新一代移动通信网络技术在航空工业园的应用

(中国商飞上海飞机制造有限公司航空技术研究所智能工厂技术研究部，上海 201324)

0 引言

无线通信技术惊人的展现了科技创新的迅猛发展。从1991年第二代移动通信系统(2G)登台开始至2001年第三代移动通信系统(3G)首次使用，无线移动网络从纯粹的电话系统转变为能够传输大量多媒体内容的网络[1]。4G无线网络系统给所有使用设备1个IP，实现了先进的国际无线通信(IMT-A)。

4G网络已经发展成熟并应用于许多国家，但是随着无线移动设备或机械设备的发展，需要更大量的数据传输，更多的数据容量，更高的频谱效率等仍然有许多技术无法通过4G实现，网络发展的不够迅速反过来也限制了设备的更新。新一代移动通信网络在2012年开始实现，并迅速成为全球经济发展的助力[2]。虽然新一代移动通信网络属于通信领域，但智能制造依赖于高速运营的网络系统。高效的网络能够极大地促进网络程序的发展速度，并应用于工业物联网领域。Yeping Chu等人进行了基于新一代移动通信网络在工业物联网中的研究分析新一代移动通信网络在工业物联网中的使用状况以及如何提高该网络在工业物联网中的使用质量[3]。Jeehyeong Kim等人提出了基于新一代移动通信网络的信息物理系统的集成统一架构的服务器，提高制造业的信息传递效率[4]。越来越多的专家学者在新一代移动通信网络的应用中进行研究，但新一代移动通信网络与航空制造业的结合仍处于空白。

本文结合航空制造业的特点，对新一代移动通信网络在航空智能制造业的应用做了详尽的研究。首先根据航空智能制造产业的特点对新一代移动通信网络的应用进行规划，形成规划思路。在规划思路的基础上建设航空智能制造工业园区，形成总体框架和具体的实施方案，运行该方案达到新一代移动通信网络在航空制造工业园区的具体应用。

1 新一代移动通信网络在航空智能制造工业园区的规划思路

航空工业园区主要制造飞机及其相关零部件，生产现场主要考虑产品、设备、工装、工具、物料和人员六方面，通过对这6方面的数据采集，及时准确反映生产状态的变化，使设计、工艺、工人能够及时传递工作内容、明确工作任务。采集的数据在网络的承载下，传递给以MES为代表的制造管理系统，为正确应对生产过程中的各种变动提供依据，驱动制造过程按照既定的规则运行。基于对这些数据的加工、处理、分析和提炼，能够改善产品设计、优化生产过程，从而改进生产质量、提高生产效率，为企业创造价值。

因此将数据传输作为新一代移动通信网络航空智能制造工业园区建立的出发点，充分利用该网络本身具有高带宽、高速度、高可靠、低时延的特点，采集各方面的数据，建立满足制造要求的传输通道，为目前制造提供良好的数据传递。

新一代移动通信网络在航空智能制造工业园区建设的主体思路如图1所示。

图1 主体思路网络示意图

将产品、设备、工装、物料、工具和人员6大类数据通过新一代移动通信网络进行相互关联，达到生产数据的完整采集和及时传递，实现新一代移动通信网络工业园区的建设。

2 新一代移动通信网络智能制造在航空工业园区的建设

2.1 总体框架

在总体思路的基础上，规划新一代移动通信网络在航空工业园区的建设，提出核心内容组成，以及核心内容模块间的主要联系，新一代移动通信网络在航空工业园区建设的总体框架与核心内容如图2所示。

图2 总体框架与核心内容网络示意图

如图2所示，将航空制造业的数据整体分成3个层，每个层又分成信息空间和物理空间。

最底层由整个工业园区产生的生产数据构成，将工厂、工艺、产品在信息空间分别用数字定义，然后在物理空间呈现出物料、工装、工具、人员、设备和产品的互联，形成飞机各零部件，与信息空间的数据相呼应。底层的数据采集集成得到中间层，中间层的信息空间是以MES为核心的制造综合系统。通过数据传输分析满足资源优化调度、生产动态调整要求，形成实现高效、均衡生产的核心驱动力，随着数据的丰富和管理要求的拓展，向制造运营管理系统发展，为新一代移动通信网络通道提高业务信息。相应的物理空间建设新一代移动通信网络，覆盖了增强型移动宽带(EMBB)、大规模机器类通信(mMTC)、超高可靠低延时通信(uRLLC)三类应用场景，建立生产现场的数据驱动的快速通道，形成数据驱动制造的基础支撑。当第二层的数据积累达到一定程度，则可由最上层的信息空间采用大数据、云平台、信息物理融合等平台系统进行分析和决策，提供至该层物理空间进行智能执行，实现支持生产现场的AR、机器视觉、机器人等智能装备的作用发挥，创造实物价值。

