航天智能制造标准体系建设分析与探讨

文|任伟 杨晓明 林海波 中国航天标准化研究所

一、引言

智能制造，标准先行。先进的标准是实施智能制造的重要基础和前提，标准化是智能制造系统互联互通的必要条件。而构建标准体系是实施智能制造领域标准规划的重要支撑，对于新兴的智能制造领域标准的制修订工作具有重大意义。美国、德国等工业强国早已认识到标准建设是重塑制造业的关键，通过不同方式加大智能制造标准建设力度，在未来国家竞争中抢夺先机[1]。我国也高度重视智能制造领域的标准化工作，工信部和国家标准化管理委员会联合制定并发布了《国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）》。

在智能制造已上升为国家战略的大形势下，智能制造的提出对航天传统的制造模式带来了很大的冲击。[2]航天作为我国高端装备制造业的典型代表，需要积极配合国家战略发展规划[3]。通过分析航天领域现行制造模式，建立航天型号科研生产与标准体系的映射关系，开展智能制造标准化需求的识别与分析工作，梳理并提出航天智能制造标准项目名称并分类，进而构建航天智能制造标准体系，将促进航天制造能力转型升级，支撑航天强国建设。

二、构建原则和思路

1.构建原则

开展航天智能制造标准体系研究，首先需要明确航天智能制造标准体系的构建原则和构建思路，包括标准体系的定位与范围,与国家、集团及院厂所级标准体系的关系,航天特色的体现,当前数字化制造与未来智能制造发展的关系等。航天智能制造标准体系的构建原则主要包括全面性、先进性、匹配性、实用性等。

1)全面性：应覆盖以智能制造为对象的全流程、全要素，其范围应包括从设计、生产、物流、服务等一系列相互联系的价值创造活动组成的生命周期，也包括从设备层、控制层、车间层和协同层等相关的系统层级，还包括资源要素、系统集成、互联互通、信息融合等多层智能功能等。

2)先进性：应与航天制造能力转型升级总体部署相匹配，充分借鉴吸收德国工业4.0、美国智能制造以及国际标准化组织在智能制造标准化领域的前沿理念和先进经验。

3)匹配性：应与顶层规划对智能制造标准化工作的要求相关联、结合，尽量保持共性、满足通用性的标准要求。同时，应能够随着航天智能制造的发展具有可扩展性，可动态更新。

4)实用性：框架结构要能够符合航天产品和制造模式的特点，坚持优先数字化制造所需标准的建设。

2.构建思路

研究国内外数字化、网络化、智能化相关标准体系和标准情况，掌握智能制造标准体系结构、要素及项目特点，系统规划航天智能制造标准体系建设的总体原则和对象范围；调研分析航天企业的数字化车间特点及存在的问题，掌握当前航天数字化制造现状，结合未来航天智能制造发展规划，深入挖掘标准化对象和标准需求；同时系统梳理评估国内现有各级各类相关标准，研究提出现有标准纳入体系的准则，策划重点领域的未来制定标准，编制标准明细表，提出体系中标准的制定优先级和制定时间建议。

航天智能制造标准体系按照“三步法”建设完成。

第一，以《国家智能制造标准体系建设指南（2018年版）》的系统架构要素为基础，结合国家智能制造标准体系对行业的要求以及航天制造能力提升总体规划，分析航天智能制造应用系统特征，构建由生命周期、系统层级和智能功能组成的三维智能制造系统架构，从而界定智能制造标准化的内涵和外延，识别智能制造现有和缺失的标准，认知现有标准间的交叉重叠关系。

第二，在深入分析标准化需求的基础上，综合智能制造系统架构各维度逻辑关系，将智能制造系统架构的生命周期维度和系统层级维度组成的平面，自上而下依次映射到智能功能维度的多个层级，围绕航天智能制造发展的特色，增加修改相关模块，结合对智能装备、智能工厂、智能服务、工业软件和大数据、工业互联网等五类关键技术进行组合分析，考虑并列或作为下层级处理，与基础共性标准和重点行业标准共同构成智能制造标准体系结构。

