复杂电子装备全层级、多专业协同的企业智能制造体系研究与实践

文/刘胜新，赵玉洁，曹亚琪 南京电子技术研究所

胡长明 南京电子技术研究所，中国电子科技集团公司第十四研究所国家级工业设计中心

面向制造强国战略和国防工业现代化建设的迫切需求，十四所以建设世界一流企业为目标引领，以企业信息化管理系统建设为基础，以端到端的制度与流程为支撑，推进复杂电子装备机、电、液、热、工艺等多专业协同研发，打造基于数字孪生的总装、电装、微组装全层级智能车间，构建以弥补产业链智能化水平差异为导向的智能制造生态链，全面建成全层级、多专业的企业智能制造体系，并取得了显著成效。

推进企业智能制造体系建设的重要性和必要性

复杂电子装备是一个机电液磁高度耦合的复杂系统，其制造包括了核心元器件、零部件、软件和新材料、新工艺等内容，也包括设计仿真、生产调试、服务保障等环节，是一项系统工程。复杂电子装备制造因其示范性强、带动性大，成为我国高端制造的典型代表。随着复杂电子装备进一步向一体化、智能化方向发展，系统集成度和复杂度不断提高，其生产工艺越来越复杂、装配精度和可靠性要求越来越高。当前迫切需要建立与之相适应的智能制造体系，实现复杂电子装备的柔性、高效、透明、均衡生产。然而，建设装备制造世界一流企业仍存在诸多挑战。

1）复杂电子装备包含从材料、元器件、组件、部件到整机多个层级，各层级技术成熟度不均衡、各车间制造发展不均衡，迫切需要建立面向装备全层级组成的智能车间，实现复杂电子装备智能制造的全层级示范。

2）复杂电子装备覆盖海陆空天全领域，各领域装备构型变化大、技术状态不固定，导致各制造平台能力不均衡，迫切需要建立适应各领域装备特点的智能制造体系，实现复杂电子装备的智能化生产。

3）复杂电子装备企业产业生态链长、配套企业多，包括各类电子元器件、复合材料以及下游行业等应用领域。产业链各环节研制水平不均衡，迫切需要构建面向复杂电子装备研制全流程的智能制造生态链，集聚各方制造资源，集中力量攻坚，推动电子装备制造业高质量发展。

建设企业智能制造体系的主要途径

（1）谋划装备智能制造架构体系，做好智能制造顶层布局

围绕复杂电子装备全层级组成，通过工艺布局调整、自动化工艺装备升级、工厂信息化系统建设等途径，构建机电液热工艺等多专业协同设计与研发平台，开展基于数字孪生的总装、电装、微组装全层级智能车间建设，打造国内一流的离散型智能示范工厂，形成全层级智能装配示范车间，如图1所示。

图1 面向复杂电子装备全层级组成的智能车间

十四所构建了设备-控制-运营集成智能车间三层次统一架构，如图2所示，形成车间三维看板系统（Workshop Visual System，WVS）、车间运营管理系统（Manufacturing Operation Management，MOM）、物流管理系统（Warehouse Management System，WMS）、数据采集系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）等四大信息系统，以及总装总调智能车间、电装智能车间、微组装智能车间等典型智能生产线。

图2 智能车间建设统一架构图

在产品全生产周期的横向端，通过制造运营管理系统对接十四所现有的产品三维工艺设计系统和ERP系统等，进行信息知识的前后贯通，以最实时准确的制造加工信息支撑智能研发的设计优化、智能验证的功能实现及智能保障的数据提供。

在生产制造的纵向端，通过生产控制指令和生产过程信息的上传下达，实现“任务-订单-工单-执行”的逐层分解及自动作业，完成智能车间生产数据的内部循环。

（2）构建智能制造信息化平台，实现制造与信息化深度融合

基于开放组体系结构框图（The Open Group Architecture Framework，TOGAF）理论，十四所聚焦装备研制核心业务，构建引领智能制造转型的信息化平台总体。将研发、制造、保障核心业务与人、财、物、计划、质量、成本等管理要素交叉形成业务矩阵，构建矩阵式数字化总体架构，如图3所示。通过核心业务数字化平台和运营管理的全要素集成，辅以大数据支撑的知识工程和高安全可靠的IT基础设施，最终构成矩阵式、全融合的“3+N”信息化平台总体框架，引领业务的智能制造转型。

图3 企业智能制造管理信息化基础框架图

1）打造数字化协同设计平台，开展多专业协同智能研发。通过打造数字化协同设计平台，将结构、工艺和制造等专业有效整合，实现基于统一数字模型的全流程贯通。为企业智能制造全流程贯通奠定数据和模型基础，更好地引领并指导了制造端数字化、智能化改进，显著提高产品装配质量一致性、减少返工返修、缩短产品研制周期。

2）面向多业务应用场景，设计集成管控平台。针对复杂电子装备制造车间集成化、精细化管控的要求，设计了“1+4”（1个门户+4大系统）的集成管控平台开发架构。包括运营层和控制层两个层级，MOM、WVS、WMS以及SCADA等四大工业软件系统，向上承接生产计划、产品数据，向下监控脉动生产线运行状态，实现企业级计划、车间级执行、现场级控制的全流程数据闭环。

