劉軍虎、鄒廣寶、侯穎輝、馬坤 /航天科工空間工程發(fā)展有限公司
工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)前正在發(fā)生一場(chǎng)重大變革,如美國(guó)等國(guó)家相繼出臺(tái)了“再工業(yè)化”戰(zhàn)略,中國(guó)制定了“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略計(jì)劃,這場(chǎng)變革將從根本上改變傳統(tǒng)的制造業(yè)發(fā)展模式,重塑制造業(yè)體系和行業(yè)邊界。因此,在這一過(guò)程中,需要通過(guò)新一代人工智能技術(shù)的應(yīng)用,引領(lǐng)信息技術(shù)和數(shù)字化生態(tài)系統(tǒng)在智能制造模式中不斷創(chuàng)新。
隨著航天事業(yè)的快速發(fā)展,尤其是航天產(chǎn)品的批量化、集成化、智能化要求以及復(fù)雜度越來(lái)越高,使得研發(fā)模式已從單件定制和試驗(yàn)性生產(chǎn)模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榕炕a(chǎn)模式,傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式和制造能力逐漸難以適應(yīng)新形勢(shì)的要求。為此,基于新的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和新一代人工智能技術(shù)下的航天研制模式應(yīng)運(yùn)而生。其是在發(fā)揮現(xiàn)有基礎(chǔ)條件上,優(yōu)化總體設(shè)計(jì),合理利用數(shù)字化仿真手段及柔性生產(chǎn)技術(shù),通過(guò)打通全生命周期產(chǎn)品線到大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的鏈路,構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、自主創(chuàng)新、跨界融合為導(dǎo)向的云制造生態(tài)體系,以及多方面集成的社會(huì)化協(xié)作云制造模式,進(jìn)而形成航天制造產(chǎn)業(yè)的新業(yè)態(tài)。
當(dāng)前,各國(guó)政府不斷在軍事能力建設(shè)和軍工企業(yè)發(fā)展方面提出新戰(zhàn)略,通過(guò)深入整合新一代的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能制造技術(shù)、通信技術(shù)和專業(yè)技術(shù),以軍事核心能力建設(shè)為中心確立發(fā)展概念,促進(jìn)科研生產(chǎn)模式不斷變革與升級(jí),不斷深化探索信息技術(shù)對(duì)智能制造與研發(fā)模式創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)力。
以美國(guó)波音公司為例,其基于模型數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)建了從訂貨、研發(fā)、生產(chǎn)到交付的基于單一數(shù)據(jù)源和統(tǒng)一數(shù)字模型的數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)。公司采用新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),建立了基于模型的生產(chǎn)平臺(tái),并重新塑造全球協(xié)同管理模式,從而促進(jìn)波音飛機(jī)的全球銷售。
太空探索技術(shù)公司通過(guò)模塊化、信息化和集成技術(shù),整合成熟的專業(yè)技術(shù)和設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了火箭部件標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化生產(chǎn),轉(zhuǎn)變了火箭部件生產(chǎn)模式,使得生產(chǎn)效率、可靠性大幅提高,發(fā)射成本降低。
近年來(lái),中國(guó)的航天裝備制造發(fā)展充分利用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化手段,創(chuàng)新研制迭代方式與科研生產(chǎn)管理模式,建立了以模型、數(shù)據(jù)和流程驅(qū)動(dòng)的具有航天特色的科研生產(chǎn)體系,實(shí)現(xiàn)了精益化設(shè)計(jì)研發(fā)、智能化生產(chǎn)制造、智慧化維修保障、精細(xì)化質(zhì)量控制,以持續(xù)提升質(zhì)量效益。同時(shí),針對(duì)航天復(fù)雜產(chǎn)品制造所面臨的大協(xié)作配套,多學(xué)科、跨專業(yè)多輪迭代,多品種、小批量,變批量柔性生產(chǎn)等重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題與需求,建立了基于云制造的新型航天科研生產(chǎn)模式,并通過(guò)工業(yè)要素和高質(zhì)量資源的高效集成和共享,形成了以資源虛擬化和能力服務(wù)為特征的云制造模式,支撐了航天產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
