基于新一代信息技術引領下的航天器智能制造模式研究

劉軍虎、鄒廣寶、侯穎輝、馬坤 /航天科工空間工程發展有限公司

工業領域當前正在發生一場重大變革，如美國等國家相繼出臺了“再工業化”戰略，中國制定了“中國制造2025”戰略計劃，這場變革將從根本上改變傳統的制造業發展模式，重塑制造業體系和行業邊界。因此，在這一過程中，需要通過新一代人工智能技術的應用，引領信息技術和數字化生態系統在智能制造模式中不斷創新。

隨著航天事業的快速發展，尤其是航天產品的批量化、集成化、智能化要求以及復雜度越來越高，使得研發模式已從單件定制和試驗性生產模式逐步轉變為批量化生產模式，傳統的生產模式和制造能力逐漸難以適應新形勢的要求。為此，基于新的互聯網技術和新一代人工智能技術下的航天研制模式應運而生。其是在發揮現有基礎條件上，優化總體設計，合理利用數字化仿真手段及柔性生產技術，通過打通全生命周期產品線到大數據網絡的鏈路，構建數據驅動、自主創新、跨界融合為導向的云制造生態體系，以及多方面集成的社會化協作云制造模式，進而形成航天制造產業的新業態。

一、信息技術與數字化在航天科研生產體系的應用現狀

當前，各國政府不斷在軍事能力建設和軍工企業發展方面提出新戰略，通過深入整合新一代的互聯網技術、智能制造技術、通信技術和專業技術，以軍事核心能力建設為中心確立發展概念，促進科研生產模式不斷變革與升級，不斷深化探索信息技術對智能制造與研發模式創新的驅動力。

1.國外應用情況

以美國波音公司為例，其基于模型數字化應用系統構建了從訂貨、研發、生產到交付的基于單一數據源和統一數字模型的數字生態系統。公司采用新一代互聯網技術，建立了基于模型的生產平臺，并重新塑造全球協同管理模式，從而促進波音飛機的全球銷售。

太空探索技術公司通過模塊化、信息化和集成技術，整合成熟的專業技術和設備，實現了火箭部件標準化和數字化生產，轉變了火箭部件生產模式，使得生產效率、可靠性大幅提高，發射成本降低。

2.國內發展現狀

近年來，中國的航天裝備制造發展充分利用數字化、網絡化、智能化手段，創新研制迭代方式與科研生產管理模式，建立了以模型、數據和流程驅動的具有航天特色的科研生產體系，實現了精益化設計研發、智能化生產制造、智慧化維修保障、精細化質量控制，以持續提升質量效益。同時，針對航天復雜產品制造所面臨的大協作配套，多學科、跨專業多輪迭代，多品種、小批量，變批量柔性生產等重大現實問題與需求，建立了基于云制造的新型航天科研生產模式，并通過工業要素和高質量資源的高效集成和共享，形成了以資源虛擬化和能力服務為特征的云制造模式，支撐了航天產業的轉型升級。

二、信息技術應用在智能制造模式及研發模式轉型升級過程中遇到的問題

1.數字化企業頂層設計的體系化、全面性、關聯性有待提升

企業信息化是復雜的系統工程，與業務體系、標準體系等有著密切的關聯，所以對于企業信息化、數字化的建設，以及頂層設計極為重要。

當前，信息技術貫穿企業戰略發展全過程，并能牽引企業商業模式轉型、業務流程再造及數字化轉型升級。在規劃和建設過程中，信息化系統涉及多領域學科、多層次、多角度、全流程的系統集成，所以具有適應性和動態性的信息化頂層設計至關重要。而在企業數字化建設過程中，也需要利用信息化系統手段對業務進行全方位的診斷、優化、再造，同時對相應的標準、流程開展系統化構建。

2.數據、業務和信息需進行一體化融合管控

數據孤島、業務獨立、信息流斷層，是企業信息化建設過程中亟待解決的重要問題。對于航天企業而言，開展系統工程與信息化的融合實施，應考慮將數據、流程和信息緊密結合起來，以便對現有的應用系統進行優化改造。

3.數字化、網絡化、智能化建設引發的業務與設計優化的挑戰

在航天企業系統工程相關產品的設計、生產、裝配過程中，必須要確保產品狀態清晰、工藝設計正確、生產操作實施結果可執行且與功能設計一致，所以由此帶來了新的挑戰：一是設計和工藝的優化，要實現可制造性的設計；二是實現基于統一數字模型的虛體與實體相結合的虛擬驗證，包括產品防差錯性、標準化程度、工藝成熟度、接口協調性、容錯性及冗余程度、可檢測性、可維修性等。

