面向定制化生產(chǎn)的新能源整車智能工廠架構(gòu)模型與應(yīng)用研究

文|安徽江淮汽車股份有限公司 楊文江

一、引言

隨著我國近年來在新能源整車領(lǐng)域的不斷發(fā)展，新能源汽車產(chǎn)品的模塊與標(biāo)準(zhǔn)化已經(jīng)越來越成熟，面向客戶定制化的生產(chǎn)模式已經(jīng)逐步形成，并隨著制造業(yè)信息化的不斷推進，制造過程的智能化升級改造已成為制造企業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前針對智能工廠如何構(gòu)建，各行各業(yè)都開展了廣泛的研究，并且在各個領(lǐng)域都的到了一定的應(yīng)用。王天然等提出了智能制造空間模型，對智能制造發(fā)展模式與技術(shù)體系進行了詳細(xì)的闡述 ；李清等在系統(tǒng)分析我國智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、德國工業(yè)4.0 路線圖以及美國再工業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提出了智能制造信息系統(tǒng)架構(gòu)以及智能制造標(biāo)準(zhǔn)化的參考模型 ；田濟等高速動車組試驗驗證平臺智能工廠的平臺的建設(shè)提出了相應(yīng)的解決方案 ；劉進基于數(shù)字孿生的智能工廠建設(shè)方案，構(gòu)建了虛實結(jié)合的智能工廠架構(gòu)模型，提出了基于數(shù)字孿生的數(shù)字工廠架構(gòu)模型。在智能制造應(yīng)用等相關(guān)研究領(lǐng)域，相關(guān)學(xué)者對智能制造的關(guān)鍵技術(shù)如IOT和智能制造決策應(yīng)用等方面開展了相應(yīng)的研究，并取得了一定的成果。

上述研究表明當(dāng)前智能制造體系、框架以及關(guān)鍵技術(shù)等方面均開展了大量的研究，相關(guān)的研究成果對制造企業(yè)智能工廠的建設(shè)提供一定借鑒與參考價值，但尚未形成智能工廠建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化體系模型，特別針對用戶定制化生產(chǎn)模式，既能實現(xiàn)對客戶需求的快速響應(yīng)，又能實現(xiàn)按照大批量的制造模式的生產(chǎn)成本進行定制化的生產(chǎn)制造工廠的架構(gòu)模型體系尚未形成，本文基于該研究點出發(fā)，以定制化新能源整車制造過程的智能工廠建設(shè)為具體研究對象，提出了一種面向定制化生產(chǎn)的新能源整車智能工廠架構(gòu)模型，并實現(xiàn)對該架構(gòu)模型在新能源整車智能工廠建設(shè)方面的應(yīng)用。

二、面向定制化生產(chǎn)新能源整車智能工廠建設(shè)需求分析

目前新能源汽車特別是高端新能源汽車相對于傳統(tǒng)汽車制造業(yè)最大的區(qū)別在于對客戶定制化需求的響應(yīng)度以及售后服務(wù)的支撐度等方面，制造工廠作為實現(xiàn)這些差異的執(zhí)行環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)汽車智能工廠架構(gòu)的基礎(chǔ)上，新能源整車智能工廠架構(gòu)在定制化生產(chǎn)模式下供應(yīng)鏈協(xié)同、生產(chǎn)智能管控與汽車后市場的智能服務(wù)等三個方面存在著特定的需求。

1、面向定制化BOM的供應(yīng)鏈協(xié)同集成技術(shù)

客戶定制化需求的不同，需要制造企業(yè)盡可能地實現(xiàn)將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化與模塊化，使得整個生產(chǎn)系統(tǒng)能夠在多樣的客戶需求下，實現(xiàn)對客戶定制化需求的響應(yīng)。以新能源整車為例，根據(jù)電池、內(nèi)飾、顏色和選配件等模塊化組合，就有幾萬種不同的配置。因此面向客戶訂單的需求，實現(xiàn)對整個制造供應(yīng)鏈的協(xié)同管控就成為制造企業(yè)亟需解決的一項關(guān)鍵問題，在構(gòu)建智能工廠信息架構(gòu)模型時，供應(yīng)鏈的集成架構(gòu)模型是一項重要的研究內(nèi)容。

2、面向定制化生產(chǎn)制造模式的智能管控技術(shù)

