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宁振波:工业互联网在航空工业的探索

2018-03-03 20:43:24 来源:91代工网_机加工外协订单 浏览:298
内容提要:工业互联网是设备和物料的互联互通。但是我们看看设备,现在德国的自动化设备和日本的自动化设备在全球处于领先地位。各类设备的总线有一百三十多种。
工业互联网平台宣讲团活动继续开讲,由中航工业集团信息技术中心首席顾问、走向智能研究院特约研究员宁振波为大家分享“工业互联网在航空工业的探索”。
  以下为宁振波首席宣讲图文:
  大家好,我是中国航空工业集团信息技术中心宁振波。在前两讲里面,中国信息通信研究院总工程师余晓晖和信通院两化所副所长朱敏,分别给大家介绍了工业互联网发展背景、我国工业互联网发展态势与展望,解读了工业互联网平台白皮书。今天,我给大家汇报一下工业互联网在航空工业的探索和应用,请大家多多提意见和建议,让我们共同提升对工业互联网的认识,加深对工业互联网平台的理解,如果能达到这个目的,今天与大家的分享就非常有意义了。感谢大家!
  习近平总书记在十九大报告中提出“加快建设制造强国,加快发展先进制造业”。过去多年,我国的工业发展非常快,三十多年的发展速度是历史上从来没有过,但同时资源浪费、环境污染也非常厉害,因此习总书记讲“我们既要绿水青山,也要金山银山”。但是大家思考,要绿水青山与要金山银山,看上去这是矛盾的,我们如何破解这个难题?希望今天我的一点思考能给各位带来一些启发。
  我们首先来看一看,未来的产品生产模式是怎样的?过去,福特汽车单件大批量生产就是个典型。据一汽的专家讲,二十世纪二十年代,一款福特T型车就只有一个颜色。同样一种T型车,生产上千万辆。就在这种情况下,当时每一个美国人都能等待,都以能买到T型车为荣。这就是单件大批量。后来随着社会的发展、工业水平的提高,我们现在的每辆汽车都有很多种样式,包括配置、颜色、内部的装饰,完全不一样,这就是多件小批量。现在人们的生活水平越来越高,对产品的需求也越来越多,因此出现了个性化定制。个性化定制实现起来非常困难,我们一定要正确理解。
  过去也有过个性化定制。比如说英国的劳斯莱斯汽车,他是为英国皇家成员个性化定制的。因为每辆外形不一样,装饰不一样,配置不一样,所以成本极高。对汽车而言,生产不同的汽车,要用采用不同的模具,仅仅模具就价值上千万,因此过去的个性化定制成本奇高。
  我个人认为,今后的生产方式是单件大批量、多件小批量和个性化定制并存。最难解决的是个性化定制,个性化定制问题解决了,多件小批量和单件大批量都容易了。如何解决个性化定制呢?用软件来控制数据的自动流动,解决个性化定制的复杂产品的不确定性,这就是智能制造!