第三，对智能制造标准体系结构分解细化，依据当前航天智能制造发展趋势，分析航天企业的数字化车间特点及存在的问题，掌握当前航天数字化制造现状，结合未来航天智能制造发展规划，建立智能制造标准体系框架，深入挖掘标准化对象和标准需求。同时系统梳理评估国内现有各级各类相关标准，研究提出现有标准纳入体系的准则，策划重点领域的未来制定标准，编制标准明细表，指导航天智能制造标准制修订工作。

三、体系结构和体系框架

航天智能制造顶层规划提出，要推动集团公司层面实现设计、制造等资源的有效配置和利用；要建立数字化、网络化、智能化系统，作为科研生产的基础支撑手段；要建立智能的航天工业基础，建设智慧的院、厂、所，实现一系列智能设备、装备、系统的技术支撑。结合以上航天产品和制造模式特点等要求，参照对比国家智能制造标准体系参考模型，分析了航天领域在参考模型上应具备的差异性，如表1所示。

表1 国家智能制造标准体系参考模型在航天领域的差异性体现

通过拆分、整合国家智能制造标准体系结构“基础共性”和“关键技术”两大板块各个要素，结合上述航天行业标准特色在生命周期、系统层级、智能特征的具体体现，重新构建航天智能制造标准体系结构，详见图1（其中，航天特色明显的体系模块采用标记）。

图1 航天智能制造标准体系结构图

A基础共性部分：其中的信息安全、检测评价、可靠性与国家标准存在一定差异，此方面是航天行业基础部分建设的主要内容。

B智能装备部分：航天所用硬件设备包括商用设备和自主研发设备，自主研发设备的接口部件还是属于商用的，因此此方面的标准还是可采用相关国家标准，部分可制定通信、接口、协同等有针对性的具体标准。其中，增材制造中，航天应用更多侧重于采用金属材料的大尺寸、结构复杂的构件成形技术，与民用方面有所差别，且许多设备是内部开发研制，并非通常的商用设备。

C智能工厂部分：一是增加了“数字化车间”分支。从系统层级建设来说，必须要先由小到大实现从智能装备到智能生产单元、智能生产线、数字化车间等过程，最终实现智能工厂乃至智能制造系统的集成。具体而言，航天院厂所在智能化/数字化推进中，虽然发展略有不同，但近3～5年的定位还是以数字化车间为主。二是增加了“数字化制造”分支。实际上，数字化制造部分也是智能工厂的子集，由于数字化制造是智能化/数字化研制生产的关键，其标准项目占比较多，是当前阶段关键技术的核心部分。三是增加了“数字化管理”分支。在数字化环境下，数字化协同设计与制造必将对分布于不同空间位置的多个研制单位（分系统）联合起来实现信息资源的共享和协同工作，共同完成整个产品的研制，因此，航天传统的设计流程、审签、技术状态控制等重要的管理要素将发生根本性变化，航天科研生产模式正在转型升级。航天科研管理对研制产品的质量、效率、成本等方面都具有极大的影响，且航天的科研管理模式与其他行业差异较大。因此，为凸显对航天数字化管理的重视，将数字化管理模块作为重要分支给出。实际处理上，由原体系结构中基础共性的管理及其他模块下的管理部分整合到“数字化管理”中。

D智能服务部分：发射场服务可作为航天智能服务的一个重点。航天走向智能制造，其制造业的产业链和价值链将会得到延伸并走向服务化。例如，除了卫星研制与发射，将来卫星将更好地服务国民经济，提供基于网络的更好的产品研制、远程故障诊断、运营管理等综合服务，其智能服务方面的标准（主要包括通用要求、设计规范、安全规范、接口、协同等方面标准等）先作为虚拟框给出。

