航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)分析與探討

文|任偉 楊曉明 林海波 中國(guó)航天標(biāo)準(zhǔn)化研究所

一、引言

智能制造，標(biāo)準(zhǔn)先行。先進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)施智能制造的重要基礎(chǔ)和前提，標(biāo)準(zhǔn)化是智能制造系統(tǒng)互聯(lián)互通的必要條件。而構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系是實(shí)施智能制造領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃的重要支撐，對(duì)于新興的智能制造領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)的制修訂工作具有重大意義。美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)強(qiáng)國(guó)早已認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)是重塑制造業(yè)的關(guān)鍵，通過(guò)不同方式加大智能制造標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)力度，在未來(lái)國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)中搶奪先機(jī)[1]。我國(guó)也高度重視智能制造領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化工作，工信部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)聯(lián)合制定并發(fā)布了《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018年版）》。

在智能制造已上升為國(guó)家戰(zhàn)略的大形勢(shì)下，智能制造的提出對(duì)航天傳統(tǒng)的制造模式帶來(lái)了很大的沖擊。[2]航天作為我國(guó)高端裝備制造業(yè)的典型代表，需要積極配合國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃[3]。通過(guò)分析航天領(lǐng)域現(xiàn)行制造模式，建立航天型號(hào)科研生產(chǎn)與標(biāo)準(zhǔn)體系的映射關(guān)系，開(kāi)展智能制造標(biāo)準(zhǔn)化需求的識(shí)別與分析工作，梳理并提出航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目名稱并分類，進(jìn)而構(gòu)建航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，將促進(jìn)航天制造能力轉(zhuǎn)型升級(jí)，支撐航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)。

二、構(gòu)建原則和思路

1.構(gòu)建原則

開(kāi)展航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系研究，首先需要明確航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建原則和構(gòu)建思路，包括標(biāo)準(zhǔn)體系的定位與范圍,與國(guó)家、集團(tuán)及院廠所級(jí)標(biāo)準(zhǔn)體系的關(guān)系,航天特色的體現(xiàn),當(dāng)前數(shù)字化制造與未來(lái)智能制造發(fā)展的關(guān)系等。航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建原則主要包括全面性、先進(jìn)性、匹配性、實(shí)用性等。

1)全面性：應(yīng)覆蓋以智能制造為對(duì)象的全流程、全要素，其范圍應(yīng)包括從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)組成的生命周期，也包括從設(shè)備層、控制層、車間層和協(xié)同層等相關(guān)的系統(tǒng)層級(jí)，還包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、信息融合等多層智能功能等。

2)先進(jìn)性：應(yīng)與航天制造能力轉(zhuǎn)型升級(jí)總體部署相匹配，充分借鑒吸收德國(guó)工業(yè)4.0、美國(guó)智能制造以及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織在智能制造標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域的前沿理念和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。

3)匹配性：應(yīng)與頂層規(guī)劃對(duì)智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工作的要求相關(guān)聯(lián)、結(jié)合，盡量保持共性、滿足通用性的標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)，應(yīng)能夠隨著航天智能制造的發(fā)展具有可擴(kuò)展性，可動(dòng)態(tài)更新。

4)實(shí)用性：框架結(jié)構(gòu)要能夠符合航天產(chǎn)品和制造模式的特點(diǎn)，堅(jiān)持優(yōu)先數(shù)字化制造所需標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)。

2.構(gòu)建思路

研究國(guó)內(nèi)外數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和標(biāo)準(zhǔn)情況，掌握智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)、要素及項(xiàng)目特點(diǎn)，系統(tǒng)規(guī)劃航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)的總體原則和對(duì)象范圍；調(diào)研分析航天企業(yè)的數(shù)字化車間特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，掌握當(dāng)前航天數(shù)字化制造現(xiàn)狀，結(jié)合未來(lái)航天智能制造發(fā)展規(guī)劃，深入挖掘標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)需求；同時(shí)系統(tǒng)梳理評(píng)估國(guó)內(nèi)現(xiàn)有各級(jí)各類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究提出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)納入體系的準(zhǔn)則，策劃重點(diǎn)領(lǐng)域的未來(lái)制定標(biāo)準(zhǔn)，編制標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)表，提出體系中標(biāo)準(zhǔn)的制定優(yōu)先級(jí)和制定時(shí)間建議。