  来的生产方式是什么?我个人认为十五年后的先进制造业一定是时空人机一体化。就是生产方式随时、随地、不随人。随时,就什么时间都可以造,随地就是,不论是在月球上、火星上、宇宙飞船上或太空站,还是水面的舰艇、水下的潜艇上,都能够随时制造。当然,不随人就是不随个人的技术水平高低影响到产品的质量好坏。
  我们老讲云、大、移、物、智,实际上我们搞工业和制造业最重要的就是产品研发体系,从设计工艺、制造检测、试验运行、服务到维护维修退役,整个过程有大量的数据要采集,这就是工业大数据。采集数据需要传感器,这就是工业互联网和物联网要做的事情。工业互联网设备联网是非常困难,全世界的各种设备和装备,据了解光总线都有一百三十多种,因此各个设备的连接是非常困难的。通过工业互联网和物联网,就可以将整个产品研发过程、运行过程的数据采集、输送到云平台,这个云平台就相当于人的大脑。
  在大脑里把这些数据通过计算分析仿真和处理,来形成新的智能制造解决方案,反过来支撑整个产品的研制过程,这就是云、大、移、物、智的关系。
  实际上,《中国制造2025》讲得非常清楚,就是要以两化融合为主线,以智能制造为突破口,这个基础就是便宜的传感器,可以采集到大量有用的数据。数据是数字化的数据,通过工业互联网连接起来传递到后台用,电脑辅助人的大脑来实现智能化。
  在工业4.0里面讲到,建立一个CPS平台,CPS的核心就是工业互联网,我们讲虚实精确映射、赛博控制物理。这个四十亿是指现在全球上网的人口数量,根据几大国际咨询公司的报告,今后到2020年全球联网的设备就有四百亿台。四百亿台设备,需要靠工业互联网。没有工业互联网,就没有智能制造。
  《中国制造2025》源于十八大,习主席报告中提到,要搞中国制造强国战略研究。2013年的1月24日中国工程院周济院长主持召开了中国制造强国战略研究的第一次工作会议。演进到了2015年,国务院出台了《中国制造2025》的文件。为了不断的完善中国制造2025,在2016年,国务院又出台了关于《深化制造业与互联网融合发展的指导意见》。
  我们再来看一看关于网络的几个名词术语。
  国际互联网:大家都知道利用国际互联网,我们可以通过电脑或者手机上网沟通信息,这是大家天天都在使用的。
  工业互联网:这是美国GE公司最先提出的理念。其核心是互联网和机器设备的结合,利用对机器运转产生的大数据分析,提升机器的运转效率,减少停机时间和计划外故障,连接设备、物料。
  产业互联网:我个人认为是个伪概念。第一产业是农业,第二产业是工业,第三产业是服务业。从经济学来看,产业互联网中“产业”一词本身就是意义非常宽泛。从技术层面看,也存在逻辑矛盾。
  物联网:物联网早期叫传感网,是通过各类射频识别(RFID)、红外感应器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络概念。
  这张图片是摘自《工业互联网平台白皮书》,描绘了工业互联网平台的内涵和功能架构。前面两期宣讲中,信通院余晓晖总工程师和朱敏副所长已经有了完善的描述,我这里不再多讲。我们一定要重视工业互联网平台的功能架构,包含有四个核心能力:第一是工业数据的采集能力,第二是海量数据处理能力,第三是工业知识的沉淀能力,第四是工业应用的创新能力,因此工业互联网平台既是工业应用创新的平台,也是新型工业应用运行的载体。
  《工业互联网平台白皮书》提到工业互联网平台应用的四大场景:从生产现场到企业工厂内部,再到企业对外的协同。它包含四个场景,第一种场景是面向工业现场的生产过程优化,场景二是面向企业运营的管理决策优化,第三是面向社会化生产的资源优化配置与协同。场景四就是面向产品全生命周期的管理与服务优化。
  第二部分讲互联网+先进制造业,就是要大力发展工业互联网。
  大家知道,2017年11月,国务院出台了《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,从国家层面提出了发展工业互联网的国家战略。
  前面提到,工业互联网是智能制造的基础,工信部和国务院非常重视这项工作。习主席在十九大报告中讲,要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。2017年10月30日,国务院常务会议审议通过了《深化“互联网+”与先进制造业发展工业互联网的指导意见》。11月3号,国务院新闻办公室举行国务院政策例行吹风会,工信部陈部长,信息通信管理韩夏局长,信软司谢少锋司长出席并回答了记者提问。
  第三部分就是工业互联网和智能制造的关系
