脈動式生產在航天器AIT中的應用探索

◎北京衛星環境工程研究所 趙晶晶 張立偉 陳昊

脈動式生產在航天器AIT中的應用探索

◎北京衛星環境工程研究所 趙晶晶 張立偉 陳昊

航天器AIT是指航天器總裝、集成、測試過程，是航天器研制過程中最為重要的環節之一，其實施質量直接影響航天器的可靠性、壽命及性能。多年來，總裝及測試工作主要集中在固定工位實施完成，這種固定式裝配模式對生產資源需求較多，人力資源占用大，自動化程度低，很大程度上制約了人力和設備等多種資源利用率的提高。

“十三五”以來，以導航衛星為代表的航天器批生產型號研制任務陸續進入AIT階段，數量眾多且研制周期緊張，對AIT實施單位計劃制定、生產資源調配以及生產組織管控提出了嚴峻的挑戰，現有的生產模式已難以滿足日益增長的批生產型號AIT生產需求，成為制約航天器研制的主要瓶頸之一，亟待進行變革，以建立適應批生產型號任務的生產方式來提升航天器AIT能力。

一、國內外航天器AIT及生產模式特點

在歐美等主要航天器研制公司中，美國SpaceX公司在航天器研制方面采取扁平式、產品貨架化AIT模式，實現了前后方人員的優化配置和發射任務的快速響應，降低了費用成本，簡化了決策制定和傳遞的流程，有效地實現了產業的快速轉型升級；波音公司CST-100飛船產品采用一體化設計技術和模塊化、流程化的裝配工藝執行模式，節約了大量研制成本，降低了飛船整體質量并加快了艙體的制造速度；歐洲泰勒斯阿萊尼亞公司采用技術島式AIT模式，建立了一系列的“島”來完成航天器AIT的各工序，整個“島”列可以按流水線完成多個航天器的AIT工作，節約了大量研制時間，確保最短時間布置整個星座。

通過對國外航天器AIT生產模式的調研，針對單顆衛星研制的優化，行之有效的辦法是整星的模塊化、星上設備的去型號化、AIT環節的去冗余化以及從設計到制造過程的一體化和團隊的扁平化。針對具有一定批次的衛星研制的優化，其辦法是在單星研制優化的基礎上，建立一批相對固定的、生產要素完整、作業工具專業且先進的生產單元或技術島，讓衛星在總裝過程中各個專業的作業單元之間有序流動起來，由總裝作業單元的需求直接拉動企業的全流程供應鏈。采用移動生產方式的快速化、批量化的衛星AIT是各個航天航空公司所追求的，采用裝配線是世界主流的發展趨勢，也是我國航天器制造技術發展必須經歷的階段。脈動式生產線是連續移動裝配生產線的過渡階段，其典型特征是產品按節拍間歇式移動，在不同工作站位內完成某階段集成裝配工作。

二、脈動式AIT生產線總體框架與技術途徑

1．總體框架

脈動式AIT生產線總體框架主要由以下5個部分組成，分別是以先進制造工具（CAX）、制造執行系統（MES）、資源計劃管理平臺（ERP）為代表的AIT數字化設計平臺、AIT全過程數據管理平臺（PLM）、AIT生產過程數據采集與監控系統、脈動式生產線功能單元以及自動化／智能化的AIT生產裝備，如圖1所示。這5個部分是一個有機整體，形成一個完善的精益化工藝設計、脈動式生產、智能化決策、一體化數據采集的AIT生產線。

按照業務層面劃分，脈動式AIT生產線可以分為生產管理層、生產設計層、生產實施層、數據采集層、支持層。通過物料管理及配送系統、生產管理系統、智能裝備等環節，實現衛星按照一定的脈動節拍進行站位式生產，如圖2所示。

2．生產線技術途徑

一是航天器AIT流程再造。精益化生產設計是AIT集成生產化的前提。在生產設計環節實現精益化，減少型號AIT交叉、冗余環節，建立生產工藝狀態基線，提高衛星批生產的近似度；其次，通過對具體AIT工作內容分析，細分形成若干個離散的總裝生產功能單元，通過總裝標準作業程序(SOP)的制定實現總裝工藝定型，以SOP為技術基礎對各功能單元內部的開工保障條件、輸入文件、過程管理、人員技能、工裝工具等均細化、量化、固化，為逐步實現總裝過程的專業化操作奠定基礎；最后，在生產功能單元重新整合的基礎上進行AIT主線技術流程階段性劃分，在各階段內實現AIT過程相關人員、場地、工裝等生產要素的集成優化整合，同時保持各主要階段內的生產周期均衡，以此作為后續生產線生產單元或工作站位劃分的基礎。此外，將輔線工作從主線流程中剝離，對于輔線生產單元進行專業化整合，形成若干個星下專業化生產支持單元。航天器AIT流程再造的目的是根據型號AIT生產任務、結合脈動式生產線的需求，對型號AIT過程進行流程再設計、優化和平衡，實現型號AIT按設定節拍進行作業。