航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系按照“三步法”建設(shè)完成。

第一，以《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2018年版）》的系統(tǒng)架構(gòu)要素為基礎(chǔ)，結(jié)合國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)行業(yè)的要求以及航天制造能力提升總體規(guī)劃，分析航天智能制造應(yīng)用系統(tǒng)特征，構(gòu)建由生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能組成的三維智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，從而界定智能制造標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)涵和外延，識(shí)別智能制造現(xiàn)有和缺失的標(biāo)準(zhǔn)，認(rèn)知現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)間的交叉重疊關(guān)系。

第二，在深入分析標(biāo)準(zhǔn)化需求的基礎(chǔ)上，綜合智能制造系統(tǒng)架構(gòu)各維度邏輯關(guān)系，將智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的生命周期維度和系統(tǒng)層級(jí)維度組成的平面，自上而下依次映射到智能功能維度的多個(gè)層級(jí)，圍繞航天智能制造發(fā)展的特色，增加修改相關(guān)模塊，結(jié)合對(duì)智能裝備、智能工廠、智能服務(wù)、工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等五類關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行組合分析，考慮并列或作為下層級(jí)處理，與基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)和重點(diǎn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。

第三，對(duì)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)分解細(xì)化，依據(jù)當(dāng)前航天智能制造發(fā)展趨勢(shì)，分析航天企業(yè)的數(shù)字化車間特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，掌握當(dāng)前航天數(shù)字化制造現(xiàn)狀，結(jié)合未來(lái)航天智能制造發(fā)展規(guī)劃，建立智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架，深入挖掘標(biāo)準(zhǔn)化對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)需求。同時(shí)系統(tǒng)梳理評(píng)估國(guó)內(nèi)現(xiàn)有各級(jí)各類相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究提出現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)納入體系的準(zhǔn)則，策劃重點(diǎn)領(lǐng)域的未來(lái)制定標(biāo)準(zhǔn)，編制標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)表，指導(dǎo)航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作。

三、體系結(jié)構(gòu)和體系框架

航天智能制造頂層規(guī)劃提出，要推動(dòng)集團(tuán)公司層面實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造等資源的有效配置和利用；要建立數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化系統(tǒng)，作為科研生產(chǎn)的基礎(chǔ)支撐手段；要建立智能的航天工業(yè)基礎(chǔ)，建設(shè)智慧的院、廠、所，實(shí)現(xiàn)一系列智能設(shè)備、裝備、系統(tǒng)的技術(shù)支撐。結(jié)合以上航天產(chǎn)品和制造模式特點(diǎn)等要求，參照對(duì)比國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系參考模型，分析了航天領(lǐng)域在參考模型上應(yīng)具備的差異性，如表1所示。

表1 國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系參考模型在航天領(lǐng)域的差異性體現(xiàn)

通過(guò)拆分、整合國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)“基礎(chǔ)共性”和“關(guān)鍵技術(shù)”兩大板塊各個(gè)要素，結(jié)合上述航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)特色在生命周期、系統(tǒng)層級(jí)、智能特征的具體體現(xiàn)，重新構(gòu)建航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)，詳見(jiàn)圖1（其中，航天特色明顯的體系模塊采用標(biāo)記）。

圖1 航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)圖

A基礎(chǔ)共性部分：其中的信息安全、檢測(cè)評(píng)價(jià)、可靠性與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)存在一定差異，此方面是航天行業(yè)基礎(chǔ)部分建設(shè)的主要內(nèi)容。

B智能裝備部分：航天所用硬件設(shè)備包括商用設(shè)備和自主研發(fā)設(shè)備，自主研發(fā)設(shè)備的接口部件還是屬于商用的，因此此方面的標(biāo)準(zhǔn)還是可采用相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，部分可制定通信、接口、協(xié)同等有針對(duì)性的具體標(biāo)準(zhǔn)。其中，增材制造中，航天應(yīng)用更多側(cè)重于采用金屬材料的大尺寸、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件成形技術(shù)，與民用方面有所差別，且許多設(shè)備是內(nèi)部開(kāi)發(fā)研制，并非通常的商用設(shè)備。