企業(yè)信息化是復(fù)雜的系統(tǒng)工程,與業(yè)務(wù)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系等有著密切的關(guān)聯(lián),所以對(duì)于企業(yè)信息化、數(shù)字化的建設(shè),以及頂層設(shè)計(jì)極為重要。
當(dāng)前,信息技術(shù)貫穿企業(yè)戰(zhàn)略發(fā)展全過(guò)程,并能牽引企業(yè)商業(yè)模式轉(zhuǎn)型、業(yè)務(wù)流程再造及數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。在規(guī)劃和建設(shè)過(guò)程中,信息化系統(tǒng)涉及多領(lǐng)域?qū)W科、多層次、多角度、全流程的系統(tǒng)集成,所以具有適應(yīng)性和動(dòng)態(tài)性的信息化頂層設(shè)計(jì)至關(guān)重要。而在企業(yè)數(shù)字化建設(shè)過(guò)程中,也需要利用信息化系統(tǒng)手段對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行全方位的診斷、優(yōu)化、再造,同時(shí)對(duì)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)、流程開(kāi)展系統(tǒng)化構(gòu)建。
數(shù)據(jù)孤島、業(yè)務(wù)獨(dú)立、信息流斷層,是企業(yè)信息化建設(shè)過(guò)程中亟待解決的重要問(wèn)題。對(duì)于航天企業(yè)而言,開(kāi)展系統(tǒng)工程與信息化的融合實(shí)施,應(yīng)考慮將數(shù)據(jù)、流程和信息緊密結(jié)合起來(lái),以便對(duì)現(xiàn)有的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。
在航天企業(yè)系統(tǒng)工程相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配過(guò)程中,必須要確保產(chǎn)品狀態(tài)清晰、工藝設(shè)計(jì)正確、生產(chǎn)操作實(shí)施結(jié)果可執(zhí)行且與功能設(shè)計(jì)一致,所以由此帶來(lái)了新的挑戰(zhàn):一是設(shè)計(jì)和工藝的優(yōu)化,要實(shí)現(xiàn)可制造性的設(shè)計(jì);二是實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)字模型的虛體與實(shí)體相結(jié)合的虛擬驗(yàn)證,包括產(chǎn)品防差錯(cuò)性、標(biāo)準(zhǔn)化程度、工藝成熟度、接口協(xié)調(diào)性、容錯(cuò)性及冗余程度、可檢測(cè)性、可維修性等。
組織變革一方面是領(lǐng)導(dǎo)思維模式的轉(zhuǎn)變,另一方面是以數(shù)字化技術(shù)為牽引,實(shí)現(xiàn)企業(yè)全業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化、再造,所以伴隨而來(lái)的是適應(yīng)精益化管理和數(shù)字化企業(yè)轉(zhuǎn)型過(guò)程中的人員分工的調(diào)整和組織的變革,涉及各部門、組織機(jī)構(gòu)與部分人員等。但這是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、戰(zhàn)略規(guī)劃、經(jīng)營(yíng)管理等正向發(fā)展的必經(jīng)過(guò)程,有難度也有挑戰(zhàn)。
新一代人工智能技術(shù)引領(lǐng)了新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能制造技術(shù)、通信技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的深入融合,并建立硬、軟資源及能力的云池,以使價(jià)值鏈上的人和組織能通過(guò)智能終端獲取產(chǎn)品、資源和服務(wù)。航天企業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)體系架構(gòu)(見(jiàn)圖1)由企業(yè)混合云平臺(tái)與企業(yè)應(yīng)用層共同構(gòu)成,通過(guò)信息化、設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證、總裝集成測(cè)試(AIT)以及運(yùn)控服務(wù)及支撐保障等4 個(gè)能力建設(shè),面向多品種、變批量的產(chǎn)品生產(chǎn)模式,并充分應(yīng)用數(shù)字化、云化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的手段和技術(shù),構(gòu)建適應(yīng)商業(yè)航天(小衛(wèi)星)的數(shù)據(jù)與流程驅(qū)動(dòng)的科研生產(chǎn)體系。航天企業(yè)的數(shù)字化建設(shè)框架對(duì)標(biāo)智能制造系統(tǒng)架構(gòu),包括產(chǎn)品資源服務(wù)層、感知接入層、邊緣處理層和云應(yīng)用層。
