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航空制造行业工业互联网标识的应用

2019/11/19 阅读:

关键词:工业互联网;标识解析;航空制造;应用场景

引言

工业互联网的基础是网络体系,网络互联实现信息互通,但由于种种原因,“信息孤岛”现象在企业内部、企业之间大量存在。标识解析是网络体系中承上启下的部分,是工业互联网“基础中的基础”,可以突破不同领域间的信息壁垒,解决“信息孤岛”问题,标识解析是支持工业互联网智能化生产、网络化协同、服务化延伸、个性化定制等典型场景的关键技术。随着工业互联网的发展,万物互联的时代会真正到来,从而将人类的生产和生活带入数字世界,而标识解析体系的主要职能就是管理数字世界中的对象身份并促进彼此互联。在工业互联网的世界中,实体对象是否拥有标识,关系着它在数字空间中是否拥有被认可的身份,是否能被感知到,以此为基础,实体对象才能通过标识彼此连接,因此,标识解析体系对于工业互联网世界的支持作用是非常基础性的。我国正积极推进建设工业互联网标识解析体系,2017年11月,国务院发布《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》专门提出,到2020年,要“初步构建工业互联网标识解析体系”,2018年5月,工信部发布《工业互联网发展行动计划(2018-2020年)》,进一步对工业互联网标识解析体系建设的目标和任务做了分解,在各地发布的工业互联网发展行动计划中,也都对工业互联网标识解析体系进行了任务部署。当前,工信部也在通过专项的形式支持工业互联网标识解析相关项目建设、标准研制和集成应用。

1航空制造业目前标识解析现状

由于航空航天产业的产业链条较长,区域跨度大、产业协同性强,如制造一架飞机所需要的零部件需要百万级别,需要全球数万家企业提供配套,协调工作量巨大,对于统一标识的需求愈发强烈。目前国内外存在多种标识编码及标识解析技术,但在航空制造行业内尚未形成成熟且可大规模应用的标识解析体系。近年来,行业内很多大型航空制造集团都开展了统一编码的相关工作,但标准不一,标识解析标准不规范、不完整给整个行业带来了很大困扰,甚至诸多应用过程变得更繁琐,存在航空产品不同型号间重复编码、设计和制造单位编码标识不兼容、同型号制造协同中编码标识不统一、总装厂和供应商的编码标识矛盾以及产品研制与交付使用的编码标识矛盾等问题。

2工业互联网标识解析建设方案

标识解析系统的建设主要包括5个部分,其为标识注册系统建设、标识解析系统建设、业务管理系统建设、数据管理系统建设和安全保障系统建设。

2.1标识注册系统建设

研究标识注册技术,制定标识注册服务规范和标识解析节点运行要求,使得注册系统可通过申请标识编码,将标识与产品信息(或者存储产品信息的位置)这一关联记录存储在特定地点。标识注册系统的建设应满足以下要求:支持Web客户端和移动客户端用户注册和企业标识信息注册、工业互联网标识查询、第三方账号登录等功能;支持主流的Web客户端(IE、firefox和chrome等)调用显示;支持身份验证和权限控制。

2.2标识解析系统建设

研究分布式系统架构技术,建设标识解析系统,使其支持通过中间件或相关技术进行标识解析数据。

2.3业务管理系统建设

建设业务管理系统,满足以下要求:可为行业内各企业提供业务供求信息发布、业务推荐、业务洽谈以及交易服务;可围绕交易过程中形成的服务信息、客户资料、电子合同等业务资料;可提供相应的供应链管理、客户管理管理、电子文档管理等软件租用业务。

2.4数据管理系统建设

数据管理系统建设,满足以下要求:可对标识的分配信息和使用信息进行查询与检索;可对标识的统计与分析;可对标识映射信息和关联信息的查询。

2.5安全保障系统建设

参照国家信息安全等级保护要求,对安全保障系统进行建设,其需能支撑标识解析节点的安全稳定运行;可通过安全基础防护实现标识系统的安全保障;对物理、网络、系统、应用、数据及用户安全实现可管可控。

