吉利汽車智能制造戰(zhàn)略的實施（上）

李瑞方，周軍，張洋，王坤

吉利汽車集團有限公司 寧波 315300

汽車制造工業(yè)是衡量一個國家制造能力的重要標(biāo)志，發(fā)展汽車智能制造是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路。汽車智能制造的核心，就是“數(shù)字化”和“智能化”。數(shù)字化制造戰(zhàn)略的實施就是要結(jié)合眾多的核心技術(shù)，以其前瞻性、低成本和提升企業(yè)整體效率的優(yōu)點，實現(xiàn)制造的數(shù)字化、智能化和定制化。

調(diào)研國內(nèi)主要研究現(xiàn)狀，其中比亞迪股份有限公司針對新能源汽車制造設(shè)計了生產(chǎn)管控系統(tǒng)，以MES系統(tǒng)為中心，打通了各系統(tǒng)間的孤島壁壘，實現(xiàn)了整車信息追溯[1]；北京汽車集團有限公司建造了智能電動汽車共享工廠，構(gòu)建了新能源汽車國家大數(shù)據(jù)聯(lián)盟，意在實現(xiàn)資源共享和產(chǎn)業(yè)鏈的進一步開放合作[2]；上汽大通汽車有限公司則對汽車個性化定制進行了研究，提出了C2B大規(guī)模個性化智能定制模式[3]；廣州汽車集團有限公司建設(shè)了全球首個能源綜合利用生態(tài)工廠，定位于擁有物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和個性化定制的世界級數(shù)字化智慧工廠[4]；吉利汽車對全柔性化的生產(chǎn)線、智能排產(chǎn)系統(tǒng)進行了研究，并制定了詳細(xì)的智能制造實施戰(zhàn)略，新一代工廠正在規(guī)劃建設(shè)中。從全球汽車關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展來看，新興技術(shù)與制造的融合仍是企業(yè)保持競爭力的關(guān)鍵，同時也迫切需要通過降低制造鏈、產(chǎn)業(yè)鏈成本來提升競爭力。當(dāng)下，5G技術(shù)、大數(shù)據(jù)以及人工智能的快速發(fā)展，給各行各業(yè)都帶來了新的機遇，如何以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對汽車制造產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)域各類資源的協(xié)同整合變得尤為重要。

吉利智能制造戰(zhàn)略的實施，就是通過將產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)鏈和價值鏈進行打通，形成網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造服務(wù)支撐體系，最終實現(xiàn)汽車設(shè)計、制造、服務(wù)一體化和供應(yīng)鏈、營銷鏈、服務(wù)鏈企業(yè)群協(xié)同，促進汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。具體來講就是——以汽車制造服務(wù)為核心理念，融合信息技術(shù)、制造技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，支持制造企業(yè)內(nèi)部及企業(yè)相互間在可靠的網(wǎng)絡(luò)資源支持下實現(xiàn)對產(chǎn)品不同階段的增值，建立共享制造資源的公共服務(wù)平臺，將產(chǎn)品研發(fā)、制造、運維等全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)資源整合在一起，提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、可共享的制造服務(wù)模式，促進創(chuàng)新資源、生產(chǎn)能力、市場需求的集聚與對接，提高產(chǎn)業(yè)鏈資源整合能力和協(xié)同效率，實現(xiàn)汽車制造企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)間、區(qū)域性的制造服務(wù)協(xié)同。

吉利汽車智能制造戰(zhàn)略實施方案，主要采用“三線”互通模式，如圖1所示，該策略打通了產(chǎn)品研發(fā)線、產(chǎn)品交付線（含供應(yīng)鏈）及生產(chǎn)制造線數(shù)據(jù)，并以IOT平臺作為數(shù)據(jù)中臺，應(yīng)用BI、微服務(wù)開發(fā)、AI算法等技術(shù)為數(shù)據(jù)應(yīng)用賦能，部署智能管理駕駛艙、IOT微服務(wù)群、精益排班數(shù)學(xué)模型、高級排產(chǎn)及工藝管理平臺等應(yīng)用系統(tǒng)，從業(yè)務(wù)管理到業(yè)務(wù)分析、從精益生產(chǎn)到敏捷響應(yīng)，產(chǎn)生“知識泛在”效應(yīng)，為打造魅力品質(zhì)、精益管理、及時交付與敏捷開發(fā)的品牌價值提供了技術(shù)支撐。

