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提升飛機研制能力的大數據應用示范工程建設

上海航空工業(集團)有限公司    上海大學

中國商用飛機有限責任公司(簡稱“中國商飛”),是中央管理的我國大飛機產業核心企業和骨干中央企業,總部設在上海。中國商飛是實施國家大型飛機重大專項中大型客機項目的主體,也是統籌干線飛機和支線飛機發展、實現我國大飛機產業化的主要載體。“讓中國的大飛機翱翔藍天”是公司光榮的使命。公司目標是到2035年,把商用飛機項目建設成為新時代改革開放的標志性工程,創新型國家和制造強國的標志性工程,把公司建設成為世界一流的航空企業。到本世紀中葉,把商用飛機項目建設成為社會主義現代化強國的標志性工程,把公司建設成為“研發世界級產品、塑造世界級品牌、建設世界級企業、形成世界級能力”的“四個世界級”航空強企。

大型客機是一個國家工業、科技水平的綜合實力的集中體現,被譽為“現代工業之花”和“現代制造業的一顆明珠”。一方面,民機產品的復雜性決定了其研制過程的復雜性。以中國商飛自行研制的大型客機C919為例,單架次包含零件超過830000個,共計980000張設計圖紙,超過10000個試飛試驗點,以及預計近70000頁的技術出版物。一款全新的機型,要經歷產品預研、產品設計、工藝設計、生產制造、試驗試飛、運營服務到維修支援的全生命周期的數字鏈。同時又需要經歷原料采購、生產計劃、生產制造、產品交付和MRO這樣的產品實物價值鏈,產品的研制周期以10年計。另一方面,中國商飛實行“主制造商-供應商”發展模式,需要統籌協同全球供應商。其中包括超過3000家的國內供應商和近500家的國際頂尖供應商。

圖1 民機研制巨大挑戰

為了應對民機研制的巨大挑戰,提升飛機的研制能力,中國商飛積極響應《中國制造2025》計劃,提出了以智能制造為核心的發展戰略。其中,提升數據管理、促進大數據技術在生產現場的應用是這一戰略的重要組成部分。

《提升飛機研制能力的大數據應用示范工程建設》正是在這樣的背景下,于2015年9月完成申報。項目針對生產制造現場數據質量較差、數據存在斷層、非結構化數據未納入管理、數據統計延遲較大、數據統計分析應用效果較差以及數據整合分析與展現缺失等實際問題,制定“集中數據到平臺、整合數據到模型、提升數據到知識、展現數據到體驗”的建設內容,并應用大數據針對數據實時性(Velocity)、多樣性(Variety)、可視化(Visualization)以及挖掘價值(Value)等特性的技術到實際的生產場景。

課題主研制單位上海航空工業(集團)有限公司(簡稱“上航公司”)是中國商飛下屬單位之一,是中國商飛的基礎能力中心,為中國商飛各條線業務域和民機研制及運營全過程提供統一的信息化、數據管理、質量審核、標準化、事故安全調查、審計等基礎能力保障和服務。截止9月公司有員工436人,其中工程技術人員375人。

中國商飛長期重視校企合作,與包括上海大學在內的多家滬上高校開展戰略合作。作為中國商飛基礎能力中心,上航公司多年來也積極落實公司戰略與政策,長期重視與滬上高校的密切合作與互動,開展形式多樣的項目與活動,形成了良好的效應與效益。公司早在2016年就與上海大學、華東師范大學等滬上10余家高校共建就業見習基地;公司信息化中心、數據管理中心、質量審核部、情報檔案中心與上海交通大學、同濟大學、上海大學、上海理工大學等開展多項課題研究合作(多為涉密課題)。上航公司還與張江高科技園區開展產學研合作,包括本課題項目在內的多項課題獲得了園區的配套資金。

2013年,中國商飛成立信息化中心,行政掛靠上航公司,為中國商飛集團公司提供統一信息化軟硬件建設與運維的服務。2017年,中國商飛成立數據管理中心,行政掛靠上航公司。

上航公司信息化中心、數據管理中心長期以來與上海大學機電工程與自動化學院(簡稱上大機自學院)保持良好的合作關系。本課題項目雙方再次合作,歷時兩年,現已完成全部研發工作,正準備最終驗收。課題的建設,不僅取得了豐碩的實際成果,也使雙方總結多年合作的經驗,探索出一套較為成熟、適合推廣的產學研用合作新模式、新機制。

