文/劉勝新，趙玉潔，曹亞琪 南京電子技術研究所

胡長明 南京電子技術研究所，中國電子科技集團公司第十四研究所國家級工業(yè)設計中心

面向制造強國戰(zhàn)略和國防工業(yè)現(xiàn)代化建設的迫切需求，十四所以建設世界一流企業(yè)為目標引領，以企業(yè)信息化管理系統(tǒng)建設為基礎，以端到端的制度與流程為支撐，推進復雜電子裝備機、電、液、熱、工藝等多專業(yè)協(xié)同研發(fā)，打造基于數(shù)字孿生的總裝、電裝、微組裝全層級智能車間，構建以彌補產業(yè)鏈智能化水平差異為導向的智能制造生態(tài)鏈，全面建成全層級、多專業(yè)的企業(yè)智能制造體系，并取得了顯著成效。

推進企業(yè)智能制造體系建設的重要性和必要性

復雜電子裝備是一個機電液磁高度耦合的復雜系統(tǒng)，其制造包括了核心元器件、零部件、軟件和新材料、新工藝等內容，也包括設計仿真、生產調試、服務保障等環(huán)節(jié)，是一項系統(tǒng)工程。復雜電子裝備制造因其示范性強、帶動性大，成為我國高端制造的典型代表。隨著復雜電子裝備進一步向一體化、智能化方向發(fā)展，系統(tǒng)集成度和復雜度不斷提高，其生產工藝越來越復雜、裝配精度和可靠性要求越來越高。當前迫切需要建立與之相適應的智能制造體系，實現(xiàn)復雜電子裝備的柔性、高效、透明、均衡生產。然而，建設裝備制造世界一流企業(yè)仍存在諸多挑戰(zhàn)。

1）復雜電子裝備包含從材料、元器件、組件、部件到整機多個層級，各層級技術成熟度不均衡、各車間制造發(fā)展不均衡，迫切需要建立面向裝備全層級組成的智能車間，實現(xiàn)復雜電子裝備智能制造的全層級示范。

2）復雜電子裝備覆蓋海陸空天全領域，各領域裝備構型變化大、技術狀態(tài)不固定，導致各制造平臺能力不均衡，迫切需要建立適應各領域裝備特點的智能制造體系，實現(xiàn)復雜電子裝備的智能化生產。

3）復雜電子裝備企業(yè)產業(yè)生態(tài)鏈長、配套企業(yè)多，包括各類電子元器件、復合材料以及下游行業(yè)等應用領域。產業(yè)鏈各環(huán)節(jié)研制水平不均衡，迫切需要構建面向復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，推動電子裝備制造業(yè)高質量發(fā)展。

建設企業(yè)智能制造體系的主要途徑

（1）謀劃裝備智能制造架構體系，做好智能制造頂層布局

圍繞復雜電子裝備全層級組成，通過工藝布局調整、自動化工藝裝備升級、工廠信息化系統(tǒng)建設等途徑，構建機電液熱工藝等多專業(yè)協(xié)同設計與研發(fā)平臺，開展基于數(shù)字孿生的總裝、電裝、微組裝全層級智能車間建設，打造國內一流的離散型智能示范工廠，形成全層級智能裝配示范車間，如圖1所示。

圖1 面向復雜電子裝備全層級組成的智能車間

十四所構建了設備-控制-運營集成智能車間三層次統(tǒng)一架構，如圖2所示，形成車間三維看板系統(tǒng)（Workshop Visual System，WVS）、車間運營管理系統(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)，以及總裝總調智能車間、電裝智能車間、微組裝智能車間等典型智能生產線。

圖2 智能車間建設統(tǒng)一架構圖

在產品全生產周期的橫向端，通過制造運營管理系統(tǒng)對接十四所現(xiàn)有的產品三維工藝設計系統(tǒng)和ERP系統(tǒng)等，進行信息知識的前后貫通，以最實時準確的制造加工信息支撐智能研發(fā)的設計優(yōu)化、智能驗證的功能實現(xiàn)及智能保障的數(shù)據(jù)提供。

在生產制造的縱向端，通過生產控制指令和生產過程信息的上傳下達，實現(xiàn)“任務-訂單-工單-執(zhí)行”的逐層分解及自動作業(yè)，完成智能車間生產數(shù)據(jù)的內部循環(huán)。

