國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造推進(jìn)的方法策略研究

曾龍飛 熊曦耀 巢昺軒

摘要：本文主要介紹了我國(guó)國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造的基本現(xiàn)狀、取得的成效及所面臨的主要問(wèn)題，結(jié)合航空工業(yè)昌飛公司推進(jìn)智能制造的成果與經(jīng)驗(yàn)，研究提出了國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域推進(jìn)智能制造的方法策略與措施建議，為我國(guó)國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造發(fā)展提供指導(dǎo)，助推國(guó)防先進(jìn)武器裝備的升級(jí)換代。

關(guān)鍵詞：國(guó)防科研生產(chǎn)；智能制造；直升機(jī)旋翼系統(tǒng)；智能化車(chē)間

中圖分類號(hào)：V262文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.016

國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域是國(guó)家先進(jìn)制造業(yè)的重要組成部分，是國(guó)家安全的保障和國(guó)防建設(shè)的支柱，也是引領(lǐng)國(guó)家技術(shù)創(chuàng)新的主戰(zhàn)場(chǎng)。經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展，我國(guó)國(guó)防科研生產(chǎn)能力有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但仍難完全滿足國(guó)防裝備體系建設(shè)的需要，與世界先進(jìn)水平相比還有一定差距，武器裝備研制的快速反應(yīng)能力尚未形成，質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率偏低、制造成本攀升等問(wèn)題突出[1]。

智能制造能作為先進(jìn)制造重要發(fā)展方向，能有解決當(dāng)前國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域面臨的問(wèn)題。因此，有必要針對(duì)國(guó)內(nèi)智能制造推進(jìn)的現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，深入剖析國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造推行的成功案例，研究國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域推進(jìn)智能制造的策略方法。以加速推進(jìn)國(guó)內(nèi)國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造，促進(jìn)國(guó)防武器裝備大批量列裝及新國(guó)防武器裝備的研制。

1現(xiàn)狀與成效

為加快我國(guó)軍隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)，我國(guó)國(guó)防科研工業(yè)領(lǐng)域在智能制造發(fā)展方面進(jìn)行了諸多的探索與實(shí)踐。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的探索實(shí)踐、持續(xù)投資與產(chǎn)業(yè)積累，我國(guó)國(guó)防科研生產(chǎn)主要行業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)具備了一定的數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化的條件與基礎(chǔ)，并在工程實(shí)踐中取得了較好的實(shí)施效果。在航空、航天等部分軍工高技術(shù)行業(yè)與領(lǐng)域，已經(jīng)廣泛采用智能制造的科研生產(chǎn)方式，建立了智能制造的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)車(chē)間，并采用基于仿真與模型的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)模式，并在重大裝備研制中得以應(yīng)用，如大運(yùn)、殲20、新一代運(yùn)載火箭等。沒(méi)有智能制造，上述大型復(fù)雜裝備就很難得以順利研制和批量生產(chǎn)。以直升機(jī)航空旋翼系統(tǒng)為例，航空工業(yè)昌飛公司通過(guò)深入推進(jìn)智能制造，某型旋翼系統(tǒng)的研制周期縮短40%以上，生產(chǎn)效率提升一倍以上，生產(chǎn)成本下降近20%，并通過(guò)智能化生產(chǎn)管控?cái)?shù)據(jù)積累分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)的自主完善與持續(xù)改進(jìn)[2]。

2面臨的問(wèn)題

雖然國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域部分單位已經(jīng)在生產(chǎn)線/生產(chǎn)車(chē)間等方面開(kāi)展了驗(yàn)證及實(shí)施，但不同行業(yè)的技術(shù)和能力發(fā)展不均衡，與國(guó)外先進(jìn)水平相比，在技術(shù)及能力方面都存在著較大差距，我國(guó)國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造推進(jìn)面臨的問(wèn)題見(jiàn)表1。

3方法策略

國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域企業(yè)推進(jìn)智能制造的目的是促進(jìn)質(zhì)量、效率、效益和服務(wù)的最大化，需逐步構(gòu)建智能制造體系并推進(jìn)運(yùn)行。

