復(fù)雜電子裝備全層級(jí)、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同的企業(yè)智能制造體系研究與實(shí)踐

文/劉勝新，趙玉潔，曹亞琪 南京電子技術(shù)研究所

胡長(zhǎng)明 南京電子技術(shù)研究所，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所國(guó)家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心

面向制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和國(guó)防工業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的迫切需求，十四所以建設(shè)世界一流企業(yè)為目標(biāo)引領(lǐng)，以企業(yè)信息化管理系統(tǒng)建設(shè)為基礎(chǔ)，以端到端的制度與流程為支撐，推進(jìn)復(fù)雜電子裝備機(jī)、電、液、熱、工藝等多專(zhuān)業(yè)協(xié)同研發(fā)，打造基于數(shù)字孿生的總裝、電裝、微組裝全層級(jí)智能車(chē)間，構(gòu)建以彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)鏈智能化水平差異為導(dǎo)向的智能制造生態(tài)鏈，全面建成全層級(jí)、多專(zhuān)業(yè)的企業(yè)智能制造體系，并取得了顯著成效。

推進(jìn)企業(yè)智能制造體系建設(shè)的重要性和必要性

復(fù)雜電子裝備是一個(gè)機(jī)電液磁高度耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，其制造包括了核心元器件、零部件、軟件和新材料、新工藝等內(nèi)容，也包括設(shè)計(jì)仿真、生產(chǎn)調(diào)試、服務(wù)保障等環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)系統(tǒng)工程。復(fù)雜電子裝備制造因其示范性強(qiáng)、帶動(dòng)性大，成為我國(guó)高端制造的典型代表。隨著復(fù)雜電子裝備進(jìn)一步向一體化、智能化方向發(fā)展，系統(tǒng)集成度和復(fù)雜度不斷提高，其生產(chǎn)工藝越來(lái)越復(fù)雜、裝配精度和可靠性要求越來(lái)越高。當(dāng)前迫切需要建立與之相適應(yīng)的智能制造體系，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電子裝備的柔性、高效、透明、均衡生產(chǎn)。然而，建設(shè)裝備制造世界一流企業(yè)仍存在諸多挑戰(zhàn)。

1）復(fù)雜電子裝備包含從材料、元器件、組件、部件到整機(jī)多個(gè)層級(jí)，各層級(jí)技術(shù)成熟度不均衡、各車(chē)間制造發(fā)展不均衡，迫切需要建立面向裝備全層級(jí)組成的智能車(chē)間，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電子裝備智能制造的全層級(jí)示范。

2）復(fù)雜電子裝備覆蓋海陸空天全領(lǐng)域，各領(lǐng)域裝備構(gòu)型變化大、技術(shù)狀態(tài)不固定，導(dǎo)致各制造平臺(tái)能力不均衡，迫切需要建立適應(yīng)各領(lǐng)域裝備特點(diǎn)的智能制造體系，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電子裝備的智能化生產(chǎn)。

3）復(fù)雜電子裝備企業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈長(zhǎng)、配套企業(yè)多，包括各類(lèi)電子元器件、復(fù)合材料以及下游行業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)研制水平不均衡，迫切需要構(gòu)建面向復(fù)雜電子裝備研制全流程的智能制造生態(tài)鏈，集聚各方制造資源，集中力量攻堅(jiān)，推動(dòng)電子裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

建設(shè)企業(yè)智能制造體系的主要途徑

（1）謀劃裝備智能制造架構(gòu)體系，做好智能制造頂層布局

圍繞復(fù)雜電子裝備全層級(jí)組成，通過(guò)工藝布局調(diào)整、自動(dòng)化工藝裝備升級(jí)、工廠信息化系統(tǒng)建設(shè)等途徑，構(gòu)建機(jī)電液熱工藝等多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)與研發(fā)平臺(tái)，開(kāi)展基于數(shù)字孿生的總裝、電裝、微組裝全層級(jí)智能車(chē)間建設(shè)，打造國(guó)內(nèi)一流的離散型智能示范工廠，形成全層級(jí)智能裝配示范車(chē)間，如圖1所示。

