基于知识的产品设计生产一体化系统技术研究及方案设计

徐蓓蓓，刘恒，毕胜，陈潇萍，汪朝阳

（北京航天动力研究所，北京 100076）

0 引言

经过多年培育和发展，某产品得到了快速发展，合同额增长速度很快，但产品的产能规模以及制造能力却比较低，产能越来越难以满足产业发展步伐，制造模式与实际需求的矛盾日益突出。随着产业发展，订单数量成倍增加，设计人员数量却难以同步增加，与设计效率和智能化制造水平低下之间的矛盾日益突出；该产品的制造特点是订单数量多批量小，多个任务同时运行，少则十几个，多则上百个，如何使制造过程更加高效运转、实现多任务协调是亟待解决的问题；经过多年积累，设计制造过程中产生大量纸质技术文件，达到数十万份，传输效率低下、存档和检索流程繁琐，查找困难且不利于技术保密；现有总装工段采用的是传统的工艺布局和设备设置，工艺布局松散，物料在装配制造各工序之间流转效率低，缺乏必要的专用工具、工装及自动化设备，缺少网络互连与消息交互。

目前产品基本完成了系列化设计，即所有规格尺寸的产品都有明确的零部件配套表，所有零部件都有规范唯一的图号编码，设计人员基本不再需要设计零部件，只需进行编写技术要求、零部件选配等总成工作，产品系列化总成技术状态为开展基于知识的设计生产一体化系统奠定了良好的基础。基于此,现阶段已建立了部分的知识库，将产品型号以系列化型式进行统一管理，用于产品设计；自主开发的产品设计管控系统已经初步建立了设计流程，主要包括项目任务管理、设计管理、产品设计、报表中心等模块，将设计输入、技术审查、总装配套、试验要求、样图绘制、弹簧计算、设计查询及报表编制等设计内容集成到统一的工作平台上，同时将工作流程和岗位要求用程序规范下来，建立开放式可扩展的数字化设计平台，大幅度优化设计环境，设计人员可在系统帮助下完成产品设计；资源管控系统采用了成熟的ERP软件系统，初步部署完成，基本包含了计划管理、采购管理、库存管理、生产数据管理、外库管理、模拟配套等模块。

但是，尚缺少选型系统及管理生产过程的生产管控系统，离散的设计生产系统没有实现设计-生产的数据打通，未形成一个整体数字化系统。所以，要实现产品的小批量、多品种、个性化定制的智能生产，就需要建立一个离散制造业数字化系统，通过ESB数据总线打通各系统之间的数据通道，将选型系统、设计管控系统、资源管控系统和生产管控系统集成为一体，实现基于知识的设计生产一体化。

1 技术研究

本系统与国内一流企业对标，向国内一流汽车行业看齐，学习其正向开发的理念，建设基于知识的设计生产一体化系统，建设安全可控的信息系统，树立自己的信息化系统品牌，实现产品从设计到生产的正向开发流程。

据中国汽车工业协会数据显示，2016年11月，长城哈弗国内SUV车型销量第一，同时也创造了自主品牌乘用车单一车型的月销量最高纪录。对此，业内专家表示，这与长城一贯重视车型正向开发的体系建设密切相关。长城无论是业务流程还是信息化建设，都在围绕这一体系开展。早在2015年，长城汽车就开发了支撑其产品体系的产品数据系统——BOM系统。BOM数据系统是最为基础和核心的产品密码，被称为“车企DNA”，是车企从事正向开发必不可少的因素，其核心作用是向各个业务部门输出当前产品准确定义，使得各个业务部门在整车开发的任何时点，都能准确知道基于什么样的基础进行工作，从而使得各个业务领域能够实现良好的协同合作。

据了解，各个跨国汽车公司都有自己开发且不对外开放的BOM管理平台，如通用汽车的GPDS系统、大众汽车的TI-syncro/ESON系统、日产汽车的G2B系统等。其中，大众汽车应用BOM系统已有50年以上的历史。汽车企业要实现正向开发，按消费者需求定制，首要的条件就是要有自己的超级BOM系统，这将成为所有车企的标配[1]。

设计生产学习优秀车企正向开发的理念，建设基于知识的设计生产一体化系统，以产品BOM为数据链条贯穿整个系统，实现产品的正向开发。基于此要建设基于知识的设计生产一体化系统预计存在以下的技术问题需要研究：

