面向工业互联网的商用航空发动机数字化工厂探索与建设

朱琼

(中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司， 上海 200206)

0 引言

航空发动机被誉为现代工业“皇冠上的明珠”，具有极高的经济价值和政治价值。当前我国航空发动机工业水平仍远落后于西方发达国家，整体工艺技术水平和生产作业管理模式的相对滞后是其中的重要原因[1]。

伴随着“工业4.0”、“工业互联网”、“智能制造”等先进制造业发展战略的相继推出，智能制造相关技术为核心的科技革命和产业变革正引领中国制造实现做大做强的历史跨越[2]。

建设基于工业互联网的商用航空发动机智能工厂，大力推进装备、人、物流联网，实现了工艺流程改造、生产与管理数据的互联共享，是支持我国商用航空发动机成功研制与卓越交付目标的重要技术手段[3-5]。

1 国内外航空发动机数字化工厂实践与发展趋势分析

1.1 商用航空发动机产品的特点与需求

航空发动机是飞机的“心脏”，是飞行器的动力之源。商用航空发动机由上万个高精密零部件组成，其性能及技术水平对于飞机整体而言，在安全性、经济性、舒适性等关键指标上均占据超过半数权重，研制过程具有难度大、风险高、投入多、周期长等特点[6-7]。且航空发动机研制是一项多学科、多专业相结合的大型系统工程，具有技术难度大、投入资金多、质量与可靠性要求高、协作单位多、研制风险高和管理难度大等特点。

根据《产品生命周期管理概论》作者乌尔里希·森德勒的观点，工业4.0的本质是信息物理融合系统[8]，基础支撑技术是物联网和机器通信。实施工业4.0需要创新构建数据连接，并依据产业发展及业务需求，进行生产工具的数字化实践。

1.2 国外航空发动机企业的数字化工厂创新实践

航空发动机是民用飞机上传感器数量最多的部位，随着传感器技术、数字化技术的不断发展，航空发动机可测量数据类型越来越多，数据量越来越大，为提高产品可靠性及改进产品运营服务质量，国外航空发动机行业的工业4.0实践活动主要集中在对设计、制造和售后服务环节的数据的收集、处理及使用。

罗罗公司正在步入“大数据”时代，其通过成立数字化部门，并与印度塔塔咨询服务公司建立公司级物联网平台，创建航空发动机的数字双胞胎，通过虚拟数字化模型，管理发动机生产过程，构建数字化工厂。同时在发动机运行过程中预测发动机故障发生的可能性。同时，罗罗正在建立R2数据实验室，期望通过使用人工智能、机器学习和新的分析手段来对数据进行“财富”挖掘，从而实现成本的节约[9]。

普惠近年来陆续启动了多个数字化转型项目[10]，力图通过数字化工厂改造方案，提升航空发动机月产量。其精益转型部门通过加入Forcam学院实施数字化车间管理，通过工业互联网连接惠普及其供应商，通过机床设备监控检测和数据分析，提升运营、供应链、生产、交付和质量水平。

GE致力于打造“传感器+大数据”的工业互联网模式[11]。在维持发动机可靠性的同时，提高发动机的其他性能,同时避免发动机出现突发性故障而紧急返修是GE开展数据分析的目标。Predix是GE推出的全球首个专为工业数据分析开发的云服务平台，可以与各种云环境中的应用和服务进行无缝衔接，将其用于发动机状态监控，帮助发动机监控团队捕捉更多的数据，使数据分析变得更精确、更快捷。同时针对发动机复杂的离散制造环节，GE建立了起强大的生产管理和制造执行系统解决方案，结合精益、自动化和数字化方法，将现有流程全部数字化，全面提升制造绩效。

1.3 国内航空发动机的差距分析

近30年来，我国发动机主要制造厂不断深入开展数字化技术的研究与应用，在基础支撑环境建设及数字化工具应用方面取得了不少成绩。但总体与国际先进水平相比有很大差距，尚未形成系统化的研发体系进而支撑生产力提高以满足型号工程的需求。存在新型产品研制、批量生产能力薄弱等问题，为缩短与世界发达航空发动机企业的差距，具体表现为：

1) 业务过程管理尚未全方位贯彻精益生产思想：企业管理者要全面及多要素综合思考企业的总体效益，消除八大浪费，对于各种等待、库存过高、过程质量、产品质量需要进行统筹规划与设计。

2) 需要通过工业互联网与物联网的深度应用支持多地域人、机、物资源的信息集成、共享：通过通过工业互联网和促使制造全系统及全生命周期活动中的人/组织、经营管理、技术/设备及信息流、物流、资金流、知识流、服务流的集成优化，最终形成互联化、服务化、协同化、定制化、柔性化的智能制造新模式和“泛在互联、数据驱动、共享服务、跨界融合、自主智慧、万众创新”的新业态，进而高效、优质、低耗、绿色、柔性地制造产品和服务用户,提高公司的市场竞争能力。

