智能制造需量體裁衣
——探討軍工智能車間的分類與要素

韓龍寶 宋大曉 趙雄飛

進(jìn)入21世紀(jì)，全球科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革呈現(xiàn)新的發(fā)展態(tài)勢和特征。以信息技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)為代表的技術(shù)創(chuàng)新，帶動工業(yè)領(lǐng)域向智能化、綠色化、服務(wù)化方向發(fā)展。作為傳統(tǒng)制造業(yè)強國，德國于2011年提出了“工業(yè)4.0”概念，并將其上升為國家戰(zhàn)略。2012年，美國出臺了“先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，強調(diào)建設(shè)智能制造技術(shù)平臺，引領(lǐng)“再工業(yè)化”。2015年，我國發(fā)布《中國制造2025》，明確提出“著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過程智能化培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”。隨后推動實施了百余家智能制造試點示范項目，探索形成了有效、可復(fù)制的經(jīng)驗和模式。

國內(nèi)外智能制造的實踐經(jīng)驗

近年來，在新一輪的工業(yè)革命與智能制造的背景下，國內(nèi)外涌現(xiàn)了一批智能制造先進(jìn)實踐案例，對國防科技工業(yè)具有一定的借鑒意義。

離散制造行業(yè)的智能制造。三一重工集團(tuán)針對產(chǎn)品多品種、小批量的特點，圍繞客戶對產(chǎn)品個性化定制日益強烈的需求，以工程機械產(chǎn)品為樣板，通過建設(shè)自動化的制造設(shè)備、數(shù)字化的研發(fā)與運營管理、敏捷化的物流配送和基于物聯(lián)網(wǎng)的車間網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了混流生產(chǎn)與個性化產(chǎn)品制造的生產(chǎn)模式。制造過程數(shù)控化率達(dá)到91%，生產(chǎn)效率提高了35%，產(chǎn)品研制周期縮短了52%。

新技術(shù)推動導(dǎo)彈生產(chǎn)線智能化改造。為構(gòu)建導(dǎo)彈制造“小批量、多品種、高精度”的智能制造體系，美國雷神公司從導(dǎo)彈研制虛擬化設(shè)計、機器人標(biāo)準(zhǔn)化裝配、增材制造技術(shù)、自動化物流運輸、信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理等方面大量引入新思路和新技術(shù)，建設(shè)了導(dǎo)彈自動裝配機器人生產(chǎn)線，有效提升了裝配過程的精確性、靈活性以及生產(chǎn)效率。

工業(yè)4.0的雛形。西門子公司安貝格電子制造工廠是最接近工業(yè)4.0概念的數(shù)字化工廠。工廠貫徹精益制造理念，逐步通過全集成自動化以及數(shù)字化研發(fā)與制造系統(tǒng)建設(shè)，打通縱向與端到端的集成，以實現(xiàn)全流程高效的數(shù)字化、自動化運行。

總之，智能制造在不同行業(yè)具有各自的發(fā)展方向和特點。與其他行業(yè)領(lǐng)域相比，國防科技工業(yè)涵蓋了核工業(yè)、航空、航天、兵器、船舶、電子等主要行業(yè)，具有多品種、小批量、長周期、變狀態(tài)、高質(zhì)量、強安全復(fù)雜產(chǎn)品集成制造的特點，需要在設(shè)計制造兩元體制、配套層級多、產(chǎn)品加工制造過程復(fù)雜等多約束條件下，統(tǒng)籌土地、設(shè)備、工藝、人員、產(chǎn)品等生產(chǎn)要素，將自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)融合應(yīng)用，尋求質(zhì)量與效率最優(yōu)，探索內(nèi)涵式發(fā)展的道路。因此，研究軍工智能車間分類和構(gòu)成要素，探索具有軍工特色的智能制造發(fā)展路線具有重要意義。

軍工智能車間的概念和主要特征

車間是企業(yè)在生產(chǎn)過程中完成一組工序或單獨生產(chǎn)一種產(chǎn)品的單位，車間內(nèi)的活動具有典型的工藝專業(yè)相關(guān)性。智能車間是智能制造的子集，是以生產(chǎn)車間為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為特征，利用物聯(lián)傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)、人工智能技術(shù)等，推動生產(chǎn)系統(tǒng)向信息深度自感知、智能優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行方向優(yōu)化，從而推動生產(chǎn)模式向精益化內(nèi)涵式發(fā)展轉(zhuǎn)變，最終實現(xiàn)縮短生產(chǎn)制造周期、降低運營成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源能源消耗、保障安全生產(chǎn)等目標(biāo)。

與傳統(tǒng)制造車間相比，智能車間具有諸多典型特征：自動化——實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的物流、生產(chǎn)、檢測自動化和無人化；數(shù)字化——制造信息轉(zhuǎn)化為可度量的數(shù)字、數(shù)據(jù)和模型，包括產(chǎn)品的數(shù)字化模型、工藝流程模型、工廠運行模型、環(huán)境模型等；網(wǎng)絡(luò)化——制造信息系統(tǒng)、制造設(shè)備、傳感器等之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的無縫集成；智能化——以效率和質(zhì)量為目標(biāo)，將車間制造相關(guān)工藝、設(shè)備、物流、計劃、執(zhí)行等多業(yè)務(wù)集成，利用智能算法、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新一代信息技術(shù)，進(jìn)而解決制造系統(tǒng)中各種極其復(fù)雜的優(yōu)化決策問題，如生產(chǎn)過程的調(diào)度、設(shè)備預(yù)測性維護(hù)、生產(chǎn)經(jīng)營決策等。