1.1 基于知识的快速集成设计技术

在设计生产过程中对于多品种的产品已经形成了一套成型的系列化数据文件，但是这些数据文件没有形成一个知识库用于快速集成设计。目前制造特点是小批量、多品种和个性化定制，如果没有一套基于知识的快速集成设计系统，产品设计就不能实现系列化快速设计，无法实现各设计模块间的数据流通，导致设计效率缓慢，影响生产效率。

1.2 总成装配工艺流程优化和生产现场管控技术

传统工艺布局造成生产效率低，原产品制造装配采取传统的机群式布局，产品在制造装配过程中要在各区域频繁反复转移，造成物流路径和物流时间较长，按每年2万余台产品的装配量计，仅工人无效走动时间每年将达到1000小时以上。需要进行生产流程分析、工艺流程分析场地布局研究、人员配置模拟、生产效率测算等工作，建设生产管控系统，实现生产车间及装配作业现场的信息化管理，实现对生产现场实时管控，追踪生产任务进度等。

1.3 产品全生命周期数据管理技术

设计生产系统之间处于离散化、独立进行的状态，计划管理、采购管理、设计管理、生产管理、库存管理等模块没有进行数据信息共享，无法做到对产品从销售、设计、生产、库存全生命周期管理，管理层无法调度企业资源，跟踪生产进度、库存情况、工作情况和其他进出车间的操作管理等相关的信息流，影响项目的高效执行。

2 基于知识的设计生产一体化系统总方案设计

全球制造业相继开展了“智能制造”领域的创新和研究工作，设计生产一体化已成为未来制造业的发展趋势。基于知识的设计生产一体化系统集选型系统、设计管控系统、资源管控系统和生产管控系统为一体，通过对计划、采购、设计、生产、库房等管控，以产品BOM为数据链条，实现产品的全生命周期管理，将离散的设计与生产模块进行数字化链接，做到小批量、多品种、个性化定制的智能生产；针对设计生产过程中的人、财、物等资源进行有效管理，实现产品的自动化快速设计及生产资源的合理规划。系统总体架构如图1所示。

图1 系统架构图

目前，设计管控系统及资源管控系统已基本完成搭建，可以实现对设计、资源的单点管控。需建立知识库，完成选型系统及生产管控系统的开发，升级设计管控系统，通过ESB数据总线打通各系统之间的数据通道，将选型系统、设计管控系统、资源管控系统和生产管控系统集成为一体。

2.1 知识库建立

知识库是由规则型数据库和方案累积型数据库组成，如图2所示。规则型数据库是将系列化的全套设计方案进行分析抽象，以数据库型式存储和维护的规则集合，由各系列产品零部件配套关系表、材料库、样图模板选择关系表、配件产品配套关系表、试验参数关系表、工艺路线表等组成。方案累积型数据库是将平台上所有产品设计方案以数据库型式存储下来，这些设计方案都是经过试验论证的成熟方案，可以作为可靠的设计依据。

图2 知识库组成图

2.2 选型系统开发

基于知识库中的产品型号、参数开发产品选型系统，为客户提供了简洁、智能的产品选型方案。依据客户对类型、定径、材料及规格的需求，规则型知识库自动匹配出最符合需求的产品，将最终参数及报价反馈给客户，完成选型；自动生成项目任务单及数据文件，传输至设计管控系统。选型系统流程图如图3所示。

图3 选型系统流程图

客户通过终端访问平台输入定制需求，交互平台会将客户的碎片化需求进行整合，自动完成选型设计工作，向客户展示最终方案。在此过程中，技术支持工程师还可以与客户一起开展协同设计，指导客户完善和细化选型方案[2]。

2.3 设计管控系统升级

设计管控系统升级内容主要为基于知识的快速集成设计和工艺设计，流程图如图4所示。

图4 基于知识的快速集成设计和工艺设计流程图

设计管控系统依据若干规则对设计输入参数进行分析，判断是否符合纯系列化产品特征。纯系列化产品依据规则型知识库自动完成配套表编制、总装试验参数、竣工图绘制、配件配套等设计工作[3]。非纯系列化产品会进入人工设计阶段，此时系统提供两个基于知识库的参考设计手段，第一种是依据规则型知识库提供与产品具有某些共同特征的系列化设计方案，第二种是系统从方案累积型知识库中查找与产品类似的设计方案，设计人员在系统提供的方案基础上开展设计。只有完全非系列化、之前也没有类似工程经验的产品，才进行人工设计。