3基于工业互联网标识解析体系的应用场景

3.1航空产品全生命周期数据管理平台

在航空领域,飞机设计制造一直都是一项非常复杂的工程,它是由多团队、多领域、多厂所共同参与开发,涉及大量的信息系统,并且需要在严格的流程管理控制下实现这些信息系统之间交互和协作,以支持并行、协同的飞机设计与制造。波音DCAC/MRM项目1994年调查表明,波音在其飞机研制过程中,共涉及到800多个子系统、14种BOM表和30多种变更管理。如此众多的系统、流程以及异构的数据实现集成需要一个统一的管理平台和集成环境。而航空产品全生命周期的数据管理平台的出现在一定程度上解决了复杂飞机研制过程中信息与流程的集成与管理,支持协同、并行的飞机产品研制过程。按照长期的经验和实践积累,飞机产品生命周期数据管理主要涉及到产品定义、生产制造、试验试飞、客户服务等方面,图1阐述了产品生命周期数据管理在整个信息化系统架构中的位置。飞机研制是一个非常复杂的系统工程,按照项目研制统一过程定义,分成概念开发阶段、立项论证阶段、可行性论证阶段、初步设计阶段、详细设计阶段、全面试制阶段、试飞取证阶段、产品与服务验收阶段、客改货阶段和残值利用阶段。它是多个专业子系统综合和协调的结果。各子系统之间存在着复杂的信息传递和依赖关系。而全生命周期数据管理平台的核心就是在于支持这些子系统之间信息的交互和连接,使它们可以集成和协调起来共同完成飞机的研制工作。在对飞机研制过程中不同阶段分析的基础上,我们进一步总结得到飞机不同研制阶段之间,以及各阶段内部不同活动和系统之间的信息传递情况。如图2所示,根据对航空产品研制过程中信息交互情况的分析,建立航空产品全生命周期模型,通过对航空产品全生命周期数据的综合分析,如何支持飞机产品全生命周期中不同阶段和不同领域之间信息交互和共享,以及如何保证整个飞机研制过程的协调进行就是数据管理平台所要完成的工作。在传统的产品研制模式中,产品开发往往流于各自为政,无法达成信息即时流动的目标,而使产品研制效率无法提升。并行工程在研制模式上将串行的产品开发模型转变为并行的产品开发,在一定程度上解决了开发效率问题。然而,并行工程只是一种理念和方法,没有从根本上解决不同生命周期阶段和不同信息化孤岛之间的信息交互和协同问题。目前的CAX、ERP、PDM、SCM、CRM、eBusiness等系统,主要是针对产品生命周期中某些阶段的解决方案,难以支持企业作为一个整体来获得更高的效率、取得更多的创新以及满足客户的特殊需求。面对这些挑战,企业迫切需要一种将这些单独的系统结合到一起的整体化企业解决方案,为上述分立的系统提供统一的支撑平台,打破以往的研制模式,建立以信息为核心的研制流程。经过多年信息化建设,中国商飞已经建成100余项各类应用系统,信息化在支撑型号研制、保障能力建设、夯实IT基础三条主线上取得了显著效果,建立了包括CPC(PLMV1.0)、IDEAL(PLMV2.0)以及VPM1.5等产品生命周期数据管理平台,产品定义数据规范性、准确性得到提升,有力支撑了型号研制工作的开展。随着工业互联网的发展,以及大飞机全球研制的特性,为打破信息壁垒,使得产品设计、开发、制造、营销,以及售后服务等信息能更为高效、快速的流动,并且对产品开发各阶段不同信息能有效的加以管理,因此,亟需建立基于工业互联网的标识解析体系。在此标识解析体系下,增强了全生命周期数据管理平台的管理性能,进而使得产品开发时间能大幅缩短,节省可观的资源,企业也能更紧密的结合上、中、下游各环节的研制体系,缩短反应时间,并有效控管生产资源,进而强化市场竞争力。可制造性设计[6-7](DesignforManufacturing,DFM),它主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系,并把它用于产品设计中,以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化,使之更规范,并能进一步降低成本,缩短生产时间,提高产品可制造性、质量及工作效率。

