軍工電子企業(yè)智能工廠規(guī)劃方案淺析

四川九洲電器集團有限責(zé)任公司 謝 穎 王政理

1.背景

近年來，隨著信息技術(shù)、傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和賽博-物理系統(tǒng)（CPS）等智能制造技術(shù)的興起和逐步成熟，“智能工廠”已成為全球傳統(tǒng)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要突破方向。各國為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本、縮短研制周期，制定了多項智能制造發(fā)展戰(zhàn)略與規(guī)劃，并大力發(fā)展智能制造技術(shù)、智能裝備和建設(shè)智能工廠。

美國于2011年正式啟動包括發(fā)展機器人在內(nèi)的先進制造伙伴計劃。2012年，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會公布了《國家先進制造戰(zhàn)略計劃》，明確提出加速發(fā)展先進制造能力；德國于2013年提出“工業(yè)4.0”，并被德國政府確定為高科技領(lǐng)域的國家戰(zhàn)略，是德國政府《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》十大未來項目之一?！肮I(yè)4.0”推行“智能工廠”和“智能制造”兩大主題，提出制造業(yè)將迎來以賽博物理系統(tǒng)(CPS)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命；我國針對智能制造提出了《中國制造2025》，要求緊密圍繞重點制造領(lǐng)域關(guān)鍵環(huán)節(jié)，開展新一代信息技術(shù)與制造裝備融合的集成創(chuàng)新和工程應(yīng)用，開發(fā)智能和自主可控的智能裝置，依托優(yōu)勢企業(yè)緊扣關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制、供應(yīng)鏈優(yōu)化，建設(shè)重點領(lǐng)域數(shù)字化車間/智能工廠。

2.軍工電子產(chǎn)品對其研發(fā)制造模式提出的新要求

目前軍工電子產(chǎn)品的科研生產(chǎn)組織模式尚處于傳統(tǒng)研制模式向數(shù)字化研制模式的過渡階段，仍存在著科研生產(chǎn)周期長、生產(chǎn)過程難控制和質(zhì)量難保證等一系列問題，不適應(yīng)新時期、新形勢下對多領(lǐng)域、多品種軍工電子裝備提出的高效和精益制造、準時交付及體系化保障等需要。

為適應(yīng)未來戰(zhàn)爭呈現(xiàn)出的空間對抗、體系對抗、信息對抗和非接觸對抗等新特點，軍事電子裝備必須向基于信息系統(tǒng)的體系化、質(zhì)量與可靠性大幅提升和關(guān)鍵裝備自主可控等方向發(fā)展。這些對軍事電子裝備研制企業(yè)提出了研制能力體系化、生產(chǎn)制造精準和柔性化、綜合管控精益化以及裝備交付周期大幅縮短、質(zhì)量與可靠 性顯著提高等一系列的新要求。在此形勢下，軍工電子裝備研制生產(chǎn)企業(yè)必須建立數(shù)字化樣機協(xié)同設(shè)計及仿真，柔性、敏捷化智能制造，精益化的數(shù)字化協(xié)同與精確管控，以及智能倉儲物流和“大數(shù)據(jù)”管理應(yīng)用等智能制造體系化能力，以達到提高武器裝備性能、提升武器裝備質(zhì)量和可靠性，縮短裝備研制周期等武器裝備發(fā)展綜合性目標(biāo)要求。所以，軍工電子產(chǎn)品對智能制造的需求十分迫切。

3.智能工廠規(guī)劃方案

為了形成軍工電子裝備研發(fā)、制造、管理和服務(wù)全過程、體系化的智能制造新模式，軍工電子智能制造需從智能制造規(guī)范及標(biāo)準體系、智能設(shè)計、智能車間、數(shù)字化綜合協(xié)同管控平臺、智能服務(wù)保障、“大數(shù)據(jù)”管控中心、輔助決策分析系統(tǒng)和基礎(chǔ)信息條件等八個方面全面規(guī)劃建設(shè)“智能工廠”。軍工電子產(chǎn)品的“智能工廠”的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 “智能工廠”總體構(gòu)架圖