（2）構建智能制造信息化平臺，實現(xiàn)制造與信息化深度融合

基于開放組體系結構框圖（The Open Group Architecture Framework，TOGAF）理論，十四所聚焦裝備研制核心業(yè)務，構建引領智能制造轉型的信息化平臺總體。將研發(fā)、制造、保障核心業(yè)務與人、財、物、計劃、質量、成本等管理要素交叉形成業(yè)務矩陣，構建矩陣式數(shù)字化總體架構，如圖3所示。通過核心業(yè)務數(shù)字化平臺和運營管理的全要素集成，輔以大數(shù)據(jù)支撐的知識工程和高安全可靠的IT基礎設施，最終構成矩陣式、全融合的“3+N”信息化平臺總體框架，引領業(yè)務的智能制造轉型。

圖3 企業(yè)智能制造管理信息化基礎框架圖

1）打造數(shù)字化協(xié)同設計平臺，開展多專業(yè)協(xié)同智能研發(fā)。通過打造數(shù)字化協(xié)同設計平臺，將結構、工藝和制造等專業(yè)有效整合，實現(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，更好地引領并指導了制造端數(shù)字化、智能化改進，顯著提高產品裝配質量一致性、減少返工返修、縮短產品研制周期。

2）面向多業(yè)務應用場景，設計集成管控平臺。針對復雜電子裝備制造車間集成化、精細化管控的要求，設計了“1+4”（1個門戶+4大系統(tǒng)）的集成管控平臺開發(fā)架構。包括運營層和控制層兩個層級，MOM、WVS、WMS以及SCADA等四大工業(yè)軟件系統(tǒng)，向上承接生產計劃、產品數(shù)據(jù)，向下監(jiān)控脈動生產線運行狀態(tài)，實現(xiàn)企業(yè)級計劃、車間級執(zhí)行、現(xiàn)場級控制的全流程數(shù)據(jù)閉環(huán)。

3）建立統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)生產過程可控、質量可追溯?；谥悄苘囬g的信息化平臺，通過車間生產物聯(lián)網的建立，構建車間生產現(xiàn)場綜合數(shù)據(jù)的交換機制，實現(xiàn)設備狀態(tài)、車間工況、生產數(shù)據(jù)的采集、傳遞、分析等，數(shù)據(jù)經過處理或直接、按需傳遞至MOM系統(tǒng)、質量管理（QMS）、車間三維展示等系統(tǒng)，為虛實映射的數(shù)字化總裝工廠提供數(shù)據(jù)基礎，實現(xiàn)智能車間生產管理的有序透明化、生產過程和質量數(shù)據(jù)的可追溯，全面提升智能車間的管控能力。車間生產數(shù)據(jù)交換流程圖如圖4所示。

圖4 車間生產數(shù)據(jù)交換流程圖

（3）圍繞裝備整機組成，打造全層級智能制造示范車間

通過對復雜電子裝備制造業(yè)務類型的分類，如圖5所示，及產品生產對象的聚類分析，打造了微組裝、電裝、總裝總調等核心制造業(yè)務的全層級智能車間，實現(xiàn)了裝備裝配調試過程的全覆蓋。

圖5 復雜電子裝備制造類型劃分圖

1）基于全流程數(shù)字化、智能化管控，實現(xiàn)微組裝車間變批量共線制造。針對微組裝車間內設備自動化程度高、產品質量追溯嚴等特點，構建數(shù)據(jù)采集-分析-決策的閉環(huán)控制體系，實現(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)一格式進行歸一化存儲，形成“分布式”數(shù)據(jù)庫，支撐車間上層管控系統(tǒng)的業(yè)務應用。在數(shù)據(jù)分析方面，微組裝車間根據(jù)已有訂單的執(zhí)行情況以及生產線資源占用情況進行綜合性分析，形成科學合理的訂單執(zhí)行計劃，實現(xiàn)了生產排程智能決策，促進了制造執(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)技術建立產品質量與工藝參數(shù)之間的關聯(lián)關系模型，形成基于工藝專家系統(tǒng)的工藝參數(shù)優(yōu)化自我決策系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線式的響應處理，提高了質量問題處理的速度和準確率，保障微波組件高質量穩(wěn)定生產。

