天津電源研究所 姜釗 于輝 蘭志成 蘇彬 杜洋

智能制造作為全球制造行業(yè)的最主流應用模式，已廣泛應用在軍工企業(yè)的生產(chǎn)進程中。如何利用智能化手段提升軍工企業(yè)的制造水平成為亟待解決的問題。針對我國軍工企業(yè)運行的現(xiàn)狀及特殊性，結(jié)合智能制造各個系統(tǒng)的優(yōu)勢特點，討論二者相結(jié)合的場景與要義，并分別對軍品制造中“人”“機”“料”“法”“環(huán)”五個環(huán)節(jié)對其“智”造成功落地的實現(xiàn)手段與注意事項展開分析，研究現(xiàn)階段過程中依然產(chǎn)生矛盾沖突的原因，及相應的解決對策，最后給出合理化實施建議。

我國軍工產(chǎn)品加工類型多樣，具有質(zhì)量要求可追溯、自動化水平參差不齊、缺乏數(shù)據(jù)收集手段、狀態(tài)進度監(jiān)控不足等問題現(xiàn)狀，正在讓我國軍工產(chǎn)品生產(chǎn)工藝提升處于瓶頸狀態(tài)。智能化制造作為軍工企業(yè)適應性應用的不二選擇，與彎道超車的最佳模式，應在不斷升級與迭代中快速開展，以適應大環(huán)境對軍工產(chǎn)品各方面提升的要求。

1 軍工企業(yè)智能制造的實現(xiàn)方法與典型路徑

1.1 MES

作為軍工企業(yè)制造的核心數(shù)字化模塊，MES系統(tǒng)的建立可以形成一個全面的、集成的、穩(wěn)定的生產(chǎn)、物流、質(zhì)量控制體系[1]，并對企業(yè)、工藝、人員、質(zhì)量等各環(huán)節(jié)進行全方位的監(jiān)控、分析與改進，以滿足精細化、透明化、自動化、實時化、數(shù)據(jù)化、一體化的管理與生產(chǎn)，并通過建立生產(chǎn)、質(zhì)量、物流等異常情況預警機制，提高問題處理效率和準確性，降低生產(chǎn)成本，實現(xiàn)高效制造管理[2]。軍工MES系統(tǒng)與其他數(shù)字系統(tǒng)的邏輯關(guān)聯(lián)[3]，如圖1所示。

圖1 軍工智能化網(wǎng)絡體系Fig.1 Military intelligent network system

另一方面，MES系統(tǒng)作為實現(xiàn)智能化車間建設的中間環(huán)節(jié)，可與其他系統(tǒng)進行信息互通與協(xié)同，進而達到以下目的[4]：(1)改善計劃編排和控制體系，實現(xiàn)實時生產(chǎn)全過程的監(jiān)控，達到生產(chǎn)透明化的效果；(2)在制造能力方面，通過生產(chǎn)透明化以提升對生產(chǎn)控制能力，提升生產(chǎn)計劃的協(xié)調(diào)、精細化，最大限度地提升整個制造系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，減少生產(chǎn)過程中的浪費，實現(xiàn)生產(chǎn)效率提升；(3)實現(xiàn)管理模板（流程規(guī)范、數(shù)據(jù)統(tǒng)計）的搭建，提升管理效率；(4)通過實現(xiàn)關(guān)鍵設備的自動數(shù)據(jù)采集，減少手動錄入工作量，提高數(shù)據(jù)錄入的準確性和及時性；(5)系統(tǒng)可通過基于精益生產(chǎn)的調(diào)度方式將物流配送任務與裝配作業(yè)任務進行有效協(xié)同，實現(xiàn)庫房管理物料的明細透明化。

1.2 數(shù)字孿生

數(shù)字孿生在國外航天航空領(lǐng)域的最早應用出現(xiàn)在2010年左右，數(shù)字孿生近些年的迅猛發(fā)展得益于物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云/邊緣計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，也正因為以上技術(shù)發(fā)展和應用的不斷深化，使數(shù)字孿生進入了新發(fā)展階段，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映對應實體裝備的全生命周期過程。其主要支撐技術(shù)如下：(1)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)是以感知技術(shù)和網(wǎng)絡通訊技術(shù)為主要手段，實現(xiàn)人、機、物的泛在鏈接，提供信息感知、信息傳輸、信息處理等服務的基礎設施，是實現(xiàn)數(shù)字孿生與物理世界虛實映射的基建基礎。(2)大數(shù)據(jù)技術(shù)。分為兩部分：1)可通過大數(shù)據(jù)的海量、異構(gòu)、高速、可變性、復雜性和價值性的特征，來提出相應的算法和框架模型來解決具體問題。2)可通過大數(shù)據(jù)的可視化應用，為數(shù)字孿生系統(tǒng)提供有效工具，來揭示物理實體的隱形信息。(3)多領(lǐng)域、多層次機理模型建模技術(shù)。物理實體的機理模型是數(shù)字孿生技術(shù)應用的骨架，綜合了復雜物理實體所能涉及或針對的，諸如機械、電子、液壓、控制機等具體行業(yè)的特征，并對相應物體的建模加入不同時間維度的概念。這也是不同于以往建模仿真過程的區(qū)別。(4)人工智能技術(shù)[5]?？梢岳斫獬舍槍ξ锢硎澜绲淖兓?，而進行的精確判斷和決策，系統(tǒng)應具有的綜合智能分析與自主性特征。(5)云/邊緣協(xié)同計算技術(shù)[6]?？梢岳斫鉃橛嬎銠C運行內(nèi)存與存儲的前沿技術(shù)，因為數(shù)字孿生是一個非常龐大的系統(tǒng)，需要快速對綜合的輸入條件進行感知、分析與計算，因此必須要有強大的存儲與計算能力作為支撐。數(shù)字孿生體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生體系架構(gòu)Fig.2 Digital twin architecture