3.1 “智能制造”規(guī)范及標(biāo)準體系

未來軍工電子產(chǎn)品的設(shè)計與制造，需以基于全三維的產(chǎn)品模型為核心，借鑒國際先進標(biāo)準和國家標(biāo)準為指引，充分結(jié)合產(chǎn)品的特點，建立起適應(yīng)型號產(chǎn)品研制的、與基礎(chǔ)研制環(huán)境相一致的、開放式的“智能制造”技術(shù)規(guī)范及信息化標(biāo)準體系，奠定“智能工廠”建設(shè)的良好基礎(chǔ)。

“智能工廠”技術(shù)規(guī)范及信息化標(biāo)準具體包括“基于MBD的數(shù)字化設(shè)計規(guī)范”、“三維裝配標(biāo)準”、“三維標(biāo)注規(guī)范”、“典型零件設(shè)計規(guī)范”、“工序模型建立規(guī)范”、“模型質(zhì)量檢查規(guī)范”、“業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)定義及編碼規(guī)范”、“設(shè)計、工藝和制造BOM管理規(guī)范”、“產(chǎn)品研發(fā)業(yè)務(wù)過程管理規(guī)范”、“信息化接口標(biāo)準”、“系統(tǒng)操作規(guī)范”和“系統(tǒng)安全標(biāo)準”等。

3.2 智能設(shè)計

未來軍工電子產(chǎn)品的設(shè)計模式將發(fā)生巨大的變化，首先，在數(shù)字化設(shè)計能力基礎(chǔ)上，結(jié)合多專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計、仿真分析、測試驗證能力，虛擬制造能力和三維數(shù)字化工藝設(shè)計能力，形成基于模型成熟度定義方式的數(shù)字化樣機協(xié)同研發(fā)及虛擬制造一體化的數(shù)字化樣機設(shè)計工程新模式；然后，逐步研究、引入和應(yīng)用模糊邏輯、模式識別、啟發(fā)搜索、定性推理、聯(lián)想記憶、進化設(shè)計、分形分維、混沌理論和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等一系列人工智能技術(shù)和非經(jīng)典（智能）數(shù)學(xué)方法，在設(shè)計、工藝、制造、管理和保障等全過程的“大數(shù)據(jù)”基礎(chǔ)上，建立智能專家知識工程，從而模擬設(shè)計人員的分析、構(gòu)思、推理、優(yōu)化、判斷、決策和仿真驗證等智能設(shè)計活動，最終實現(xiàn)參數(shù)化的智能設(shè)計，極大地提高設(shè)計的效率、質(zhì)量和創(chuàng)新性。

通過建設(shè)數(shù)字化設(shè)計及仿真能力，在虛擬環(huán)境中實現(xiàn)數(shù)字化樣機多學(xué)科的設(shè)計、仿真、測試、分析和驗證過程以及設(shè)計分析的一體化。并以工藝虛擬仿真驗證能力和虛擬制造系統(tǒng)能力為核心，搭建虛擬制造平臺，通過全體系的工藝仿真驗證能力，在產(chǎn)品設(shè)計階段模擬出其性能及制造過程，以此優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和工藝流程，最終實現(xiàn)由實物樣機試制升級到虛擬樣機制造過程。

結(jié)合產(chǎn)品數(shù)字化樣機及虛擬制造數(shù)據(jù)，搭建基于模型的三維數(shù)字化工藝設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)基于全三維數(shù)字化模型的工藝規(guī)劃和設(shè)計，以結(jié)構(gòu)化及三維可視化的工藝規(guī)程指導(dǎo)產(chǎn)品的制造全過程，從而打通全三維設(shè)計到全三維制造之間的橋梁。最終，通過智能專家知識工程，設(shè)計人員只需要設(shè)定相關(guān)的設(shè)計參數(shù)，系統(tǒng)即可自動完成設(shè)計分析、構(gòu)思、推理、優(yōu)化、判斷與決策，以及對設(shè)計結(jié)果的智能仿真和迭代優(yōu)化等過程，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 智能專家知識工程組成及運行流程示意圖

