提升飞机研制能力的大数据应用示范工程建设

上海航空工业(集团)有限公司    上海大学

中国商用飞机有限责任公司(简称“中国商飞”),是中央管理的我国大飞机产业核心企业和骨干中央企业,总部设在上海。中国商飞是实施国家大型飞机重大专项中大型客机项目的主体,也是统筹干线飞机和支线飞机发展、实现我国大飞机产业化的主要载体。“让中国的大飞机翱翔蓝天”是公司光荣的使命。公司目标是到2035年,把商用飞机项目建设成为新时代改革开放的标志性工程,创新型国家和制造强国的标志性工程,把公司建设成为世界一流的航空企业。到本世纪中叶,把商用飞机项目建设成为社会主义现代化强国的标志性工程,把公司建设成为“研发世界级产品、塑造世界级品牌、建设世界级企业、形成世界级能力”的“四个世界级”航空强企。

大型客机是一个国家工业、科技水平的综合实力的集中体现,被誉为“现代工业之花”和“现代制造业的一颗明珠”。一方面,民机产品的复杂性决定了其研制过程的复杂性。以中国商飞自行研制的大型客机C919为例,单架次包含零件超过830000个,共计980000张设计图纸,超过10000个试飞试验点,以及预计近70000页的技术出版物。一款全新的机型,要经历产品预研、产品设计、工艺设计、生产制造、试验试飞、运营服务到维修支援的全生命周期的数字链。同时又需要经历原料采购、生产计划、生产制造、产品交付和MRO这样的产品实物价值链,产品的研制周期以10年计。另一方面,中国商飞实行“主制造商-供应商”发展模式,需要统筹协同全球供应商。其中包括超过3000家的国内供应商和近500家的国际顶尖供应商。

图1 民机研制巨大挑战

为了应对民机研制的巨大挑战,提升飞机的研制能力,中国商飞积极响应《中国制造2025》计划,提出了以智能制造为核心的发展战略。其中,提升数据管理、促进大数据技术在生产现场的应用是这一战略的重要组成部分。

《提升飞机研制能力的大数据应用示范工程建设》正是在这样的背景下,于2015年9月完成申报。项目针对生产制造现场数据质量较差、数据存在断层、非结构化数据未纳入管理、数据统计延迟较大、数据统计分析应用效果较差以及数据整合分析与展现缺失等实际问题,制定“集中数据到平台、整合数据到模型、提升数据到知识、展现数据到体验”的建设内容,并应用大数据针对数据实时性(Velocity)、多样性(Variety)、可视化(Visualization)以及挖掘价值(Value)等特性的技术到实际的生产场景。

课题主研制单位上海航空工业(集团)有限公司(简称“上航公司”)是中国商飞下属单位之一,是中国商飞的基础能力中心,为中国商飞各条线业务域和民机研制及运营全过程提供统一的信息化、数据管理、质量审核、标准化、事故安全调查、审计等基础能力保障和服务。截止9月公司有员工436人,其中工程技术人员375人。

中国商飞长期重视校企合作,与包括上海大学在内的多家沪上高校开展战略合作。作为中国商飞基础能力中心,上航公司多年来也积极落实公司战略与政策,长期重视与沪上高校的密切合作与互动,开展形式多样的项目与活动,形成了良好的效应与效益。公司早在2016年就与上海大学、华东师范大学等沪上10余家高校共建就业见习基地;公司信息化中心、数据管理中心、质量审核部、情报档案中心与上海交通大学、同济大学、上海大学、上海理工大学等开展多项课题研究合作(多为涉密课题)。上航公司还与张江高科技园区开展产学研合作,包括本课题项目在内的多项课题获得了园区的配套资金。

2013年,中国商飞成立信息化中心,行政挂靠上航公司,为中国商飞集团公司提供统一信息化软硬件建设与运维的服务。2017年,中国商飞成立数据管理中心,行政挂靠上航公司。

上航公司信息化中心、数据管理中心长期以来与上海大学机电工程与自动化学院(简称上大机自学院)保持良好的合作关系。本课题项目双方再次合作,历时两年,现已完成全部研发工作,正准备最终验收。课题的建设,不仅取得了丰硕的实际成果,也使双方总结多年合作的经验,探索出一套较为成熟、适合推广的产学研用合作新模式、新机制。

