工业4.0在航空制造业的应用

殷 俊

（中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610091）

0 引言

“工业4.0”是指在2011年德国的汉诺威工业博览会上提出的以实现智能生产为主要目标的第四次工业革命。德国之所以将此次改革称为“工业4.0”是为了与之前的三次工业革命作比较。第一次工业革命源于18世纪末蒸汽机的诞生，使得机械制造替代了纯手工制造；20世纪初期的第二次工业革命时代，人们利用发电机、电动机替代了原有的蒸汽机作为动力能源，大大地提高了工业的生产效率。第三次工业革命是指生产自动化，由计算机控制替代了人工控制，提高了控制速度和精度，同时减少了工人的重复劳动，工业生产效率与产品质量得到进一步提高。而“工业4.0”是指利用如今已经非常发达的网络通信技术以及数据处理能力，通过传感器以及嵌入式操作系统采集生产制造过程中的数据，并对数据进行分析处理，并将数据反馈给控制系统，最终实现对各个生产环节的快速、精准的调控，形成智能生产系统[1]。

航空制造业作为衡量国家工业发展的重要标志，是我国的战略性高科技产业，其发展程度直接影响着国家安全和国民经济的发展，因此，实现我国航空制造业的技术改革对保卫国家安全、提高人民生活水平具有重要的战略意义[2]。

“工业4.0”主要包括两方面内容，一方面是“智能工厂”，该方面主要研究利用信息技术对目前工业的生产流程进行优化改造，实现全生产线的质量监控。例如当前航空制造业在生产中出现生产和产品质量问题时，大多数只能依靠有经验的工人，对生产过程逐个进行检验得到问题所在，这种方式往往不仅费时费力，还存在问题定位不准确的缺陷；而在未来的“工业4.0”时代，每个产品从刚刚生产开始，便会获得唯一的编号，我们将对每一个生产的产品进行实时的质量监控与跟踪。另一方面是“智能生产”，该方面主要涉及整个企业的生产以及物流管理，通过市场调研、大数据分析等手段，根据市场需求动态调整生产产品与目标，从而提高资源配置效率，提高企业市场竞争力[3]。

1 工业4.0的特性

德国的“工业4.0”战略本质是通过互联网和物理信息系统实现制造业由信息化向智能化的转变，从而构建一种高度灵活的柔性生产系统，其特性主要表现在互联性、创新性、集成性以及大数据四个方面[4]。

1.1 互联性

“工业4.0”的核心内容是实现设备之间的互联。主要表现在生产设备之间、设备和产品之间、虚拟和现实之间的互联三个方面。生产设备之间的互联即利用互联网技术，将具有不同功能的单机智能设备连接在一起组成智能车间和工厂，使位于不同地域的生产线、车间、工厂、能够实时的通信从而组成一个庞大的智能生产系统；智能工厂的最终目标是实现工厂的自行运转，设备和产品之间的互联指设备和产品之间能够互相交流，设备通过读取产品的信息可以获得下一步的操作指令，使整个生产系统更加智能，最终实现智能生产；物理信息融合系统作为“工业4.0”最本质的内容，它通过将单机智能设备与互联网的连接实现网络世界和物理世界的融合，使这些智能设备具有自适应、自诊断、自修复和远程协助等功能[5]。“工业4.0”发展的最终目标是使所有的产品和设备都成为一个网络终端，实现人、设备、产品的互联，使彼此之间可以实时的实现数据的交换功能。

1.2 集成性

“工业4.0”通过物理信息系统将生产系统中的传感器、控制系统、生产设备连接在一起形成一个智能网络，从而实现工业的横向、纵向以及端到端的高度集成。

“工业4.0”纵向集成的目标就是实现工厂内部从产品设计、生产制造、物流运输以及使用维护等环节信息无缝连接，这是实现智能化生产的基础；在以前的工业生产模式中，企业一般只是追求自身内部环节的连接与协同，但是在“工业4.0”的应用过程中，要实现从企业内部信息集成向产业链信息集成的转变，使企业间的合作更加紧密。