  在工业4.0中可以明确看出,新工业革命的本质就是CPS,我们翻译为信息物理系统。实际上CPS这个概念最早由美国人发明,当时并没有考虑这个赛博是怎么来的。实际上,赛博是由人创造出来的。因此,我们《三体智能革命》写作组,在2016年写了一本书就叫《三体智能革命》,它的核心是三体就是指物理实体、意识人体和数字虚体。
  首先,物理实体是由宇宙形成的,物理实体在演进的过程中演变出植物和动物。动物的最高形态是有意识的、有智能的意识人体。人类创造了数学物理和化学方法,发明了电脑,开发出软件。人就可以把物理实体建模形成数字虚体。
  数字虚体有两个作用。第一个作用就把数字虚体嵌入到物理实体中,物理实体就具有智能了。实际上智能制造有一个重要的概念就是生产型企业转型为生产服务型企业,生产服务型企业的重要标志,就是产品必须智能化,否则难以实现生产服务。
  第二,有了数字虚体,我们在产品设计、分析工艺和制造过程中先建立数字虚体,也就是我们通常所说建立数字模型,有了数字模型,实物生产、工艺制造就变简单了。因此,可以说有了数字虚体,我们的世界就会光明了。
  实际上智能制造的基础是数字化,不是人工智能。数字化的核心是建模。我们智能的人,用智能的工具,用数学建模方法,把物理实体变成数字虚体的过程就是建模的过程,这就是智能制造的核心技术。
  因此,智能制造难点是建模,建好的模型能不能用,好不好用,我们必须用仿真技术来分析验证。所以,焦点是仿真。这些工作,都需要凝聚了大量工业技术知识的工业软件,才能够高质量的完成。当然,没有工业互联网这个基础,就会形成我们所熟知的大量的信息孤岛,无法实现高效的协同。
  提一件让我非常感动的事,2017年5月17号,中国工程院周济院长在中国工程院专门召开了《三体智能革命》座谈会,研究如何用三体智能理论支撑中国制造2025,我们写作组非常感动,感谢周院长。
  第四部分,我就讲一下工业互联网在航空领域的探索。
  这里我画了一棵大树。这棵大树的树根是机械结构,我们现在的复杂产品不仅仅是机械能够解决的,还需要包含电、光、磁、声、流体、热等等多个专业知识,其中电的发展是最有意思,人类发明电是作为发电机和电动机使用,是作为动力使用的。
  但是在使用的过程中电分成了强电和弱电,并出现了电子学。电子学技术的深入应用和研究出现了数字电路和模拟电路;数字电路的发展诞生了电子计算机;电子计算机的深入应用,诞生了软件工程,这是人类的一次重大进步。
  有了软件、软件开发的思想,结合我们各个专业如机械、电子、光学、声学、磁学、流体、核工业等等,我们就可以开发出大量的工业软件。反过来这些工业软件应用在工程中可以帮助人们解决大量问题,这就是智能制造的基础。
  我们说智能制造难点是建模型,焦点在仿真,工业软件应用非常重要。没有作为基础的工业互联网,大量工业软件也就没有充分的用武之地。
  中国工程院借鉴了《三体智能革命》的理论模型,周济院长去年2017年12月7日在南京世界智能制造大会上首次讲到HCPS(人-信息-物理系统)。传统制造系统是人直接和物理空间打交道。第一代和第二代智能制造系统,正是有了计算机和初步的软件就可以将一部分的人的脑力劳动,通过电脑来实现智能制造。这个过程的基础就是数字化。
  航空工业中数字化技术源于1991年的波音777,它采用了八台大型IBM主机,用了三千二百台UNIX工作站,用了两万台PC机,但是没有联网。CAD工作站是联网的。作为三维设计使用,也用了八百个互不相关的软件,形成了十四个相互不关联的物料表(BOM)。
  我们工业人都知道一个产品只能有一个物料表。因为软件不关联,这十四个相互不关联的物料表就带来了很多麻烦。
  波音777由于采用了全三维的数字化设计技术,第一架波音777客机就优于造了四百架的747。从设计效率上看,波音777的研制周期只用了四年半,比起传统研制的波音767十二年研制周期,节约了七年半的时间。由于质量好周期短,因此波音777成了波音历史上最赚钱的飞机。
  波音777成功之处很清楚,但是也出了很多问题。由于一天几万人在计算机上的工作形成天量的数据,传统的文件管理系统管不了天量数据,如何处理?波音启动了DCAC/MRM计划,这个计划就是PDM产品数据管理和ERP企业资源计划的。深入实施这个计划相当困难,波音最后花了十亿美金才解决问题,差不多用了十年时间。