一、产学研合作的主要做法

上航公司信息化中心、数据管理中心与多家科研院所均保持着良好的合作关系。因为本课题的最终用户与应用场景以飞机生产制造现场为主,且课题研究内容在中国商飞智能制造整体框架之下,上大机自学院从2013年开始,就在上海市率先提出向智能制造转型的战略思路,兼具深厚的机械制造专业学科背景和丰富的信息化技术应用于制造业场景的经验,所以,本项目最终选择上大机自学院为合作单位。双方在课题研究合作过程中,配合密切,分工恰当,在以下三方面取得了可喜的成果。

图2 项目合作方介绍

1、重视可持续性,实现长期合作

上航公司信息化团队与上大机自学院师生长期保持着密切合作的关系,本次项目的合作是其中的重要组成部分和阶段。这样的长期合作关系,多形式多项目并举的合作模式,具有诸多的优势,能够充分优化双方资源的合理分配,也能够大幅简化因此而需要的沟通、协调成本。

上大机自学院的刘丽兰、蔡红霞等教授,在与中国商飞的长期合作中,形成了对民机研制业务的深刻理解,对中国商飞信息化建设的历史与现状广泛认识以及对生产制造现场的设施、设备环境、特性的准确把握的专长。他们已逐渐成为中国商飞信息化、数据管理建设的重要外部资源,也成为上航公司首批外部专家资源池中的成员。

本次课题的研究内容之一为生产现场乃至整个民机研制过程中的数据梳理与整合,因此进一步加深了上大专家教授对于中国商飞生产制造过程的深入了解和更为精确的把握。

对中国商飞及民机研制业务和现场需求的了解,又为上大机自学院对其专业学科的规划设置、对学生的科研能力培养方案的设计提供了跟有针对性和市场适应性的指引。

例如,生产现场的数控机加中心建设之初,蔡红霞教授就开始参与,对现场数控机加设备的类型、DNC网络的架构与设置、数据传输协议与接口都十分了解;蔡教授的学生,有多名对这一现场环境以及设备的操控特性熟练掌握。本次项目的一大重点任务就是对现场数控机加设备的数据进行采集、管理并进行分析整合,蔡教授的团队在这一攻关中,发挥了巨大的作用。

飞机研制的现场环境与应用场景具有离散制造的典型性与代表性,双方一致赞同依托这一有利优势开展项目团队的联合培养,力争实现共同成长。上大科研团队能够因此获取一手的、最直接的业务场景需求和资料,企业项目团队在缓解人力资源困扰的同时,又能得到最新的理论、学术领域的成果与动态,启发新鲜思路和理念。上大学生作为中国商飞信息化团队的潜在未来资源,客观上与企业项目团队形成了良好的梯队。双方的资深人员,如教授与企业高级工程师,又能够在长期合作中互相切磋交流,成为各自的外部专业指导与咨询资源。

图3 机制一、重视可持续性,实现长期合作

2、重视各尽所长,实现优势互补

上航公司信息化团队负责整个中国商飞的信息化建设与运维,具备丰富的企业信息化建设与运维的经验与技术能力,对装备制造领域的企业实际问题和业务场景具有深刻的理解;上海大学机电工程与自动化学院历史悠久,学术能力卓越,在机械制造领域的各项专业研究领域都有扎实的理论和科学基础,尤其是在当今大数据、智能制造的背景下,逐渐形成了用信息化技术进行实验和实施的能力。双方合作的意愿强烈,基础扎实,且都视角广远,认同两化融合、产学研结合的基本思路,因此各尽所长、共同策划、整体谋划、长远规划,在能力建设、人才培养、成果应用等多方面制定了切实可行的体制机制,也因此取得了不错的效果。