2）確立人機協(xié)同作業(yè)方式，實現(xiàn)部件電裝車間敏捷化生產。以效益為中心，根據(jù)不同部件產品形態(tài)的離散程度，合理設計電裝部件車間智能產線，把人和機器作為一個整體系統(tǒng)，通過交互和自適應，根據(jù)裝配的復雜程度、批量多少等因素合理優(yōu)化人機協(xié)同配比，實現(xiàn)生產運營敏捷化。

對于結構復雜、數(shù)量較少的電子設備采用細胞單元的方式組織生產，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）構建脈動式柔性裝調一體化生產線，實現(xiàn)總裝高效、透明、優(yōu)質生產。針對其多品種、小批量、變節(jié)拍的柔性生產需求，按照“產品聚類分析、工藝流程再造、車間布局優(yōu)化、產線裝備升級”的思路，構建了不同類型的裝備脈動式柔性裝調一體化生產線總裝生產線，如圖6所示，滿足了多型裝備產品的混線共線生產，大幅提升總裝脈動生產線裝配效率和自動化水平。

圖6 脈動式柔性裝調總裝車間

（4）打造協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)鏈，彌補產業(yè)鏈智能化水平差異

針對復雜電子裝備產業(yè)生態(tài)鏈長、協(xié)作企業(yè)多的特點，通過構建“三位一體”的協(xié)同創(chuàng)新載體，統(tǒng)一調配創(chuàng)新資源，實現(xiàn)智能制造核心產品技術突破；通過賦能中小型制造企業(yè)智能制造整體解決方案及典型產品，提升創(chuàng)新載體智能制造整體水平，助推裝備制造業(yè)高質量發(fā)展。

1）構建“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，依據(jù)創(chuàng)新主體的不同智能制造特點與協(xié)同創(chuàng)新需求，構建智能制造聯(lián)盟、云制造服務平臺、政產學研用合作“三位一體”的協(xié)同創(chuàng)新載體，如圖7所示。

圖7 基于云制造服務平臺的生態(tài)鏈協(xié)同制造流程圖

2）聯(lián)合突破行業(yè)技術壁壘，打造智能制造系列產品。十四所成功突破了數(shù)字孿生、工業(yè)軟件、智能測試、數(shù)字化工廠、云平臺多個領域的智能制造關鍵技術，形成制造運營管理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、螺接裝配機器人等50余項智能制造系列產品，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 智能制造系列產品圖

3）堅持優(yōu)勢互補，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)劃的引領下，聯(lián)合生態(tài)鏈企業(yè)推出智能車間、智慧院所、云制造服務三大系列整體解決方案。通過與各領域的佼佼者強強聯(lián)合，推出的智能制造整體解決方案在國內已形成較強的競爭力，服務的重點企業(yè)涉足航空、航天等15個行業(yè)、1 000余家企業(yè)，助力中國商飛C919大型客機、航天運載火箭等多個國家重大型號的順利推進。

企業(yè)智能制造體系的建設效果

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

1）顯著提升智能制造水平，全面提高復雜電子裝備競爭力。通過該項目實施，實現(xiàn)4型以上產品混線生產、關鍵設備數(shù)據(jù)采集覆蓋率≥99%、產品一次裝配合格率≥99%、生產周期縮短50%、產能提升≥100%，支撐完成眾多國家重大項目研制。

2）大幅提升智能制造產值，助推十四所高質量發(fā)展。裝備研制周期由原來的5～8年縮短到2～3年，研制成本降低32%，相較“十二五”末，2020年營業(yè)收入增長1.3倍、凈利潤增長1.7倍。

3）引領復雜電子行業(yè)發(fā)展，打造復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)合提出智能制造標準21項，構建了覆蓋復雜電子產品全壽期的智能制造標準體系，引領和規(guī)范了復雜電子行業(yè)智能制造發(fā)展。

結束語

為全面貫徹落實黨的十九大提出的“加快建設制造強國，加快發(fā)展先進制造業(yè)，推動互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)、人工智能和實體經濟深度融合”精神，十四所以建設具有全球競爭力的世界一流研究所為目標，集聚十四所生態(tài)鏈優(yōu)質資源，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爭力，構建了面向復雜電子裝備的全層級、多專業(yè)協(xié)同的企業(yè)智能制造體系，以期為行業(yè)提供一個可供示范的智能制造解決方案。