  第二个问题就是三维设计、二维发图的问题。由于过去三维模型上表达不了工艺制造和检测的数据。因此,三维产品设计好之后必须生成二维图纸才能指导生产。实际上三维模型转变为二维图纸产生大量的工作量,也容易出现大量的错误。因此1996年波音联合了世界上十六家制造业公司,推动美国机械工程师协会 (ASME)成立了工作组,花了七年时间建立了MBD的标准,也就是基于模型的定义,就是在三维模型上表达工艺制造材料和检测的数据。
  换句话说,三维模型上表达了所有工艺制造检测的数据了。就意味着可以不要二维图纸工艺卡片和资质的技术文档。因此,787研制就真正的实现了无纸化设计。2010年之后,中国航空工业所有的新研制的飞机,都是采用这个技术。这个技术比较困难,只要有决心,就能完成。
  传统制造业,我们可以分为三大技术:设计、制造和试验。现在我们有了赛博空间,有了数字虚体,就可以在赛博空间中完成产品的设计工艺、制造和试验,全部都可以虚拟完成。在这个过程中不断发现设计问题、工艺问题、制造问题、试验问题,发现问题后通过直接调整虚拟的模型。直到没有问题后,然后映射到生产过程中和试验过程中去。
  过去是手工生产线,现在要建成数字化的,未来要建成智能化的生产线。试验过程过去是每件必试,以后我们就可以做验证性的试验,这样就会大量的减少试验,实现跨越,提高能力和水平。
  在波音787项目中,波音高级副总裁迈克拜尔提到,“在767项目中,我们曾对五十多种不同的机翼配置进行过风洞测试。而在787项目中,只测试了十多种。”只测试过的十多种风洞试验的787质量更好的原因,就是因为在数字化的飞机外形的基础上,完成了大量的CFD计算流体力学计算,减少了风洞吹风的次数。
  这张图是飞豹外形,是我们中国第一架数字样机。飞豹有了全数字化的外形,可以减少吹风次数约百分之六十,最终使得其改进型飞机两年半就可以上天。
  风洞试验成本非常高。我们以前讲风洞一响,黄金万两。造一个4mx4mx7m 的风洞实验室需要二十多亿人民币,做一次风洞试验需要成本几百万。因此采用数字化的方法来解决实验问题,既可以提高质量又可以大量的节约经费。
  C919飞机于2017年5月5日首飞,最早用了五百副翼型,如果没有CFD计算方法,是不可能做出来的。从五百副翼型优化到了八副,然后开始做模型,进入全球各地风洞做吹风试验,然后优化到四副再到一副。民用飞机是要卖到全世界去,就要取得适航证。因此风洞吹风的过程就是让全世界认可这个飞机的气动布局的过程,也是提前做飞机的市场销售工作了。
  这个是C919的分工情况,这个全球布局的发动机,机电和航电采取全球供应,飞机的全机结构是全国供应,分全国范围内开展协同,因此民用飞机是个全球大协同的产物。
  过去产品研制都有里程碑计划,分为四个阶段,第一个是方案阶段,第二个是工程研制阶段,第三个是批产阶段,第四个试运行阶段。当然智能化可以在各个阶段分步实现解决问题。过去每个阶段结束都要通过评审认证才可以进入下一个阶段。
  未来在赛博空间中,我们沿着产品研发的这四个阶段会打破吗?如果不变,在每个阶段中的智能要素是什么?如果打破了这四个阶段,就变成一个闭环了,智能要求又是什么,我们必须思考这个问题。
  我们再看一看新技术、新产品、新材料、新工艺的出现对我们的影响。未来的人机分工,人和机器的分工是什么样的?机器不仅仅是加工设备,还有电脑设备。这个变化是持续演进的。第二个是虚实分工,未来的制造哪些在虚拟环境中完成,哪些在实体空间中完成,这个分工也是动态演进的。
  第三个是材料带来的分工,黑是复合材料,白是金属材料。为了环保、为了稳固、为了资源,复合材料可能会越来越的使用。这个分工也是动态的演进。第四个是加减分工,加的是增材制造,比如3d打印,减的是减材制造就是原先的传统制造。
  最后一个是制服分工,这是生产服务模式的分工,生产型企业转型为生产服务型企业,这个分工也得动态演进的,我们不能只看到生产型企业转型为生产服务型企业,也有服务型企业向前延伸转型为生产服务型企业,这个融合会越来越深入。
  我们为了资源为了环境我们思考一下未来产品的再生产。我们都知道创新是从设计从研发开始,过去讲面向制造的设计DFM,面向装配的设计,DFA,以后我们提一个概念叫面向循环的设计DFR。
  实际上数字化产品研制的绿色生产循环启动,一定要把产品实现循环再生产,这才是智能制造未来的重要发展方向,大家一起来思考这个问题,解决这个问题。
  我们要实现智能制造基础是建模型,MBSE就是基于模型的系统工程。MC就是基于模型的仿真工程。这些东西是非常复杂的。要融入到整个工业体系中、产品体系中、管理体系中、服务体系中难度非常大,我们需要做很多的工作才可以做到。
  最后,习主席说,幸福都是奋斗出来的,让我们共同努力,为中国的制造业打下良好的基础,屹立世界民族之林。
  谢谢大家!