定制化生產(chǎn)模式下，生產(chǎn)產(chǎn)品種類變化的多樣性對生產(chǎn)過程各類資源協(xié)同管控的需求也越來越高，因此對物流、設(shè)備和人員等制造資源的協(xié)同管控，建立面向制造全流程的系統(tǒng)管控機制，是實現(xiàn)整車制造過程智能管控，保證產(chǎn)品交付的基礎(chǔ)，建立新能源整車的智能管控架構(gòu)模型以及對關(guān)鍵管控技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，就成為新能源整車制造企業(yè)智能工程建設(shè)的核心工作內(nèi)容。

3、面向汽車后市場的智能服務(wù)支撐技術(shù)

客戶產(chǎn)品定制化決定了客戶服務(wù)需求的多樣化，依據(jù)產(chǎn)品制造過程的產(chǎn)生的多樣制造數(shù)據(jù)，建立面向汽車后市場的智能服務(wù)支撐體系，為客戶提供個性化的定制服務(wù)是提升客戶滿意度，提升品牌價值的重要手段。因此，構(gòu)建新能源整車智能工廠汽車后市場服務(wù)支撐技術(shù)體系是新能源整車制造企業(yè)一項重要的研究內(nèi)容。

三、新能源整車智能工廠體系架構(gòu)模型

1、新能源整車智能工廠整體架構(gòu)模型設(shè)計

新能源整車智能工廠架構(gòu)模型（如圖1 所示）包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)層、數(shù)字孿生層、全流程決策優(yōu)化層與智能運行決策層等四個方面。

圖1 智能工廠整體架構(gòu)模型

◎工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)層：通過對制造過程中各類制造資源（如設(shè)備、物料、指令和人員等），應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)識與感知技術(shù)，建立面向整車制造過程物聯(lián)感知環(huán)境。

◎數(shù)字孿生層：應(yīng)用模型驅(qū)動的制造工程方法，結(jié)合建立面向制造過程數(shù)據(jù)服務(wù)總線技術(shù)，實現(xiàn)對制造過程實時數(shù)據(jù)與生產(chǎn)系統(tǒng)的虛實映射，為對制造過程決策管控提供依據(jù)。

◎全流程決策優(yōu)化：應(yīng)用微服務(wù)的架構(gòu)體系，面向新能源整車制造過程構(gòu)建生產(chǎn)計劃、物流調(diào)度、AVI、PMC、路由管控以及可視化監(jiān)控等核心業(yè)務(wù)功能模塊，實現(xiàn)對制造全流程的決策優(yōu)化管控。

◎智能運行決策層：面向整車生產(chǎn)運營全業(yè)務(wù)鏈，以客戶訂單為驅(qū)動，建立面向定制化生產(chǎn)模式的協(xié)同制造框架模型以及面向汽車后市場的智能服務(wù)決策支撐框架體系，實現(xiàn)面向智能工廠全產(chǎn)業(yè)鏈的集成優(yōu)化。

2、面向全業(yè)務(wù)鏈的集成架構(gòu)模型

面向定制化生產(chǎn)需求，依托企業(yè)已有的信息系統(tǒng)BOM/PLM/ERP 的基礎(chǔ)上，建立基于全局BOM 與汽車后市場服務(wù)為一體的制造過程集成框架體系，如圖2 所示，實現(xiàn)產(chǎn)品配置模型、生產(chǎn)配置模型以及服務(wù)數(shù)據(jù)模型的集成共享，制造過程管控與集成優(yōu)化提供支撐。

圖2 智能工廠全業(yè)務(wù)鏈集成框架

圖3 基于實時狀態(tài)的制造過程協(xié)同優(yōu)化控制框架

圖4 新能源整車信息系統(tǒng)建設(shè)框架

3、基于實時狀態(tài)感知制造資源協(xié)同優(yōu)化控制框架

基于分散資源集中使用和集中資源分散服務(wù)的思想，將生產(chǎn)制造資源建模與服務(wù)化封裝、制造任務(wù)分解與規(guī)劃、制造資源優(yōu)化配置以及制造服務(wù)組件化，構(gòu)建一種服務(wù)化、可配置、可拓展和高度集成化的支持生產(chǎn)制造系統(tǒng)協(xié)同運作及支持底層制造資源透明使用的組件化工具，并能支持與協(xié)同制造平臺進行信息實時雙向互通與共享的生產(chǎn)運行管理應(yīng)用平臺，如圖3 所示。

