个阶段就是方案设计阶段(包含需求工程,概念设计以及方案设计),核心是飞机的气动布局和总体布置。以前的试错法就是根据战术技术指标,算出飞行剖面,依据剖面画出外形草图,加工出缩比模型,然后在风洞中吹风,来确定气动外形。这个过程反复迭代,一直到满意为止。因为加工一个飞机缩比模型就是好几个月,吹一次风好几百万,因此要得到一个满意的方案需要多年做多个方案反复对比才可以(如图左上方的风洞照片)。现在的方法是首先根据气动力数学方法计算结果,用软件在计算机上构建一个虚拟的飞机气动外形(如图左下方飞机外形),然后做CFD计算,反复优选拿出最好的几种方案,加工成缩比模型再吹风。这些技术已经在航空航天界开始了大规模应用。
  拿787飞机为例:波音787项目高级副总裁迈克·拜尔(Mike Bair)指出:“在767项目中,我们曾对50多种不同的机翼配置进行过风洞测试。而在787项目中,只测试了10多种。”风洞试验少了,飞机质量提高了,这就是在方案阶段软件定义飞机的气动布局。
  第二个阶段就是工程研制,飞机气动布局和总体布置已确定,就可以开始结构设计了,现在几乎所有的CAD软件都可以完成结构设计,在1991年777项目中,当时的三维CAD软件只能定义几何外形,到了2004年787研制时,CAD软件不仅仅可以定义几何外形,与机械结构相关的材料数据、工艺数据、标准数据、生产定义数据、检测数据等等和制造过程相关的所有数据到可以在三维模型上表达出来,这就是实现了软件定义零件,进而定义产品,也就是MBD(基于模型的定义)。换句话说,在三维模型上可以表达所有的数据,也意味着传统的蓝图、工艺卡片等等基于纸质的符号定义可以不要了,这就是数字化革命。有了完整的数字化样机(DMU),虚拟现实就可以逼真的展示各类应用,制造过程就是和设计的符合性问题了,也就是数字化样机的物理实现。这就是图中间中下方的全数字样机,中上方的物理样机。需要强调的是,在基于模型的数字定义中主线仍然是基于几何模型的多学科仿真分析和优化。
  第三个阶段就是批产交付,制造依据仍然是飞机全机数字化样机,在数字化样机指导下的生产,关键是生产能力的提升,满足客户需求,当然,现在生产线的建设一定要切合实际,数字的归数字,物理的归物理,混合的要混合。一切以提高质量,增加效益为主线。
  第四个阶段是服务保障,有了全机数字化样机,可以一直延续到这个阶段,以前的飞机培训手册,空勤手册,地勤手册,维护维修手册,都是纸质的,数量巨大。现在可以全部模型化了,依据全机数字化样机可以生成IETM(交互式电子技术手册),加上MR技术(混合现实技术),服务保障人员就可以如虎添翼了。
  3、基于赛博物理系统的数字定义
  猎鹰-9重型火箭的发射成功,宣告世界航天历史进入了一个全新的时代。猎鹰-9以及背后的SpaceX公司的成功,展示了很多技术路线、研发思路、流程管理体系上的可行性和巨大成功。[6]它通过需求/功能架构、逻辑架构到物理架构的关联与转换,完整地回答从抽象的问题域(需求/功能)开始,对功能分解的行为(做什么)描述,并将行为(运行)分配到具体解决域的产品(结构)的过程。从而避免直接从功能映射到结构,导致在需求中提出要解决的问题后,就跨越逻辑设计和功能/行为分析而直奔物理实现的“飞跃式开发怪圈”。比如助推器的分离措施,传统上各国火箭主要采用火工品——比如爆炸螺栓进行分离。而猎鹰-9采用了机械分离方式,这种尝试此前不是没有人做过,中国台湾地区的雄风三导弹在早期曾经采用——结果分离屡屡失败,最后还是采用了火工品分离。而SpaceX公司不仅采用了机械分离方式,而且没有做实物验证试验就正式采用了这一设计;其合理和可靠性保证,完全依靠仿真计算实现。因此,SpaceX公司的测试验证成本压缩的要远低于传统火箭。避免使用火工品、取消大量实物试验的结果,是SpaceX公司节省了大量的时间和资金。必须要强调的是,仿真计算虽然在今天取得了长足的进步,但远远谈不上万无一失;它的结果可靠性,直接取决于基础研究的积累要求和操作、分析人员的水平。我个人认为这就是基于赛博物理系统的数字定义。
  在这个阶段中,在虚拟环境下,实现自顶向下的设计、自底向上的综合设计思想,分阶段、分层次实现设计-虚拟综合(基于功能、性能和几何模型的系统仿真)再到数字制造-物理制造验证、最后到产品的转变。这就是新一代智能制造创新的工业范式,也是基于虚拟综合的(基于功能、性能和几何模型的系统仿真)的最终追求的结果。