在三个层的基础上，增加标准规范、信息安全等必要的辅助内容，建立总体框架，如图3所示。

图3 总体框架示意图

总体框架分为六部分。

2.1.1 物联网与传感器

此部分主要是通过物联网与传感器，采集设备、工装、工具、物料、产品、人等现场数据，形成对生产现场与制造过程的全面感知，是实现智能化的算据。对应核心内容数字化，实现生产过程的数据呈现。

2.1.2 信息高速公路

此部分主要由高可靠低延时高带宽通信的以及私有云形成的数据快速传输通道，是物理世界和信息世界映射的桥梁。对应核心内容网络化圈层的新一代移动通信网络，保证了海量数据的高效、安全传递。

2.1.3 工业互联网平台

工业互联网平台，包括工业物联网平台、工业大数据平台、工业知识库平台、MES、VFK、ERP、PLM等基于互联网的信息系统，形成实现智能化的算力。对应了核心内容数字化圈层的数字定义和网络化圈层的扩展MES，是智能决策的数据来源以及综合运营管控的核心。

2.1.4 工业APP

工业APP是将技术、知识、算法等进行规则化、软件化等处理形成的应用系统，是数字化转型智能制造的使能要素，主要包括人机交互、数字孪生、AR/VR等智能应用，是实现智能化的各类智能算法。对应了核心内容智能化圈层的智能决策和智能执行，是智能制造的具体体现。

2.1.5 工业信息安全

工业信息安全包括终端安全、私有云安全、数据备份安全等，是整个智能工厂运行的基本保障。

2.1.6 智能制造标准

智能制造标准建设包括基础共性标准、关键技术标准、产业应用标准等，标准化建设对整体建设起到支撑作用，为产业高质量发展保驾护航。

2.2 基于新一代移动通信网络的智能制造方案的实施

在总体框架的基础上，进行智能制造实施方案的设计，明确具体建设项目和建设层次，使建设实施具有更加清晰的可操作性，实施方案如图 4所示。

图4 智能制造实施方案

从图中可以看到，根据总体框架的部署，实施方案分为平台层、网络层和现场层。平台层通过大数据私有云平台、信息物理融合平台、企业综合运营平台和应用服务平台，基于计算机仿真、虚实融合控制技术、云计算技术等支持企业制造生产过程的全面智能化决策。网络层由新一代移动通信网络和以MES为核心的制造过程综合管控系统组成。基于新一代移动通信网络工业无线网络构成高速、高宽带、高可靠、低延时的数据通道，形成数据信息的便利、高效载体，实现对生产任务的科学安排、制造资源的全面管理、制造数据的及时采集和制造过程的全方位监控，构成数据传递通道和承载内容的集成。现场层包括各车间现场支持作业操作、检验测试、物流仓储等业务内容的智能装备和设施，根据平台层下发的产品、工艺等生产要素，完成作业执行、物料流转、检验测试、数据采集等内容，并向网络层反馈生产进度、检验结果、质量状态等数据，实现对生产要求的精准执行以及对现场状态的全面感知。

在上述方案的支持下，面向飞机生产制造，形成总体运行流程，如图 5所示。

图5 飞机智能制造总体运行流程

客户通过飞机选配和个性化定制，形成订单，制造公司接到订单后，一方面进行并行设计、工艺仿真等为生产执行提供依据；另一方面通过大数据、云平台等基于已有大量生产数据的深入分析，对原材料、物流、加工、装配等生产流程进行科学的整体规划，形成生产计划结合制造装配指令，各生产执行单位完成零部件加工、部组件装配、总装集成、检测测试、产品运转等作业，并对全过程质量给予严格控制，对各环节数据进行全面采集和实时分析，最终形成合格产品交付给客户，并将采集的各类数据予以保存、分类、分析、处理，形成指导后续产品生产和系统优化的知识，构成制造能力不断提升、推动企业健康发展的智慧。

3 结语

依托新一代移动通信网络高带宽、快速度、低时延、高可靠、海量介入能力等众多特点，融合新一代信息技术，建立生产现场的数据驱动的快速通道，形成数据驱动制造的基础支撑，推动新技术发挥的作用，打造万物互联的全连接生产工厂。

整个制造环境内通过布控新一代移动通信网络替代传统有线连接、特别是设备间的有线连接，采用统一的标准进行数据交换，从而替代传统 IT与OT两级网络环境，使工业网络环境与网络环境形成统一的整体，从而实现信息化与工业化的高度融合。

然而，新一代移动通信网络在航空智能制造工业园区的应用还处于初步阶段，仍需要进一步研究新一代移动通信网络在航空工业园区的应用，以及发展到智能制造的其他制造领域。