圖1 面向復(fù)雜電子裝備全層級(jí)組成的智能車(chē)間

十四所構(gòu)建了設(shè)備-控制-運(yùn)營(yíng)集成智能車(chē)間三層次統(tǒng)一架構(gòu)，如圖2所示，形成車(chē)間三維看板系統(tǒng)（Workshop Visual System，WVS）、車(chē)間運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)（Manufacturing Operation Management，MOM）、物流管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）等四大信息系統(tǒng)，以及總裝總調(diào)智能車(chē)間、電裝智能車(chē)間、微組裝智能車(chē)間等典型智能生產(chǎn)線。

圖2 智能車(chē)間建設(shè)統(tǒng)一架構(gòu)圖

在產(chǎn)品全生產(chǎn)周期的橫向端，通過(guò)制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)對(duì)接十四所現(xiàn)有的產(chǎn)品三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)等，進(jìn)行信息知識(shí)的前后貫通，以最實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的制造加工信息支撐智能研發(fā)的設(shè)計(jì)優(yōu)化、智能驗(yàn)證的功能實(shí)現(xiàn)及智能保障的數(shù)據(jù)提供。

在生產(chǎn)制造的縱向端，通過(guò)生產(chǎn)控制指令和生產(chǎn)過(guò)程信息的上傳下達(dá)，實(shí)現(xiàn)“任務(wù)-訂單-工單-執(zhí)行”的逐層分解及自動(dòng)作業(yè)，完成智能車(chē)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)的內(nèi)部循環(huán)。

（2）構(gòu)建智能制造信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)制造與信息化深度融合

基于開(kāi)放組體系結(jié)構(gòu)框圖（The Open Group Architecture Framework，TOGAF）理論，十四所聚焦裝備研制核心業(yè)務(wù)，構(gòu)建引領(lǐng)智能制造轉(zhuǎn)型的信息化平臺(tái)總體。將研發(fā)、制造、保障核心業(yè)務(wù)與人、財(cái)、物、計(jì)劃、質(zhì)量、成本等管理要素交叉形成業(yè)務(wù)矩陣，構(gòu)建矩陣式數(shù)字化總體架構(gòu)，如圖3所示。通過(guò)核心業(yè)務(wù)數(shù)字化平臺(tái)和運(yùn)營(yíng)管理的全要素集成，輔以大數(shù)據(jù)支撐的知識(shí)工程和高安全可靠的IT基礎(chǔ)設(shè)施，最終構(gòu)成矩陣式、全融合的“3+N”信息化平臺(tái)總體框架，引領(lǐng)業(yè)務(wù)的智能制造轉(zhuǎn)型。

圖3 企業(yè)智能制造管理信息化基礎(chǔ)框架圖

1）打造數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，開(kāi)展多專(zhuān)業(yè)協(xié)同智能研發(fā)。通過(guò)打造數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，將結(jié)構(gòu)、工藝和制造等專(zhuān)業(yè)有效整合，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一數(shù)字模型的全流程貫通。為企業(yè)智能制造全流程貫通奠定數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ)，更好地引領(lǐng)并指導(dǎo)了制造端數(shù)字化、智能化改進(jìn)，顯著提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量一致性、減少返工返修、縮短產(chǎn)品研制周期。

2）面向多業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)集成管控平臺(tái)。針對(duì)復(fù)雜電子裝備制造車(chē)間集成化、精細(xì)化管控的要求，設(shè)計(jì)了“1+4”（1個(gè)門(mén)戶(hù)+4大系統(tǒng)）的集成管控平臺(tái)開(kāi)發(fā)架構(gòu)。包括運(yùn)營(yíng)層和控制層兩個(gè)層級(jí)，MOM、WVS、WMS以及SCADA等四大工業(yè)軟件系統(tǒng)，向上承接生產(chǎn)計(jì)劃、產(chǎn)品數(shù)據(jù)，向下監(jiān)控脈動(dòng)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)級(jí)計(jì)劃、車(chē)間級(jí)執(zhí)行、現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制的全流程數(shù)據(jù)閉環(huán)。

3）建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程可控、質(zhì)量可追溯?；谥悄苘?chē)間的信息化平臺(tái)，通過(guò)車(chē)間生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)的建立，構(gòu)建車(chē)間生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)綜合數(shù)據(jù)的交換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、車(chē)間工況、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、傳遞、分析等，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理或直接、按需傳遞至MOM系統(tǒng)、質(zhì)量管理（QMS）、車(chē)間三維展示等系統(tǒng)，為虛實(shí)映射的數(shù)字化總裝工廠提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)間生產(chǎn)管理的有序透明化、生產(chǎn)過(guò)程和質(zhì)量數(shù)據(jù)的可追溯，全面提升智能車(chē)間的管控能力。車(chē)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)交換流程圖如圖4所示。