3.1智能制造構(gòu)建的思路方法

作為國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域的企業(yè)，針對(duì)構(gòu)建智能制造過(guò)程中遇到的各類困難，應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到其中的深層次原因，制定智能制造構(gòu)建方法，主要從以下三方面開(kāi)展工作：（1）實(shí)現(xiàn)信息流與實(shí)物流的互聯(lián)互通：保證物理世界與虛擬世界的信息交互，在不需要人工操作的情況下實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通；（2）創(chuàng)造價(jià)值流程的智能化升級(jí)（生產(chǎn)過(guò)程智能化）：通過(guò)人、機(jī)、料、法、環(huán)這些生產(chǎn)要素從人工到數(shù)字化到智能化的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造價(jià)值的智能化升級(jí)；（3）持續(xù)改善流程的智能化升級(jí)（持續(xù)改善智能化）：人、機(jī)、料、法、環(huán)這些生產(chǎn)要素進(jìn)行智能化升級(jí)是智能制造的基礎(chǔ)，但實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化的核心是持續(xù)改善，針對(duì)持續(xù)改善的PDCA運(yùn)行過(guò)程實(shí)現(xiàn)智能化升級(jí)。

（1）實(shí)現(xiàn)信息流與實(shí)物流的互聯(lián)互通

企業(yè)的智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)由物理世界和虛擬世界組成，物理世界包括生產(chǎn)系統(tǒng)中的人、自動(dòng)化模塊、物料等物理工具和設(shè)施；虛擬空間包括網(wǎng)絡(luò)、模型和相關(guān)數(shù)字化研制平臺(tái)。企業(yè)構(gòu)建智能制造的方法就是保證物理世界與虛擬世界的信息交互，讓兩者在不需要人工操作的情況下實(shí)現(xiàn)聯(lián)通（Cyber技術(shù)），構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。

（2）創(chuàng)造價(jià)值與持續(xù)改善流程的智能化升級(jí)

實(shí)現(xiàn)價(jià)值最大化的核心要靠持續(xù)改善，即通過(guò)對(duì)企業(yè)科研生產(chǎn)中的大數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)并提出其中存在的問(wèn)題或差距，逐一優(yōu)化解決，如圖2所示。

（3）持續(xù)改善流程的智能化升級(jí)

企業(yè)貫通物理世界與虛擬世界信息的過(guò)程中，首先要對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)等生產(chǎn)要素進(jìn)行智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)從人工到數(shù)字化到智能化的升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造價(jià)值流程的智能化，如圖3所示。企業(yè)持續(xù)改善的流程也需要推進(jìn)智能化，改善的過(guò)程也是從人工到數(shù)字化到智能化不斷發(fā)展的，即分析與控制過(guò)程、持續(xù)改善過(guò)程的智能化升級(jí)（見(jiàn)表2）。

3.2智能制造構(gòu)建內(nèi)容

3.2.1構(gòu)建點(diǎn)線面體的四層架構(gòu)

根據(jù)需求，打通產(chǎn)品研制生產(chǎn)設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和管理智能處理，落實(shí)虛擬信息系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)物理制造系統(tǒng)深度融合。根據(jù)智能制造4個(gè)層級(jí)的特征，制定詳細(xì)的由點(diǎn)到線再到面和體的智能制造推進(jìn)實(shí)施路線，選取瓶頸車(chē)間和關(guān)鍵產(chǎn)品入手，構(gòu)建智能車(chē)間，再進(jìn)行推廣，逐步打造智能工廠，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)企業(yè)智能聯(lián)盟，最終形成“點(diǎn)—線—面—體”4層逐級(jí)的智能制造構(gòu)架體系，如圖4所示。

3.2.2形成生產(chǎn)運(yùn)行的系統(tǒng)工程

在數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化、自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，以賽博物理系統(tǒng)為支撐，以人、機(jī)（智能制造裝備）和資源等為核心，深度融合人工智能技術(shù)與企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)行管理，站在系統(tǒng)工程的高度，形成高度自動(dòng)化、柔性化和智能化的新型制造模式。