3) 需要进行产业链动态管理、整合与协同优化：商用飞机发动机及其相关产品的研制、技术开发与技术咨询业务都不是独立的，和其他相关的制造业都有着紧密的联系，作为具备极高附加值的产业，随着自主研发制造航空发动机的不断深入，可对产业链建设和经济拉动产生显著效应。

2 基于工业互联网的商用航空发动机数字化工厂总体架构

2.1 工业互联网的定义及特点

美国最早提出工业互联网概念，在其2013年的工业互联网战略中由GE明确了推广路径[11]。美国工业互联网的战略的技术模型是互联网技术加上大数据、云计算等，通过在制造领域的不同环节植入对应的传感器进行实时感知、收集数据，进而通过数据实现对工业环节的精确控制，通过合理调整，有效提高生产效率。其核心是通过人、机器、和数据的结合来减少成本、提高生产过程精准程度、提升生产效率和经济效益。

工业互联网的核心是网络、数据和安全：

1) 网络：主要是网络基础设施及有效的网络通讯协议，从而构建机器通信、连接方式，支撑实时感知、协同交互的生产过程执行。

2) 数据：是工业互联网的核心驱动，其包括数据采集、集成处理、建模分析、决策及反馈控制等过程。

3) 安全：是指网络和数据的安全保障，包括设备安全、网络安全、网络安全和应用安全等，实现对工业生产系统的全方位保护。

2.2 商用航空发动机数字化工厂总体架构

商用航空发动机是一种量产产品，与火箭等航天产品由独立的公司从发动机本体到电控完全租住生产不同，商用航空发动机制造企业要积极整合全球化制造资源，利用先进制造理念和集成化的网络制造环境组织业务流程，如图1所示。

图1 基于工业互联网的商用航空发动机数字化工厂总体架构

实现航空发动机产品研发设计、生产制造、市场营销、售后服务全生命周期及产业链的数据闭环应用，优化新型号发动机研制、生产及性能分析。从转变企业组织方式、经营模式和管理机制等方面入手，以市场需求为驱动，利用共享的信息、资源、技术等，互相合作，主动积极地寻找市场机遇，降低成本投入，实现区域资源协同。并逐步构建从市场服务、研发管理、生产制造、售后服务的端到端的全业务链集成管理模式。

从架构中可以明确分为研发、生产及售后几个大的环节：

1) 研发环节，针对业务流程中的涉及与仿真部分建设涉及规划与验证能力相关应用，实现基于模型的设计、仿真验证，形成可制造性涉及方案；

2) 生产环节，以结构化工艺为源头，以生产计划和工艺流程为主线，设计开发涵盖计划排产、工序任务调度管理、现场物料调度、现场工艺可视化、检测数据管理、电子看板等业务模块的智能车间集成管控平台，同时打通设备、工艺、资源等互联互通链路；

3) 售后环节，以运行过程数据为基础实施运行过程维护及备品备件支持。

通过一体化业务运营管理创新，可保证商用航空发动机研制过程流程受控、数据共享一致，实现技术状态管理的有效性。通过建立基于模型的数字化企业，具有自主判断能力，进行协同、重构及可扩展特性，可采集获取和理解外界及自身的信息，并分析判断及规划自身行为。按照产品生命全生命周期各阶段的运营管理要求，企业中各组成单位依据工作任务，通过一定规则自组织形成最佳系统结构，实现工作目标。一体化运营模式创新过程中，数据获取和有效利用是关键。

一方面在商用航空发动机制造工厂内部，通过有效的数据获取技术，广泛应用网络化建设基础，进行信息及实体互联互通，实现信息有效传递；同时，在环境允许，且数据需求精确及时要求前提下，可通过使用机器视觉，结合信号处理、仿真及多媒体技术，将可视化实景扩增至现实场景中，完善设计与制造全过程。

另一方面，对于数字化工厂运行环境，通过内外部的工业互联网建设，对航空发动机零部件供应商、航空公司、飞机制造商、适航局等各方，构建标准化、精确化的数据联通，实现业务的共赢与良性发展。

3 基于工业互联网的商用航空发动机数字化工厂搭建

3.1 商用航空发动机数字化工厂的工业互联网网络结构设计

基于工业互联网搭建商用航空发动机数字化工厂，其重点是通过网络把设备、产线、工厂、企业、供应商、客户紧密地连接在一起，将各种物通过传感器、嵌入式终端、自动控制系统、通信设施通过物联网形成智能网络，如图2所示。

图2 商用航空发动机数字化工厂工业互联网结构

工业互联网主体架构分为工业基础网络建设、工业网络设备管理、安全隔离设备等。其中工业基础网络建设、工业WIFI、各层级OT/IT网络建设负责各层次信息高效、稳定传输；工业网络设备管理负责管理网络管理体系，全面升整体网络运维管理质量，从而保障各业务系统能够顺利运行；安全隔离设备负责安全、可靠、高效的数据交换。