3.3 智能車間

按照軍工電子產(chǎn)品的制造工藝，重點構(gòu)建以智能柔性切削制造單元、智能柔性鈑金成形單元、智能焊接中心、噴涂自動化單元、柔性共線裝配線體、自動網(wǎng)絡(luò)化集群調(diào)測平臺、數(shù)字化試驗系統(tǒng)、智能倉儲系統(tǒng)和制造執(zhí)行系統(tǒng)等為核心的智能車間，形成狀態(tài)感知、實時分析、自主決策、精準執(zhí)行的裝備制造系統(tǒng)和高度柔性化和快速響應(yīng)的智能制造能力。智能車間的建設(shè)將從自動化數(shù)控設(shè)備的全面推進使用入手，借助工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)，從數(shù)字化制造逐步引入智能機器人、智能工裝等智能單元和智能裝備，形成智能生成線，并最終建設(shè)柔性智能車間。智能車間組成如圖3所示。

圖3 智能車間示意圖

3.4 數(shù)字化綜合協(xié)同管控平臺

以科研管理系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）、基礎(chǔ)物料管理系統(tǒng)、生產(chǎn)與物料管理系統(tǒng)、質(zhì)量管理系統(tǒng)、OA系統(tǒng)和HR系統(tǒng)等為基礎(chǔ)，完善產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（PDM）、企業(yè)資源計劃管理系統(tǒng)，結(jié)合多項目管理系統(tǒng)、檔案管理系統(tǒng)、審計管理系統(tǒng)、預(yù)算管理系統(tǒng)、協(xié)同管理系統(tǒng)和數(shù)字化綜合保障系統(tǒng)等重要管理系統(tǒng)，完善各業(yè)務(wù)流程的數(shù)字化管理能力。通過企業(yè)ESB集成總線集成和協(xié)同管理系統(tǒng)，建立統(tǒng)一的數(shù)字化綜合協(xié)同管控平臺，打通設(shè)計、工藝、制造及各個管理系統(tǒng)之間的三維數(shù)據(jù)信息鏈，并建立企業(yè)內(nèi)部即時和可視化協(xié)同網(wǎng)絡(luò)，提供安全、可信賴和可訪問的協(xié)同工作環(huán)境。最終，達到產(chǎn)品研制、綜合保障和企業(yè)管理全過程的技術(shù)狀態(tài)的高效管控。綜合協(xié)同管控平臺組成及主要信息流程如圖4。

圖4 數(shù)字化綜合協(xié)同管控平臺組成及主要信息流程

3.5 智能服務(wù)保障平臺

搭建智能服務(wù)保障平臺，通過遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控和采集、故障診斷、趨勢預(yù)測、產(chǎn)品故障預(yù)警等，實現(xiàn)用戶原始信息的捕捉，后臺數(shù)據(jù)的積累，保障服務(wù)需求結(jié)構(gòu)模型的建立，以及客戶的顯性和隱性需求的挖掘，從而主動給用戶提供精準、高效的服務(wù)。智能服務(wù)保障平臺組成框架如圖5。

圖5 智能服務(wù)保障平臺組成及主要信息流程

3.6 “大數(shù)據(jù)”管控中心

建設(shè)“大數(shù)據(jù)”管控中心，通過ESB企業(yè)集成總線與數(shù)字化綜合協(xié)同管理平臺集成后，將產(chǎn)品在數(shù)字化樣機設(shè)計及仿真、虛擬制造平臺、智能制造、綜合協(xié)同管控和服務(wù)保障等產(chǎn)品全生命周期的所有海量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，形成一個企業(yè)級單一數(shù)據(jù)源、統(tǒng)一架構(gòu)的數(shù)據(jù)中心，對全部數(shù)據(jù)進行記錄、儲存、統(tǒng)計、分析、共享、重用和控制，使各環(huán)節(jié)業(yè)務(wù)人員能夠獲得產(chǎn)品全生命周期完整的數(shù)據(jù)，了解所有技術(shù)狀態(tài)歷史，并能夠方便快捷進行搜索和質(zhì)量跟蹤，實現(xiàn)軍事電子裝備研制和管理過程中產(chǎn)品與信息資源的高效協(xié)同管理和全面共享應(yīng)用。同時，為智能分析決策系統(tǒng)和智能專家知識工程提煉并提供精準的數(shù)據(jù)?！按髷?shù)據(jù)”管控中心總體架構(gòu)及集成關(guān)系如圖6。