上海大学计算机学院院长、英国皇家工程院院士郭毅可教授,多次来中国商飞甚至是生产现场讲授数据科学与大数据领域的国际前沿理论。项目团队把握宝贵的学习机会,受益匪浅的同时,深切感受到上海大学在数据科学领域的理论素养和科研能力。这一优势,在本项目的另一重大攻关研究中得以发挥:飞机制造质量数据应用与分析,是民机研制过程中,对质量与安全严苛要求的典型应用场景。在项目工作中,上海大学的两位学生全面深入地理解了制造质量数据的实际特点与业务含义后,将了解到的现场质量管理挑战带回学校与导师深入讨论,上大师生充分发挥了数据科学前沿理论和数据算法场景化应用的创造性,从制造质量数据中存在的大量文本数据中找到了突破口,应用多种文本解析、索引、权重分析、聚类分析等算法与技术,开创性地实现了制造质量流程结果的预测模型,并依托于上航公司采购并搭建的大数据软件Splunk平台,完成了最终的实验,取得了良好的效果。

图4 机制二、重视各尽所长,实现优势互补

3、重视研以致用,实现场景应用

本次项目不仅强调产学研的结合,更强调实际应用的驱动和问题需求的导向,也就是“产学研用”的目标。无论是项目的策划、还是人员的安排,都是从制造现场的实际情况和需求出发。项目团队多次实地前往位于中国商飞祝桥基地、大场基地、龙华园区和张江园区,在车间、厂房、机房、库房都向工人、工艺设计人员进行调研和访谈,掌握了诸多一手资料。

项目最具突破性的,是将飞机三维数模的展现与生产制造数据如项目数据、产品数据、装配进度、物料配套、质量、机床设备等数据的可视化展现深度整合,第一次实现了在飞机实际模型中展现多种业务状态的功能。这一功能的思路来源,正是来自于ARJ21支线飞机总装车间的管理人员的实际需求。

上航公司信息化团队具备较为完善的飞机研制过程核心信息系统数据(包括飞机产品的完整三维模型数据)以及一定的数据应用分析建模能力,数据可视化的理论知识和开发经验;上海大学机自学院对于工程产品三维模型数据的处理具有多年的研究基础和开发经验。在经过项目团队多次研讨和论证后,充分考量了三维模型数据轻量化处理、可视化设计、数据采集与集成,数据分析建模、开发环境选型、架构设计与原型系统设计等方面因素,最终为系统功能的实现打下坚实基础,也在最后得到了最初需求来源的车间管理人员的认可与赞赏。

在项目实施过程中,双方在明晰的知识产权归属和保密原则的前提下,合作互信,互相交换共享各自有价值的数据、知识和情报。上海大学在取得每一项研究成果后,都积极地与中国商飞进行切磋和交流,项目团队也频繁地前往生产现场,进行研究成果的实地验证、确认并收集来自用户的效果反馈。有不少成果在课题未结束时,就已经部署应用于生产现场,从而促进研究成果的快速价值兑现以及应用反馈后的进一步优化完善。

为了更好地将前沿的研究方向与成果导向应用,贴合生产,双方还建立了有经验的企业技术专家和学校科研教授的互相交流的机制。上大机自学院的“智能制造创新实验室”建设,上航公司是重要的支持力量。上航公司副总经理王琛博士是实验室学术委员会委员,信息化总师潘凌云等受聘为学院学生的企业导师。中国商飞、上航公司举办的智能制造、信息化类论坛,也都会邀请上大知名学者教授参与交流。刘丽兰、蔡红霞等教授不仅是上航公司外部专家库专家,也是信息化中心、数据管理中心的特聘科学顾问。

图5 机制三、重视研以致用,实现场景应用

除了以上项目合作中的原则和机制,上航公司与上海大学还签订了开发合同(详见附件1),包括保密协议和廉洁协议,使双方的合作更加合法合规,有章可依。协议包含了知识产权归属的处理办法,以及部分技术开发费用事项,为上大师生的科研活动提供了一定的经济保障。

二、产学研合作取得的主要成绩

1、攻克难关,突破瓶颈

经过本次课题的研究,基本理清了民机行业的核心数据资源的整体状况,并采用ETL技术,实现了分析数据的抽取与清洗。掌握了适应复杂民机研制过程的数据分析模型的构建方法,并在物料与库存、装配进度、工程更改数据、设备效能和制造质量等领域完成了验证;数据可视化方面,成功整合了数据分析可视化与三维飞机产品数模的集成展现和综合分析。