3.2 基于工业互联网的商用航空发动机数字化工厂数据闭环设计

基于工业互联网建设数字化工厂，并在工业互联网环境中合理部署有效的软硬件设施，其主要目标是实现产品研制过程全生命周期数据闭环。具体包括：

1) 产品研发过程数据闭环。引入用户作为利益干系人，打造多专业融合的技术研发平台，探索材料及工艺研发中重点关注的技术研发能力和前沿材料及制造技术能力，实现产品研制过程创新。对此过程中具体涉及数字样机技术、数字仿真技术、多学科综合优化技术、协同设计等设计技术，及复杂产品快速研制的综合设计技术、方法、模式，从复杂产品研制过程和技术发展趋势入手，研究形成了面向商用航空发动机的、以信息技术为支撑的创新研制技术体系。针对不同功能的需求，构建以技术预先验证理念为导向的虚拟制造平台，在虚拟环境通过数字样机再现实际制造状态和瓶颈问题，在实际制造、服役之前进行过程仿真、分析和优化，预先发现问题、分析问题、并解决问题。

2) 产品全生命周期数据闭环。构建商用航空发动机产品设计、制造和维护各阶段的统一标准，形成航空发动机行业智能制造的关键术语集合和词汇表，提供给具有供需关系的企业进行互联与集成、智能设备、智能生产线、智能工厂、智能传感器、仪器仪表、机器人、工业通信、工业物联网、信息系统、工业安全等相关标准。在统一的标准下建设基于网络安全的航空发动机产业生产环境，形成数字化终端应用标准和数据分析应用标准，实现信息流、技术流、物流、价值流的闭环。

3) 产品全生命周期组织管理数据闭环。定义开发产品的团队构架、成员职责等组织架构及工作内容，如图3所示。

图3 基于工业互联网的工厂数据闭环设计

考虑到研发过程涉及的专业面广的情况，需要构建多地域协同的研发环境，同时研发与制造过程需要有效协同的特点，在源头定义开发产品的团队构架、成员职责等组织架构，标定市场调研、商务分析、可行性论证、供应商选择、设计、制造、试验、适航认证、客户支持等工作阶段，构建支持数据有效传递与管理维护的研发模式，有效地降低了产品研发的成本，控制了产品研发的质量，并保证了产品研发进度。

目前国内商用航空发动机正在研制阶段，体系尚未建设完善，需要从这几方面入手，完善并实施数据的闭环设计体系。

3.3 商用航空发动机数字化车间的工业互联网安全设计

按照工业互联网的层次架构，进行区域分层，设置安全措施，重点对生产企业中的现场设备域、过程监控域、生产管理域、经营管理域、用户域等区域实施安全监控、事件处理和定期测评，建立起工业互联网安全服务体系，进而通过安全审计平台为各个业务环节提供安全服务。具体包括：

1) 设备安全。保障生产区域的工作站、PLC控制器、HMI等安全。

2) 网络安全。通过统一控制配置、管理安全终端，对安全设备部署安全规则，监测安全设备所在网络的通信流量与安全事件。

3) 控制安全。主要通过过程管控实现车间级现场级的安全防护。

4) 应用安全。主要是保障各种应用系统、业务管理系统、物流管理系统和人员管理系统等安全。

5) 数据安全。为实时数据库、历史数据库、生产、管理应用服务器和资产管理服务器等提供安全服务保障。

目前我国的商用航空发动机制造工厂沿用军机的研制体系及安全模式，针对不同环节设计了独立的安全方案，进行不同保密等级的规定，尚未形成整体的信息安全方案，需待从整体业务角度完善工业网络信息安全的全面设计。

4 总结

我国的商用航空发动机企业从创业伊始就要求通过数字化手段，利用工业转型升级阶段形成的新的技术、新的工具来完善企业自身能力建设。随着工业4.0的不断推进，作为数字化程度最为密集的产业，商用航空发动机行业不断通过实践践行工业互联网、智能制造关键技术，在设计阶段通过工业互联网实现多方异地协同设计，对发动机产品进行高逼真度的仿真，产生大量数据进行分析，以优化设计方案。生产制造阶段通过工业互联网将数据联网，实现工艺设计、制造、试验验证、计量及质量管理联通。售后阶段采用健康管理平台，对每一台发动机中上百个传感器的数据采集进行及时地分析，致力于提前发现发动机的异常运行事件及可能的故障，提前警示是否需要保养，保证发动机产品的安全、持续运营。

通过工业工业互联网的创新实践，实现商用航空发动机产品全生命周期数据、知识、模型的转化、积累、集成与使用，支持商用航空发动机产品及在役服务按照适航要求准确交付，助力早日为国产民用大飞机配上中国心。