  【网友互动环节】
  【群友提问】:您提到德国工业4.0的核心理念是建立一个CPS平台,CPS的核心就是工业互联网。这是否说明,工业4.0的愿景目标与工业互联网的愿景目标是高度一致的,如果有区别,主要区别是什么。
  【宁振波】:这个问题提得非常好。为什么说CPS的核心是工业互联网?因为CPS叫虚实精确映射、赛博控制物理。大家思考,如果所有的设备和物料都没有通过工业互联网连接起来,如何把数据反馈到赛博空间分析计算,去控制物理空间?因此,cps的核心是工业互联网, 这实际上也就说清楚了工业4.0和工业互联网的关系。德国的工业4.0提出建立一个系统,这个系统就是CPS系统。大家都知道,德国的制造业非常强势,但是在互联网领域,还是美国居于主导地位。因此,德国希望通过建立完整的虚拟模型和实体制造业一一精确映射,来加强新一轮工业革命的话语权。美国拥有庞大的国际互联网体系,希望利用互联网上所具有的优势,把世界上所有的设备和物料连接起来,靠工业互联网来掌控实体经济的设备和物料的状态和运行,实际上就控制了世界,所以说美国提出工业互联网。
  【群友提问】:你认为智能制造的核心技术是建模,就是把物理实体变成数字虚体的过程。那么工业互联网平台建设的核心技术主要是什么,而平台的应用者、开发者主要是将哪些核心技术转化为商业价值。
  【宁振波】:工业互联网是设备和物料的互联互通。但是我们看看设备,现在德国的自动化设备和日本的自动化设备在全球处于领先地位。各类设备的总线有一百三十多种。大家试想把设备总线连接起来,而且成本极其低廉,就非常困难。因此,美国就想把全球的工业互联网平台统一到他的平台下控制所有设备。因此第一个核心技术就是,如何用工业互联网把世界上所有的设备连接起来,而且成本要低廉。第二个核心技术就是安全问题。设备的安全和我们普通的PC机、手机的安全是完全不一样的。大家都知道伊朗核电站的铀离心机,因为被植入了病毒,导致全部瘫痪。设备的安全非常重要,这就是工业互联的安全技术。这两项技术是我认为是工业互联网的核心技术。
  【群友提问】:您介绍了中外航空工业基于模型实现了软件定义的制造,这个方向的创新探索是非常了不起的。目前有关企业已经将这一成果平台化了么。如何让更多的工业行业也能享受到先进制造业的先进技术平台的能力服务。
  【宁振波】:航空工业在各类飞机的研制中形成了一个完整的工业互联网平台,支撑全部航空产品的研制。航空产品是一个非常复杂的产品,是世界上最复杂的产品之一。因此它的平台也非常复杂。要通过各类裁减工作,分门别类才可以用于适用于一般产品和民用产品的多个工业互联网技术平台。实际上,国际互联网是一个平台,但是我认为工业互联网一定是多个平台。实际上,美国GE公司的案例就很清楚,希望通过他的平台来作为统一的工业互联网平台,但是美国GE的产品太复杂了,有航空发动机、医疗设备,还有各类高端的发电设备等等。这些复杂产品的技术平台,直接应用于一般产品和民用产品上,是非常困难的,而且价格也会非常昂贵。另外,GE的案例,只适合用于产品交付后的运行维护,故障诊断。我分析GE不可能把他的研发体系,制造体系开放放在他的工业互联网上,因为研发、工艺和制造体系这是他的核心竞争力。

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