工艺设计模块从设计输出中获取产品参数，与知识库中的工艺路线表进行参数判断，最终得到每台产品的工艺路线和试验参数，驱动生产管控系统的工序流转。

2.4 生产管控系统开发

生产管控系统的功能模块执行图如图5所示，该系统包括了供应商条码管理、出入库管理、检验管理、工序管理、配套管理、质量管理等模块，通过二维码等工具实时记录、统计、分析实物的位置、状态、数量、时间和使用信息，对产品、材料、设备、人员、工具等进行全生命周期管理，实现实物管理的闭环运行。

图5 生产管控系统功能模块执行图

根据运行流程，明确划分库房、检验、生产、质量等部门的工作内容及职责，在生产过程中，将所有的设备及工位统一联网管理，使设备与设备之间、设备与工位人员紧密关联，在软件内进行严格控制，将操作和查询权限细分到每个岗位，改变以往手工和纸质台帐查询方式导致的规范准确性差，效率低的工作情况，实现收料、发料、生产任务下达、零件配套及质量信息录入、装配及工序检验、出入库、完工单查询等一系列生产管理过程的自动化、信息化管理[4,5]。

2.5 接口集成建设

通过ESB数据总线打通各系统之间的数据通道，将选型系统、设计管控系统、资源管控系统和生产管控系统集成为一体，实现选型、设计、工艺、制造、物料、质量、试验数据的自动归集并提供服务。

基于知识的设计生产一体化系统的数据流向如图6所示。选型系统生成项目任务单和数据文件等，作为设计管控系统的设计依据；设计管控系统生成的工艺路线和试验参数，作为驱动生产管控系统工序流转的基础，生产管控系统生产过程中生成的生产调度时间、不合格品信息回传给设计管控系统，驱动设计修改流程；从设计管控系统导出数据引入资源管控系统内，对数据进行维护；生产管控系统在工序流转中从资源管控系统下载相应的生产任务单、采购订单、零件配套表、库存、领料单等信息，生成原材料领料信息、原材料退料信息、生产任务单完工信息、产品出入库数据等回传给资源管控系统进行统一管理。

图6 系统数据流向图

基于知识的设计生产一体化系统为产品设计生产提供了一个全新的设计工作模式，后续将按照“总体规划、分布实施、逐一见效、持续推进”的工作思路，将信息化系统向销售环节、售后环节延伸，向制造环节、作业现场延伸，持续开展信息化建设，推动航天产品的设计生产一体化进程。

3 预期成果

产品设计生产一体化系统相比以往的手工处理模式，大幅度提高工作效率，缩短产品研制周期，为完成更多的交付任务发挥了积极作用，预期成果主要体现在以下四个方面：一体化：构建销售、设计、工艺、生产、装配的统一管理平台；并行化：产品选型、产品设计、工艺设计、生产装配等角色的并行工作；自主性：自主研发设计生产一体化系统，建立产品知识库，实现知识产权积累和固化；可控性：直观查看准确有效数据，实时掌握设计生产情况，有效整合人员、设备、物料、技术等资源。

建立开放可扩展的数字化管理平台，实现产品设计、生产过程规范化管理，使得单台产品152分钟劳动消耗时间减少为60分钟，一次装配调试合格率从目前的90%提高到95%，产能由20台/天提高到40台/天，劳动效率至少提高一倍；形成产品总装试验工艺规程、产品设计生产一体化管理文件、项目技术总结报告、产品设计生产一体化技术科技论文、专用工艺设备等作为基于知识的设计生产一体化系统推广的经验材料。

4 结语

基于知识的设计生产一体化系统在航天技术应用产业的应用实施，已逐渐固化成了一种以全生命周期管理理念为指导的管理模式，此模式对解决离散型制造业系列化产品全生命周期关键环节的典型问题具有一定的指导价值，特别是针对以小批量、多品种、个性化定制，产品系列化程度高，自动化水平较低的制造型企业具有极大的指导意义和推广价值。

对标优秀车企正向开发的理念，通过ESB数据总线打通各系统之间的数据通道，将选型系统、设计管控系统、资源管控系统和生产管控系统集成为一体，实现基于知识的设计生产一体化建设。

以产品BOM为数据链条贯穿整个系统，实现产品的正向开发，完成对产品从销售、设计、生产、库存全生命周期管理，做到小批量、多品种、个性化定制的智能生产，实现产品的自动化快速设计及生产资源的合理规划。

通过此套系统，可实现产品设计、生产过程规范化管理，使得单台产品劳动消耗时间减少60%，一次装配调试合格率5%，劳动效率至少提高一倍。