E工业软件和大数据部分：航天工业软件一般围绕航天现行研制流程和管理模式进行个性化定制开发，具有明显的航天特色，同时带有明显的软件应用特色。航天产品由于要围绕每个单件进行全过程数据记录，涉及的数据量庞大，数据关系复杂。同时航天大数据的数据分类、数据质量、数据处理和数据分析都是围绕航天产品质量管理模式制定的，具有明显的航天特色，方便出现产品问题后的归零问题追溯。

F工业互联网部分：工业互联网在部分航天制造单位现处于探索和试点应用阶段。但随着技术的发展进步，采用工业互联技术将是航天制造业发展的必然趋势。航天工业互联网标准也应是航天智能制造标准的重要组成部分，先作为虚拟框给出。

航天智能制造标准体系框架体现了航天智能制造标准体系的基本组成，如图2所示。

图2 航天智能制造标准体系框架

四、标准明细的策划重心

航天智能制造标准体系明细的确立，要具有全局性、通用性、紧迫性和实用性，充分梳理、整合两大航天集团数字化水平较高的单位在数字化设计、数字化仿真、数字化制造等一系列技术和管理规范，以及在数字化车间、数字化工厂建设中所涉及的标准。由于一些航天制造装备采用的是国外进口的成熟装备，这些装备通常是根据现行的国际标准研发的，因此其采用的国际智能制造标准也需纳入航天智能制造标准体系中，尤其是关于信息和数据的基础标准，如主流智能装备/数字化装备的通信协议等标准名称。

由于航天产品的科研生产任务是业务主线，其涉及产品设计、产品生产、产品物流、产品维护，以及各业务环节的协同和集成等标准名称是航天智能制造标准体系明细表的重点规划内容。具体体现在：

1）策划航天产品的智能设计与仿真，工艺仿真、装配仿真、产品试验验证过程仿真等方面的航天产品设计标准。标准明细需要基于数据驱动的参数化设计、专业化并行/协同设计以及产品设计全过程的标准化，以及试验方法设计、试验数据与流程的管理、试验结果的分析与验证、试验结果反馈等方面。

2）策划航天现有智能制造环境下的计划调度、生产执行、质量管控、设备运维等航天产品生产的标准。标准明细需要包括计划仿真、多级计划协同、可视化排产、动态优化调度等计划调度工作；作业文件自动下发、协同生产、生产过程管理与优化、可视化监控与反馈、生产绩效分析、异常管理等生产执行工作；质量数据采集、在线质量监测和预警、质量档案及质量追溯、质量分析与改进等质量管控工作；设备运行状态监控、设备维修维护、基于知识的设备故障管理、设备运行分析与优化等方面。

3）策划航天产品生产中物流仓储、物流配送过程中的物流设计、协同、信息交互标准。标准明细需要包括物料标识、物流信息采集、物料货位分配、出入库输送系统、作业调度、信息处理、作业状态及装备状态的管控、货物实时监控、物料分拣系统、配送路径规划、配送状态跟踪等方面。

4）策划设计与工艺协同、工艺与制造协同、制造系统互联互通等航天产品在开展各项业务过程中的协同和集成标准。标准明细需要包括业务间集成架构与功能、集成的活动模型和工作流、信息交互、集成接口和性能、现场设备与系统集成、系统之间集成、系统互操作、设计与制造协同优化、生产管控协同优化、供应链协同优化等方面。

五、结论

当前，航天多型号、多任务并举，研制与批产并重，高密度发射和交付已成常态，这对航天制造能力提出了更高的要求。大力发展航天智能制造，必须重视标准的基础和桥梁作用。通过策划构建航天智能制造标准体系，给出航天智能制造标准体系明细表，兼顾当前数字化制造和未来智能制造标准需求，将促进航天制造企业探索智能制造标准化新模式，通过标准验证实现“标准先行”，尤其在编码规则、系统接口等系统集成方面提前达成标准共识，有助于降低智能工厂后期运行和改进成本，提升航天研制效率和经营效率，助力航天制造能力转型升级。