軍工電子企業智能工廠規劃方案淺析

四川九洲電器集團有限責任公司 謝 穎 王政理

1.背景

近年來，隨著信息技術、傳感技術、物聯網技術和賽博-物理系統（CPS）等智能制造技術的興起和逐步成熟，“智能工廠”已成為全球傳統制造企業轉型升級的主要突破方向。各國為了提高產品質量、降低成本、縮短研制周期，制定了多項智能制造發展戰略與規劃，并大力發展智能制造技術、智能裝備和建設智能工廠。

美國于2011年正式啟動包括發展機器人在內的先進制造伙伴計劃。2012年，美國國家科學技術委員會公布了《國家先進制造戰略計劃》，明確提出加速發展先進制造能力；德國于2013年提出“工業4.0”，并被德國政府確定為高科技領域的國家戰略，是德國政府《高技術戰略2020》十大未來項目之一?！肮I4.0”推行“智能工廠”和“智能制造”兩大主題，提出制造業將迎來以賽博物理系統(CPS)為基礎，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業革命；我國針對智能制造提出了《中國制造2025》，要求緊密圍繞重點制造領域關鍵環節，開展新一代信息技術與制造裝備融合的集成創新和工程應用，開發智能和自主可控的智能裝置，依托優勢企業緊扣關鍵工序智能化、關鍵崗位機器人替代、生產過程智能優化控制、供應鏈優化，建設重點領域數字化車間/智能工廠。

2.軍工電子產品對其研發制造模式提出的新要求

目前軍工電子產品的科研生產組織模式尚處于傳統研制模式向數字化研制模式的過渡階段，仍存在著科研生產周期長、生產過程難控制和質量難保證等一系列問題，不適應新時期、新形勢下對多領域、多品種軍工電子裝備提出的高效和精益制造、準時交付及體系化保障等需要。

為適應未來戰爭呈現出的空間對抗、體系對抗、信息對抗和非接觸對抗等新特點，軍事電子裝備必須向基于信息系統的體系化、質量與可靠性大幅提升和關鍵裝備自主可控等方向發展。這些對軍事電子裝備研制企業提出了研制能力體系化、生產制造精準和柔性化、綜合管控精益化以及裝備交付周期大幅縮短、質量與可靠 性顯著提高等一系列的新要求。在此形勢下，軍工電子裝備研制生產企業必須建立數字化樣機協同設計及仿真，柔性、敏捷化智能制造，精益化的數字化協同與精確管控，以及智能倉儲物流和“大數據”管理應用等智能制造體系化能力，以達到提高武器裝備性能、提升武器裝備質量和可靠性，縮短裝備研制周期等武器裝備發展綜合性目標要求。所以，軍工電子產品對智能制造的需求十分迫切。

3.智能工廠規劃方案

為了形成軍工電子裝備研發、制造、管理和服務全過程、體系化的智能制造新模式，軍工電子智能制造需從智能制造規范及標準體系、智能設計、智能車間、數字化綜合協同管控平臺、智能服務保障、“大數據”管控中心、輔助決策分析系統和基礎信息條件等八個方面全面規劃建設“智能工廠”。軍工電子產品的“智能工廠”的架構如圖1所示。

圖1 “智能工廠”總體構架圖

3.1 “智能制造”規范及標準體系

未來軍工電子產品的設計與制造，需以基于全三維的產品模型為核心，借鑒國際先進標準和國家標準為指引，充分結合產品的特點，建立起適應型號產品研制的、與基礎研制環境相一致的、開放式的“智能制造”技術規范及信息化標準體系，奠定“智能工廠”建設的良好基礎。

“智能工廠”技術規范及信息化標準具體包括“基于MBD的數字化設計規范”、“三維裝配標準”、“三維標注規范”、“典型零件設計規范”、“工序模型建立規范”、“模型質量檢查規范”、“業務數據定義及編碼規范”、“設計、工藝和制造BOM管理規范”、“產品研發業務過程管理規范”、“信息化接口標準”、“系統操作規范”和“系統安全標準”等。