一、產學研合作的主要做法

上航公司信息化中心、數據管理中心與多家科研院所均保持著良好的合作關系。因為本課題的最終用戶與應用場景以飛機生產制造現場為主,且課題研究內容在中國商飛智能制造整體框架之下,上大機自學院從2013年開始,就在上海市率先提出向智能制造轉型的戰略思路,兼具深厚的機械制造專業學科背景和豐富的信息化技術應用于制造業場景的經驗,所以,本項目最終選擇上大機自學院為合作單位。雙方在課題研究合作過程中,配合密切,分工恰當,在以下三方面取得了可喜的成果。

圖2 項目合作方介紹

1、重視可持續性,實現長期合作

上航公司信息化團隊與上大機自學院師生長期保持著密切合作的關系,本次項目的合作是其中的重要組成部分和階段。這樣的長期合作關系,多形式多項目并舉的合作模式,具有諸多的優勢,能夠充分優化雙方資源的合理分配,也能夠大幅簡化因此而需要的溝通、協調成本。

上大機自學院的劉麗蘭、蔡紅霞等教授,在與中國商飛的長期合作中,形成了對民機研制業務的深刻理解,對中國商飛信息化建設的歷史與現狀廣泛認識以及對生產制造現場的設施、設備環境、特性的準確把握的專長。他們已逐漸成為中國商飛信息化、數據管理建設的重要外部資源,也成為上航公司首批外部專家資源池中的成員。

本次課題的研究內容之一為生產現場乃至整個民機研制過程中的數據梳理與整合,因此進一步加深了上大專家教授對于中國商飛生產制造過程的深入了解和更為精確的把握。

對中國商飛及民機研制業務和現場需求的了解,又為上大機自學院對其專業學科的規劃設置、對學生的科研能力培養方案的設計提供了跟有針對性和市場適應性的指引。

例如,生產現場的數控機加中心建設之初,蔡紅霞教授就開始參與,對現場數控機加設備的類型、DNC網絡的架構與設置、數據傳輸協議與接口都十分了解;蔡教授的學生,有多名對這一現場環境以及設備的操控特性熟練掌握。本次項目的一大重點任務就是對現場數控機加設備的數據進行采集、管理并進行分析整合,蔡教授的團隊在這一攻關中,發揮了巨大的作用。

飛機研制的現場環境與應用場景具有離散制造的典型性與代表性,雙方一致贊同依托這一有利優勢開展項目團隊的聯合培養,力爭實現共同成長。上大科研團隊能夠因此獲取一手的、最直接的業務場景需求和資料,企業項目團隊在緩解人力資源困擾的同時,又能得到最新的理論、學術領域的成果與動態,啟發新鮮思路和理念。上大學生作為中國商飛信息化團隊的潛在未來資源,客觀上與企業項目團隊形成了良好的梯隊。雙方的資深人員,如教授與企業高級工程師,又能夠在長期合作中互相切磋交流,成為各自的外部專業指導與咨詢資源。

圖3 機制一、重視可持續性,實現長期合作

2、重視各盡所長,實現優勢互補

上航公司信息化團隊負責整個中國商飛的信息化建設與運維,具備豐富的企業信息化建設與運維的經驗與技術能力,對裝備制造領域的企業實際問題和業務場景具有深刻的理解;上海大學機電工程與自動化學院歷史悠久,學術能力卓越,在機械制造領域的各項專業研究領域都有扎實的理論和科學基礎,尤其是在當今大數據、智能制造的背景下,逐漸形成了用信息化技術進行實驗和實施的能力。雙方合作的意愿強烈,基礎扎實,且都視角廣遠,認同兩化融合、產學研結合的基本思路,因此各盡所長、共同策劃、整體謀劃、長遠規劃,在能力建設、人才培養、成果應用等多方面制定了切實可行的體制機制,也因此取得了不錯的效果。