4.精益與信息技術深化應用帶來組織架構變革的機遇

組織變革一方面是領導思維模式的轉變，另一方面是以數字化技術為牽引，實現企業全業務流程的優化、再造，所以伴隨而來的是適應精益化管理和數字化企業轉型過程中的人員分工的調整和組織的變革，涉及各部門、組織機構與部分人員等。但這是企業轉型升級、戰略規劃、經營管理等正向發展的必經過程，有難度也有挑戰。

三、信息技術和數字化生態系統在智能制造模式創新過程中的舉措

1.構建數字化企業頂層設計體系

新一代人工智能技術引領了新一代互聯網技術、智能制造技術、通信技術和專業技術的深入融合，并建立硬、軟資源及能力的云池，以使價值鏈上的人和組織能通過智能終端獲取產品、資源和服務。航天企業數字化系統體系架構（見圖1）由企業混合云平臺與企業應用層共同構成，通過信息化、設計仿真與試驗驗證、總裝集成測試（AIT）以及運控服務及支撐保障等4 個能力建設，面向多品種、變批量的產品生產模式，并充分應用數字化、云化、智能化、網絡化的手段和技術，構建適應商業航天（小衛星）的數據與流程驅動的科研生產體系。航天企業的數字化建設框架對標智能制造系統架構，包括產品資源服務層、感知接入層、邊緣處理層和云應用層。

圖1 航天企業數字化系統體系構成

在產品資源服務層，基于硬、軟資源及能力的云池，推動精益制造、快速制造、柔性制造等生產模式的形成。在感知接入層，實現生產過程中信息的自動收集、分析和優化決策，以提高質量一致性和生產效率。在邊緣處理層，建立基于大數據收集、聚集和分析的服務體系；利用邊緣計算設備實現底層數據匯聚處理，以及數據向云端的集成。在云應用層，構建數據采集互聯體系，不斷優化產品全生命周期的資源配置效率，以形成裝備制造業新生態。

2.數據、業務、信息流基于統一平臺的數字化企業集成

新一代人工智能技術、通信技術和專業技術的深度融合，帶來了三大創新的集成模式，分別是縱向集成、端到端集成和橫向集成。縱向集成發生在生產試驗車間，重點解決企業內部的信息化孤島以及信息化系統（IT）與物理設備（OT）之間的聯通；端到端集成涉及產品全生命周期中相關業務環節的相關單位；橫向集成是跨越產業鏈，涉及所有與產品相關的橫向合作及配套單位。

（1）縱向集成

縱向集成主要包括IT 系統集成、OT 系統集成以及IT 與OT 互聯3 個層次的集成，即企業內部信息化系統之間的集成，各種生產制造、測試和物流設備網絡化互聯，車間人、機、料、法、環的信息集成，以及IT系統與現場設備之間的深度集成，如圖2所示。

（2）端到端集成

端到端集成主要包括產品需求與產品實現、產品設計與工藝規劃、產品仿真與試驗驗證、質量規劃與生產實踐4 個方面的集成。具體實現將重點落實到設計仿真與試驗驗證條件以及總裝集成能力的建設過程中，并以產品全生命周期管理系統(PLM)為核心平臺，向前端對接用戶需求和產品總體技術指標，中端重點管理產品一體化設計信息和多專業、多學科仿真數據及過程，后端銜接工藝規劃，測試試驗規劃和運行維護規劃的數據與過程，并集成生產現場反饋的實物生產數據，進而形成完整的產品質量數據包。面向全生命周期的端到端集成如圖3 所示。

圖2 基于單一數據源的縱向集成

（3）橫向集成

橫向集成的具體實現將重點落實在信息化條件建設過程中，以企業為中心，覆蓋周圍3000 米，以建立連接用戶—供應商的價值鏈生態圈。基于云平臺實現進、銷、存、生產、交付等環節的協同，構建“智慧企業+智能供應鏈”的橫向集成，如圖4 所示。

通過以上三大集成模式的創新實踐，可使產品的使用方與生產制造企業之間實現信息暢通和透明化，為產業的生產制造、商業模式、服務體系等各個節點帶來史無前例的變革，進而使產業生態向高效率、低成本重建。