四、新能源整車智能工廠應(yīng)用案例分析

1、新能源整車智能工廠信息系統(tǒng)建設(shè)框架

基于上述分析，江淮蔚來新能源工廠在建設(shè)過程中依據(jù)前序的智能工廠架構(gòu)模型，面向智能工廠制造現(xiàn)場級、工廠級以及企業(yè)級的三個層級的信息系統(tǒng)建設(shè)集成框架，如圖4所示。

依托核心的IOT 設(shè)備與集成接口標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建面向智能工廠的核心數(shù)據(jù)平臺，在此基礎(chǔ)上依據(jù)新能源整車的核心業(yè)務(wù)建立面向AVI、PMC 和PPS 等核心業(yè)務(wù)功能模型，并面向全業(yè)務(wù)管控流程，構(gòu)建WMS、ANDON、物料拉動和質(zhì)量控制等關(guān)鍵業(yè)務(wù)模型，通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)與企業(yè)上層信息系統(tǒng)的集成與交互。其整體業(yè)務(wù)流程如圖5 所示。

2、新能源整車智能工廠物聯(lián)集成架構(gòu)

針對新能源整車生產(chǎn)制造過程中涉及多類型和多交互協(xié)議的制造設(shè)備，建立了面向新能源整車制造過程的全業(yè)務(wù)流程框架模型，構(gòu)建面向新能源整車四大工藝過程的有線與無線相結(jié)合的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實現(xiàn)對制造裝備、運輸設(shè)備和管控終端等基礎(chǔ)物聯(lián)，整體物聯(lián)架構(gòu)如圖6 所示。

3、新能源整車智能工廠關(guān)鍵功能

在上述的系統(tǒng)架構(gòu)以及物聯(lián)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)并構(gòu)建面向江淮蔚來汽車的智能工廠管控平臺，實現(xiàn)對生產(chǎn)訂單配置、生產(chǎn)計劃排產(chǎn)、生產(chǎn)過程管控、智能物流配送和智能決策分析等方面實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的智能化管控，以下對部分關(guān)鍵功能進行闡述。

圖5 新能源整車智能工廠業(yè)務(wù)流程

圖6 新能源整車制造工廠物聯(lián)架構(gòu)模型

◎生產(chǎn)計劃與排程：依據(jù)設(shè)定的排程規(guī)則與算法，以定制化的生產(chǎn)訂單為輸入，在保證生產(chǎn)交付的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對新能源整車自主排產(chǎn)與調(diào)度，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)對排程計劃的發(fā)布與實時跟蹤， 具體功能如圖7 所示。

圖7 生產(chǎn)計劃與排程功能

◎生產(chǎn)過程實時監(jiān)控：結(jié)合構(gòu)建的面向整車制造過程的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)，實現(xiàn)對制造過程數(shù)據(jù)的實時采集，在此基礎(chǔ)通過可視化監(jiān)控畫面，實現(xiàn)對制造過程的實時動態(tài)展示，功能界面如圖8 所示。

圖8 生產(chǎn)過程可視化監(jiān)控

◎智能決策分析：應(yīng)用采集的生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工具，實現(xiàn)對整車生產(chǎn)制造過程中的生產(chǎn)達成率、質(zhì)量效率以及能耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)進行統(tǒng)計分析，為制造過程透明化管控與智能決策提供依據(jù)，功能界面如圖9 所示。

圖9 智能決策與統(tǒng)計分析

五、結(jié)論

本文對面向定制化生產(chǎn)模式下，新能源整車制造企業(yè)智能工廠的建設(shè)中，相對于傳統(tǒng)整車智能工廠架構(gòu)的區(qū)別進行了闡述，并在此基礎(chǔ)上對新能源整車智能工廠的建設(shè)整體框架以及模型進行了闡述，并建立面向企業(yè)全業(yè)務(wù)鏈的信息集成框架與實時感知制造資源協(xié)同優(yōu)化框架，最后以新建的江淮蔚來汽車新能源工廠為基礎(chǔ)開展了相關(guān)應(yīng)用研究。本文提出的面向新能源整車的智能工廠集成框架用于解決定制化汽車生產(chǎn)制造過程，該整體集成框架具有一定的通用性，后續(xù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用研究可以作為本文的另一個研究方向。