1.3 網(wǎng)絡安全

伴隨工業(yè)大數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡云等先進技術(shù)的大范圍應用，軍工行業(yè)生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)安全性方面的問題必須得到應有的重視，在數(shù)字化系統(tǒng)規(guī)劃與搭建的同時，應在信息系統(tǒng)硬件搭建中，增設相關(guān)的防火墻與安全網(wǎng)關(guān)，用以保證網(wǎng)絡安全，在涉密系統(tǒng)中也可應用安全網(wǎng)閘，來限制系統(tǒng)信息上下流的傳送安全[7]。并針對網(wǎng)絡信息安全建立健全的網(wǎng)絡信息安全預案，使突發(fā)事件應對處置的各個環(huán)節(jié)有章可循，同時針對信息系統(tǒng)開展應急演練，提升信息專業(yè)人員應急反應能力，以及臨時性故障排除方法和思路，并且保證能在最短時間內(nèi)恢復信息系統(tǒng)的正常，更好地為軍工企業(yè)的安全生產(chǎn)及信息通訊保駕護航。

2 實現(xiàn)手段與注意事項

軍品研制、轉(zhuǎn)段、生產(chǎn)、測試及交付周期越來越短，軍工生產(chǎn)需要盡快適應市場競爭及技術(shù)水平的發(fā)展現(xiàn)狀，軍工企業(yè)智能化生產(chǎn)車間的升級與再造是一個迭代升級、不斷演化的過程，其總體實現(xiàn)形式應遵從“PDCA”循環(huán)模式，即按照從規(guī)劃、設計、建設、運行到后續(xù)的評價與優(yōu)化[8]，這幾個方面進行不同環(huán)節(jié)或模塊的建設。橫向來講，軍工智能化體系的貫徹應有步驟地進行，各個階段目標任務之間應強調(diào)技術(shù)與數(shù)據(jù)的互聯(lián)性、互通性與銜接性。縱向來看，智能化系統(tǒng)建設則可以分解成以下幾個方面。

2.1 “人”

智能化轉(zhuǎn)型事項涉及企業(yè)內(nèi)部人員極廣，從企業(yè)架構(gòu)來講，上至企業(yè)的決策者與領(lǐng)導核心，下至車間操作及信息填報人員，并延伸至生產(chǎn)的工藝人員、庫管及計劃員。我國數(shù)字化起步早，智能水平所處水平越高的企業(yè)，其數(shù)字化參與人員所占比例也越高。軍工制造企業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型離不開具有一定智能化水平和富有發(fā)展遠見的決策者，成功的智能化轉(zhuǎn)型案例往往伴隨著由上而下的良性政策與獎懲推動，除此之外，經(jīng)管、編程、系統(tǒng)維護等人員的培養(yǎng)與素質(zhì)提升同樣至關(guān)重要，以便在不斷快速更新的智能化技術(shù)中，結(jié)合企業(yè)本身特點進行技術(shù)的更迭與應用。

2.2 “機”

伴隨我國軍品對產(chǎn)能要求的大幅提升，“機器換人”的工作也在如火如荼地進行著。首先就是老舊設備的改造問題，由于種種原因，當老舊設備的主體依然需要保留時，核心零部件的更換則務必要與設備主體在節(jié)拍和工藝一致性等方面進行兼容，其次，軍工企業(yè)制造智能化水平的提升一定避免不了對相關(guān)產(chǎn)品制造中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行自動采集，在新設備添置與舊設備改造中，要特別注意對設備數(shù)據(jù)采集模塊中的協(xié)議與接口要求等內(nèi)容。值得注意的是，切勿為了實現(xiàn)自動化而盲目引進設備，因為這往往會造成投入與產(chǎn)出的比例失衡，還可能會產(chǎn)生信息孤島。

2.3 “料”

