新一轮工业革命与中国航空工业的发展_张新国

中国航空报/2014年/1月/18日/第002版要闻新一轮工业革命与中国航空工业的发展中国航空工业集团公司副总经理张新国美国作家杰里米·里夫金于2011年出版了《第三次工业革命》一书，由此引发全球对新一轮工业革命的热议。

里夫金以全新的视角，用“能量”与“信息”的结合重新定义了历次工业革命。

第一次工业革命特征是蒸汽机与电报/机械印刷出版物的结合，第二次工业革命是内燃机与电视/电子出版物/电话的结合，第三次工业革命是可再生能源与互联网/电子通讯的结合。

针对第三次工业革命，里夫金提出了大量预见性的设想，这些设想得到了一些国家政府和工业界对未来工业革命的高度关注，一些国家还提出了自己的工业战略，试图在新一轮工业革命中抢占先机。

但是究竟应该是第三次工业革命，还是第四次工业革命，各国有不同的见解和定义。

本文试图以德国、美国和中国对新一轮工业革命的推动方式来看新一轮工业革命，并借以分析中国航空工业在新一轮工业革命浪潮中的发展途径。

一、新一轮工业革命已经来临1、德国：工业4.0在德国工程院、弗劳恩霍夫研究院、西门子公司等德国学术界和产业界的建议和推动下，“工业4.0”项目在2013年4月的汉诺威工业博览会上被正式推出。

这个研究项目是一个高技术战略项目，其目标是促进传统制造业的计算机化。

德国定义的第四次工业革命是基于信息化的自动化生产，其实质就是信息技术和制造技术深度融合使得高度柔性的批量生产成为可能。

“工业4.0”以建立智能工厂为目标，其技术基础是赛博-物理系统（Cyber-physical system）和互联网，它的特征是自适应性，资源有效性和人机工效以及与客户和业务组件在业务和价值流中的整合。

通过自优化、自重构、自诊断和对人的认知和智能支持，形成高度的柔性生产方式，从而实现高度的客户定制化，这也是未来社会对工业的需求。

2、美国：再工业化战略与德国一样，美国奥巴马政府也提出了实现再工业化战略（Reindustrialization）的举措，其基本内涵是为了重新建立工业而进行国家资源组织的经济、社会和政治过程。

经济学领域认为，与服务业和金融业相比，制造业可以容纳更多的就业人数，具有更高的社会和经济期望。

所以，对于美国来说，在新一轮工业革命的浪潮下，通过再工业化战略继续保持美国在制造业的优势是一个必然选择。

此外，美国从军队和国家安全的角度出发，制定了一些推动再工业化的政策和方针，希望未来的制造业可以实现高度本地化的生产，以在发生军事冲突时减少美国对于贸易通道和供给线的依赖。

在工业企业层面，GE公司也提出了以工业互联网为创新特征的第三次浪潮。

第一次浪潮是工业革命，机器和工厂的出现推动经济的进步和范围的扩大；第二次浪潮是互联网革命，特征是计算机技术分布式信息网络的崛起；第三次浪潮是工业互联网，特征是机器、设备组和设施通过互联网、大数据分析技术的综合。

美国的再工业化战略中最典型的项目就是美国国防预研局（DARPA）发起的自适应运载器制造（A VM）计划。

这个计划目的是通过再造复杂系统的开发和制造方式，重新发明制造业本身，以同一制造系统来设计和制造水上、水下、地面、空中、空间的所有种类的运载器。

美国推出这一计划的初衷是为了解决防务系统开发过程中成本和进度频繁失控的问题，主要思路是借鉴集成电路（IC）开发和开源软件项目的做法，对防务系统研制项目的管理以及制造系统进行再造，使防务系统约10年的开发周期下降至与集成电路（IC）相当的2年。

通过META工具所产生的设计将被发送到iFAB“代工厂”，软件将自动生成制造的工艺流程。

A VM计划设定的这个目标非常宏伟，一旦成功，便意味着信息技术和制造技术的结合实现了革命性的飞越。

3、中国：信息化与工业化的深度融合与美国和德国等后工业化国家相比，中国是处于工业化进程中的国家，目前正处在信息化和工业化的融合阶段，中国今后的目标是实现信息化和工业化的深度融合。

深度融合涉及整个工业部门的数字化、网络化、智能化，即信息技术与制造技术的结合，实现制造过程和产业模式变革，从而走出一条新型工业化的道路。

传统工业要素包括设备、技术、产品、工艺、管理和协作，而信息技术要素包括微电子技术、软件技术、计算机技术、控制技术、过程建模技术和电子通信技术。

当传统工业要素与信息技术要素相结合后，产生的现代工业要素包括有智能控制、算法建模、数字模型、流程e化、流程管理和电子商务等，而这些正是新一轮工业革命浪潮下信息化与工业化融合的核心要素。

所以，中国工业要通过高端战略、核心技术、主流产品和强大产业的塑造来由大到强，通过创意概念、精益研发、敏捷设计和柔性制造来加速创新，使工业化和信息化达到深度融合，实现“质量好、速度快、成本低、服务优”的“又好又快”发展，借助新一轮工业革命来加速产业的转型升级。

从以上分析可以看出，无论是“第三次工业革命”、“工业4.0”，还是“再工业化”、“信息化与工业化的深度融合”，新一轮工业革命的共同基础都是“赛博-物理系统”（CPS），在计算（computation）、通讯（communication）和控制（control）技术的支持下产生多样化的功能。

二、新一轮工业革命的三大特征从各国的发展趋势看，新一轮工业革命首先带来的是制造业的重构，其中，工业互联网、直接数字制造（DDM）和基于模型的系统工程（MBSE）是未来制造业的三大典型特征。