圖1 “三線”互通模式

構(gòu)建虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)

按類別建立模型庫，實現(xiàn)三維虛擬生產(chǎn)車間的快速構(gòu)建，使車間模擬系統(tǒng)盡可能地與未來實際生產(chǎn)系統(tǒng)的三維空間布局結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)運行和物流過程相吻合，為生產(chǎn)方案的可行性、合理性提供身臨其境的評判依據(jù)，并為將來由于不確定因素帶來的生產(chǎn)布局變更提供快速修正和預(yù)言評估。模型庫采用的都是預(yù)投產(chǎn)設(shè)備的真實模型，與真實工廠是完全一樣的，以保證評估的有效性和可靠性。

1.仿真技術(shù)應(yīng)用

在三維軟件環(huán)境下，將制造數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)進行集成，對產(chǎn)品設(shè)計和工藝開發(fā)方案進行評估和仿真，找出設(shè)計不合理的地方或問題點，針對這些問題點給出優(yōu)化建議，并驗證更改后的方案，如此反復(fù)的實驗和驗證，保證生產(chǎn)過程的最優(yōu)化。如圖2所示，搭建焊裝車間，對工藝資源進行定義和布局，評估設(shè)計方案的合理性并給出整改方案或措施。

圖2 焊裝車間的工藝資源

制造過程設(shè)計的科學(xué)與否、裝配水平的高低和質(zhì)量的優(yōu)劣，直接關(guān)系到組裝后的產(chǎn)品是否滿足設(shè)計要求。只有嚴(yán)格控制裝配工藝，才能保證產(chǎn)品的合格率。數(shù)字化預(yù)裝配技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用，有利于在設(shè)計階段及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品裝配設(shè)計和規(guī)劃中的問題與缺陷并加以解決，從而使企業(yè)能夠以更短的時間、更高的質(zhì)量、更低的成本和更好的服務(wù)來贏得市場競爭。

借助于物流仿真軟件對工裝（吊具、滑板、滑橇等）數(shù)量、緩沖區(qū)合理性、瓶頸工位及線體產(chǎn)能進行分析，提前發(fā)現(xiàn)問題并進行高效、準(zhǔn)確地解決，優(yōu)化設(shè)備投入，節(jié)省項目資金。這樣，能更加充分地驗證方案，減少甚至避免設(shè)計缺陷，盡量避免項目實施過程中給生產(chǎn)車間和公司帶來經(jīng)濟和時間損失。相對于停留在CAD平面設(shè)計及經(jīng)驗積累的物流規(guī)劃和設(shè)計，縮短從概念到安裝的工廠設(shè)計時間，使得內(nèi)部和外部供應(yīng)鏈、生產(chǎn)資源和業(yè)務(wù)流程合理化，按材料要求、集裝箱大小、集裝箱堆放條件以及進出指導(dǎo)原則，充分利用工廠和運輸車輛的空間，減少浪費。在原有自帶庫中增加新的標(biāo)準(zhǔn)化模塊，建立屬于吉利汽車專用數(shù)據(jù)庫，快速搭建物流仿真模型，縮短方案驗證周期，使驗證更具時效性。

2.虛擬調(diào)試技術(shù)

汽車生產(chǎn)線集成是一場與時間的賽跑，如何實現(xiàn)在最短時間內(nèi)以最高的效率將生產(chǎn)線投入生產(chǎn)，是各主機廠面臨的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的模擬仿真所實現(xiàn)的，是生產(chǎn)線聯(lián)動，只是視覺上的設(shè)備同時動作，無法準(zhǔn)確評估工位運行狀況，很難達到精益制造的目標(biāo)。利用虛擬調(diào)試技術(shù)建立邏輯塊，在軟件環(huán)境中完成各種“假設(shè)分析”的方案執(zhí)行、系統(tǒng)診斷，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實工廠的互通，如圖3所示，使虛擬資源成為智能元件，具備與真實資源相同的功能和信號識別能力，為機械操作順序及聯(lián)動控制邏輯的正確性提供保證，提高在線調(diào)試通過率，縮短現(xiàn)場調(diào)試時間。