圖1 航天企業(yè)數(shù)字化系統(tǒng)體系構(gòu)成
在產(chǎn)品資源服務(wù)層,基于硬、軟資源及能力的云池,推動(dòng)精益制造、快速制造、柔性制造等生產(chǎn)模式的形成。在感知接入層,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中信息的自動(dòng)收集、分析和優(yōu)化決策,以提高質(zhì)量一致性和生產(chǎn)效率。在邊緣處理層,建立基于大數(shù)據(jù)收集、聚集和分析的服務(wù)體系;利用邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)匯聚處理,以及數(shù)據(jù)向云端的集成。在云應(yīng)用層,構(gòu)建數(shù)據(jù)采集互聯(lián)體系,不斷優(yōu)化產(chǎn)品全生命周期的資源配置效率,以形成裝備制造業(yè)新生態(tài)。
新一代人工智能技術(shù)、通信技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的深度融合,帶來(lái)了三大創(chuàng)新的集成模式,分別是縱向集成、端到端集成和橫向集成。縱向集成發(fā)生在生產(chǎn)試驗(yàn)車間,重點(diǎn)解決企業(yè)內(nèi)部的信息化孤島以及信息化系統(tǒng)(IT)與物理設(shè)備(OT)之間的聯(lián)通;端到端集成涉及產(chǎn)品全生命周期中相關(guān)業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的相關(guān)單位;橫向集成是跨越產(chǎn)業(yè)鏈,涉及所有與產(chǎn)品相關(guān)的橫向合作及配套單位。
(1)縱向集成
縱向集成主要包括IT 系統(tǒng)集成、OT 系統(tǒng)集成以及IT 與OT 互聯(lián)3 個(gè)層次的集成,即企業(yè)內(nèi)部信息化系統(tǒng)之間的集成,各種生產(chǎn)制造、測(cè)試和物流設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化互聯(lián),車間人、機(jī)、料、法、環(huán)的信息集成,以及IT系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間的深度集成,如圖2所示。
(2)端到端集成
端到端集成主要包括產(chǎn)品需求與產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝規(guī)劃、產(chǎn)品仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證、質(zhì)量規(guī)劃與生產(chǎn)實(shí)踐4 個(gè)方面的集成。具體實(shí)現(xiàn)將重點(diǎn)落實(shí)到設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證條件以及總裝集成能力的建設(shè)過(guò)程中,并以產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)(PLM)為核心平臺(tái),向前端對(duì)接用戶需求和產(chǎn)品總體技術(shù)指標(biāo),中端重點(diǎn)管理產(chǎn)品一體化設(shè)計(jì)信息和多專業(yè)、多學(xué)科仿真數(shù)據(jù)及過(guò)程,后端銜接工藝規(guī)劃,測(cè)試試驗(yàn)規(guī)劃和運(yùn)行維護(hù)規(guī)劃的數(shù)據(jù)與過(guò)程,并集成生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)物生產(chǎn)數(shù)據(jù),進(jìn)而形成完整的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)包。面向全生命周期的端到端集成如圖3 所示。
圖2 基于單一數(shù)據(jù)源的縱向集成
(3)橫向集成