3.2 智能設計

未來軍工電子產品的設計模式將發生巨大的變化，首先，在數字化設計能力基礎上，結合多專業的數字化設計、仿真分析、測試驗證能力，虛擬制造能力和三維數字化工藝設計能力，形成基于模型成熟度定義方式的數字化樣機協同研發及虛擬制造一體化的數字化樣機設計工程新模式；然后，逐步研究、引入和應用模糊邏輯、模式識別、啟發搜索、定性推理、聯想記憶、進化設計、分形分維、混沌理論和人工神經網絡等一系列人工智能技術和非經典（智能）數學方法，在設計、工藝、制造、管理和保障等全過程的“大數據”基礎上，建立智能專家知識工程，從而模擬設計人員的分析、構思、推理、優化、判斷、決策和仿真驗證等智能設計活動，最終實現參數化的智能設計，極大地提高設計的效率、質量和創新性。

通過建設數字化設計及仿真能力，在虛擬環境中實現數字化樣機多學科的設計、仿真、測試、分析和驗證過程以及設計分析的一體化。并以工藝虛擬仿真驗證能力和虛擬制造系統能力為核心，搭建虛擬制造平臺，通過全體系的工藝仿真驗證能力，在產品設計階段模擬出其性能及制造過程，以此優化產品設計和工藝流程，最終實現由實物樣機試制升級到虛擬樣機制造過程。

結合產品數字化樣機及虛擬制造數據，搭建基于模型的三維數字化工藝設計系統，實現基于全三維數字化模型的工藝規劃和設計，以結構化及三維可視化的工藝規程指導產品的制造全過程，從而打通全三維設計到全三維制造之間的橋梁。最終，通過智能專家知識工程，設計人員只需要設定相關的設計參數，系統即可自動完成設計分析、構思、推理、優化、判斷與決策，以及對設計結果的智能仿真和迭代優化等過程，其結構框圖如圖2所示。

圖2 智能專家知識工程組成及運行流程示意圖

3.3 智能車間

按照軍工電子產品的制造工藝，重點構建以智能柔性切削制造單元、智能柔性鈑金成形單元、智能焊接中心、噴涂自動化單元、柔性共線裝配線體、自動網絡化集群調測平臺、數字化試驗系統、智能倉儲系統和制造執行系統等為核心的智能車間，形成狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行的裝備制造系統和高度柔性化和快速響應的智能制造能力。智能車間的建設將從自動化數控設備的全面推進使用入手，借助工業以太網和物聯網，從數字化制造逐步引入智能機器人、智能工裝等智能單元和智能裝備，形成智能生成線，并最終建設柔性智能車間。智能車間組成如圖3所示。

圖3 智能車間示意圖

3.4 數字化綜合協同管控平臺

以科研管理系統、產品數據管理系統（PDM）、基礎物料管理系統、生產與物料管理系統、質量管理系統、OA系統和HR系統等為基礎，完善產品數據管理系統（PDM）、企業資源計劃管理系統，結合多項目管理系統、檔案管理系統、審計管理系統、預算管理系統、協同管理系統和數字化綜合保障系統等重要管理系統，完善各業務流程的數字化管理能力。通過企業ESB集成總線集成和協同管理系統，建立統一的數字化綜合協同管控平臺，打通設計、工藝、制造及各個管理系統之間的三維數據信息鏈，并建立企業內部即時和可視化協同網絡，提供安全、可信賴和可訪問的協同工作環境。最終，達到產品研制、綜合保障和企業管理全過程的技術狀態的高效管控。綜合協同管控平臺組成及主要信息流程如圖4。

圖4 數字化綜合協同管控平臺組成及主要信息流程

3.5 智能服務保障平臺

搭建智能服務保障平臺，通過遠程數據監控和采集、故障診斷、趨勢預測、產品故障預警等，實現用戶原始信息的捕捉，后臺數據的積累，保障服務需求結構模型的建立，以及客戶的顯性和隱性需求的挖掘，從而主動給用戶提供精準、高效的服務。智能服務保障平臺組成框架如圖5。

