大型企業(yè)多業(yè)態(tài)、離散型電裝智能車間運(yùn)營管理

李 婷，趙玉潔，童 輝

（中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所，江蘇 南京 210039）

1 引言

智能車間運(yùn)營管理，是貫徹落實(shí)制造強(qiáng)國、數(shù)字中國戰(zhàn)略的重要一環(huán)，也是傳統(tǒng)制造向智能制造轉(zhuǎn)型中的一個(gè)關(guān)鍵課題，更是制造業(yè)企業(yè)自身滿足多任務(wù)需求、提升生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本的迫切需要，這對于承擔(dān)多品種、小批量生產(chǎn)任務(wù)的“非標(biāo)”企業(yè)而言尤為關(guān)切。十四所基于自身行業(yè)領(lǐng)先的數(shù)字化轉(zhuǎn)型經(jīng)驗(yàn)和智能制造深度運(yùn)用實(shí)踐，圍繞智慧研究所整體構(gòu)架，系統(tǒng)建設(shè)了具備運(yùn)營層、控制層和設(shè)備層三個(gè)層級的電裝智能車間，探索出了“人機(jī)協(xié)同、數(shù)字賦能、智能管理”為特征的智能車間運(yùn)營管理模式，取得了顯著的成效。

2 應(yīng)用場景

十四所作為軍工電子國家隊(duì)，承擔(dān)了一大批高端武器裝備的研制任務(wù)，由此面臨著軍工產(chǎn)品典型的訂單小批量、非標(biāo)程度高和品種多樣化等生產(chǎn)特點(diǎn)。以電子組裝車間為例，車間長期面臨著研制、批產(chǎn)、維保以及大修等多業(yè)態(tài)高度交叉的訂單常態(tài)，生產(chǎn)對象復(fù)雜程度高，品種多樣化水平高，工序連貫性差，不同形態(tài)的生產(chǎn)任務(wù)沒有分線管理，產(chǎn)線柔性化、敏捷化程度不夠，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、一致性較弱，人工成本高、生產(chǎn)效率較低下，成本效益急需提升。智能車間通過信息化數(shù)據(jù)采集分析，確保任務(wù)決策、生產(chǎn)組織、問題管控精準(zhǔn)高效，促進(jìn)管理優(yōu)化和流程再造，提高產(chǎn)線柔性生產(chǎn)能力，提升車間運(yùn)行效率和產(chǎn)品質(zhì)量，適應(yīng)離散型制造的任務(wù)需求。

3 核心做法

3.1 建立“智能管理”的組織方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營智能化

（1）建立一體化運(yùn)營管理系統(tǒng)，智能管控生產(chǎn)計(jì)劃

聚焦生產(chǎn)制造過程的問題現(xiàn)狀，十四所打造生產(chǎn)計(jì)劃管理一體化自適應(yīng)的電裝車間生產(chǎn)運(yùn)營管理系統(tǒng)。一是通過連接各項(xiàng)業(yè)務(wù)單元之間的數(shù)據(jù)關(guān)系、邏輯關(guān)系，將生產(chǎn)運(yùn)營過程中各業(yè)務(wù)單元之間的投入、轉(zhuǎn)換和產(chǎn)出等橫向相互依賴的關(guān)系整合集成；二是對企業(yè)級、車間級和班組級三級計(jì)劃體系進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)及過程控制，實(shí)時(shí)掌控生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，采集生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，并根據(jù)生產(chǎn)異常變化，自主優(yōu)化生產(chǎn)排產(chǎn)關(guān)鍵路徑，識別最短周期和最優(yōu)資源配置，減少人工干預(yù)；三是對生產(chǎn)過程異常停滯快速反饋、追蹤、閉環(huán)處理并進(jìn)行在線數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)；四是實(shí)施文件無紙化，生產(chǎn)現(xiàn)場圖樣即時(shí)獲取調(diào)用、信息精準(zhǔn)推送，實(shí)現(xiàn)了上下貫通、敏捷高效和自主決策的生產(chǎn)運(yùn)營管理。