C智能工廠部分：一是增加了“數(shù)字化車間”分支。從系統(tǒng)層級(jí)建設(shè)來(lái)說(shuō)，必須要先由小到大實(shí)現(xiàn)從智能裝備到智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線、數(shù)字化車間等過(guò)程，最終實(shí)現(xiàn)智能工廠乃至智能制造系統(tǒng)的集成。具體而言，航天院廠所在智能化/數(shù)字化推進(jìn)中，雖然發(fā)展略有不同，但近3～5年的定位還是以數(shù)字化車間為主。二是增加了“數(shù)字化制造”分支。實(shí)際上，數(shù)字化制造部分也是智能工廠的子集，由于數(shù)字化制造是智能化/數(shù)字化研制生產(chǎn)的關(guān)鍵，其標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目占比較多，是當(dāng)前階段關(guān)鍵技術(shù)的核心部分。三是增加了“數(shù)字化管理”分支。在數(shù)字化環(huán)境下，數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)與制造必將對(duì)分布于不同空間位置的多個(gè)研制單位（分系統(tǒng)）聯(lián)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)信息資源的共享和協(xié)同工作，共同完成整個(gè)產(chǎn)品的研制，因此，航天傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程、審簽、技術(shù)狀態(tài)控制等重要的管理要素將發(fā)生根本性變化，航天科研生產(chǎn)模式正在轉(zhuǎn)型升級(jí)。航天科研管理對(duì)研制產(chǎn)品的質(zhì)量、效率、成本等方面都具有極大的影響，且航天的科研管理模式與其他行業(yè)差異較大。因此，為凸顯對(duì)航天數(shù)字化管理的重視，將數(shù)字化管理模塊作為重要分支給出。實(shí)際處理上，由原體系結(jié)構(gòu)中基礎(chǔ)共性的管理及其他模塊下的管理部分整合到“數(shù)字化管理”中。

D智能服務(wù)部分：發(fā)射場(chǎng)服務(wù)可作為航天智能服務(wù)的一個(gè)重點(diǎn)。航天走向智能制造，其制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)鏈和價(jià)值鏈將會(huì)得到延伸并走向服務(wù)化。例如，除了衛(wèi)星研制與發(fā)射，將來(lái)衛(wèi)星將更好地服務(wù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)，提供基于網(wǎng)絡(luò)的更好的產(chǎn)品研制、遠(yuǎn)程故障診斷、運(yùn)營(yíng)管理等綜合服務(wù)，其智能服務(wù)方面的標(biāo)準(zhǔn)（主要包括通用要求、設(shè)計(jì)規(guī)范、安全規(guī)范、接口、協(xié)同等方面標(biāo)準(zhǔn)等）先作為虛擬框給出。

E工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)部分：航天工業(yè)軟件一般圍繞航天現(xiàn)行研制流程和管理模式進(jìn)行個(gè)性化定制開(kāi)發(fā)，具有明顯的航天特色，同時(shí)帶有明顯的軟件應(yīng)用特色。航天產(chǎn)品由于要圍繞每個(gè)單件進(jìn)行全過(guò)程數(shù)據(jù)記錄，涉及的數(shù)據(jù)量龐大，數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜。同時(shí)航天大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析都是圍繞航天產(chǎn)品質(zhì)量管理模式制定的，具有明顯的航天特色，方便出現(xiàn)產(chǎn)品問(wèn)題后的歸零問(wèn)題追溯。

F工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部分：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在部分航天制造單位現(xiàn)處于探索和試點(diǎn)應(yīng)用階段。但隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，采用工業(yè)互聯(lián)技術(shù)將是航天制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。航天工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)是航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，先作為虛擬框給出。

航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架體現(xiàn)了航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系的基本組成，如圖2所示。

圖2 航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架

四、標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)的策劃重心

航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系明細(xì)的確立，要具有全局性、通用性、緊迫性和實(shí)用性，充分梳理、整合兩大航天集團(tuán)數(shù)字化水平較高的單位在數(shù)字化設(shè)計(jì)、數(shù)字化仿真、數(shù)字化制造等一系列技術(shù)和管理規(guī)范，以及在數(shù)字化車間、數(shù)字化工廠建設(shè)中所涉及的標(biāo)準(zhǔn)。由于一些航天制造裝備采用的是國(guó)外進(jìn)口的成熟裝備，這些裝備通常是根據(jù)現(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的，因此其采用的國(guó)際智能制造標(biāo)準(zhǔn)也需納入航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系中，尤其是關(guān)于信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，如主流智能裝備/數(shù)字化裝備的通信協(xié)議等標(biāo)準(zhǔn)名稱。