项目成功实现了飞机产线数据和数控设备的实时采集,并纳入统计分析。在制造过程质量管理方面,基于非结构化数据的预测分析,使现场质量管理流程的效率以及质量故障识别和评估准确率再上一个台阶。飞机三维模型与数据分析集成的可视化呈现技术,是大数据技术应用于大飞机产品研制的典型案例和巨大的技术突破。生产现场的用户方代表,时任上海飞机制造公司总装车间主任刘小山对此评价:“这个(可视化数据分析的方式)正是我们需要的,我去波音、空客走访调研过多次,也没有见到过类似的。”

利用型号研制数据的整合,项目的一大成果和典型应用案例是实现飞机零件物料的正向与反向的追溯,即串联了从物料的原材料炉批号信息,到零组件、大部件直到具体安装的架次与部位,具体可查询制造、装配、质检等过程每一道工序的责任人员以及进行的时刻,同时也关联了该物料的设计信息,包括每一版次的设计人员、工艺人员,以及设计改版的原因等信息。从飞机上每一个具体的零件,也可以反向追溯到生产这一零件的最初原材料,包括供应商信息、时间信息、物流信息和同批次的其他零件的去向。这一成果,来源于民机研制对于产品质量和安全的严苛要求,却具有极大的普遍性,有价值向其他制造业推广。时任工信部信息化和软件服务司副司长安筱鹏对此评价:“我走过全国很多制造企业……你们这个称得上是供应链方面的智能制造。”

2、经济效益和社会效益

本项目成果对中国商飞带来的经济效益显着。面向民机协同研制,利用大数据技术,建立适合我国航空制造业发展的数据分析平台,快速提升我国飞机研制能力,实现如下直接和间接经济效益:

1)将民机研制过程中的各类数据,特别是异构的、无序的数据进行统一的管理,便于及时有效的采集与提取知识,减少预期研制中出现的技术协调问题,缩短研发周期,提高民机的研制水平,增强国产飞机核心竞争力。

2) 实现库房与配送管理全过程的供应链物料管控,加强配送实时监控,反映现场物料需求,降低缺件率、提升配套率、降低研制成本。

3)通过对设备生产状态、能耗,飞机研制过程中AO装配进度的分析监控,提升总装效率;通过对总装质量数据的分析,减少废品及返工,提升飞机研制质量。

2017年,中国商飞进入ARJ21-700飞机的批生产阶段,2017年交付飞机6架,2018年预计交付飞机15架,2019年计划为30架,能增长率超过100%,这与最近几年,以本项目为代表的信息化、数字化建设和技术应用是分不开的。

本项目利用大数据技术作为整个民机研制和生产过程的技术支撑,建设新型研制开发平台,其社会效益显着表现于:

1)在大数据时代,大数据技术已经在商业分析、金融监管、医疗服务等众多领域实现了一定程度的应用与发展,但是在制造业领域仍处于探索阶段,而民机研制行业是制造业先进性的代表,所以,将大数据技术应用于民机研制领域,能进一步推动大数据技术在制造业领域的应用突破。

2)民机的研制行业是高端装配领域的典型行业,从确定需求到最终交付使用是一项十分复杂的系统工程,自主研制民用飞机,对于转变经济增长方式、带动科学技术发展、增强国家综合实力和国际竞争力,加快现代化步伐,具有重大意义。利用大数据技术,可为航空制造行业的改造和腾飞提供技术支撑,带动整个产业链的发展。

以本项目成果为主题内容的论文及创新成果分别获得了2017年全国国企管理创新优秀论文二等奖和上海市企业管理现代化创新成果一等奖。

3、主要合作单位的收获

作为主研单位的上航公司,通过本项目的产学研合作,成功验证了大数据技术在民机研制领域的应用可行性。项目在大数据平台搭建、中国商飞数据资源的整合、数据统计与分析的系统化、整体化改造以及非结构化数据的处理分析技术等方面所取得的成果,一方面让中国商飞的民机研制能力有了切实的提升,为后续的批生产、试验试飞、客服运营等过程做好了准备,另一方面也使上航公司信息化中心、数据管理中心为代表的民机研制基础能力向大数据、智能制造、人工智能方向上迈进了一大步。通过产学研用的合作方式,上航公司学习、吸收了储备自高校的科研成果,参考借鉴了高校在智能制造、大数据领域已有的技术基础和规划路线,让我国的民机研制产业看到了在新技术浪潮中对波音、空客等国际垄断企业实现弯道超车的希望。