緊密?chē)@“動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行”的智能制造技術(shù)特征與運(yùn)行邏輯，將數(shù)字化、信息化、智能化手段深入企業(yè)管理、車(chē)間運(yùn)作、物流配送、質(zhì)量管控、售后維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)中，最終形成一個(gè)高度集中、復(fù)雜有序的組織體或系統(tǒng)工程，如圖5所示。

3.2.3突破智能制造關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)面向智能制造重點(diǎn)方向的關(guān)鍵技術(shù)，以工程需求為牽引，通過(guò)基礎(chǔ)科研、裝備專項(xiàng)、軍民融合、示范工程等多項(xiàng)形式，產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，充分開(kāi)展聯(lián)合研究與工程應(yīng)用，如圖6所示，重點(diǎn)解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

（1）模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)/制造/驗(yàn)證/服務(wù)技術(shù)，建立系統(tǒng)生命周期模型傳遞、復(fù)用的全虛擬化環(huán)境，形成基于模型的企業(yè)技術(shù)框架，實(shí)現(xiàn)基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析應(yīng)用、工藝準(zhǔn)備、作業(yè)指導(dǎo)、制造執(zhí)行和檢驗(yàn)檢測(cè)等。

（2）賽博物理生產(chǎn)系統(tǒng)技術(shù)，基于物理和賽博空間的互聯(lián)互通，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)、信息、知識(shí)逐步優(yōu)化形成制造智能，建立自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自評(píng)價(jià)和自優(yōu)化的生產(chǎn)系統(tǒng)。

（3）基于知識(shí)工程的自進(jìn)化技術(shù)，建立對(duì)產(chǎn)品研制、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、制造、檢驗(yàn)、使用的典型知識(shí)數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的積累、檢索、挖掘和使用，同時(shí)通過(guò)前沿技術(shù)專項(xiàng)研究和持續(xù)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)新知識(shí)的不斷積累和自進(jìn)化。

（4）智能裝備及生產(chǎn)線集成技術(shù)，重點(diǎn)需突破感知與智能識(shí)別、工業(yè)控制、工業(yè)機(jī)器人、智能倉(cāng)儲(chǔ)物流等技術(shù)的研究與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化智能裝備的國(guó)產(chǎn)化應(yīng)用。

3.2.4推進(jìn)智能升級(jí)具體措施

企業(yè)在推進(jìn)智能制造的過(guò)程中，要做好整體規(guī)劃，制定由點(diǎn)到線再到面和體的智能制造推進(jìn)的分步實(shí)施路線。推進(jìn)過(guò)程中，企業(yè)首先應(yīng)分析自身發(fā)展所處階段情況，根據(jù)所處的不同階段情況采取對(duì)應(yīng)的解決措施，如圖7所示。

4實(shí)施案例

航空工業(yè)昌飛公司以直升機(jī)核心部件——“旋翼系統(tǒng)”作為對(duì)象，全面開(kāi)展智能制造的研究和建設(shè)，建成了由多條專業(yè)化生產(chǎn)線、裝配線，數(shù)字化庫(kù)房和智能物流、制造執(zhí)行智能管控系統(tǒng)組成的直升機(jī)旋翼系統(tǒng)制造智能車(chē)間。其中，專業(yè)化生產(chǎn)線又包括單件流生產(chǎn)線，單向流生產(chǎn)線和柔性制造單元；近百臺(tái)套數(shù)控設(shè)備；多條裝配生產(chǎn)線為脈動(dòng)式生產(chǎn)線，按節(jié)拍站位推進(jìn)。生產(chǎn)線上設(shè)置了裝配用的部分自動(dòng)化專機(jī)；數(shù)字化庫(kù)房分別為毛坯庫(kù)、刀具庫(kù)、零件庫(kù)；智能物流系統(tǒng)貫穿車(chē)間的全生產(chǎn)過(guò)程，車(chē)間組成如圖8所示。

（1）車(chē)間生產(chǎn)組織智能管控系統(tǒng)