圖3 虛擬工廠與真實工廠無縫對接

為保證虛擬調(diào)試的有效性，需要在設(shè)備進場之前完成生產(chǎn)車間坐標(biāo)系的創(chuàng)建和控制網(wǎng)的布測。控制坐標(biāo)系一般會選取車間已有坐標(biāo)系，也可根據(jù)需要自定義坐標(biāo)系。控制點的布設(shè)應(yīng)覆蓋生產(chǎn)線體的周邊，盡量高低錯落，嚴(yán)禁布置在同一條直線上。控制點測量使用精度不低于“2mm”的全站儀，采用閉合導(dǎo)線或附合導(dǎo)線進行導(dǎo)線和水準(zhǔn)平差，得到各控制點的精確三維坐標(biāo)，形成局部坐標(biāo)系下的控制網(wǎng)。測量完成后，將測得的坐標(biāo)導(dǎo)入數(shù)據(jù)平臺中，通過自主開發(fā)插件，使生產(chǎn)車間網(wǎng)格化。

虛擬調(diào)試技術(shù)的引入，使得機器人編程和示教環(huán)節(jié)、PLC的編程和調(diào)試環(huán)節(jié)都可以在辦公室進行。對于虛擬調(diào)試技術(shù)，控制機器人、伺服電動機、電控閥等設(shè)備可以無需依賴對應(yīng)人員，生產(chǎn)線的所有設(shè)備在計算機中呈現(xiàn)，設(shè)備的安裝程度亦無要求，只需要在軟件內(nèi)實現(xiàn)快速控制。虛擬調(diào)試中可以做各種“假設(shè)分析”，充分識別系統(tǒng)風(fēng)險，保證系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。虛擬調(diào)試技術(shù)打通現(xiàn)場電氣控制系統(tǒng)的調(diào)試與機械工藝設(shè)計系統(tǒng)的信息隔離，盡最大可能性減少現(xiàn)場無效勞動。

3.數(shù)字化工廠發(fā)布

如圖4所示，利用數(shù)據(jù)庫平臺發(fā)布數(shù)字化工廠，并實現(xiàn)對整個工廠做測量和現(xiàn)場驗證分析。

圖4 數(shù)字化工廠發(fā)布與局部測量圖

通過虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)的建立，實現(xiàn)新工廠建設(shè)規(guī)劃、已有生產(chǎn)線改造以及智能制造虛擬現(xiàn)實交互，實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程數(shù)據(jù)在計算機虛擬環(huán)境中進行仿真、評估、優(yōu)化。基于數(shù)字化模擬和三維設(shè)計對工廠設(shè)備、工藝流程等進行規(guī)劃，利用三維設(shè)計軟件進行廠區(qū)布置、廠房設(shè)計、物流規(guī)劃，依靠高柔性運輸和自動化裝備，實現(xiàn)了多品種的混線生產(chǎn)的工廠建設(shè)。利用該工廠模型可以方便的對生產(chǎn)線或者設(shè)備位置進行調(diào)整，與傳統(tǒng)平面圖紙相比，三維模型仿真可以更直觀地對生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行模擬，更快地發(fā)現(xiàn)問題并進行優(yōu)化，還可以為快速、靈活地調(diào)整生產(chǎn)提供精準(zhǔn)、全面的實時數(shù)據(jù)。

構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)

國內(nèi)汽車企業(yè)仍以“物理試驗為主，仿真為輔”的開發(fā)模式，導(dǎo)致了產(chǎn)品研發(fā)周期長、開發(fā)費用巨大、生產(chǎn)與研發(fā)脫節(jié)等問題。物理樣機的局限性使汽車開發(fā)中的很多方案無法充分驗證，使用虛擬仿真替代物理樣車是制造發(fā)展的必然趨勢。面對虛擬現(xiàn)實VR（Virtual Reality）掀起的信息技術(shù)創(chuàng)新革命，VR技術(shù)已在國防軍事、航空航天、軌道交通等領(lǐng)域廣泛運用，在汽車行業(yè)的應(yīng)用相對較少。虛擬現(xiàn)實仿真技術(shù)即將成為未來工業(yè)生產(chǎn)最大的驅(qū)動力。現(xiàn)以吉利NPDS研發(fā)流程為契機，依托以獲得審批的浙江省重點研發(fā)計劃項目《新能源汽車虛擬現(xiàn)實仿真系統(tǒng)研發(fā)與推廣應(yīng)用》，如圖5所示，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術(shù)路線圖。