1.3 创新性

“工业4.0”在航空制造业应用的过程就是航空制造技术不断发展创新的过程，其主要表现在技术、产品、模式创新等方面。

技术创新主要指传感器技术、嵌入式系统、人工智能技术、无线通信技术等方面的创新，为建设智能工厂奠定坚实的技术基础；产品创新即实现产品的智能化，将信息通信技术和传感器技术融入到产品中，使产品具有感知、存储、传输等功能；模式创新主要包括模式创新和组织创新两个方面，由于单机智能设备利用互联网技术可以实现自由的、动态的组合，以满足不同的制造需求，因此，未来的生产模式将实现由大批量生产向个性化定制的转变。

1.4 大数据

“工业4.0”的大数据是指智能制造设备在生产过程中会产生大量与生产相关的信息数据，需要对这些数据信息进行快速的收集、处理并反馈至生产的各个环节之中，使生产能够高效高质的运行[6]。例如，生产设备在长时间使用后会出现一定的磨损，再加上生产过程中环境、材质等因素的影响，导致生产出的产品精度下降，智能制造设备能够及时的将这些数据信息传递给智能制造设备。智能制造设备在接收到这些数据后对其进行分析、判断，并调整控制策略，以保证生产的顺利进行。大数据处理技术直接影响着生产的智能化水平，是实现智能生产的关键要素。

2 工业4.0在航空制造业的应用

“工业4.0”的核心是智能化，即利用工业互联网及相关软硬件设备与系统，建立贯通虚拟产品开发和现实制造执行的智能化工厂，以企业横向和纵向集成为产品研发和生产过程提供多维信息和总体框架，实现制造业从自动化向智能化的飞跃。“工业4.0”在航空制造业的应用主要体现在两个方面：一是建设“智能工厂”，即重点研究智能化生产系统；二是实现“智能生产”，主要涉及智能检测、人机互动以及3D等技术在工业生产过程中的应用等[7～9]。

2.1 建设智能工厂

智能工厂是指通过工业互联网将智能物理设备连接起来，使智能设备具有计算、通信、精确控制、远程协调和自治五大功能。建设智能工厂的核心就是开发单机智能设备和实现单机智能设备的互联。

单机智能设备主要指高度集成的模块化的能进行自我控制并能独立完成某些任务的执行单元，其主要包括通信、检测、控制、存储以及执行等功能[10]。通过通信单元能够实现机器和机器之间的沟通，并能产生和存储相关的数据；检测功能单元通过传感器实时检测设备当前的状态信息并实时反馈给控制单元；控制单元根据控制规则和检测单元反馈回来的信息部署任务并将任务发送给执行单元；执行单元接收到任务后操控物理对象。

在未来航空制造业的智能工厂中，即使最小的设备也有会一定程度的内置功能。我们可以看到一些高度集成、低功耗、低成本、存储和无线传输等功能标签贴在生产设备上。智能设备之间可以通过读取彼此的标签实现信息传递功能。以航空制造业的智能化装配车间为例，当原件被送到装配车间后，智能装配机器人通过读取元件的标签可以获得其参数信息以及该器件从哪来该送往何处，进而自动的选择夹具，然后通过读取装配目标的标签信息判断该器件是否为目标需要的，最后通过读取到的标签信息自动规划路径，实现自动装配功能。据有关数据统计显示，智能化装配系统的使用使装配成本降低了30%，装配失误率降低了80%，装配周期缩短了70%，极大地提高了装配质量和效率。

建造智能工厂的核心内容是实现智能设备的互联，通过工业互联网，将工厂内智能设备连接在一起，使得不同类型和功能的智能设备连接起来组成智能车间，最终再由不同功能的智能车间互联组成智能工厂。这些单机智能设备、智能生产线、智能车间及智能工厂可以自由的、动态的组合，以满足不断变化的制造需求，形成高度柔性的生产方式，使高度快速的智能化生产成为可能。

由于智能单元配有传感器和用以识别设备身份的标签，并具有通讯功能，工厂管理人员可以通过网络可以实时监控智能设备的运行状态以及所在的位置等信息，进而实现对工厂的监控与管理。