1、工业互联网作为机器、设备组和设施通过互联网、大数据分析技术的综合，本质就是智能设备、系统和自动化，是赛博-物理系统在工业界的具体应用，其中的核心因素有四个方面：互联网——高度连接：我们生活在一个连接机器、数据和人的系统网络中。

智慧机器——通过嵌入式软件不断提高系统智能；先进的传感器和控制系统。

大数据——数据普遍化，高效率、实时数据。

分析——预测性算法，基于物理学的分析。

工业互联网的应用是通过数字世界的智能设备、智能系统、智能决策，使工业世界的系统网络得到优化、设施得到优化，设备组得到优化，资产得到优化，从而提升工业的效益。

2、直接数字制造现代先进工业制造系统的描述已有很多，包括敏捷制造、柔性制造、准时制造、精益制造、批量定制、快速制造、可重构制造等，这些概念最初都是以更加柔性的生产体系为出发点。

随着传统的设计和制造发展成基于仿真的设计和数字控制的制造，直接数字制造逐渐成为工业变革的新趋势。

直接数字制造有加式制造（如3D打印）、快速/即时制造、按需制造等多种实现方式，其核心要点是用三维设计数据驱动计算机控制的制造系统，从而实现从设计到加工的无缝衔接。

在航空工业的生产实践中，飞机机翼带筋壁板已经实现从金属材料的切削加工到复合材料的加式制造，材料节省了95%以上，生产效率成倍提高。

从已经实现的技术来看，直接数字制造带来的效益超出传统手段一个数量级以上，将大大改变未来制造业的面貌。

3、基于模型的系统工程从系统工程，到复杂系统工程，再到复杂组织体系统工程，复杂度不断增加。

从传统的系统工程到复杂的系统工程是一次范式的转移，是支配本领域的基本规律发生了变化。

基于模型的系统工程就是要回答解决复杂系统工程的问题，同时，需要通过信息、计算和软件来架设传统系统与复杂系统之间的桥梁。

复杂系统工程与传统系统工程的不同在哪里？传统的系统工程方法难以高效沟通的原因是，信息的传递是完全基于文件。

这种信息传递方法的固有缺陷是文件相互之间的依赖性是隐形的，而且使工程人员只看到结构看不到行为。

因为文件传递的是静态信息，缺乏整体。

而模型传递的是动态信息，包括了需求、结构、行为和参数，可以使整个组织各个专业、各技术领域的人更容易理解系统。

以前的机械设计都是二维设计，后来到三维设计，现在既能三维设计，又能三维标准尺寸，还可以三维加工仿真。

基于模型，在整个过程中，任何时候工艺对设计提出更改，加工对工艺提出更改，大家传递和使用的还是同一种模型，不会产生歧义。

任何时候发生变化，就去修改模型，不管在哪个点上修改，都能实现全程传递。

在传统系统工程中，我们以前长期使用的是瀑布型模型。

而后来使用了V型模型，现在需要在V型模型中间再加一个模型库，这三个模型的变化是什么？传统的系统工程是基于确定论和设计论，也就是我们通常在系统工程的开始就要“冻结需求”。

而复杂系统工程基于进化认识论，要不断地适应变化。

需求是无法在一开始就冻结的，因为系统太复杂，以至于不可能一开始就对需求认识得很清楚，而是在整个过程中不断完善。

需求阶段就要基于系统的运行场景（scenario）来设想。

所谓场景，就是有情景，有人物、角色，有故事情节中的动态行为和逻辑顺序。

实际上就是要有“推演”，相当于今后的系统工程师的角色和导演差不多，需要知道故事情节是什么，剧中的角色该以什么方式去行动，输入是什么，输出是什么，整个过程都要设想清楚，才能描述场景。

这些场景分析，并不是一开始出现一个概念，把概念变成设计再制造，然后再去试验，试了不成功再去调整。

基于模型的系统工程，不是在V型模型的左边完成设计，等硬件在底端制造出来，再去V型的右边综合和验证，而是在V型的中间插入一个模型库，V型的左边每一步都和模型库对应，进行虚拟数字环境下的设计、制造、装配、试验、验证等全过程，就是以V型的左边和中间的模型库实现全V过程的虚拟化，并快速迭代，最后等硬件制造出来就实现了“一次成功”，从而使V的右边得以顺利快速地完成，而这对于传统系统工程来说，V的右边往往是工程延迟和失败的危险区。

NASA讲的“fly before built（建造前飞行）”就是指开始并没有制造，在虚拟数字环境下基于模型去设计、制造、试验等，就可以看到最终场景，并在整个过程中不断完善需求，不断适应变化。

这就是基于模型的系统工程所带来的巨大变革。

所以，面对复杂系统，应对的策略是以科律性的流程——结构化的过程知识来应对复杂系统结果的不确定性；以系统化的模型——结构化的元素关系，来应对复杂系统工程的可演进性。

三、中国航空工业的变革与发展航空制造业具有技术密集度高、产业关联范围广、军民融合性强、辐射带动效应大、工业化和信息化融合程度深等显著特点，处于装备制造业的高端，是国家工业基础、科技水平、综合国力、国防实力的重要标志和综合体现。

因此，中航工业在引领国内信息化与工业化深度融合领域需要发挥重要作用。

要实现信息化与工业化的深度融合，首先需理解其背后存在的系统逻辑。

1、深度把握信息化时代的工业系统逻辑技术是人类达成目的的手段，可分为物理技术和非物理技术。

但凡遵循物理原理的技术就是物理技术，比如各个专业以及各个专业所采用的原理和方法；而工业过程、制造过程、项目过程、系统工程过程等都是非物理技术，没有物理原理可以遵循，而是基于一个民族、一个国家、一个企业、一个团队多少年的积累所形成的。