運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)及實踐

梁丹 劉蘇

（首都航天機械有限公司，北京，100076）

近年來，發(fā)達國家已紛紛實施“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，全球產(chǎn)業(yè)競爭格局面臨大調(diào)整、大變革和大發(fā)展；我國正加快實施“中國制造2025”戰(zhàn)略，著力構(gòu)建新型制造體系。同時，各種先進理念和先進技術(shù)層出不窮，如何與制造業(yè)務(wù)相結(jié)合，實現(xiàn)“兩化” （信息化和工業(yè)化）融合的落地實施，實現(xiàn)智能制造，制造企業(yè)面臨著巨大的機遇與挑戰(zhàn)。 “航空航天裝備”是“中國制造2025”十大重點領(lǐng)域之一，航天智能制造需要實現(xiàn)貫穿企業(yè)協(xié)同層、車間層、控制層、設(shè)備層等不同層面的縱向集成，以及涵蓋航天產(chǎn)品從設(shè)計、制造、服務(wù)的端到端集成。本文在“智能制造、標(biāo)準(zhǔn)先行”的共識下，通過開展運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系研究，使用標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)識別與采集、橫向業(yè)務(wù)流程的貫通、異構(gòu)系統(tǒng)間的集成等工作[1]。

1 運載火箭研制生產(chǎn)特征

1.1 運載火箭的制造特點

運載火箭的貯箱、殼段、整流罩等大型薄壁連接結(jié)構(gòu)，在裝配、焊接、鉚接等方面的技術(shù)難度較大。同時，火箭需要在嚴(yán)苛的空間環(huán)境下飛行，要求產(chǎn)品具備很高的制造精度，對產(chǎn)品質(zhì)量要求嚴(yán)格。在產(chǎn)品的研制生產(chǎn)過程中，大量的新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)、新工藝、新裝備被采用，需要采用更加先進的集成制造技術(shù)和創(chuàng)新管理方法來確保產(chǎn)品研制。

運載火箭生產(chǎn)為多品種單件或小批量生產(chǎn)，隨著任務(wù)形式的不斷深化，呈現(xiàn)出多型號并舉、研制與批產(chǎn)并存的生產(chǎn)特點。研制產(chǎn)品需快速響應(yīng)，批產(chǎn)任務(wù)需按要求完成，是典型的離散式制造模式。同時，由于配套產(chǎn)品的品種多、零件數(shù)量多，生產(chǎn)部門分布在不同的地區(qū)，生產(chǎn)組織具有跨地域、跨專業(yè)、跨單位的大協(xié)作特點。

目前，運載火箭采用三維IPD（集成產(chǎn)品開發(fā)）協(xié)同研制技術(shù)，逐步打破專業(yè)、部門界限，改變了原來按專業(yè)和部門職能管理的研制模式，滿足多專業(yè)三維協(xié)同設(shè)計的實際需要，實現(xiàn)數(shù)字化條件下的設(shè)計制造一體化協(xié)同研制[2]。

1.2 運載火箭智能制造面臨的問題和挑戰(zhàn)

1.2.1 生產(chǎn)模式面臨的問題

目前運載火箭制造采用的是單件小批量、多品種多型號混線生產(chǎn)模式，這種模式的運載火箭制造過程存在生產(chǎn)裝備的適應(yīng)性問題、生產(chǎn)排程的精細管控問題、物資配給的效率問題等。往往使得運載火箭制造企業(yè)面臨制造效率低下、投入資源浪費嚴(yán)重、質(zhì)量管控難度較大等難題。

1.2.2 質(zhì)量與可靠性保障面臨著巨大考驗

在面臨更為復(fù)雜的航天裝備系統(tǒng)制造、更為先進的技術(shù)指標(biāo)要求和大幅度縮短的研制周期等挑戰(zhàn)時，產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性保障面臨著巨大考驗。有必要通過工業(yè)化和信息化的深度融合，以及制造過程的傳感、監(jiān)控、互聯(lián)互通等工業(yè)互聯(lián)技術(shù)的應(yīng)用為未來航天產(chǎn)品品質(zhì)溯源和可靠性提供有效途徑。

1.2.3 生產(chǎn)的不均衡性帶來的制約

航天技術(shù)快速發(fā)展，產(chǎn)品更新的速度越來越快，新產(chǎn)品研發(fā)的周期大幅縮短，產(chǎn)品生產(chǎn)的批量成數(shù)量級的增加，新研產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，批產(chǎn)數(shù)量日益增加，傳統(tǒng)的制造模式、布局方式難以適應(yīng)新時期航天任務(wù)形勢，成為航天快速發(fā)展的制約。