（2）構(gòu)建三級數(shù)字化看板系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)過程

為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程透明化、可視化管理，提高決策效率，十四所在電裝車間內(nèi)設(shè)置管理決策、產(chǎn)線監(jiān)控和工位作業(yè)三級數(shù)字化看板系統(tǒng)，系統(tǒng)匯聚來自車間倉儲(chǔ)、各生產(chǎn)線和各班組的生產(chǎn)信息，以圖形化的車間模型為載體，以多維統(tǒng)計(jì)圖表為展示形式，動(dòng)態(tài)可視化展示與車間生產(chǎn)過程相關(guān)的各種實(shí)況信息。管理層通過可視化生產(chǎn)信息，對生產(chǎn)過程進(jìn)行快捷管理，對生產(chǎn)異常作出快速?zèng)Q策；班組通過產(chǎn)線監(jiān)控看板，快速了解人員到崗情況、訂單完成情況、安燈看板以及齊套情況等；工人通過工位作業(yè)看板，實(shí)時(shí)查看崗位所需工藝文件、圖樣要求以及標(biāo)準(zhǔn)操作作業(yè)指導(dǎo)書，全面理解操作內(nèi)容和要求。

（3）搭建“物聯(lián)網(wǎng)+”物流管理系統(tǒng)，精準(zhǔn)管理倉儲(chǔ)配送

面向多業(yè)態(tài)、離散型的制造特征，針對物料管理不透明、配送不及時(shí)等影響電裝車間高效運(yùn)營的主要問題，十四所按照“分級存放、自主決策、精準(zhǔn)配送”的原則，建設(shè)基于“物聯(lián)網(wǎng)+”、具備智能倉儲(chǔ)與智能配送功能的車間物流管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)物料存儲(chǔ)管理的透明化、配送指令和路徑?jīng)Q策的自主化以及配送物料和工位匹配的精準(zhǔn)化。

一是基于“物聯(lián)網(wǎng)+”的智能倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)，以立體貨架和智能貨柜為載體，立體貨架用于存放未來2～3天即將生產(chǎn)訂單的物料和缺料造成的半成品生產(chǎn)訂單物料，貨位有唯一的二維碼標(biāo)簽，通過掃碼器采集物料信息，與物流信息化平臺進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。智能貨柜用于存放生產(chǎn)過程的輔料，通過與物流系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)貨柜無人值守，物料智能存取。物料存取大數(shù)據(jù)信息可通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、查詢和追溯，缺料自動(dòng)報(bào)警、智能感知。多措并舉，實(shí)現(xiàn)了倉儲(chǔ)透明化管理，縮短物料發(fā)放的停滯和等待時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電裝車間物流高效協(xié)同。

母親說：“睡不著啊，你說小宋會(huì)不會(huì)出啥事？她一個(gè)人帶著那么多錢多危險(xiǎn)哪。我這幾天睡不好，血壓有點(diǎn)高，起來找點(diǎn)藥吃，聽見你還在折騰。真沒事？”

二是基于“物聯(lián)網(wǎng)+”的智能配送管理系統(tǒng)，以數(shù)據(jù)為紐帶，將計(jì)劃下達(dá)信息、生產(chǎn)班組實(shí)時(shí)任務(wù)信息和物料庫存信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行互通融合，可查詢倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)所有貨位對應(yīng)的物料明細(xì)，自主決策物料配送時(shí)間和配送地點(diǎn)，并對AGV車、自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)車調(diào)度和行進(jìn)路線等進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃管理，減少工位等待時(shí)間；同時(shí)，可將由于缺料導(dǎo)致停滯的半成品及時(shí)存放到車間緩存庫，減少現(xiàn)場物料積壓，避免生產(chǎn)混料。智能化物流管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)物料存儲(chǔ)管理的透明化、配送指令和路徑?jīng)Q策的自主化及配送物料和工位匹配的精準(zhǔn)化。