对上海大学尤其是机自学院来说,本项目不仅为学院早已储备的大数据、智能制造领域的研究成果和思想提供了在实际生产现场应用和验证的机会,同时也让学院师生的科研和技术能力在实际项目中得到了锻炼和提升,新的研究方向、研究思路、研究突破点被不断提出,中国商飞提供的是宝贵的航空制造行业的现场需求、实际数据和实际验证环境,机自学院早在2013年就提出的智能制造转型的战略在实际中得到了验证。同时,双方紧密合作的联合人才培养模式,也为机自学院的教学以及人才的培养和储备发挥了很好的拓展的作用。

三、下一步深化产学研合作的打算

上航公司正联合包括上海大学在内的上海四所知名高校向上海市有关部门申报上海民用飞机软件与大数据工程技术研究中心,旨在形成成为民机行业信息技术的策源地、产学研一体化的示范基地、国际一流的工程技术研究中心,推进民机工业软件的技术进步和发展。以“立足现实、精简高效、公平竞争、以人为本、创新为先导、产学研结合”为基本出发点,建立“流动、开放、竞争、培养”的运行机制。依托上海高校资源,欢迎国内外专家学者,特别是已获得博士学位或相当水平的中青年人员来中心工作。邀请国内外知名学者担任工程技术研究中心客座人员来中心开展合作研究。

此外,以本次项目所取得的成果为基础,上航公司数据管理中心也正积极筹备民机数据管理联盟,展开民机行业数据治理、云计算、大数据等标准研究、推广、培训、测评及相关工作,促进民机行业数据管理发展,为上航公司从民机主制造商走向整个民机产业的数据标准、数据管理的行业领导者,做好准备。以上海大学为代表的高校科研院所将是联盟中重要的力量。

上航公司也正积极筹划设立企业博士后流动站,预备与沪上各高校进行专家互聘,并使中国商飞的基础能力中心更具科研和学术能力。

专家点评

大型客机是一个国家工业、科技水平的综合实力的集中体现。一款全新机型,要经历产品预研、产品设计、工艺设计、生产制造、试验试飞、运营服务到维修支援的全生命周期的数字链,还要经历原料采购、生产计划、生产制造、产品交付和运维服务这样的产品实物价值链,需要统筹协同全球几千家供应商。

该项目针对飞机研制生产过程存在的问题,成功实现了飞机产线数据和数控设备的实时采集和分析,基于非结构化数据的预测分析,大幅提高了现场质量管理流程的效率以及质量故障识别、评估的准确率。飞机三维模型与数据分析集成的可视化显示,更是大数据技术应用于大飞机研制过程的巨大技术突破。项目成果还实现了飞机零部件的正、反向追溯。每一个零部件不仅可以反向追溯到其最初原材料、供应商、物流的每一道工序的责任人,还关联到设计信息。

该项目成果为中国商飞带来显着的经济效益:缩短了研发周期,实现了供应链全过程管控,降低了研制成本,提高了研制水平,提升了总装效率和质量,从而增强了国产飞机核心竞争力。该项目的成功应用,将民机研制基础能力向大数据、智能制造、人工智能方向迈进了一大步。

上航公司信息化团队与上大机自学院长期保持着多形式、多项目并举的密切合作关系。上大教师在大数据建模、整合、可视化等技术上的科研能力加上愿意与企业科技人员紧密配合,使双方各尽所长,实现优势互补,是该项目合作成功的关键之一,上航公司对此予以高度评价。通过该项目合作,双方摸索出了一种机智灵活、机制完善的产学研用合作模式。双方紧密合作的联合人才培养模式,不仅企业项目团队能得到最新的理论、学术领域的成果与动态,启发新思路和理念,也为机电自动化学院的教学以及人才的培养拓展了空间。3D打印创新中心合作,共同完成“3D打印定制化医疗器械及康复辅具”定制化足弓矫正康复鞋垫项目。