建設(shè)了一個(gè)包括“計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)準(zhǔn)備、材料配送、刀具配送、生產(chǎn)執(zhí)行、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度、入庫(kù)出庫(kù)、統(tǒng)計(jì)報(bào)表”等生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)各環(huán)節(jié)進(jìn)行感知、分析、決策、執(zhí)行，促進(jìn)車(chē)間資源優(yōu)化配置，保障生產(chǎn)高效進(jìn)行，如圖9所示。

（2）車(chē)間智能物流系統(tǒng)

智能物流系統(tǒng)將物流流轉(zhuǎn)和制造工序無(wú)縫集成，通過(guò)對(duì)物流線、立體庫(kù)、毛坯庫(kù)、刀具庫(kù)各系統(tǒng)的集成開(kāi)發(fā)，使物聯(lián)設(shè)備互聯(lián)互通，同時(shí)對(duì)物聯(lián)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和邏輯控制，使物流線上所有設(shè)備按照工藝和作業(yè)流程協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)智能配送和智能流轉(zhuǎn)，如圖10所示。

（3）車(chē)間智能生產(chǎn)線

智能生產(chǎn)線具有任務(wù)自動(dòng)接收、指令及程序自動(dòng)推送、物流自動(dòng)配送與周轉(zhuǎn)、自適應(yīng)數(shù)控加工、在線檢測(cè)在機(jī)補(bǔ)償、設(shè)備監(jiān)控智能調(diào)度等功能，如圖11所示。

（4）車(chē)間智能質(zhì)檢管控

以數(shù)控機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)字化量具檢測(cè)為終端基礎(chǔ)，建立生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化集成檢測(cè)與質(zhì)量管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于模型的三維檢驗(yàn)規(guī)劃編制、與制造過(guò)程融合的檢測(cè)執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集以及關(guān)鍵質(zhì)量特性的過(guò)程管控，打通了MBD環(huán)境下復(fù)雜機(jī)加零件制造過(guò)程數(shù)字化集成檢測(cè)與質(zhì)量管控的技術(shù)通道，通過(guò)旋翼系統(tǒng)生產(chǎn)線運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)在線“加工-檢測(cè)-反饋-響應(yīng)”的時(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管控，如圖12所示。

車(chē)間基本具備了自適應(yīng)加工、物料與工件自動(dòng)識(shí)別、機(jī)器人裝卸與自動(dòng)對(duì)接裝配、制造過(guò)程主動(dòng)調(diào)度、運(yùn)行管理與現(xiàn)場(chǎng)控制集成等典型功能。形成了以“狀態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行”為特征，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、交互識(shí)別、自主決策為核心的智能制造系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置、提高了產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。實(shí)現(xiàn)直升機(jī)旋翼系統(tǒng)槳轂制造周期縮短40%以上，產(chǎn)品不良率由15%降低至8%以下，制造過(guò)程投入人力資源減少20%以上。

5措施建議

針對(duì)國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造發(fā)展與應(yīng)用中的主要問(wèn)題，應(yīng)堅(jiān)定以國(guó)防科研生產(chǎn)作為推進(jìn)重點(diǎn)，全面帶動(dòng)其他行業(yè)領(lǐng)域智能制造發(fā)展。

（1）加強(qiáng)國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域推進(jìn)智能制造的頂層設(shè)計(jì)，出臺(tái)相應(yīng)的戰(zhàn)略規(guī)劃與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。目前按照《中國(guó)制造2025》的有關(guān)安排，已經(jīng)選取了部分軍工行業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行了智能制造的試點(diǎn)示范，建議盡快總結(jié)相關(guān)試點(diǎn)示范經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步調(diào)研摸清國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域推進(jìn)智能制造的現(xiàn)狀、底數(shù)、問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上，盡快開(kāi)展國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域推進(jìn)智能制造的發(fā)展戰(zhàn)略研究論證工作，及時(shí)出臺(tái)相關(guān)的頂層戰(zhàn)略規(guī)劃文件，并加強(qiáng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究制定。