上海大學計算機學院院長、英國皇家工程院院士郭毅可教授,多次來中國商飛甚至是生產現場講授數據科學與大數據領域的國際前沿理論。項目團隊把握寶貴的學習機會,受益匪淺的同時,深切感受到上海大學在數據科學領域的理論素養和科研能力。這一優勢,在本項目的另一重大攻關研究中得以發揮:飛機制造質量數據應用與分析,是民機研制過程中,對質量與安全嚴苛要求的典型應用場景。在項目工作中,上海大學的兩位學生全面深入地理解了制造質量數據的實際特點與業務含義后,將了解到的現場質量管理挑戰帶回學校與導師深入討論,上大師生充分發揮了數據科學前沿理論和數據算法場景化應用的創造性,從制造質量數據中存在的大量文本數據中找到了突破口,應用多種文本解析、索引、權重分析、聚類分析等算法與技術,開創性地實現了制造質量流程結果的預測模型,并依托于上航公司采購并搭建的大數據軟件Splunk平臺,完成了最終的實驗,取得了良好的效果。

圖4 機制二、重視各盡所長,實現優勢互補

3、重視研以致用,實現場景應用

本次項目不僅強調產學研的結合,更強調實際應用的驅動和問題需求的導向,也就是“產學研用”的目標。無論是項目的策劃、還是人員的安排,都是從制造現場的實際情況和需求出發。項目團隊多次實地前往位于中國商飛祝橋基地、大場基地、龍華園區和張江園區,在車間、廠房、機房、庫房都向工人、工藝設計人員進行調研和訪談,掌握了諸多一手資料。

項目最具突破性的,是將飛機三維數模的展現與生產制造數據如項目數據、產品數據、裝配進度、物料配套、質量、機床設備等數據的可視化展現深度整合,第一次實現了在飛機實際模型中展現多種業務狀態的功能。這一功能的思路來源,正是來自于ARJ21支線飛機總裝車間的管理人員的實際需求。

上航公司信息化團隊具備較為完善的飛機研制過程核心信息系統數據(包括飛機產品的完整三維模型數據)以及一定的數據應用分析建模能力,數據可視化的理論知識和開發經驗;上海大學機自學院對于工程產品三維模型數據的處理具有多年的研究基礎和開發經驗。在經過項目團隊多次研討和論證后,充分考量了三維模型數據輕量化處理、可視化設計、數據采集與集成,數據分析建模、開發環境選型、架構設計與原型系統設計等方面因素,最終為系統功能的實現打下堅實基礎,也在最后得到了最初需求來源的車間管理人員的認可與贊賞。

在項目實施過程中,雙方在明晰的知識產權歸屬和保密原則的前提下,合作互信,互相交換共享各自有價值的數據、知識和情報。上海大學在取得每一項研究成果后,都積極地與中國商飛進行切磋和交流,項目團隊也頻繁地前往生產現場,進行研究成果的實地驗證、確認并收集來自用戶的效果反饋。有不少成果在課題未結束時,就已經部署應用于生產現場,從而促進研究成果的快速價值兌現以及應用反饋后的進一步優化完善。

為了更好地將前沿的研究方向與成果導向應用,貼合生產,雙方還建立了有經驗的企業技術專家和學校科研教授的互相交流的機制。上大機自學院的“智能制造創新實驗室”建設,上航公司是重要的支持力量。上航公司副總經理王琛博士是實驗室學術委員會委員,信息化總師潘凌云等受聘為學院學生的企業導師。中國商飛、上航公司舉辦的智能制造、信息化類論壇,也都會邀請上大知名學者教授參與交流。劉麗蘭、蔡紅霞等教授不僅是上航公司外部專家庫專家,也是信息化中心、數據管理中心的特聘科學顧問。

圖5 機制三、重視研以致用,實現場景應用

除了以上項目合作中的原則和機制,上航公司與上海大學還簽訂了開發合同(詳見附件1),包括保密協議和廉潔協議,使雙方的合作更加合法合規,有章可依。協議包含了知識產權歸屬的處理辦法,以及部分技術開發費用事項,為上大師生的科研活動提供了一定的經濟保障。

二、產學研合作取得的主要成績

1、攻克難關,突破瓶頸

經過本次課題的研究,基本理清了民機行業的核心數據資源的整體狀況,并采用ETL技術,實現了分析數據的抽取與清洗。掌握了適應復雜民機研制過程的數據分析模型的構建方法,并在物料與庫存、裝配進度、工程更改數據、設備效能和制造質量等領域完成了驗證;數據可視化方面,成功整合了數據分析可視化與三維飛機產品數模的集成展現和綜合分析。