3.2基于数据关联的航空产品设计模型

航空产品设计模型数据是企业管理信息系统的重要组成部分,基于全生命周期数据关联的航空产品设计模型是产品设计数字化的基础,是实现产品信息集成与管理的关键。通常在产品设计过程中,一般只进行产品装配工艺和零件工艺设计,很少考虑产品售后服务方面,诸如使用保养、故障诊断、拆卸维修、回收工艺等内容。实际上,一个产品从需求调研、设计成功到设计工艺、工装,从加工制造到售后服务,其间要涉及到很多产品设计与管理方面的工作。解决工艺问题的焦点是放在如何快速生成各种各样的工艺卡片和工艺文件,使工艺人员从繁重的工艺文件编制劳动中得到解放。但是工艺问题并不是仅仅局限于工艺文件的编制,而是要实现工艺设计全过程的管理、数据分析和工艺流程,更重要的是为企业生产提供快速、准确的数据源。并行工程要求在产品设计阶段并行考虑产品全生命周期中的各种因素,如产品的功能、可制造性、可装配性、可维护性、报废与回收等,这种考虑主要是通过相关活动的信息在设计阶段充分集成实现的,信息模型则是这一集成的关键。因此,在产品建模过程中,必须自始至终贯彻并行工程的思想,必须在产品设计过程中考虑产品的可加工性、可装配性和可服务性。航空产品全生命周期的数据标识管控均须符合构型管理的要求,全生命周期包括需求与概念论证阶段、产品与服务定义阶段、试验验证阶段和产业化阶段,如图3所示。构型管理活动包括构型管理策划、构型标识、构型控制、构型纪实和构型审核等。构型管理策划的输出包含一份正式的构型管理规划文件,该文件由项目管理委员会批准,并得到客户认同,同时也可将适用内容传递给供应商,对不同类别供应商提出相应构型管理的要求。在航空产品设计研制阶段,该文件由产品专业设计团队维护和更新。航空产品系统标识号必须是唯一的,并保证各种标识号之间具有唯一对应关系。在构型管理规划相关文件中会明确对构型标识的总体要求,同时产品设计、制造、客户服务、试飞业务方会根据相应的构型管理规划部分对产品标识方法的具体使用和管理提出详细要求并实施管理。利用工业互联网,主制造商设计端将从航空产品销售合同、客户要求、设计要求和目标、批准的构型定义数据等转换为设计要求,设计要求以包括工程图样和技术文件在内的产品定义载体进行标识和控制。这即是从航空产品全生命周期初始就建立基于工业互联网的标识解析体系,而承载基于工业互联网的标识解析体系必不可少的是航空产品数据管理平台。从设计端开始实施建立基于工业互联网的标识解析体系,设计研发以产品数据管理平台来支撑产品定义载体(包括设计图样和文件)的分类、编码、审签、更改实施、数据发放等管理实施落实,对产品数据集进行唯一标识,能够满足数据的发放、使用、修订、保存和恢复等要求,支持产品的设计构型识别,可传递到制造端、试飞端、客户服务端等。在制造端,总装制造中心将按照构型管理要求对工装图样、工艺文件、操作用数据集进行标识建立,该标识能够满足该数据集的发放、使用、修订、保存和恢复等要求,为在制造过程中产品及其零部件的构型识别提供手段,扩充并完善基于工业互联网的标识解析体系。试飞端根据相应的构型管理要求,对其负责实施的试飞测试改装产品进行唯一性标识,确保试飞测试改装构型的唯一性标识。客户服务端根据相应的构型管理要求对客户服务产品进行标识,执行客户服务产品定义、确认客户服务构型项等活动。对于参与设计的供应商,其设计资料在投入制造前需要符合主制造商设计端的认可或批准,对于仅采购产品的供应商,将依据检验交付产品的构型状态图样、数据集、关键工艺过程等状态来实施构型管理。由此,以航空产品设计模型为主要载体,基于工业互联网的标识解析体系实现建立了基于航空产品的全生命周期数据关联性。对不同生命周期阶段中的产品设计信息进行统一标识,切实满足航空产品全生命周期过程中不同角色人员对模型数据的查看、使用、加工等方面的需要。在满足产品性能与功能的条件下,设计端可以以基于工业互联网的标识解析体系为支撑,通过查看后端的生产零件、部件数据、试验数据、试飞数据来不断改进产品的结构,使所设计出来的产品可以容易、快速、低成本地进行加工、装配和售后服务,提高设计有效性,提升设计精度以不断优化迭代设计,使设计方案更加合理,减少论证、修正次数,缩短研发周期。