3.2 打造“數(shù)字賦能”的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管控?cái)?shù)字化

十四所對生產(chǎn)過程、產(chǎn)品特性和人進(jìn)行數(shù)字采集、數(shù)據(jù)交互、融合分析、知識應(yīng)用和模型優(yōu)化，形成電裝車間“數(shù)字賦能”的驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營全流程的數(shù)字化控制，主要做法包括以下三方面。

（1）生產(chǎn)要素自動(dòng)化采集，跟蹤追溯產(chǎn)品質(zhì)量

基于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）系統(tǒng)，十四所對生產(chǎn)過程中“人、機(jī)、料、法、環(huán)”五大要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行定義、采集、管理、檢索與統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)、精確地提供生產(chǎn)過程所產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)。以電子設(shè)備裝配過程中焊裝和螺裝為例，項(xiàng)目實(shí)施前，傳統(tǒng)產(chǎn)品制造過程中焊接溫度和螺裝轉(zhuǎn)矩等信息無法實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，產(chǎn)品質(zhì)量無法跟蹤與追溯；項(xiàng)目實(shí)施后，現(xiàn)場控溫烙鐵、轉(zhuǎn)矩工具通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與SCADA系統(tǒng)互聯(lián)互通，采集的數(shù)據(jù)傳至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析和利用，指導(dǎo)制造過程，嚴(yán)控制造質(zhì)量，優(yōu)化制造資源。

（2）產(chǎn)品特性數(shù)字化賦值，實(shí)現(xiàn)過程防呆防錯(cuò)

十四所針對電裝車間產(chǎn)品的特點(diǎn)，基于三維裝配工藝、三維布線工藝對產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行模型化、數(shù)字化，形成各裝配工序三維模型，對裝配過程中多個(gè)關(guān)鍵階段的產(chǎn)品特性進(jìn)行數(shù)字化賦值。生產(chǎn)過程中，通過圖像采集、成像等非接觸式、高數(shù)高準(zhǔn)確度視覺處理技術(shù)，使產(chǎn)品生產(chǎn)過程各個(gè)工序的半成品模型化，尺寸、外觀、焊接、布線和裝配等產(chǎn)品特性數(shù)字化。產(chǎn)品各工序數(shù)據(jù)同相應(yīng)裝配工序三維工藝模型數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)比對和分析，判斷兩者差異、給出判定結(jié)果，同時(shí)利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行缺陷標(biāo)記，供裝配人員進(jìn)行問題早期查找和錯(cuò)誤快速消除，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程智能防呆防錯(cuò)。

十四所從設(shè)計(jì)源頭出發(fā)，對裝備生命周期關(guān)鍵價(jià)值環(huán)節(jié)進(jìn)行流程管控，提取信息，建設(shè)電裝車間產(chǎn)品知識庫模型，形成知識圖譜，集成包括正向結(jié)果（檢查數(shù)據(jù)、報(bào)告等）、異常信息（設(shè)計(jì)更改、質(zhì)量問題、工藝問題和物料問題等）以及裝配過程標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)范（工藝、作業(yè)指導(dǎo)書、檢查單、質(zhì)量案例和風(fēng)險(xiǎn)防控清單等）。對高層次技能人才的技能經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行提煉，將其模塊化、數(shù)字化，形成復(fù)雜裝配知識模型。

通過系統(tǒng)自動(dòng)總結(jié)形成知識模型，十四所對知識進(jìn)行自動(dòng)推送和防錯(cuò)識別，無紙化終端平臺根據(jù)產(chǎn)品、產(chǎn)線類型以及人員能力自動(dòng)匹配并精準(zhǔn)推送至操作者工作界面，作為裝配指導(dǎo)依據(jù)。操作者在進(jìn)行復(fù)雜布線等工序過程中，智能協(xié)同單元圖像采集系統(tǒng)通過傳感技術(shù)、視覺成像等手段對實(shí)物與知識模型自動(dòng)比對，識別問題及時(shí)預(yù)警防錯(cuò)，極大提高了離散型制造過程效率和工作質(zhì)量。