圖4 車(chē)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)交換流程圖

（3）圍繞裝備整機(jī)組成，打造全層級(jí)智能制造示范車(chē)間

通過(guò)對(duì)復(fù)雜電子裝備制造業(yè)務(wù)類(lèi)型的分類(lèi)，如圖5所示，及產(chǎn)品生產(chǎn)對(duì)象的聚類(lèi)分析，打造了微組裝、電裝、總裝總調(diào)等核心制造業(yè)務(wù)的全層級(jí)智能車(chē)間，實(shí)現(xiàn)了裝備裝配調(diào)試過(guò)程的全覆蓋。

圖5 復(fù)雜電子裝備制造類(lèi)型劃分圖

1）基于全流程數(shù)字化、智能化管控，實(shí)現(xiàn)微組裝車(chē)間變批量共線制造。針對(duì)微組裝車(chē)間內(nèi)設(shè)備自動(dòng)化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量追溯嚴(yán)等特點(diǎn)，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集-分析-決策的閉環(huán)控制體系，實(shí)現(xiàn)微波組件全生命周期數(shù)字化、可視化管控。在數(shù)據(jù)采集方面，基于統(tǒng)一格式進(jìn)行歸一化存儲(chǔ)，形成“分布式”數(shù)據(jù)庫(kù)，支撐車(chē)間上層管控系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。在數(shù)據(jù)分析方面，微組裝車(chē)間根據(jù)已有訂單的執(zhí)行情況以及生產(chǎn)線資源占用情況進(jìn)行綜合性分析，形成科學(xué)合理的訂單執(zhí)行計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)排程智能決策，促進(jìn)了制造執(zhí)行效率的提升。在數(shù)據(jù)決策方面，利用人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)建立產(chǎn)品質(zhì)量與工藝參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，形成基于工藝專(zhuān)家系統(tǒng)的工藝參數(shù)優(yōu)化自我決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在線式的響應(yīng)處理，提高了質(zhì)量問(wèn)題處理的速度和準(zhǔn)確率，保障微波組件高質(zhì)量穩(wěn)定生產(chǎn)。

2）確立人機(jī)協(xié)同作業(yè)方式，實(shí)現(xiàn)部件電裝車(chē)間敏捷化生產(chǎn)。以效益為中心，根據(jù)不同部件產(chǎn)品形態(tài)的離散程度，合理設(shè)計(jì)電裝部件車(chē)間智能產(chǎn)線，把人和機(jī)器作為一個(gè)整體系統(tǒng)，通過(guò)交互和自適應(yīng)，根據(jù)裝配的復(fù)雜程度、批量多少等因素合理優(yōu)化人機(jī)協(xié)同配比，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)敏捷化。

對(duì)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)，建立由核心技能人員、集成智能化工具工裝、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成的智能裝配單元。

3）構(gòu)建脈動(dòng)式柔性裝調(diào)一體化生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)總裝高效、透明、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)。針對(duì)其多品種、小批量、變節(jié)拍的柔性生產(chǎn)需求，按照“產(chǎn)品聚類(lèi)分析、工藝流程再造、車(chē)間布局優(yōu)化、產(chǎn)線裝備升級(jí)”的思路，構(gòu)建了不同類(lèi)型的裝備脈動(dòng)式柔性裝調(diào)一體化生產(chǎn)線總裝生產(chǎn)線，如圖6所示，滿(mǎn)足了多型裝備產(chǎn)品的混線共線生產(chǎn)，大幅提升總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線裝配效率和自動(dòng)化水平。

圖6 脈動(dòng)式柔性裝調(diào)總裝車(chē)間

（4）打造協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)鏈，彌補(bǔ)產(chǎn)業(yè)鏈智能化水平差異

