國防科研生產領域智能制造推進的方法策略研究

曾龍飛 熊曦耀 巢昺軒

摘要：本文主要介紹了我國國防科研生產領域智能制造的基本現狀、取得的成效及所面臨的主要問題，結合航空工業昌飛公司推進智能制造的成果與經驗，研究提出了國防科研生產領域推進智能制造的方法策略與措施建議，為我國國防科研生產領域智能制造發展提供指導，助推國防先進武器裝備的升級換代。

關鍵詞：國防科研生產；智能制造；直升機旋翼系統；智能化車間

中圖分類號：V262文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2021.01.016

國防科研生產領域是國家先進制造業的重要組成部分，是國家安全的保障和國防建設的支柱，也是引領國家技術創新的主戰場。經過60多年的發展，我國國防科研生產能力有了長足的進步，但仍難完全滿足國防裝備體系建設的需要，與世界先進水平相比還有一定差距，武器裝備研制的快速反應能力尚未形成，質量不穩定，生產效率偏低、制造成本攀升等問題突出[1]。

智能制造能作為先進制造重要發展方向，能有解決當前國防科研生產領域面臨的問題。因此，有必要針對國內智能制造推進的現狀進行梳理，深入剖析國防科研生產領域智能制造推行的成功案例，研究國防科研生產領域推進智能制造的策略方法。以加速推進國內國防科研生產領域智能制造，促進國防武器裝備大批量列裝及新國防武器裝備的研制。

1現狀與成效

為加快我國軍隊現代化建設，我國國防科研工業領域在智能制造發展方面進行了諸多的探索與實踐。經過長期的探索實踐、持續投資與產業積累，我國國防科研生產主要行業領域已經具備了一定的數字化、信息化、網絡化的條件與基礎，并在工程實踐中取得了較好的實施效果。在航空、航天等部分軍工高技術行業與領域，已經廣泛采用智能制造的科研生產方式，建立了智能制造的設計與生產車間，并采用基于仿真與模型的設計、研制、試驗、生產模式，并在重大裝備研制中得以應用，如大運、殲20、新一代運載火箭等。沒有智能制造，上述大型復雜裝備就很難得以順利研制和批量生產。以直升機航空旋翼系統為例，航空工業昌飛公司通過深入推進智能制造，某型旋翼系統的研制周期縮短40%以上，生產效率提升一倍以上，生產成本下降近20%，并通過智能化生產管控數據積累分析，實現設計、研制、生產的自主完善與持續改進[2]。

2面臨的問題

雖然國防科研生產領域部分單位已經在生產線/生產車間等方面開展了驗證及實施，但不同行業的技術和能力發展不均衡，與國外先進水平相比，在技術及能力方面都存在著較大差距，我國國防科研生產領域智能制造推進面臨的問題見表1。

3方法策略

國防科研生產領域企業推進智能制造的目的是促進質量、效率、效益和服務的最大化，需逐步構建智能制造體系并推進運行。

3.1智能制造構建的思路方法

作為國防科研生產領域的企業，針對構建智能制造過程中遇到的各類困難，應充分認識到其中的深層次原因，制定智能制造構建方法，主要從以下三方面開展工作：（1）實現信息流與實物流的互聯互通：保證物理世界與虛擬世界的信息交互，在不需要人工操作的情況下實現互聯互通；（2）創造價值流程的智能化升級（生產過程智能化）：通過人、機、料、法、環這些生產要素從人工到數字化到智能化的升級改造，實現創造價值的智能化升級；（3）持續改善流程的智能化升級（持續改善智能化）：人、機、料、法、環這些生產要素進行智能化升級是智能制造的基礎，但實現價值最大化的核心是持續改善，針對持續改善的PDCA運行過程實現智能化升級。

（1）實現信息流與實物流的互聯互通

企業的智能制造生產系統由物理世界和虛擬世界組成，物理世界包括生產系統中的人、自動化模塊、物料等物理工具和設施；虛擬空間包括網絡、模型和相關數字化研制平臺。企業構建智能制造的方法就是保證物理世界與虛擬世界的信息交互，讓兩者在不需要人工操作的情況下實現聯通（Cyber技術），構成閉環系統，如圖1所示。

（2）創造價值與持續改善流程的智能化升級

實現價值最大化的核心要靠持續改善，即通過對企業科研生產中的大數據進行統計分析，發現并提出其中存在的問題或差距，逐一優化解決，如圖2所示。

（3）持續改善流程的智能化升級

企業貫通物理世界與虛擬世界信息的過程中，首先要對人、機、料、法、環等生產要素進行智能化升級，實現從人工到數字化到智能化的升級改造，實現創造價值流程的智能化，如圖3所示。企業持續改善的流程也需要推進智能化，改善的過程也是從人工到數字化到智能化不斷發展的，即分析與控制過程、持續改善過程的智能化升級（見表2）。