3.3基于统一标识的航空产品质量安全保障模式

航空产品与一般机械产品不同,飞机产品是由成千上万个刚度较小的零件以及连接件组成的,结构非常复杂,对外形要求严格,导致装配过程繁杂,工作量大。装配过程是航空产品制造中的重要一环,其装配工艺设计合理与否决定了航空产品质量安全水平。目前,国内航空制造业的工艺文件主要以传统的二维方式进行表示和发放,然而传统二维工艺指令不够直观,不能直观动态地显示装配过程,大大降低了制造效率,也给企业带来了巨大的经济损失。操作人员需要同时通过查看指令、图纸在比对实物进行安装,容易出现装错、装反等情况,通过对操作作业书和作业书中所需安装的零件甚至安装这些零件的连接位置进行统一编码,再基于MBOM结构树及数模等信息,通过CAT-IAcomposer等3维处理软件为每份作业指导书生产三位可视化作业指导书,操作人员在生产时只要通过扫描作业指导书和实物零件进行解码确认,即可知道零件的安装位置和安装方法,实现辅助装配、平板可视辅助装配、三维投影辅助紧固件装配等重要作用,降低装配错误率,提升装配质量,具体流程如图4所示。通过引入AR技术与标识解析技术相结合,将零组件的定位安装通过AR技术呈现。通过对在服务器上存储的各类设备,状态,目前加工的事件、时间等信息进行统一编码标识,各种数据信息进行有效管理。在现场定位安装零组件时,操作人佩戴AR眼镜,通过AR技术全息画面的指导,对车间制造资源进行三维可视化导航,快速解码查阅现场设备状态信息、生产工艺参数信息、车间物流过程、所需安装的零件的位置信息、三维装配过程等,直接在飞机实体上确定零组件具体位置信息,可快速定位并安装。零组件安装完成之后,亦可通过此技术进行查漏查错工作。通过AR辅助安装技术,可对现场操作进行录像,增加文件可追溯性。标识解析技术可以降低操作人员读图难度,减少操作人员读图时间,提高零组件定位安装的速度,提高制造质量和生产效率。在航空产品测试过程中,也可基于工业互联网的标识解析技术实现对测试情况的智能分析与诊断,由于统一的编码标识有效解决了信息孤岛现象,使得测试数据、实际测试环境、操作步骤等信息有机整合,有助于快速高效地实现对测试过程的监控,就测试问题和测试过程建立关联库,形成飞机测试行为指导的专家指导系统,解码判别每种故障的轻重缓急和准确的处理方法。实现飞机测试过程的远程专家指导,使得经验充足的技术人员可以进行远程指导。标识解析技术可以推动操作流程的标准化、规范化、缩小人员因素导致的测试质量的差距,从而提高航空产品质量安全水平。

4结语

工业互联网标识解析的应用在制造环节不仅仅是集中在设计和工艺环节,在试飞数据的协同管理、智能仓储物流管理、航空供应链管理以及制造设备远程运维等方面也有着非常广阔的应用空间。

参考文献:

[1]贺东风,赵越让,钱仲焱,等.中国商用飞机有限责任公司系统工程手册[M].2017.

[2]吴江龙.基于Handle的工程机械供应链标识解析技术设计与应用[J].中国工业与信息化,2018(8).

[3]李梅花.工业互联网表示解析二级节点建设思路[J].信息通信技术与政策,2019(2):61-65.

作者:陈凯 单位:上海飞机制造有限公司

航空制造行业工业互联网标识的应用

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