不管是軍工企業(yè)的連續(xù)型生產(chǎn)模式，還是離散型生產(chǎn)模式，都在面臨著多品種與變批量的產(chǎn)品生產(chǎn)要求，因此也對原材料、半成品、外購件以及成品的管理提出了更高的要求。雜亂無章的物料擺放、缺失的物料編碼環(huán)節(jié)、落后的倉儲與運輸方式，顯然已無法滿足軍品智能生產(chǎn)的要求，也正在成為軍工產(chǎn)品全流程環(huán)節(jié)的短板之一。為了配合智能化裝備與先進的管理環(huán)節(jié)，亟需改善現(xiàn)存的物料管理環(huán)節(jié)，如選擇智能化貨柜來進行物料與半成品的暫存，增加結(jié)合自身情況的物料編碼環(huán)節(jié)，選擇激光刻蝕、RFID等先進方式的條碼索引方式，做到產(chǎn)品各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的質(zhì)量可追溯，如圖3所示。

圖3 物料管理智能化提升內(nèi)容Fig.3 The content of intelligent improvement of material management

2.4 “法”

在軍工企業(yè)生產(chǎn)全流程中，大多存在著經(jīng)營管理與工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)方面落后的情況，因此也同樣需要注意此方面的提升與改善。經(jīng)營管理方面，軍工企業(yè)要更多地向成功的先進企業(yè)看齊，勇于作出管理理念上的改變，可以借助先進的應用管理類軟件與思維，在對本企業(yè)的再次開發(fā)與應用過程中，應詳細借鑒各個環(huán)節(jié)功能模塊的精髓，結(jié)合自身發(fā)展情況來做好系統(tǒng)集成的整理開發(fā)工作。在工藝生產(chǎn)方面，要積極從工藝文件的紙質(zhì)化向電子化改變，進而做到工藝文件管理、工藝指導生產(chǎn)、工藝技術(shù)水平的整體提升[9]。除此之外，與產(chǎn)品制造相關(guān)方面的各個環(huán)節(jié)，也應在數(shù)字化的引領(lǐng)下彼此互通反饋，共同提升產(chǎn)品的性能與生產(chǎn)效率，以實現(xiàn)多組織單元的動態(tài)互動。

2.5 “環(huán)”

軍品制造過程中的“環(huán)”，是指生產(chǎn)現(xiàn)場、倉儲庫房、物流通道、產(chǎn)品交接等制造相關(guān)場地的內(nèi)部環(huán)境，依據(jù)產(chǎn)品品類的不同，環(huán)境測評條目也不盡相同，大體包含：溫度、濕度、通風、采暖、照明、噪聲、電磁輻射等項目，某類或某幾項環(huán)境參數(shù)的改變，或許會對產(chǎn)品及人員產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的損失或影響。因此，在生產(chǎn)全流程中對產(chǎn)品生產(chǎn)所需要的關(guān)鍵環(huán)境狀態(tài)要進行在線實時采集、測評與反饋，從而判斷生產(chǎn)環(huán)境的實時狀態(tài)，并預測環(huán)境的演變趨勢，來精準確認產(chǎn)品、裝備等關(guān)鍵環(huán)節(jié)應維護的時間、內(nèi)容和方式[10]。

如何評定各單位的生產(chǎn)運行過程等級，針對各個與生產(chǎn)相關(guān)的環(huán)節(jié)進行盡可能地量化，并在智能化薄弱環(huán)節(jié)重點改善，成為亟需解決的任務。對此問題，可參照由中國電子技術(shù)標準化研究院牽頭起草的相關(guān)文件，其中《智能制造能力成熟度模型》[11]分別從“人員”“技術(shù)”“資源”“設計”“生產(chǎn)”“物流”“銷售”“服務”八個層面，論述了相關(guān)環(huán)節(jié)的智能化成熟模型與不同等級的應用狀態(tài)，同時規(guī)定了智能制造能力成熟度模型的構(gòu)成、能力要素和成熟度要求，此標準適用于制造企業(yè)、智能制造系統(tǒng)解決方案供應商和第三方，來開展智能制造能力的差距識別、方案規(guī)劃和改進提升?！吨悄苤圃炷芰Τ墒於仍u估方法》[12]則規(guī)定了智能制造能力成熟度的評估內(nèi)容、評估過程和成熟度等級判定的方法，并成立評估體系。

3 結(jié)語

目前對軍工產(chǎn)品性能指標的提升與質(zhì)量控制要求越來越高，產(chǎn)品生產(chǎn)形呈現(xiàn)多品種、變批量態(tài)勢，其制造過程包含大量高精度、高難度、現(xiàn)較多依賴手工作業(yè)的特殊工藝，同時，多數(shù)軍工企業(yè)的網(wǎng)絡化基礎較為薄弱，存在生產(chǎn)過程與管理決策數(shù)字化、智能化水平不足，進而導致的軍工企業(yè)內(nèi)部管控效率低下的現(xiàn)象發(fā)生。文章針對我國軍工企業(yè)的制造特點與所處階段，結(jié)合影響軍工產(chǎn)品質(zhì)量的各個因素，闡述了軍工企業(yè)智能化應用場景與實現(xiàn)路徑，并充分剖析了軍工企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型的典型問題核心與對應的注意事項。

引用

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