3.2智能制造構建內容

3.2.1構建點線面體的四層架構

根據需求，打通產品研制生產設計、制造、試驗和管理智能處理，落實虛擬信息系統與現實物理制造系統深度融合。根據智能制造4個層級的特征，制定詳細的由點到線再到面和體的智能制造推進實施路線，選取瓶頸車間和關鍵產品入手，構建智能車間，再進行推廣，逐步打造智能工廠，進而實現企業智能聯盟，最終形成“點—線—面—體”4層逐級的智能制造構架體系，如圖4所示。

3.2.2形成生產運行的系統工程

在數字化、信息化、網絡化、自動化的基礎上，以賽博物理系統為支撐，以人、機（智能制造裝備）和資源等為核心，深度融合人工智能技術與企業生產運行管理，站在系統工程的高度，形成高度自動化、柔性化和智能化的新型制造模式。

緊密圍繞“動態感知、實時分析、自主決策、精準執行”的智能制造技術特征與運行邏輯，將數字化、信息化、智能化手段深入企業管理、車間運作、物流配送、質量管控、售后維護等各個環節中，最終形成一個高度集中、復雜有序的組織體或系統工程，如圖5所示。

3.2.3突破智能制造關鍵技術

針對面向智能制造重點方向的關鍵技術，以工程需求為牽引，通過基礎科研、裝備專項、軍民融合、示范工程等多項形式，產學研緊密結合，充分開展聯合研究與工程應用，如圖6所示，重點解決以下關鍵技術。

（1）模型驅動的設計/制造/驗證/服務技術，建立系統生命周期模型傳遞、復用的全虛擬化環境，形成基于模型的企業技術框架，實現基于模型的產品設計、分析應用、工藝準備、作業指導、制造執行和檢驗檢測等。

（2）賽博物理生產系統技術，基于物理和賽博空間的互聯互通，通過對數據、信息、知識逐步優化形成制造智能，建立自學習、自適應、自評價和自優化的生產系統。

（3）基于知識工程的自進化技術，建立對產品研制、設計、驗證、制造、檢驗、使用的典型知識數據的系統管理，實現對知識的積累、檢索、挖掘和使用，同時通過前沿技術專項研究和持續運行實現新知識的不斷積累和自進化。

（4）智能裝備及生產線集成技術，重點需突破感知與智能識別、工業控制、工業機器人、智能倉儲物流等技術的研究與應用，實現數字化智能裝備的國產化應用。

3.2.4推進智能升級具體措施

企業在推進智能制造的過程中，要做好整體規劃，制定由點到線再到面和體的智能制造推進的分步實施路線。推進過程中，企業首先應分析自身發展所處階段情況，根據所處的不同階段情況采取對應的解決措施，如圖7所示。

4實施案例

航空工業昌飛公司以直升機核心部件——“旋翼系統”作為對象，全面開展智能制造的研究和建設，建成了由多條專業化生產線、裝配線，數字化庫房和智能物流、制造執行智能管控系統組成的直升機旋翼系統制造智能車間。其中，專業化生產線又包括單件流生產線，單向流生產線和柔性制造單元；近百臺套數控設備；多條裝配生產線為脈動式生產線，按節拍站位推進。生產線上設置了裝配用的部分自動化專機；數字化庫房分別為毛坯庫、刀具庫、零件庫；智能物流系統貫穿車間的全生產過程，車間組成如圖8所示。

（1）車間生產組織智能管控系統

建設了一個包括“計劃排產、生產準備、材料配送、刀具配送、生產執行、現場調度、入庫出庫、統計報表”等生產過程各個環節的生產管控系統，以實現對生產各環節進行感知、分析、決策、執行，促進車間資源優化配置，保障生產高效進行，如圖9所示。

（2）車間智能物流系統

智能物流系統將物流流轉和制造工序無縫集成，通過對物流線、立體庫、毛坯庫、刀具庫各系統的集成開發，使物聯設備互聯互通，同時對物聯設備進行實時監控和邏輯控制，使物流線上所有設備按照工藝和作業流程協調運行，實現智能配送和智能流轉，如圖10所示。

（3）車間智能生產線

智能生產線具有任務自動接收、指令及程序自動推送、物流自動配送與周轉、自適應數控加工、在線檢測在機補償、設備監控智能調度等功能，如圖11所示。

（4）車間智能質檢管控

以數控機床、三坐標測量機、數字化量具檢測為終端基礎，建立生產過程數字化集成檢測與質量管控系統，實現了基于模型的三維檢驗規劃編制、與制造過程融合的檢測執行、數據采集以及關鍵質量特性的過程管控，打通了MBD環境下復雜機加零件制造過程數字化集成檢測與質量管控的技術通道，通過旋翼系統生產線運行，實現在線“加工-檢測-反饋-響應”的時時動態管控，如圖12所示。