項目成功實現了飛機產線數據和數控設備的實時采集,并納入統計分析。在制造過程質量管理方面,基于非結構化數據的預測分析,使現場質量管理流程的效率以及質量故障識別和評估準確率再上一個臺階。飛機三維模型與數據分析集成的可視化呈現技術,是大數據技術應用于大飛機產品研制的典型案例和巨大的技術突破。生產現場的用戶方代表,時任上海飛機制造公司總裝車間主任劉小山對此評價:“這個(可視化數據分析的方式)正是我們需要的,我去波音、空客走訪調研過多次,也沒有見到過類似的。”

利用型號研制數據的整合,項目的一大成果和典型應用案例是實現飛機零件物料的正向與反向的追溯,即串聯了從物料的原材料爐批號信息,到零組件、大部件直到具體安裝的架次與部位,具體可查詢制造、裝配、質檢等過程每一道工序的責任人員以及進行的時刻,同時也關聯了該物料的設計信息,包括每一版次的設計人員、工藝人員,以及設計改版的原因等信息。從飛機上每一個具體的零件,也可以反向追溯到生產這一零件的最初原材料,包括供應商信息、時間信息、物流信息和同批次的其他零件的去向。這一成果,來源于民機研制對于產品質量和安全的嚴苛要求,卻具有極大的普遍性,有價值向其他制造業推廣。時任工信部信息化和軟件服務司副司長安筱鵬對此評價:“我走過全國很多制造企業……你們這個稱得上是供應鏈方面的智能制造。”

2、經濟效益和社會效益

本項目成果對中國商飛帶來的經濟效益顯著。面向民機協同研制,利用大數據技術,建立適合我國航空制造業發展的數據分析平臺,快速提升我國飛機研制能力,實現如下直接和間接經濟效益:

1)將民機研制過程中的各類數據,特別是異構的、無序的數據進行統一的管理,便于及時有效的采集與提取知識,減少預期研制中出現的技術協調問題,縮短研發周期,提高民機的研制水平,增強國產飛機核心競爭力。

2) 實現庫房與配送管理全過程的供應鏈物料管控,加強配送實時監控,反映現場物料需求,降低缺件率、提升配套率、降低研制成本。

3)通過對設備生產狀態、能耗,飛機研制過程中AO裝配進度的分析監控,提升總裝效率;通過對總裝質量數據的分析,減少廢品及返工,提升飛機研制質量。

2017年,中國商飛進入ARJ21-700飛機的批生產階段,2017年交付飛機6架,2018年預計交付飛機15架,2019年計劃為30架,能增長率超過100%,這與最近幾年,以本項目為代表的信息化、數字化建設和技術應用是分不開的。

本項目利用大數據技術作為整個民機研制和生產過程的技術支撐,建設新型研制開發平臺,其社會效益顯著表現于:

1)在大數據時代,大數據技術已經在商業分析、金融監管、醫療服務等眾多領域實現了一定程度的應用與發展,但是在制造業領域仍處于探索階段,而民機研制行業是制造業先進性的代表,所以,將大數據技術應用于民機研制領域,能進一步推動大數據技術在制造業領域的應用突破。

2)民機的研制行業是高端裝配領域的典型行業,從確定需求到最終交付使用是一項十分復雜的系統工程,自主研制民用飛機,對于轉變經濟增長方式、帶動科學技術發展、增強國家綜合實力和國際競爭力,加快現代化步伐,具有重大意義。利用大數據技術,可為航空制造行業的改造和騰飛提供技術支撐,帶動整個產業鏈的發展。

以本項目成果為主題內容的論文及創新成果分別獲得了2017年全國國企管理創新優秀論文二等獎和上海市企業管理現代化創新成果一等獎。

3、主要合作單位的收獲

作為主研單位的上航公司,通過本項目的產學研合作,成功驗證了大數據技術在民機研制領域的應用可行性。項目在大數據平臺搭建、中國商飛數據資源的整合、數據統計與分析的系統化、整體化改造以及非結構化數據的處理分析技術等方面所取得的成果,一方面讓中國商飛的民機研制能力有了切實的提升,為后續的批生產、試驗試飛、客服運營等過程做好了準備,另一方面也使上航公司信息化中心、數據管理中心為代表的民機研制基礎能力向大數據、智能制造、人工智能方向上邁進了一大步。通過產學研用的合作方式,上航公司學習、吸收了儲備自高校的科研成果,參考借鑒了高校在智能制造、大數據領域已有的技術基礎和規劃路線,讓我國的民機研制產業看到了在新技術浪潮中對波音、空客等國際壟斷企業實現彎道超車的希望。