二是生產管理模式重塑。首先，建立與生產線相適應的組織管理模式，形成以保質、高效完成批生產型號任務為管理目標的管理決策組織，從單型號目標管理轉為進行全型號綜合管理，同時負責批生產任務下AIT隊伍建設、資源統籌、質量計劃管控、技術攻關、經驗總結提煉等管理工作；其次，采用信息化手段實現AIT生產智能管理與決策，通過產品全生命周期PLM、ERP、信息通信系統（PCC）和MES等現代化信息系統對生產線流轉的全要素進行把控，實現準確的數據分析和實時狀態顯示，提升生產管理的資源配置優化、生產管理精細化和智能決策科學化水平；最后，采取與生產線相適應的生產要素管理措施，從“人、機、料、法、環”五大要素入手，形成一系列適用于型號AIT脈動式生產的生產要素管理措施，提高生產資源利用率。

三是集約化生產站位規劃。工作站位是在流程再造的基礎上，將具有相關性的若干個生產單元進行整合，形成針對同一型號目標和操作對象，在同一場地，固定的設施、工裝條件下，由相對固定的人員進行工作的集合。從實際建設角度出發，航天器AIT生產線生產站位應以現有資源為基礎，在保證現有型號任務正常進行的同時，通過合理規劃重新整合現有資源，根據需求進行設備升級，分步開展建設工作。此外，在生產站位規劃時要充分考慮對現有AIT生產資源的重新整合。對于AIT廠房中一些大型試驗設備如力學振動臺、空間模擬器等大型設備資源，站位劃分需要重點圍繞此類大型設備功能為核心進行場地、人員、設備、工裝等要素的配置。

四是生產裝備配置升級。生產裝備配置升級主要包括2個方面。管理層面提高信息化程度，推廣應用以ERP、MES、CAX、PLM為代表的數字化設計和管理系統是進行生產線智能化管理的基礎；在執行層面，配置以AGV、工業機器人、自動貨柜為代表的智能執行裝備，實現自動化物流、智能化轉運、自動化裝配等功能，提高總裝工作的自動化水平，同時構建衛星AIT研制的數據采集平臺，基于生產數據采集框架中的各類采集單元對車間人員、設備、環境和型號產品狀態進行緊密監控。通過有效的數據融合、抽取與分析處理，提煉出供管理指揮層決策所需的各類信息。

三、應用實踐及效能分析

一是脈動式AIT生產線建設實踐。

通過對某批生產型號衛星AIT研制流程進行流程再造，以60天為周期作為限定條件，綜合考慮AIT生產過程中“人、機、料、法、環”等生產要素，將該型號主線AIT流程整合劃分為五大階段。按照主線流程再造后劃分的工作階段對現有場地資源進行重新整合規劃，并將輔線作業單元與總裝庫房重新整合形成資源保障工作站位，共形成6個AIT工作站位，改變了以往一顆衛星固定一個工位的思想，通過對型號AIT過程進行流程再設計、優化和平衡，實現型號按設定節拍在不同的工作站位間進行脈動式流轉。

基于流程再造，并考慮大型試驗設備分布及廠房實際布局情況，將其主要劃分為六大工作站位，見表1。其中力學試驗工作區和熱試驗工作區分別以相關大型試驗設備為核心進行配套，改裝工作實施場地按照就近原則進行合理布局，并將總裝工作中輔線工作進行整合，形成物料庫房工作站，另外還兼顧考慮了AIT廠房的實際分布情況，重新規劃后衛星在廠房內部進行脈動式流轉。

二是脈動式AIT生產管理模式實踐。

某型號脈動式生產線建設過程中，主要通過以下7個方面進行了AIT生產管理模式重塑，改變了單型號的組織管理模式。形成了以AIT經理為核心的組織模式，開展該批生產型號綜合管理；通過PLM、ERP、MES三大系統信息整合，初步實現了生產線內全型號智能管控；建立了嚴格準入制度和現場管理制度，保證生產線穩定運行；采取“固定+流動”的柔性化人員配置策略，形成專業化的型號隊伍；實施“去型號化”物料管理模式，縮短物料準備周期； 以首批型號AIT實施為基礎，開展技術狀態和實施基線定型；實施工裝全型號統一規劃投產，提高設備利用率，通過工藝裝備升級，提高AIT自動化水平。

表1 某型號脈動式生產線場地規劃

三是生產線建設前后AIT生產效能對比。

通過生產線建設規劃及一系列能力提升措施，預計AIT生產效率總體可提升20%。具體效果對比，見表2。

表2 某型號脈動式生產線建設前后效果對比

航天器研制過程中，通過AIT流程再造、生產管理模式重塑、集約化生產站位建設規劃及生產裝備配置升級等具體實施途徑，為脈動式生產線制造方式在批生產航天器AIT生產中進行應用提供了一條可行的探索思路，以達到提升航天器AIT實施質量、提高生產效率、滿足批生產型號研制的任務需求的目的。