十四所以問題為導(dǎo)向，對知識模型連續(xù)優(yōu)化迭代，通過對現(xiàn)場制造過程的監(jiān)控和大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析，持續(xù)修正和完善現(xiàn)行制造工藝規(guī)范，提高車間的制造工藝水平；通過安燈問題管理平臺推進(jìn)知識庫的不斷積累、迭代和傳承，逐步形成知識模型的自我優(yōu)化升級。

3.3 確立“人機(jī)協(xié)同”的工作方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)敏捷化

基于多品種、小批量和變節(jié)拍的柔性生產(chǎn)需求，十四所以效益為中心，根據(jù)不同產(chǎn)品形態(tài)的離散程度，合理設(shè)計(jì)電裝車間智能產(chǎn)線布局，把人和機(jī)器作為一個(gè)整體系統(tǒng)，通過交互和自適應(yīng)，合理優(yōu)化人機(jī)協(xié)同配比，確立人機(jī)協(xié)同的生產(chǎn)方式，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營敏捷化。

依據(jù)軍工科研院所產(chǎn)品特點(diǎn)，十四所制定《十四所智能產(chǎn)線資源匹配策略》，將產(chǎn)品特征劃分為課題型、研制型、研轉(zhuǎn)批型和批產(chǎn)型四種類型，設(shè)定相應(yīng)的成熟度級別，建立智能產(chǎn)線資源匹配原則，形成以自動(dòng)化生產(chǎn)線、人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)線以及智能裝配單元為主體的人機(jī)協(xié)同工作方式。

（1）匹配大批量單一性產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)生產(chǎn)

針對大批量、規(guī)模化、工藝和流程相對單一的產(chǎn)品，十四所用智能化自動(dòng)生產(chǎn)線代替手工操作，有利于提高生產(chǎn)效率，降低人工成本。一是梳理現(xiàn)有產(chǎn)品和未來需求，分析并拆分產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成；二是研究裝配動(dòng)作，提取大量動(dòng)作數(shù)據(jù)，將其中簡單、重復(fù)的動(dòng)作識別出來，形成穩(wěn)定持續(xù)的自動(dòng)化裝配單元；三是建設(shè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，產(chǎn)品裝配程序通過掃碼自動(dòng)下載執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)裝配過程中的裝配轉(zhuǎn)矩、膠量、壓力和溫濕度等關(guān)鍵工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、記錄和展示，形成集自動(dòng)化與信息化相結(jié)合的智能生產(chǎn)線。相比傳統(tǒng)的人工裝配，智能化自動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率可提升10倍以上。

（2）匹配小批量、多工序產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)

軍工電子設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工序多和生產(chǎn)周期長，若全部采用自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備，自動(dòng)線將十分龐大復(fù)雜，受制于產(chǎn)品多樣性，整條產(chǎn)線的利用率大大降低，且成本高昂。針對小批量、工藝裝配難度中等及核心裝配與簡單重復(fù)裝配穿插的生產(chǎn)對象，十四所打造人與機(jī)器相結(jié)合的柔性生產(chǎn)線，將人的核心技能價(jià)值最大化，將其中簡單、重復(fù)、枯燥和危險(xiǎn)的工序采用協(xié)作機(jī)器人完成，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提升裝配質(zhì)量和效率。協(xié)作機(jī)器人執(zhí)行程序通過掃碼自動(dòng)下載，裝配過程的螺裝轉(zhuǎn)矩信息、膠結(jié)壓力和溫度參數(shù)等均通過傳感器自動(dòng)采集記錄，機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，自動(dòng)故障報(bào)警，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及產(chǎn)品進(jìn)度通過產(chǎn)線看板實(shí)時(shí)展示。實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器人的協(xié)同作業(yè)，總體產(chǎn)能提升1～2倍。