（2）加速推進(jìn)智能制造領(lǐng)域的自主研發(fā)與進(jìn)口替代工程，確保自主可控與裝備安全。開(kāi)展摸底排查，系統(tǒng)查找國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域智能制造的薄弱環(huán)節(jié)及進(jìn)口依賴情況，針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)及關(guān)鍵問(wèn)題，重點(diǎn)在工控網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、高端裝備研制、工業(yè)軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、軟硬件系統(tǒng)集成及智能制造關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用等方面給予相應(yīng)的政策引導(dǎo)和支持，構(gòu)建國(guó)防科技工業(yè)智能化的關(guān)鍵技術(shù)體系，加速推進(jìn)智能制造領(lǐng)域的裝備技術(shù)自主研發(fā)與進(jìn)口替代，形成面向軍工產(chǎn)品制造全壽命周期自主可控的工業(yè)化網(wǎng)絡(luò)、功能軟件系統(tǒng)、整套硬件和相關(guān)設(shè)備，減少對(duì)國(guó)外的依賴，保障自主可控與裝備安全。

（3）構(gòu)建適應(yīng)智能制造的保密防護(hù)體系。在提升國(guó)防科技工業(yè)智能制造的同時(shí)，必須解決新技術(shù)使用帶來(lái)的安全保密風(fēng)險(xiǎn)，始終將安全保密防護(hù)體系作為智能制造建設(shè)的重要內(nèi)容和前提。工信部聯(lián)合國(guó)家保密局等部門(mén)，通過(guò)進(jìn)一步完善包括標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、安全保密、人才培養(yǎng)等在內(nèi)的安全保障機(jī)制，制定涉及的云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、無(wú)線傳輸、衛(wèi)星定位、數(shù)據(jù)中心等相關(guān)技術(shù)的安全保密標(biāo)準(zhǔn)，制定高層次的工業(yè)控制系統(tǒng)安全策略和實(shí)踐規(guī)范，構(gòu)建和完善適應(yīng)智能制造的基礎(chǔ)信息安全體系，從而在大幅度提升信息化程度的同時(shí)，確保信息安全與保密。

6結(jié)束語(yǔ)

智能制造對(duì)世界制造業(yè)的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響，影響著生產(chǎn)方式、生活方式、思維方式以及就業(yè)方式等，智能制造的啟幕和發(fā)展對(duì)我國(guó)航空造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的制定與實(shí)現(xiàn)也具有重要啟示，是國(guó)防科研生產(chǎn)領(lǐng)域落實(shí)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵舉措，因此要抓住機(jī)遇，成為智能制造應(yīng)用的先鋒隊(duì)和排頭兵。同時(shí)，應(yīng)該清晰地認(rèn)識(shí)到，需求牽引、問(wèn)題導(dǎo)向、強(qiáng)化基礎(chǔ)是企業(yè)健康發(fā)展的重要前提，在落實(shí)軍工制造企業(yè)智能制造體系構(gòu)建的過(guò)程中，應(yīng)將企業(yè)的實(shí)際需求放在第一位，在通過(guò)信息化、數(shù)字化、智能化促進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中，總體設(shè)計(jì)、綜合考慮、分布實(shí)施、試點(diǎn)示范，形成成功實(shí)踐的推廣案例和方法策略，促進(jìn)軍工制造業(yè)并聯(lián)式發(fā)展。

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（責(zé)任編輯余培紅）

作者簡(jiǎn)介

曾龍飛（1986-）男，碩士研究生，高級(jí)工程師。主要研究方向：鈑金成形制造技術(shù)。

Tel：15179862645E-mail：longfei_zeng@126.com

Methods and Strategies of Intelligent Manufacturing Promotion in the Field of National Defense Research and Production

Zeng Longfei*，Xiong Xiyao，Cao Bingxuan

Changhe Aircraft industry Group Co. LTD，Jingdezhen 333002，China

Abstract： The paper mainly introduces the development status， achievements and problems of intelligent manufacturing in the field of national defense research and production， combined with the achievements and experience of Changhe Aviation Industry Co. LTD. In promoting intelligent manufacturing， the methods， strategies and suggested measures for promoting intelligent manufacturing in the field of national defense scientific research and production are put forward.

Key Words： national defense research and production； intelligent manufacturing； helicopter rotor system； intelligent workshop