橫向集成的具體實(shí)現(xiàn)將重點(diǎn)落實(shí)在信息化條件建設(shè)過(guò)程中,以企業(yè)為中心,覆蓋周圍3000 米,以建立連接用戶—供應(yīng)商的價(jià)值鏈生態(tài)圈?;谠破脚_(tái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)、銷、存、生產(chǎn)、交付等環(huán)節(jié)的協(xié)同,構(gòu)建“智慧企業(yè)+智能供應(yīng)鏈”的橫向集成,如圖4 所示。
通過(guò)以上三大集成模式的創(chuàng)新實(shí)踐,可使產(chǎn)品的使用方與生產(chǎn)制造企業(yè)之間實(shí)現(xiàn)信息暢通和透明化,為產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)制造、商業(yè)模式、服務(wù)體系等各個(gè)節(jié)點(diǎn)帶來(lái)史無(wú)前例的變革,進(jìn)而使產(chǎn)業(yè)生態(tài)向高效率、低成本重建。
數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)是通過(guò)同一個(gè)數(shù)字平臺(tái)上相互關(guān)聯(lián)的參與者實(shí)現(xiàn)互惠互利。數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)可以加快傳統(tǒng)價(jià)值鏈的解體,帶來(lái)更強(qiáng)大、更靈活、更具有彈性的價(jià)值傳遞網(wǎng),進(jìn)而在持續(xù)轉(zhuǎn)型的過(guò)程中創(chuàng)造出更好的新產(chǎn)品和服務(wù)。航天企業(yè)智能制造的實(shí)現(xiàn)手段主要有以下幾個(gè)方面。
一是智能化制造。構(gòu)建具備產(chǎn)品自動(dòng)化、柔性化總裝集成測(cè)試能力的網(wǎng)絡(luò)化柔性智能生產(chǎn)線,并基于CPS 系統(tǒng)的IT 與OT 集成,實(shí)現(xiàn)總裝集成測(cè)試全過(guò)程自感知。構(gòu)建訂單驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)模式,搭建圍繞產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的人、機(jī)、料、法、環(huán)全維度的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)智能化物流、倉(cāng)儲(chǔ)、備料、配送一體化,以及全過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)采集和全生命周期追溯。
二是柔性化制造。構(gòu)建智能生產(chǎn)線支持信息化系統(tǒng)與自動(dòng)化生產(chǎn)線集成模式下的快速環(huán)線作業(yè),通過(guò)信息系統(tǒng)與生產(chǎn)線自動(dòng)化控制、標(biāo)識(shí)解析、轉(zhuǎn)接工裝等條件的集成,旨在支持不同型號(hào)批生產(chǎn)產(chǎn)品的混線生產(chǎn),以及支持科研產(chǎn)品批生產(chǎn)的混線生產(chǎn)。通過(guò)充分應(yīng)用虛擬裝配、虛擬仿真技術(shù),來(lái)保證多品種混線生產(chǎn)的工藝、設(shè)備、人員、物流等節(jié)拍均衡,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)柔性制造。
圖3 面向全生命周期的端到端集成
圖4 貫穿生態(tài)圈的橫向集成
三是虛體與實(shí)體結(jié)合的數(shù)字化企業(yè)集成。以業(yè)務(wù)為驅(qū)動(dòng),通過(guò)信息系統(tǒng)內(nèi)部資源的共享、集成,實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一平臺(tái)、單一數(shù)據(jù)源及關(guān)聯(lián)模型數(shù)據(jù)的產(chǎn)品全過(guò)程數(shù)據(jù)流、業(yè)務(wù)流、價(jià)值流的集成。
四是協(xié)同制造。基于企業(yè)信息化統(tǒng)一平臺(tái)及企業(yè)間異構(gòu)系統(tǒng)集成技術(shù),重點(diǎn)圍繞研發(fā)設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、測(cè)試等業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)嵤﹨f(xié)同制造。
五是云制造。基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及云制造支持系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的柔性生產(chǎn)與企業(yè)資源的優(yōu)化配置,以及智慧生產(chǎn)。