圖5 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)技術(shù)路線圖

使用虛擬仿真替代物理樣車是制造發(fā)展的必然趨勢。一方面，制造物理樣車需要相當(dāng)長的時間，對于嚴(yán)格按照研發(fā)進度日歷進行的技術(shù)團隊而言，只能為這種后知后覺的發(fā)現(xiàn)提供補救措施；另一方面，制造物理樣車需要相當(dāng)大的資金投入，而為了降低研發(fā)成本，盡可能減少甚至取消物理樣車是企業(yè)管理者的迫切要求。運用虛擬仿真技術(shù)則極大地彌補了這方面的不足。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)能夠使用現(xiàn)有設(shè)計CAD模型進行剛體部件的可裝配性分析、動態(tài)碰撞檢查、運動機構(gòu)的定義和動態(tài)仿真、基于真實材料物理屬性的柔性體定義及行為仿真。

1.虛擬評審

通過使用三維交互式系統(tǒng)進行設(shè)計評審，為企業(yè)決策者提供不同于以往的決策環(huán)境，對準(zhǔn)確了解設(shè)計意圖、狀態(tài)、問題，加速決策流程提供更快捷的方式，虛擬評審內(nèi)容包括：虛擬造型評審、虛擬人機工效評審以及虛擬性能評審。

（1）虛擬造型評審 如圖6所示，通過實驗室的沉浸式可視化設(shè)備，系統(tǒng)對造型CAS數(shù)據(jù)快速著色和渲染，形成立體三維虛擬造型進行評審，代替?zhèn)鹘y(tǒng)油泥模型制造與評審，提高造型評審效率。

圖6 造型評審

（2）虛擬人機工效評審 汽車設(shè)計SAE標(biāo)準(zhǔn)以駕駛員作為設(shè)計的出發(fā)點，對整車進行符合人機工程學(xué)要求的設(shè)計。開發(fā)平臺軟件作為可視化環(huán)境，通過第一人稱視角為設(shè)計者、決策者提供產(chǎn)品體驗的環(huán)境，以評審產(chǎn)品設(shè)計是否滿足駕/乘人員的體驗要求。其中，駕/乘人機工程，是車輛在前期設(shè)計和市場定位時，應(yīng)考慮到產(chǎn)品的客戶群體特征，以及使用過程中的人機工程要求。諸如行李艙的開啟與關(guān)閉等過程對人機工程的要求。過高的行李艙張開角度能夠解決大行李的裝卸問題，但對于身材較小的女性用戶而言，可能會帶來使用過程中的不良用戶體驗。使用軟件的人機工程仿真，通過虛擬人體模型的操作體驗，可為決策者和設(shè)計者提供產(chǎn)品修改的依據(jù)。另外，制造、維修人機工程是對于車輛的制造與維修，需要考慮生產(chǎn)工人和后期車輛維修人員的人機工程要求。工藝規(guī)劃時，使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對制造過程的人機工程學(xué)檢查，確保復(fù)雜、精密部件的裝配過程符合基本人機工程學(xué)要求，避免由此導(dǎo)致的錯裝、漏裝等質(zhì)量問題；產(chǎn)品設(shè)計時，使用虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對維修過程的人機工程學(xué)檢查，確保車輛可維修性和便捷性，提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率。

（3）虛擬性能評審 虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)在重視視覺的效果真實的基礎(chǔ)上，也專注于工程需求，通過多來源數(shù)據(jù)的集成，不僅可以查看產(chǎn)品結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，還可以隨時查看有關(guān)性能的仿真數(shù)據(jù)。將研發(fā)階段中采用傳統(tǒng)的、分散的圖表、曲線等各虛擬性能表達方式集成為逼真的真實感受進行感知評審，提高性能評審效果與質(zhì)量（例如NVH噪聲分析，將原來的曲線表達方式轉(zhuǎn)換為空間立體聲音呈現(xiàn)出來，更直觀和有效）。與此同時，通過軟件功能開發(fā)，對CAE不同學(xué)科計算結(jié)果數(shù)據(jù)的再處理，還能夠提供一般后處理工具無法實現(xiàn)的實時機構(gòu)運動仿真、管線路仿真和人體模型仿真，進行性能的深層次研究與提升。