  猎鹰-9重型火箭的机械分离方式的助推器,没有做实物验证试验,其合理和可靠性保证,完全依靠仿真计算实现,避免了使用火工品、取消大量实物试验的原因就是大量计算和仿真,大量工业软件的应用就是把人的知识和智能赋予软件,这已经是具备了新一代人-赛博-物理系统“HCPS—Human-Cyber-Physical Systems”的基础了。我们再来从理论上分析一下,第一代和第二代智能制造系统通过集成人、赛博系统和物理系统的各自优势,系统的能力尤其是计算分析、精确控制以及感知能力都得以很大提高。一方面,系统的工作效率、质量与稳定性均得以显著提升;另一方面,人的相关制造经验和知识转移到赛博系统,能够有效提高人的知识的传承和利用效率。制造系统从传统的“人-物理系统”向“人-赛博-物理系统”(HCPS)的演变可进一步进行抽象描述:赛博系统(Cyber system)的引入使得制造系统同时增加了“人-赛博系统”(HCS—Human-Cyber Systems)和“赛博-物理系统”(CPS—Cyber-Physical Systems)。其中,“赛博-物理系统”(CPS)是非常重要的组成部分。美国在2006年提出了CPS的完整理论,德国将其作为工业4.0的核心技术。“赛博-物理系统”(CPS)在工程上的应用是实现赛博系统和物理系统的完美映射和深度融合,而人是实现Cyber的核心要素,在人的全程参与下,形成的新一代HCPS“人-赛博-物理系统”中,HCS、HPS和CPS等三者都将实现质的飞跃[1]。
  4、新一代智能制造创新的工业范式
  2002年,国家国防科学技术工业委员会启动了《飞机制造业数字化工程》项目的论证工作,参加的国内飞机研制单位多达18家,形成的文件中明确目标是:打通飞机制造业数字化生产线,形成飞机数字化研发体系,实现管理方式、生产模式、组织流程、技术标准等方面的变革。[5]换句话说:就是在飞机制造业的全部流程上,从方案设计阶段的数字化模型不断完善演进,一直沿用到工程研制、批生产、维护维修、报废回收的全寿命周期环节(一张蓝图干到底,或者说一个模型用到底)。今天我们回头来看,这个是什么?不就是Digital Thread吗?到了今天,中国的工业体系已经发展并形成了世界最完整的工业体系,我们必须建立自己的理论自信。
  飞机制造业数字化工程的目标中已经包含了数字主线的概念,而且一脉相承。让我们再研究图,最上面的一条线物理线,就是传统制造业的定义:基于纸张的符号定义。中间的一条线就是飞机研制流程,下面的一条线就是基于软件定义的数字化线;整个图就构成了CPS中的系统之系统(system of system,SOS),而图中的每个研制阶段的垂直对应的物理系统和数字化系统,构成了多对数字孪生(Digital Twin);当然,这个数字孪生(Digital Twin)不仅仅是垂直相关,前后也是关联的。
  毋容置疑,智能制造的前身是数字化制造,而数字化制造的成功是基于几百年来传统制造业打下的物理制造的基础。工业范式的创新是应用软件定义的数字化模型来实现的,因此软件定义数字模型,乃至定义一切,都必须具备强大的物理实体的基础。中国古话说:皮之不存毛将焉附,物理实体是皮,数字模型就是毛,两者的相互融合,构成了智能制造的基础。在智能制造体系中,工业软件不仅仅是核心,更是人类的新思维方式,因此,我国工业软件的发展,急需提升到国家战略层面,并借鉴国外发达国家经验,软件人才培养从娃娃抓起,认识工业,认识软件,重视人才,保护产权,必须成为全民共识。
  随着以大数据、云计算、物联网为代表的数字技术的崛起,我们已身处数字经济时代。发展软件定义技术和CPS技术,并在新一代信息技术(云、物、移、大、智)的支持下,实现与人、设备和物料相融合的未来新一代智能制造创新的工业范式,其典型特点就是数字主线使能的数字孪生。
  我国是世界第一制造大国,在工业化尚未全面完成的情况下,迎来了数字化浪潮,面临着追赶工业化进程、同步数字化机遇的双重历史任务和严峻挑战。党的十九大报告提出,“推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”,培育新增长点、形成新动能。新一代智能制造为助推我国传统产业数字转型,催生新业态、重塑创新链、重构产业链、拓展经济发展新空间提供了重要遵循的方针和路径。我们必须充分发挥人工智能技术创新的引领作用,加快建设制造强国,加快发展先进制造业,推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合,促进我国产业向全球价值链中高端迈进。
  参考文献:
  1.中国工程院:新一代智能制造,理论自信引领制造强国2018-02-09周济李培根等
  2.安筱鹏,软件视角的未来工业,中国信息化百人会第三届信息战略论坛,2016.
  3.胡虎,赵敏,宁振波,三体智能革命,机械工业出版社,北京,2016.
  4.中国电子标准化研究院,CPS白皮书,北京,2017.3.
  5.国防科学技术委员会,飞机制造业数字化工程系列丛书,北京,2004.12
  6.https://baike.baidu.com/item/%E7%8C%8E%E9%B9%B09%
  7.Digital Twin数字孪生|工四100术语(编号308),王鸿庆;杨雨辰;林雪萍
  8.Digital Thread数字主线|工四100术语(编号301),王鸿庆;杨雨辰;林雪萍
  9.范玉青,现代飞机制造技术,北京航空航天大学出版社,2000年
 

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