航空制造业中智能工厂的互联网连接方式和普通的互联网不同，智能工厂利用互联网相连接的最终目的是实现人与设备以及设备与设备之间的互联，把不同的设备通过数据交换连接在一起，是工厂内部的智能设备形成一个整体，进而实现智能化生产。在这一阶段，智能工厂通过工业互联网连接在一起可以更好地协调各个车间、工厂的生产，对提高航空制造业的生产效率、降低成本具有重大的意义。

2.2 智能生产

由于航空制造业具有材料难以切削、工艺及精度要求高、过程控制及检测要求严格、多品种小批量等特点，使得航空制造业对制造过程的实时监测以及柔性化生产有着迫切的需求。

“工业4.0”在航空制造业的最终目标是实现产品的智能生产。智能生产技术是在目前自动化技术、网络技术、无线传感技术以及人工智能的基础上，通过感知、人机交互、决策、执行和反馈，实现产品设计过程、制造过程和企业管理的智能化，是信息技术和制造技术的深度融合与集成[11]。实现航空制造业的智能生产是一种目标，其最核心的部分就是实现产品生产排序自动化、生产线自动化、测试检测自动化、装配自动化等。

智能生产是一种目标，就是全面实现生产智能化。生产过程中，智能生产系统能够将智能单机设备存储的信息进行管理和分析，在无人或者较少人参与的情况下利用这些数据提高生产效率、降低成本以及增加生产的灵活性，最终实现智能生产。

以数控加工车间为例，在对飞机的零部件进行切割时，无论其设计如何精准，在实际的切割过程中如果道具或者其他设备出现问题，都会导致零部件产品的加工偏差。而在智能生产过程中，在零部件进行切割之前就能预测出能否实现准确切割，并在加工工程中实现设备的实时监测，一旦设备或产品即将出现偏差，智能检测系统能够及时的自动修复及调整设备，使之加工出来的产品满足航天工业精度要求。

航天制造业实现智能化生产还依赖于另一项重要技术：3D打印技术。3D打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。以航天制造业的铸造车间为例，大多数情况下，即使在实时监测的生产环境中，产品的精度也无法达到100%的准确度。但是采用3D打印技术，工人只需要输入需要加工的零部件的3D模型，智能制造系统便可以立即将产品制造出来。由于3D打印技术采用增材制造（过去的车铣刨磨是减材制造），它不仅可以将产品生产出来，而且还可以在保证产品精度的前提下修补生产过程中出现的缺陷，避免浪费。

智能产品也是“工业4.0”在航空制造业应用的一个重要体现。智能工厂生产出来的半成品或者产品应该自身信息存储、自我检测、无线传输等功能。智能产品内置的存储功能可以存储产品的工艺参数、加工过程、测试结果等数据，外部设备将不再是记录产品数据的唯一手段；智能产品的自我检测功能可以实时的对自身进行检测，一旦检测到故障信号，及时的将故障内容和原因通过自身的无线传输功能传送到智能管理系统。由于航空制造业产品结构复杂，智能产品的自我检测可以大大提高检测准确度，减轻工人的工作负担。

3 技术要求

目前，“工业4.0”在航空制造业的应用还处于起步阶段，想要完成智能工厂的建设还有许多问题亟待解决。由于“工业4.0”涉及到系统工程、工业工程、软件工程等多个学科的综合运用，所以想要解决目前所面临的问题还有很长的路要走，下面总结出目前“工业4.0”在航空制造业应用中所面临的主要问题。

3.1 行业标准制定[12]

若想实现“工业4.0”在航空制造业的应用，就必须解决各生产环节的沟通以及衔接问题。目前航空制造业涉及到机械、材料、信息、自动化等多个复杂的领域，虽然在各个领域已经存在通用的既定标准，但是不同领域之间的标准需要进一步调整和制定。而行业标准的制定可以大大提高产品从一级生产到下一级的生产效率。

3.2 非接触式检测

由于航空制造业具有工艺及精度要求高的特性，因此检测技术是工业升级中所要解决的重要问题。“工业4.0”的一大特点就是实现产品的生产线实时监控，因此对质量检测也提出了更高的要求，需要达到高效率、高精度的检测。传统的接触式检测虽然在精度方面相较于非接触式检测存在一定优势，但是由于其效率远低于非接触式测量，无法满足“工业4.0”的要求。因此稳定、高效的无线检测技术是实现“工业4.0”在航空制造业应用的了基础。