車間基本具備了自適應加工、物料與工件自動識別、機器人裝卸與自動對接裝配、制造過程主動調度、運行管理與現場控制集成等典型功能。形成了以“狀態感知、實時分析、自主決策和精準執行”為特征，以數據驅動、交互識別、自主決策為核心的智能制造系統。實現了生產資源的優化配置、提高了產品質量與生產效率，降低了生產成本。實現直升機旋翼系統槳轂制造周期縮短40%以上，產品不良率由15%降低至8%以下，制造過程投入人力資源減少20%以上。

5措施建議

針對國防科研生產領域智能制造發展與應用中的主要問題，應堅定以國防科研生產作為推進重點，全面帶動其他行業領域智能制造發展。

（1）加強國防科研生產領域推進智能制造的頂層設計，出臺相應的戰略規劃與標準規范。目前按照《中國制造2025》的有關安排，已經選取了部分軍工行業領域進行了智能制造的試點示范，建議盡快總結相關試點示范經驗，進一步調研摸清國防科研生產領域推進智能制造的現狀、底數、問題，在此基礎上，盡快開展國防科研生產領域推進智能制造的發展戰略研究論證工作，及時出臺相關的頂層戰略規劃文件，并加強相關標準規范的研究制定。

（2）加速推進智能制造領域的自主研發與進口替代工程，確保自主可控與裝備安全。開展摸底排查，系統查找國防科研生產領域智能制造的薄弱環節及進口依賴情況，針對薄弱環節及關鍵問題，重點在工控網絡建設、高端裝備研制、工業軟件系統開發、軟硬件系統集成及智能制造關鍵技術研究與應用等方面給予相應的政策引導和支持，構建國防科技工業智能化的關鍵技術體系，加速推進智能制造領域的裝備技術自主研發與進口替代，形成面向軍工產品制造全壽命周期自主可控的工業化網絡、功能軟件系統、整套硬件和相關設備，減少對國外的依賴，保障自主可控與裝備安全。

（3）構建適應智能制造的保密防護體系。在提升國防科技工業智能制造的同時，必須解決新技術使用帶來的安全保密風險，始終將安全保密防護體系作為智能制造建設的重要內容和前提。工信部聯合國家保密局等部門，通過進一步完善包括標準規范、安全保密、人才培養等在內的安全保障機制，制定涉及的云計算、物聯網、無線傳輸、衛星定位、數據中心等相關技術的安全保密標準，制定高層次的工業控制系統安全策略和實踐規范，構建和完善適應智能制造的基礎信息安全體系，從而在大幅度提升信息化程度的同時，確保信息安全與保密。

6結束語

智能制造對世界制造業的發展具有深遠影響，影響著生產方式、生活方式、思維方式以及就業方式等，智能制造的啟幕和發展對我國航空造業發展戰略的制定與實現也具有重要啟示，是國防科研生產領域落實創新驅動發展、實現工業轉型升級的關鍵舉措，因此要抓住機遇，成為智能制造應用的先鋒隊和排頭兵。同時，應該清晰地認識到，需求牽引、問題導向、強化基礎是企業健康發展的重要前提，在落實軍工制造企業智能制造體系構建的過程中，應將企業的實際需求放在第一位，在通過信息化、數字化、智能化促進企業轉型升級的過程中，總體設計、綜合考慮、分布實施、試點示范，形成成功實踐的推廣案例和方法策略，促進軍工制造業并聯式發展。

參考文獻

[1]周濟.智能制造：“中國制造2025”的主攻方向[J].中國機械工程，2015，26（17）：2273-2284. Zhou Ji. Main Direction of "Made in China 2025"[J]. China Mechanical Engineering，2015（17）：2273-2284.（in Chinese）

[2]李曉紅，高彬彬，祁萌，等.智能制造技術發展及國外國防領域研究應用現狀[J].國防制造技術，2015（4）：9-12 Li Xiaohong，Gao Binbin，Qi Meng，et al. Development of intelligentmanufacturingtechnologyandresearchand applicationstatusofforeigndefensefield[J].Defense Manufacturing Technology，2015（4）：9-12.（in Chinese）

（責任編輯余培紅）

作者簡介

曾龍飛（1986-）男，碩士研究生，高級工程師。主要研究方向：鈑金成形制造技術。

Tel：15179862645E-mail：longfei_zeng@126.com

Methods and Strategies of Intelligent Manufacturing Promotion in the Field of National Defense Research and Production

Zeng Longfei*，Xiong Xiyao，Cao Bingxuan

Changhe Aircraft industry Group Co. LTD，Jingdezhen 333002，China

Abstract： The paper mainly introduces the development status， achievements and problems of intelligent manufacturing in the field of national defense research and production， combined with the achievements and experience of Changhe Aviation Industry Co. LTD. In promoting intelligent manufacturing， the methods， strategies and suggested measures for promoting intelligent manufacturing in the field of national defense scientific research and production are put forward.

Key Words： national defense research and production； intelligent manufacturing； helicopter rotor system； intelligent workshop