圖5 智能服務保障平臺組成及主要信息流程

3.6 “大數據”管控中心

建設“大數據”管控中心，通過ESB企業集成總線與數字化綜合協同管理平臺集成后，將產品在數字化樣機設計及仿真、虛擬制造平臺、智能制造、綜合協同管控和服務保障等產品全生命周期的所有海量數據進行統一管理，形成一個企業級單一數據源、統一架構的數據中心，對全部數據進行記錄、儲存、統計、分析、共享、重用和控制，使各環節業務人員能夠獲得產品全生命周期完整的數據，了解所有技術狀態歷史，并能夠方便快捷進行搜索和質量跟蹤，實現軍事電子裝備研制和管理過程中產品與信息資源的高效協同管理和全面共享應用。同時，為智能分析決策系統和智能專家知識工程提煉并提供精準的數據?！按髷祿惫芸刂行目傮w架構及集成關系如圖6。

圖6 “大數據”管控中心總體架構及集成關系

3.7 輔助決策分析系統

由于業務價值信息分散于企業的各個業務系統以及不同的業務模塊中，造成各個系統的數據片面、信息彼此孤立，而且各業務系統基于不同的目的、架構、產品進行構建，也產生了互不兼容等問題。輔助決策支持系統從企業眾多異構的信息系統數據中提取出有用的數據并進行清理，以保證數據的正確性，然后經過抽取、轉換、裝載，合并到一個企業級的數據倉庫中，從而得到企業數據的一個全局視圖，在此基礎上利用合適的查詢和分析工具、數據挖掘工具、OLAP工具等對其進行分析和處理（這時信息變為輔助決策的知識），最后將知識呈現給管理者，為管理者的決策過程提供數據支持。

3.8 基礎信息條件

建設基礎數據采集平臺、工業以太網和物聯網、ESB企業集成總線等配套基礎設備設施，確保各項綜合協同管控系統和智能車間等的有效運行。

基礎數據采集平臺實現車間生產過程和管理過程中的運行數據，包括生產信息、設備信息、工裝信息和質量信息等的采集、為各個管理系統提供準確的數據；通過工業以太網和物聯網將生產工藝順序、實時生產工藝參數、質量信息等數據形成的信息流在生產過程完成后以上行信息流打包傳輸給數字化綜合管理系統，并由“大數據”管控中心統一儲存和管理；部署ESB企業集成總線，將綜合協同管控系統與“大數據”管控中心等各類異構系統通過數據轉換和協議轉換功能，實現多系統間的信息交換，從而將各個應用系統整合在一起，并屏蔽各系統間通信的復雜性，避免整個“智能工廠”內出現“信息孤島”。

4.總結

智能制造是未來的先進制造模式之一，是近年提出并得到不斷發展的制造技術，引起了世界各國的高度重視，軍工電子產品作為國家國防建設的重要組成部分，針對其制造模式開展的研究是提升國家軍事能力的重要途徑。

本文圍繞新時期武器裝備向基于信息系統的體系化、質量與可靠性大幅提升和關鍵裝備自主可控等方向發展的新要求，充分論證建設滿足軍工電子裝備發展需要的智能研發、制造及服務的體系化能力條件，提出了基于軍工電子產品智能制造的“智能工廠”規劃，并對“智能工廠”建設所需規范及標準體系、智能設計、智能車間、數字化綜合協同管控平臺、智能服務保障平臺、“大數據”管控中心、輔助決策分析系統、基礎信息條件等建設內容進行了論述，以期全面提升從價值鏈、企業層、車間層、設備層的裝備制造系統的狀態感知、實時分析、自主決策和精準執行的能力和水平，形成先進、安全自主可控的柔性智能制造能力體系，從而全面提高裝備研制生產的效率、質量并降低運營成本，適應經濟新常態、互聯網經濟等經濟社會發展新形勢、新要求。