3）建立统一标准的数据采集系统，实现生产过程可控、质量可追溯。基于智能车间的信息化平台，通过车间生产物联网的建立，构建车间生产现场综合数据的交换机制，实现设备状态、车间工况、生产数据的采集、传递、分析等，数据经过处理或直接、按需传递至MOM系统、质量管理（QMS）、车间三维展示等系统，为虚实映射的数字化总装工厂提供数据基础，实现智能车间生产管理的有序透明化、生产过程和质量数据的可追溯，全面提升智能车间的管控能力。车间生产数据交换流程图如图4所示。

图4 车间生产数据交换流程图

（3）围绕装备整机组成，打造全层级智能制造示范车间

通过对复杂电子装备制造业务类型的分类，如图5所示，及产品生产对象的聚类分析，打造了微组装、电装、总装总调等核心制造业务的全层级智能车间，实现了装备装配调试过程的全覆盖。

图5 复杂电子装备制造类型划分图

1）基于全流程数字化、智能化管控，实现微组装车间变批量共线制造。针对微组装车间内设备自动化程度高、产品质量追溯严等特点，构建数据采集-分析-决策的闭环控制体系，实现微波组件全生命周期数字化、可视化管控。在数据采集方面，基于统一格式进行归一化存储，形成“分布式”数据库，支撑车间上层管控系统的业务应用。在数据分析方面，微组装车间根据已有订单的执行情况以及生产线资源占用情况进行综合性分析，形成科学合理的订单执行计划，实现了生产排程智能决策，促进了制造执行效率的提升。在数据决策方面，利用人工智能、大数据技术建立产品质量与工艺参数之间的关联关系模型，形成基于工艺专家系统的工艺参数优化自我决策系统，实现了在线式的响应处理，提高了质量问题处理的速度和准确率，保障微波组件高质量稳定生产。

2）确立人机协同作业方式，实现部件电装车间敏捷化生产。以效益为中心，根据不同部件产品形态的离散程度，合理设计电装部件车间智能产线，把人和机器作为一个整体系统，通过交互和自适应，根据装配的复杂程度、批量多少等因素合理优化人机协同配比，实现生产运营敏捷化。

对于结构复杂、数量较少的电子设备采用细胞单元的方式组织生产，建立由核心技能人员、集成智能化工具工装、数据采集系统组成的智能装配单元。

3）构建脉动式柔性装调一体化生产线，实现总装高效、透明、优质生产。针对其多品种、小批量、变节拍的柔性生产需求，按照“产品聚类分析、工艺流程再造、车间布局优化、产线装备升级”的思路，构建了不同类型的装备脉动式柔性装调一体化生产线总装生产线，如图6所示，满足了多型装备产品的混线共线生产，大幅提升总装脉动生产线装配效率和自动化水平。

图6 脉动式柔性装调总装车间

（4）打造协同创新生态链，弥补产业链智能化水平差异

针对复杂电子装备产业生态链长、协作企业多的特点，通过构建“三位一体”的协同创新载体，统一调配创新资源，实现智能制造核心产品技术突破；通过赋能中小型制造企业智能制造整体解决方案及典型产品，提升创新载体智能制造整体水平，助推装备制造业高质量发展。

1）构建“三位一体”的协同创新载体，凝聚智能制造创新合力。以十四所为主导，依据创新主体的不同智能制造特点与协同创新需求，构建智能制造联盟、云制造服务平台、政产学研用合作“三位一体”的协同创新载体，如图7所示。

图7 基于云制造服务平台的生态链协同制造流程图

2）联合突破行业技术壁垒，打造智能制造系列产品。十四所成功突破了数字孪生、工业软件、智能测试、数字化工厂、云平台多个领域的智能制造关键技术，形成制造运营管理系统、数据采集系统、螺接装配机器人等50余项智能制造系列产品，打造了“睿知”工业软件和“睿行”智能装备两大品牌，如图8所示。

图8 智能制造系列产品图

3）坚持优势互补，联合打造整体解决方案，形成行业影响力。在智能制造顶层战略规划的引领下，联合生态链企业推出智能车间、智慧院所、云制造服务三大系列整体解决方案。通过与各领域的佼佼者强强联合，推出的智能制造整体解决方案在国内已形成较强的竞争力，服务的重点企业涉足航空、航天等15个行业、1 000余家企业，助力中国商飞C919大型客机、航天运载火箭等多个国家重大型号的顺利推进。

企业智能制造体系的建设效果

全层级、多专业协同的企业智能制造体系建成以来，取得了显著的成效。

1）显著提升智能制造水平，全面提高复杂电子装备竞争力。通过该项目实施，实现4型以上产品混线生产、关键设备数据采集覆盖率≥99%、产品一次装配合格率≥99%、生产周期缩短50%、产能提升≥100%，支撑完成众多国家重大项目研制。

2）大幅提升智能制造产值，助推十四所高质量发展。装备研制周期由原来的5～8年缩短到2～3年，研制成本降低32%，相较“十二五”末，2020年营业收入增长1.3倍、净利润增长1.7倍。

3）引领复杂电子行业发展，打造复杂电子装备智能制造示范。以十四所为主体的智能制造资源联合提出智能制造标准21项，构建了覆盖复杂电子产品全寿期的智能制造标准体系，引领和规范了复杂电子行业智能制造发展。

结束语

为全面贯彻落实党的十九大提出的“加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合”精神，十四所以建设具有全球竞争力的世界一流研究所为目标，集聚十四所生态链优质资源，大力拓展两化融合的深度和广度，充分发挥原创性科研成果的核心竞争力，构建了面向复杂电子装备的全层级、多专业协同的企业智能制造体系，以期为行业提供一个可供示范的智能制造解决方案。