圖6 “大數(shù)據(jù)”管控中心總體架構(gòu)及集成關(guān)系

3.7 輔助決策分析系統(tǒng)

由于業(yè)務(wù)價值信息分散于企業(yè)的各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及不同的業(yè)務(wù)模塊中，造成各個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)片面、信息彼此孤立，而且各業(yè)務(wù)系統(tǒng)基于不同的目的、架構(gòu)、產(chǎn)品進行構(gòu)建，也產(chǎn)生了互不兼容等問題。輔助決策支持系統(tǒng)從企業(yè)眾多異構(gòu)的信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)中提取出有用的數(shù)據(jù)并進行清理，以保證數(shù)據(jù)的正確性，然后經(jīng)過抽取、轉(zhuǎn)換、裝載，合并到一個企業(yè)級的數(shù)據(jù)倉庫中，從而得到企業(yè)數(shù)據(jù)的一個全局視圖，在此基礎(chǔ)上利用合適的查詢和分析工具、數(shù)據(jù)挖掘工具、OLAP工具等對其進行分析和處理（這時信息變?yōu)檩o助決策的知識），最后將知識呈現(xiàn)給管理者，為管理者的決策過程提供數(shù)據(jù)支持。

3.8 基礎(chǔ)信息條件

建設(shè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集平臺、工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)、ESB企業(yè)集成總線等配套基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施，確保各項綜合協(xié)同管控系統(tǒng)和智能車間等的有效運行。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集平臺實現(xiàn)車間生產(chǎn)過程和管理過程中的運行數(shù)據(jù)，包括生產(chǎn)信息、設(shè)備信息、工裝信息和質(zhì)量信息等的采集、為各個管理系統(tǒng)提供準確的數(shù)據(jù)；通過工業(yè)以太網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)工藝順序、實時生產(chǎn)工藝參數(shù)、質(zhì)量信息等數(shù)據(jù)形成的信息流在生產(chǎn)過程完成后以上行信息流打包傳輸給數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)，并由“大數(shù)據(jù)”管控中心統(tǒng)一儲存和管理；部署ESB企業(yè)集成總線，將綜合協(xié)同管控系統(tǒng)與“大數(shù)據(jù)”管控中心等各類異構(gòu)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)多系統(tǒng)間的信息交換，從而將各個應(yīng)用系統(tǒng)整合在一起，并屏蔽各系統(tǒng)間通信的復(fù)雜性，避免整個“智能工廠”內(nèi)出現(xiàn)“信息孤島”。

4.總結(jié)

智能制造是未來的先進制造模式之一，是近年提出并得到不斷發(fā)展的制造技術(shù)，引起了世界各國的高度重視，軍工電子產(chǎn)品作為國家國防建設(shè)的重要組成部分，針對其制造模式開展的研究是提升國家軍事能力的重要途徑。

本文圍繞新時期武器裝備向基于信息系統(tǒng)的體系化、質(zhì)量與可靠性大幅提升和關(guān)鍵裝備自主可控等方向發(fā)展的新要求，充分論證建設(shè)滿足軍工電子裝備發(fā)展需要的智能研發(fā)、制造及服務(wù)的體系化能力條件，提出了基于軍工電子產(chǎn)品智能制造的“智能工廠”規(guī)劃，并對“智能工廠”建設(shè)所需規(guī)范及標(biāo)準體系、智能設(shè)計、智能車間、數(shù)字化綜合協(xié)同管控平臺、智能服務(wù)保障平臺、“大數(shù)據(jù)”管控中心、輔助決策分析系統(tǒng)、基礎(chǔ)信息條件等建設(shè)內(nèi)容進行了論述，以期全面提升從價值鏈、企業(yè)層、車間層、設(shè)備層的裝備制造系統(tǒng)的狀態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準執(zhí)行的能力和水平，形成先進、安全自主可控的柔性智能制造能力體系，從而全面提高裝備研制生產(chǎn)的效率、質(zhì)量并降低運營成本，適應(yīng)經(jīng)濟新常態(tài)、互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟等經(jīng)濟社會發(fā)展新形勢、新要求。