3.基于數字生態系統的智能制造新模式

數字生態系統是通過同一個數字平臺上相互關聯的參與者實現互惠互利。數字化的實現可以加快傳統價值鏈的解體，帶來更強大、更靈活、更具有彈性的價值傳遞網，進而在持續轉型的過程中創造出更好的新產品和服務。航天企業智能制造的實現手段主要有以下幾個方面。

一是智能化制造。構建具備產品自動化、柔性化總裝集成測試能力的網絡化柔性智能生產線，并基于CPS 系統的IT 與OT 集成，實現總裝集成測試全過程自感知。構建訂單驅動生產模式，搭建圍繞產品生產過程中的人、機、料、法、環全維度的數據采集與控制系統，實現智能化物流、倉儲、備料、配送一體化，以及全過程質量數據采集和全生命周期追溯。

二是柔性化制造。構建智能生產線支持信息化系統與自動化生產線集成模式下的快速環線作業，通過信息系統與生產線自動化控制、標識解析、轉接工裝等條件的集成，旨在支持不同型號批生產產品的混線生產，以及支持科研產品批生產的混線生產。通過充分應用虛擬裝配、虛擬仿真技術，來保證多品種混線生產的工藝、設備、人員、物流等節拍均衡，進而實現柔性制造。

圖3 面向全生命周期的端到端集成

圖4 貫穿生態圈的橫向集成

三是虛體與實體結合的數字化企業集成。以業務為驅動，通過信息系統內部資源的共享、集成，實現基于統一平臺、單一數據源及關聯模型數據的產品全過程數據流、業務流、價值流的集成。

四是協同制造。基于企業信息化統一平臺及企業間異構系統集成技術，重點圍繞研發設計、工藝設計、試驗驗證、測試等業務領域實施協同制造。

五是云制造。基于工業互聯網平臺及云制造支持系統，實現數據驅動的柔性生產與企業資源的優化配置，以及智慧生產。

4.基于信息化敏捷架構的組織架構變革

信息化的實施過程中將牽引整個組織架構的權利變革，通過讓企業IT 團隊與業務部門形成協作與聯動，以支持數字化業務和數字化商業模式創新的演進與開展。企業的IT 與業務部門可開展同層辦公，以實現需求對齊和內部創新，同時進行動態預算，并引入敏捷與連續交付工具。企業對自身的全面考量，也是企業信息化深化應用不可忽視的關鍵舉措。

圖5 云供應鏈管理系統結構

四、創新驅動的新技術在航天企業制造與研發體系的應用構想

以創新為驅動，航天企業在數據分析、供應鏈創新、服務總線等方面應用自適應機器學習、邊緣人工智能、邊緣分析、可解釋的人工智能、遷移學習等技術進行專業技術融合升級。

1.基于微服務架構的企業總線與數據倉庫技術

基于微服務架構的分布式企業服務總線技術研究，是通過微服務架構實現企業業務組件化和服務化。在業務域覆蓋方面，可實現面向航天器復雜產品的研發、生產、交付、在軌運營等業務全過程的集成；在集約化管理方面，可提高信息利用率，并支撐企業知識共享，形成資源庫、知識庫；在技術組成方面，可基于企業總線及微服務架構的統一數據管理、應用管理平臺，實現數據的跨業務貫通。

2.多源數據應用與分析

對企業機構而言，數據分析與管理已成為業務戰略的重要驅動力。通過集中式、分布式、隨機式數據治理并存的方式可對元數據、動態元數據等進行分析應用。

元數據是未來數據管理的關鍵。人工智能可以幫助企業機構增強數據管理，使用人工智能等技術架構，能夠使企業機構充分發揮新興數字生態系統的優勢。動態元數據可創造“自我驅動型”的數據管理，其通過云平臺的數據源接入、存儲、分析引擎、算法庫、算法建模工具、上行接口等功能，并利用企業機構需追蹤的技術，實現高級人工智能和分析，進而逐步發揮動態元數據的中間凝合力作用。

3.供應鏈的創新應用

建立連接用戶—供應商的價值鏈生態圈，并從科研、產品、應用服務、資本、建設等6 個維度對航天企業產業鏈進行規劃。云供應鏈管理系統結構如圖5所示。

當前，航天企業急需著重開發新產品和業務模式，通過供應鏈即服務架構（SCaaSA）進行部署和集成。在SCaaSA 中，所有供應鏈活動都與獨立于組織架構或資產所有權的模塊化服務組合相關聯，實現從實物產品擴展到服務、應用訂閱服務、增加新的渠道、建立數字化平臺業務等領域的創新機會。