3.3 工业机器人

工业机器人作为实现工业生产自动化、智能化的重要工具，在实现“工业4.0”在航空制造业应用中起着至关重要的作用。目前工业生产过程中，依旧是以工人劳动为主导，机器人只是起到辅助作用。若想用机器人逐渐替代工人进行生产对以下两个方面技术提出了很高的要求。

1）复杂装配问题。目前工业机器人已经可以在简单重复性工作（如喷漆、弧焊、电焊、堆垛等）上很好的替代工人，但是面对体积小、结构复杂的对象时，工业机器人依旧无能为力。2）柔性问题。目前工业机器人大多数均为完全刚性的，因此导致其一旦出现误差将会导致工件或者其自身遭到损坏。

3.4 自动识别技术

“工业4.0”追求物联网与服务网相融合，生产线上的产品不仅仅是单方面接受检测，还可以与生产设备相互通信，主动发送信息。智能工厂中，设备与设备之间的“交流”都是通过读取彼此的标签信息进行的，因此自动识别技术尤其是条形码和无线射频技术，是实现“工业4.0”不可缺少的部分。无线射频技术相对于条形码技术除了具有非接触性外的优势外，还可以存储温度、湿度等信息。但是由于考虑到成本的因素，目前工厂仍然在广泛应用条形码技术。因此要实现“工业4.0”在航空制造业的应用还需研究开发低成本、低功耗的无线射频技术[13]。

3.5 网络安全与可靠性问题

安全和保密问题是军工企业的产生系统的首要设计原则。一旦军工企业的互联网遭受到黑客的攻击，将对国家的安全和国民经济造成不可估量的影响。因此，要实现“工业4.0”在航空制造业的发展首先要研究可靠安全的网络技术，以妥善处理好保密安全问题。

4 结论

由于我国航空制造业目前面临着资源使用效率低，环境压力大，人力成本、运营费用高等多种问题，以智能生产为核心的“工业4.0”是未来航空制造业发展的必然趋势。“工业4.0”具有资源配置效率高，对市场需求变化响应快，人力成本与物流成本低等诸多优点。但是，我国航空制造业存在基础较为贫乏，高新技术落后的情况，因此在此次变革过程中，应当发挥自己市场巨大，擅长数据分析的优势，拉动航空制造业改革，最终借助此次机会缩小与发达国家的差距，甚至实现“弯道超车”。

[1] 罗文.德国工业4.0战略对我国推进工业转型升级的启示(节选)[J].可编程控制器与工厂自动化,2014,(9).

[2] 蔺建武,仲伟周,任炳群,等.中国航空制造业升级路径探索[J].国际经济合作,2011,(10)：33-38.

[3] 陆斌.实践“工业4.0”的关键技术与思考[J].中国机械,2015, (1).

[4] 安筱鹏.工业 4.0： 为什么? 是什么? 如何看?[J].中国信息化, 2015(2).

[5] Majstorović V D, Maču ić J, Šibalija T V, et al. Cyber-Physical Manufacturing Systems-Towards New Industrialization[J].

[6] 芮明杰.“工业4.0”：新一代智能化生产方式[J].世界科学, 2014,(5)：11.

[7] 郭洪杰,杜宝瑞,赵建国,等.飞机智能化装配关键技术[J].航空制造技术,2014,(21)：44-46.

[8] 谷雨,良辰.工业4.0与航空工业架构[J].航空制造技术,2014, (18).

[9] 常杉.工业4.0：智能化工厂与生产[J].化工管理,2013,(21)：21-25：5.

[10] Zuehlke D.SmartFactory - From Vision to Reality in Factory Technologies[A].Proc of International Federation of Automatic Control World Congress[C].2008.

[11] 张曙.工业4.0和智能制造[J].机械设计与制造工程,2014,43(8)： 1-5.

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[13] Lucke D,Constantinescu C, Westkämper E. Smart factory-a step towards the next generation of manufacturing[A].Manufacturing Systems and Technologies for the New Frontier.Springer London[C].2008：115-118.