智能車間分類與要素建議

借鑒國內(nèi)外智能制造的相關(guān)經(jīng)驗，結(jié)合國防科技工業(yè)裝備產(chǎn)品的制造工藝特點，總體上分為流程行業(yè)和離散制造行業(yè)。軍工智能車間可具體劃分為4大類、15小類（表1）。一是化工類：化工類是典型的流程行業(yè)分類，按照國防科技工業(yè)的典型化工產(chǎn)品細(xì)化為火工品、復(fù)合材料、核化工3個智能車間小類，典型產(chǎn)品如火工品、碳纖維、核燃料元件等；二是結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工類：結(jié)構(gòu)產(chǎn)品加工屬于離散制造行業(yè)機械加工類，按照產(chǎn)品加工典型工藝過程，可細(xì)分為切削加工、成型加工、焊接加工、熱表工藝、復(fù)合材料成型5種智能車間小類，典型產(chǎn)品如殼體、箱體等；三是結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝配類：結(jié)構(gòu)產(chǎn)品裝配屬于離散制造行業(yè)，按照裝配產(chǎn)品的尺寸、種類、批量、裝配工藝性進(jìn)行細(xì)分，包括定位裝配、柔性脈動裝配、節(jié)拍裝配和流水線裝配4類不同的裝配智能車間模式；四是電子產(chǎn)品制造類：按照軍工電子產(chǎn)品的制造層級，可分為芯片制造、微組裝、電子裝聯(lián)3個智能車間小類，如芯片、微傳感器、印制板等。

為便于各類單位判斷智能制造實現(xiàn)程度，圍繞各類型軍工智能車間的典型特征，可將其發(fā)展階段劃分為基礎(chǔ)階段和高級階段。基礎(chǔ)階段——企業(yè)關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)引入自動化生產(chǎn)設(shè)備，初步形成自動化生產(chǎn)體系；完成生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)采集聯(lián)網(wǎng)；建設(shè)制造數(shù)字化信息系統(tǒng)；開始對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步應(yīng)用。高級階段——企業(yè)以適度的自動化為基礎(chǔ)，拓展數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)制造全過程的信息深度自感知、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行、智能優(yōu)化自決策。

表1 軍工智能車間的分類、工藝特征與典型產(chǎn)品

從智能車間的分類、典型特征和發(fā)展階段三個維度，可以提出軍工智能車間的主要構(gòu)成要素（表2）。

軍工智能車間建設(shè)的啟示

智能制造既是技術(shù)，又是系統(tǒng)，也是模式，不同的人和企業(yè)對軍工智能車間的理解和關(guān)注點都存在差異。智能車間的目標(biāo)是實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量的制造，無論是信息化、自動化或智能化技術(shù)的應(yīng)用，都應(yīng)該服從這些目標(biāo)。企業(yè)在規(guī)劃建設(shè)智能車間時，必須符合行業(yè)實際并結(jié)合自身的發(fā)展階段，找準(zhǔn)建設(shè)目標(biāo)和方向，量體裁衣，合理規(guī)劃，分階段推進(jìn)。企業(yè)在開展智能車間建設(shè)和應(yīng)用中，生產(chǎn)模式是靈魂、工藝優(yōu)化是前提、系統(tǒng)集成是核心、智能裝備是基礎(chǔ)、信息系統(tǒng)是手段、信息安全是保證。

在軍工智能車間規(guī)劃建設(shè)過程中，還應(yīng)注意：一是企業(yè)在開展智能車間規(guī)劃時，要把效率和質(zhì)量目標(biāo)與生產(chǎn)制造模式變革和工藝優(yōu)化有機結(jié)合，通過模式變革和工藝優(yōu)化支撐目標(biāo)的實現(xiàn)。二是在智能車間項目的實施過程中，要將工藝、設(shè)備、物流、計劃、執(zhí)行等多項業(yè)務(wù)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和控制系統(tǒng)集成，實現(xiàn)效率和質(zhì)量目標(biāo)的落地。三是軍工智能制造對保密和安全提出了嚴(yán)格的要求，需要妥善解決智能車間建設(shè)中的保密和安全問題，如在工控網(wǎng)與國密網(wǎng)之間制造數(shù)據(jù)的交互問題、智能裝備的防爆問題等。四是智能車間建設(shè)要落實企業(yè)的主體責(zé)任，政府更好發(fā)揮引導(dǎo)作用。由于智能車間的建設(shè)關(guān)系到企業(yè)變革、生產(chǎn)與管理流程優(yōu)化、資源配置方式等多種因素，企業(yè)要主動作為、提高認(rèn)識、加強組織領(lǐng)導(dǎo)和投入。

表2 軍工智能車間的主要構(gòu)成要素