如圖7所示，在進行整車碰撞仿真后，后處理工具可對碰撞變形進行顯示，還能夠?qū)⒓偃四Ｐ头胖迷谧冃魏蟮能嚿韮?nèi)，以評估碰撞變形后乘員的逃生空間；還能夠?qū)㈦姵刈鳛榉抡鎸ο螅芯颗鲎沧冃魏螅囯姵啬芊癫鸪妊b配問題。

圖7 整車碰撞仿真與電池拆卸功能仿真

通過動作捕捉系統(tǒng)，操作者可以身臨其境地在虛擬產(chǎn)品中漫游，并切換為第一人稱視角，對產(chǎn)品進行真實視覺尺寸的交互式體驗，指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計通過手柄可以便捷的對產(chǎn)品零部件進行實時地拖拽、移動以及隱藏等動作，增加了評審的效率與手段的多樣性。同時，支持跨地域的協(xié)調(diào)評審功能。可將不同地域的用戶同時納入一個評審系統(tǒng)中進行設(shè)計的評審，例如在一個評審中心打開需要評審的模型，進行移動、裝配、交互等動作時，在其他地域參與評審的用戶也可以實時地得到反饋，他們可以獲得跟上述操作者一樣的視覺效果，同步的移動、裝配、交互等動作的可行性及評審。

2.虛擬裝配

（1）結(jié)合虛擬生產(chǎn)系統(tǒng) 在統(tǒng)一的使用環(huán)境下實現(xiàn)虛擬裝配，我們在讀取CAE、CAD設(shè)計數(shù)據(jù)進入系統(tǒng)時用戶僅需進行簡單定義，無需預(yù)先進行運動路徑等復(fù)雜的設(shè)置就能實現(xiàn)對數(shù)據(jù)中零件的實時交互操作，包括實時仿真、動態(tài)干涉檢查、摩擦與滑動分析、實時拖拽、移動、隱藏、標(biāo)注標(biāo)記及測量等動作。如圖8所示，這就方便評審過程中對問題零件的工藝性、可裝配性、干涉及裝配順序等關(guān)鍵問題、關(guān)鍵零件的排查與實時仿真測試，實現(xiàn)產(chǎn)品的操控性、可視性、可達性、舒適性及安全性。

圖8 虛擬裝配評審

3.虛擬展示

依托虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供對外宣傳平臺，向來訪貴賓展示吉利具備國際水平的沉浸式、可視化的虛擬產(chǎn)品開發(fā)能力與技術(shù)，親身體驗吉利在研發(fā)設(shè)計階段先進的虛擬性能開發(fā)、生產(chǎn)制造階段先進的數(shù)字化工廠，從虛擬概念設(shè)計到產(chǎn)品生產(chǎn)全生命周期的開發(fā)過程，為吉利自主品牌勇于創(chuàng)新、精品開發(fā)與制造的形象提供了很好的宣傳平臺。如圖9所示，通過虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)和虛擬生產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合，可以讓參觀者帶上設(shè)備在虛擬環(huán)境中參觀工廠，縮短汽車制造商與客戶之間的距離，增強與客戶的互動，更好地了解客戶的需求，并將需求轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品設(shè)計中。

圖9 數(shù)字化工廠漫游

數(shù)字化虛擬設(shè)計和驗證，可以打破時間和空間的距離，數(shù)字化信息的傳輸速度非常可觀，不受訪問人員數(shù)量和地域的限制，使異地協(xié)同設(shè)計成為可能。與傳統(tǒng)制造相比，節(jié)約人力成本的同時也降低了設(shè)計過程中對人工操作能力的依賴性，極大地減少材料浪費，真正實現(xiàn)柔性化、個性化設(shè)計（待續(xù)）。