（3）匹配單件復(fù)雜性產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)智能裝配單元生產(chǎn)

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量較少的電子設(shè)備采用細(xì)胞單元的方式組織生產(chǎn)，十四所建立由核心技能人員、集成智能化工具工裝和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的智能裝配單元。智能裝配單元集成了智能工具、圖像及數(shù)據(jù)采集、可移動(dòng)組合式工位、精密擰緊系統(tǒng)、防錯(cuò)報(bào)警以及信息化系統(tǒng)，裝配過程的焊接參數(shù)、轉(zhuǎn)矩參數(shù)等關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)采集記錄，與傳統(tǒng)手工記錄數(shù)據(jù)相比，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集更及時(shí)、更全面，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更安全便捷，產(chǎn)品全壽命周期質(zhì)量追溯可通過信息化系統(tǒng)大數(shù)據(jù)庫便捷查詢。通過三維裝配仿真工藝可視化指導(dǎo)工人操作，三維數(shù)字化工藝輸出的信息是數(shù)字化采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，工人生產(chǎn)過程中實(shí)際采集的數(shù)據(jù)將與之自動(dòng)比對，自動(dòng)進(jìn)行防錯(cuò)檢查，提升裝配效率和質(zhì)量。

4 顯著成效

多業(yè)態(tài)、離散型電裝智能車間運(yùn)營管理運(yùn)行后，取得了顯著成效。近三年完成產(chǎn)能連續(xù)增長10%～12%，人均產(chǎn)出增長10%以上。原始計(jì)劃完成率始終保持在99%以上，一次校驗(yàn)合格率始終保持在99.99%，質(zhì)量問題逐年下降50%。協(xié)同研發(fā)從設(shè)計(jì)源頭減少滯留存貨1 000余萬元，調(diào)差補(bǔ)料同比下降18.5%，大額輔材節(jié)約200余萬元。全自動(dòng)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)裝配效率提高10倍，人機(jī)協(xié)作生產(chǎn)線產(chǎn)能提升1.3倍，智能裝配單元實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)數(shù)據(jù)100%采集。裝備實(shí)現(xiàn)過程能力明顯提升，裝備研制周期由過去的6～8年縮短到2～3年。先后助力了軍工電子、航空航天、兵器裝備制造、造船及民用裝備制造等裝備制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級。一批員工獲得“全國五一勞動(dòng)獎(jiǎng)?wù)隆薄皣鴦?wù)院特殊人才津貼”“全國技術(shù)能手”“全國青年崗位能手”“江蘇工匠”“中央企業(yè)技術(shù)能手”等榮譽(yù)稱號，車間獲得“全國質(zhì)量信得過班組”“江蘇省工人先鋒號”“南京市管理創(chuàng)新一等獎(jiǎng)”等榮譽(yù)稱號。

5 結(jié)束語

車間強(qiáng)，則企業(yè)強(qiáng)，車間智，則企業(yè)智。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中，信息技術(shù)的應(yīng)用正在從基于自動(dòng)化技術(shù)節(jié)省成本的時(shí)代轉(zhuǎn)向利用數(shù)字化、智能化技術(shù)進(jìn)行價(jià)值創(chuàng)造的時(shí)代，新一代信息技術(shù)也正在與制造業(yè)進(jìn)行更加廣泛、更加深入的融合，為制造強(qiáng)國建設(shè)提供新動(dòng)能。在這個(gè)大潮中，智能車間的運(yùn)營管理顯得尤為重要。十四所針對多業(yè)態(tài)、離散型業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行的智能化、數(shù)字化和敏捷化運(yùn)營管理，為行業(yè)內(nèi)提供了一個(gè)可供示范的解決方案。