由于航天產(chǎn)品的科研生產(chǎn)任務(wù)是業(yè)務(wù)主線，其涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品物流、產(chǎn)品維護(hù)，以及各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的協(xié)同和集成等標(biāo)準(zhǔn)名稱是航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系明細(xì)表的重點(diǎn)規(guī)劃內(nèi)容。具體體現(xiàn)在：

1）策劃航天產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)與仿真，工藝仿真、裝配仿真、產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)程仿真等方面的航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)需要基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)、專業(yè)化并行/協(xié)同設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化，以及試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)與流程的管理、試驗(yàn)結(jié)果的分析與驗(yàn)證、試驗(yàn)結(jié)果反饋等方面。

2）策劃航天現(xiàn)有智能制造環(huán)境下的計(jì)劃調(diào)度、生產(chǎn)執(zhí)行、質(zhì)量管控、設(shè)備運(yùn)維等航天產(chǎn)品生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)需要包括計(jì)劃仿真、多級(jí)計(jì)劃協(xié)同、可視化排產(chǎn)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)度等計(jì)劃調(diào)度工作；作業(yè)文件自動(dòng)下發(fā)、協(xié)同生產(chǎn)、生產(chǎn)過(guò)程管理與優(yōu)化、可視化監(jiān)控與反饋、生產(chǎn)績(jī)效分析、異常管理等生產(chǎn)執(zhí)行工作；質(zhì)量數(shù)據(jù)采集、在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)和預(yù)警、質(zhì)量檔案及質(zhì)量追溯、質(zhì)量分析與改進(jìn)等質(zhì)量管控工作；設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備維修維護(hù)、基于知識(shí)的設(shè)備故障管理、設(shè)備運(yùn)行分析與優(yōu)化等方面。

3）策劃航天產(chǎn)品生產(chǎn)中物流倉(cāng)儲(chǔ)、物流配送過(guò)程中的物流設(shè)計(jì)、協(xié)同、信息交互標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)需要包括物料標(biāo)識(shí)、物流信息采集、物料貨位分配、出入庫(kù)輸送系統(tǒng)、作業(yè)調(diào)度、信息處理、作業(yè)狀態(tài)及裝備狀態(tài)的管控、貨物實(shí)時(shí)監(jiān)控、物料分揀系統(tǒng)、配送路徑規(guī)劃、配送狀態(tài)跟蹤等方面。

4）策劃設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同、工藝與制造協(xié)同、制造系統(tǒng)互聯(lián)互通等航天產(chǎn)品在開(kāi)展各項(xiàng)業(yè)務(wù)過(guò)程中的協(xié)同和集成標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)需要包括業(yè)務(wù)間集成架構(gòu)與功能、集成的活動(dòng)模型和工作流、信息交互、集成接口和性能、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與系統(tǒng)集成、系統(tǒng)之間集成、系統(tǒng)互操作、設(shè)計(jì)與制造協(xié)同優(yōu)化、生產(chǎn)管控協(xié)同優(yōu)化、供應(yīng)鏈協(xié)同優(yōu)化等方面。

五、結(jié)論

當(dāng)前，航天多型號(hào)、多任務(wù)并舉，研制與批產(chǎn)并重，高密度發(fā)射和交付已成常態(tài)，這對(duì)航天制造能力提出了更高的要求。大力發(fā)展航天智能制造，必須重視標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和橋梁作用。通過(guò)策劃構(gòu)建航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，給出航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系明細(xì)表，兼顧當(dāng)前數(shù)字化制造和未來(lái)智能制造標(biāo)準(zhǔn)需求，將促進(jìn)航天制造企業(yè)探索智能制造標(biāo)準(zhǔn)化新模式，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)先行”，尤其在編碼規(guī)則、系統(tǒng)接口等系統(tǒng)集成方面提前達(dá)成標(biāo)準(zhǔn)共識(shí)，有助于降低智能工廠后期運(yùn)行和改進(jìn)成本，提升航天研制效率和經(jīng)營(yíng)效率，助力航天制造能力轉(zhuǎn)型升級(jí)。