信息化的實(shí)施過(guò)程中將牽引整個(gè)組織架構(gòu)的權(quán)利變革,通過(guò)讓企業(yè)IT 團(tuán)隊(duì)與業(yè)務(wù)部門形成協(xié)作與聯(lián)動(dòng),以支持?jǐn)?shù)字化業(yè)務(wù)和數(shù)字化商業(yè)模式創(chuàng)新的演進(jìn)與開(kāi)展。企業(yè)的IT 與業(yè)務(wù)部門可開(kāi)展同層辦公,以實(shí)現(xiàn)需求對(duì)齊和內(nèi)部創(chuàng)新,同時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)算,并引入敏捷與連續(xù)交付工具。企業(yè)對(duì)自身的全面考量,也是企業(yè)信息化深化應(yīng)用不可忽視的關(guān)鍵舉措。
圖5 云供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
以創(chuàng)新為驅(qū)動(dòng),航天企業(yè)在數(shù)據(jù)分析、供應(yīng)鏈創(chuàng)新、服務(wù)總線等方面應(yīng)用自適應(yīng)機(jī)器學(xué)習(xí)、邊緣人工智能、邊緣分析、可解釋的人工智能、遷移學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)行專業(yè)技術(shù)融合升級(jí)。
基于微服務(wù)架構(gòu)的分布式企業(yè)服務(wù)總線技術(shù)研究,是通過(guò)微服務(wù)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)組件化和服務(wù)化。在業(yè)務(wù)域覆蓋方面,可實(shí)現(xiàn)面向航天器復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、交付、在軌運(yùn)營(yíng)等業(yè)務(wù)全過(guò)程的集成;在集約化管理方面,可提高信息利用率,并支撐企業(yè)知識(shí)共享,形成資源庫(kù)、知識(shí)庫(kù);在技術(shù)組成方面,可基于企業(yè)總線及微服務(wù)架構(gòu)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、應(yīng)用管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨業(yè)務(wù)貫通。
對(duì)企業(yè)機(jī)構(gòu)而言,數(shù)據(jù)分析與管理已成為業(yè)務(wù)戰(zhàn)略的重要驅(qū)動(dòng)力。通過(guò)集中式、分布式、隨機(jī)式數(shù)據(jù)治理并存的方式可對(duì)元數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析應(yīng)用。
元數(shù)據(jù)是未來(lái)數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵。人工智能可以幫助企業(yè)機(jī)構(gòu)增強(qiáng)數(shù)據(jù)管理,使用人工智能等技術(shù)架構(gòu),能夠使企業(yè)機(jī)構(gòu)充分發(fā)揮新興數(shù)字生態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)可創(chuàng)造“自我驅(qū)動(dòng)型”的數(shù)據(jù)管理,其通過(guò)云平臺(tái)的數(shù)據(jù)源接入、存儲(chǔ)、分析引擎、算法庫(kù)、算法建模工具、上行接口等功能,并利用企業(yè)機(jī)構(gòu)需追蹤的技術(shù),實(shí)現(xiàn)高級(jí)人工智能和分析,進(jìn)而逐步發(fā)揮動(dòng)態(tài)元數(shù)據(jù)的中間凝合力作用。
建立連接用戶—供應(yīng)商的價(jià)值鏈生態(tài)圈,并從科研、產(chǎn)品、應(yīng)用服務(wù)、資本、建設(shè)等6 個(gè)維度對(duì)航天企業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行規(guī)劃。云供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。
當(dāng)前,航天企業(yè)急需著重開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品和業(yè)務(wù)模式,通過(guò)供應(yīng)鏈即服務(wù)架構(gòu)(SCaaSA)進(jìn)行部署和集成。在SCaaSA 中,所有供應(yīng)鏈活動(dòng)都與獨(dú)立于組織架構(gòu)或資產(chǎn)所有權(quán)的模塊化服務(wù)組合相關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)從實(shí)物產(chǎn)品擴(kuò)展到服務(wù)、應(yīng)用訂閱服務(wù)、增加新的渠道、建立數(shù)字化平臺(tái)業(yè)務(wù)等領(lǐng)域的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。