對上海大學尤其是機自學院來說,本項目不僅為學院早已儲備的大數據、智能制造領域的研究成果和思想提供了在實際生產現場應用和驗證的機會,同時也讓學院師生的科研和技術能力在實際項目中得到了鍛煉和提升,新的研究方向、研究思路、研究突破點被不斷提出,中國商飛提供的是寶貴的航空制造行業的現場需求、實際數據和實際驗證環境,機自學院早在2013年就提出的智能制造轉型的戰略在實際中得到了驗證。同時,雙方緊密合作的聯合人才培養模式,也為機自學院的教學以及人才的培養和儲備發揮了很好的拓展的作用。

三、下一步深化產學研合作的打算

上航公司正聯合包括上海大學在內的上海四所知名高校向上海市有關部門申報上海民用飛機軟件與大數據工程技術研究中心,旨在形成成為民機行業信息技術的策源地、產學研一體化的示范基地、國際一流的工程技術研究中心,推進民機工業軟件的技術進步和發展。以“立足現實、精簡高效、公平競爭、以人為本、創新為先導、產學研結合”為基本出發點,建立“流動、開放、競爭、培養”的運行機制。依托上海高校資源,歡迎國內外專家學者,特別是已獲得博士學位或相當水平的中青年人員來中心工作。邀請國內外知名學者擔任工程技術研究中心客座人員來中心開展合作研究。

此外,以本次項目所取得的成果為基礎,上航公司數據管理中心也正積極籌備民機數據管理聯盟,展開民機行業數據治理、云計算、大數據等標準研究、推廣、培訓、測評及相關工作,促進民機行業數據管理發展,為上航公司從民機主制造商走向整個民機產業的數據標準、數據管理的行業領導者,做好準備。以上海大學為代表的高校科研院所將是聯盟中重要的力量。

上航公司也正積極籌劃設立企業博士后流動站,預備與滬上各高校進行專家互聘,并使中國商飛的基礎能力中心更具科研和學術能力。

專家點評

大型客機是一個國家工業、科技水平的綜合實力的集中體現。一款全新機型,要經歷產品預研、產品設計、工藝設計、生產制造、試驗試飛、運營服務到維修支援的全生命周期的數字鏈,還要經歷原料采購、生產計劃、生產制造、產品交付和運維服務這樣的產品實物價值鏈,需要統籌協同全球幾千家供應商。

該項目針對飛機研制生產過程存在的問題,成功實現了飛機產線數據和數控設備的實時采集和分析,基于非結構化數據的預測分析,大幅提高了現場質量管理流程的效率以及質量故障識別、評估的準確率。飛機三維模型與數據分析集成的可視化顯示,更是大數據技術應用于大飛機研制過程的巨大技術突破。項目成果還實現了飛機零部件的正、反向追溯。每一個零部件不僅可以反向追溯到其最初原材料、供應商、物流的每一道工序的責任人,還關聯到設計信息。

該項目成果為中國商飛帶來顯著的經濟效益:縮短了研發周期,實現了供應鏈全過程管控,降低了研制成本,提高了研制水平,提升了總裝效率和質量,從而增強了國產飛機核心競爭力。該項目的成功應用,將民機研制基礎能力向大數據、智能制造、人工智能方向邁進了一大步。

上航公司信息化團隊與上大機自學院長期保持著多形式、多項目并舉的密切合作關系。上大教師在大數據建模、整合、可視化等技術上的科研能力加上愿意與企業科技人員緊密配合,使雙方各盡所長,實現優勢互補,是該項目合作成功的關鍵之一,上航公司對此予以高度評價。通過該項目合作,雙方摸索出了一種機智靈活、機制完善的產學研用合作模式。雙方緊密合作的聯合人才培養模式,不僅企業項目團隊能得到最新的理論、學術領域的成果與動態,啟發新思路和理念,也為機電自動化學院的教學以及人才的培養拓展了空間。3D打印創新中心合作,共同完成“3D打印定制化醫療器械及康復輔具”定制化足弓矯正康復鞋墊項目。

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