針對(duì)復(fù)雜電子裝備產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈長(zhǎng)、協(xié)作企業(yè)多的特點(diǎn)，通過(guò)構(gòu)建“三位一體”的協(xié)同創(chuàng)新載體，統(tǒng)一調(diào)配創(chuàng)新資源，實(shí)現(xiàn)智能制造核心產(chǎn)品技術(shù)突破；通過(guò)賦能中小型制造企業(yè)智能制造整體解決方案及典型產(chǎn)品，提升創(chuàng)新載體智能制造整體水平，助推裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1）構(gòu)建“三位一體”的協(xié)同創(chuàng)新載體，凝聚智能制造創(chuàng)新合力。以十四所為主導(dǎo)，依據(jù)創(chuàng)新主體的不同智能制造特點(diǎn)與協(xié)同創(chuàng)新需求，構(gòu)建智能制造聯(lián)盟、云制造服務(wù)平臺(tái)、政產(chǎn)學(xué)研用合作“三位一體”的協(xié)同創(chuàng)新載體，如圖7所示。

圖7 基于云制造服務(wù)平臺(tái)的生態(tài)鏈協(xié)同制造流程圖

2）聯(lián)合突破行業(yè)技術(shù)壁壘，打造智能制造系列產(chǎn)品。十四所成功突破了數(shù)字孿生、工業(yè)軟件、智能測(cè)試、數(shù)字化工廠、云平臺(tái)多個(gè)領(lǐng)域的智能制造關(guān)鍵技術(shù)，形成制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、螺接裝配機(jī)器人等50余項(xiàng)智能制造系列產(chǎn)品，打造了“睿知”工業(yè)軟件和“睿行”智能裝備兩大品牌，如圖8所示。

圖8 智能制造系列產(chǎn)品圖

3）堅(jiān)持優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，聯(lián)合打造整體解決方案，形成行業(yè)影響力。在智能制造頂層戰(zhàn)略規(guī)劃的引領(lǐng)下，聯(lián)合生態(tài)鏈企業(yè)推出智能車(chē)間、智慧院所、云制造服務(wù)三大系列整體解決方案。通過(guò)與各領(lǐng)域的佼佼者強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，推出的智能制造整體解決方案在國(guó)內(nèi)已形成較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，服務(wù)的重點(diǎn)企業(yè)涉足航空、航天等15個(gè)行業(yè)、1 000余家企業(yè)，助力中國(guó)商飛C919大型客機(jī)、航天運(yùn)載火箭等多個(gè)國(guó)家重大型號(hào)的順利推進(jìn)。

企業(yè)智能制造體系的建設(shè)效果

全層級(jí)、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同的企業(yè)智能制造體系建成以來(lái)，取得了顯著的成效。

1）顯著提升智能制造水平，全面提高復(fù)雜電子裝備競(jìng)爭(zhēng)力。通過(guò)該項(xiàng)目實(shí)施，實(shí)現(xiàn)4型以上產(chǎn)品混線生產(chǎn)、關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)采集覆蓋率≥99%、產(chǎn)品一次裝配合格率≥99%、生產(chǎn)周期縮短50%、產(chǎn)能提升≥100%，支撐完成眾多國(guó)家重大項(xiàng)目研制。

2）大幅提升智能制造產(chǎn)值，助推十四所高質(zhì)量發(fā)展。裝備研制周期由原來(lái)的5～8年縮短到2～3年，研制成本降低32%，相較“十二五”末，2020年?duì)I業(yè)收入增長(zhǎng)1.3倍、凈利潤(rùn)增長(zhǎng)1.7倍。

3）引領(lǐng)復(fù)雜電子行業(yè)發(fā)展，打造復(fù)雜電子裝備智能制造示范。以十四所為主體的智能制造資源聯(lián)合提出智能制造標(biāo)準(zhǔn)21項(xiàng)，構(gòu)建了覆蓋復(fù)雜電子產(chǎn)品全壽期的智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，引領(lǐng)和規(guī)范了復(fù)雜電子行業(yè)智能制造發(fā)展。

結(jié)束語(yǔ)

為全面貫徹落實(shí)黨的十九大提出的“加快建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)，加快發(fā)展先進(jìn)制造業(yè)，推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合”精神，十四所以建設(shè)具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的世界一流研究所為目標(biāo)，集聚十四所生態(tài)鏈優(yōu)質(zhì)資源，大力拓展兩化融合的深度和廣度，充分發(fā)揮原創(chuàng)性科研成果的核心競(jìng)爭(zhēng)力，構(gòu)建了面向復(fù)雜電子裝備的全層級(jí)、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同的企業(yè)智能制造體系，以期為行業(yè)提供一個(gè)可供示范的智能制造解決方案。