2 運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系

2.1 標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

“智能制造、標(biāo)準(zhǔn)先行”，加快研究并推進智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化工作，是實現(xiàn)智能制造的重要技術(shù)基礎(chǔ)。中國工業(yè)和信息化部及國家標(biāo)準(zhǔn)委發(fā)布的《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》從生命期、系統(tǒng)層級、智能功能等3個維度建立了智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，并建立了包括 “A基礎(chǔ)共性”“B關(guān)鍵技術(shù)” “C行業(yè)應(yīng)用”等3個部分的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)[3]，結(jié)合運載火箭制造模式特點，根據(jù)國家智能制造參考模型，筆者分析運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)與其他領(lǐng)域的差異。

a）生命周期維度：運載火箭的生命周期基本涵蓋了設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售和服務(wù)等活動，但其要求與民用領(lǐng)域有較大差異。

b）系統(tǒng)層級維度：在單元層、企業(yè)層級運載火箭領(lǐng)域與國家通用要求差距不大，優(yōu)先選用成熟的通用控制系統(tǒng)。但基于產(chǎn)品的制造特點、制造模式和應(yīng)用需求，在設(shè)備層、車間層和協(xié)同層級，涉及柔性數(shù)字化制造單元、智能裝備等，有一定的特色性。

c）智能功能維度：運載火箭領(lǐng)域?qū)χ圃煸O(shè)備和生產(chǎn)資源的需求具有明顯的特點。例如針對航天產(chǎn)品自行研制的專用工裝，由于信息安全的要求，采取的互聯(lián)互通技術(shù)手段以及融合共享技術(shù)與民用領(lǐng)域相比存在一定差異[4]。此外，目前運載火箭系統(tǒng)集成目標(biāo)側(cè)重在智能生產(chǎn)線、數(shù)字化車間的實現(xiàn)，智能工廠屬于偏長遠的目標(biāo)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)體系框架

綜合國家智能制造系統(tǒng)架構(gòu)各維度邏輯關(guān)系，將智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的生命周期維度和系統(tǒng)層級維度組成的平面自上而下依次映射到智能功能維度的多個層級，結(jié)合運載火箭智能制造發(fā)展的特色，增加修改相關(guān)模塊，結(jié)合對智能裝備、智能工廠、智能服務(wù)、工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等5類關(guān)鍵技術(shù)進行組合分析，考慮并列或作為下層級處理，與基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)和重點行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)共同構(gòu)成智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架。

對體系框架進行逐級細化，對標(biāo)準(zhǔn)明細需求進行全局整合，將國家標(biāo)準(zhǔn)體系中的“AE評價”整合到“C智能工廠建設(shè)”中（CC評價），與智能工廠的設(shè)計、建造交付、評價放在一起。將“B關(guān)鍵技術(shù)”進行拆分為 “B智能裝備” “C智能工廠建設(shè)” “D智能工藝設(shè)計” “E智能物流與現(xiàn)場管理” “F智能生產(chǎn)” “G智能服務(wù)”“H智能經(jīng)營”7個一級模塊，運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架見圖1所示。

圖1 運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架（二級）

a）A基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)

基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)主要包括4個部分：基礎(chǔ)、信息安全、可靠性和檢測評價。基于運載火箭研制過程中的信息安全要求，需要單獨制定相應(yīng)的信息安全標(biāo)準(zhǔn)，主要包括軟件安全、設(shè)備信息安全、網(wǎng)絡(luò)信息安全、數(shù)據(jù)安全、信息安全防護等。

b）B智能裝備

智能裝備標(biāo)準(zhǔn)包括工業(yè)機器人、數(shù)控機床、針對航天產(chǎn)品自行研制的數(shù)字化工裝等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提高了產(chǎn)品的精度和可靠性。

c）C智能工廠建設(shè)

智能工廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)用于規(guī)定其設(shè)計、建造、交付以及評價過程，確保建設(shè)過程規(guī)范化、系統(tǒng)集成規(guī)范化，指導(dǎo)系統(tǒng)與業(yè)務(wù)的優(yōu)化。

d）D智能工藝設(shè)計

基于運載火箭采用三維IPD協(xié)同研制模式，智能工藝設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)主要涵蓋設(shè)計制造協(xié)同、工藝設(shè)計與仿真、BOM（物料清單）管理、設(shè)計與工藝管理的全過程。

e）E智能物流與現(xiàn)場管理

智能物流與現(xiàn)場管理標(biāo)準(zhǔn)主要解決車間現(xiàn)場原材料、半成品、成品、工裝等的快速準(zhǔn)確流轉(zhuǎn)問題，以及基于航天質(zhì)量管理要求的現(xiàn)場管理等內(nèi)容。

f）F智能生產(chǎn)

智能生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)包括基于單件小批量多品種多型號混線生產(chǎn)模式下的計劃調(diào)度、制造過程控制、質(zhì)量管控、產(chǎn)品試驗與測試等內(nèi)容。為了將質(zhì)量過程控制內(nèi)容與生產(chǎn)環(huán)節(jié)緊密結(jié)合，將質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)分類納入此部分。

g）G智能服務(wù)

生產(chǎn)環(huán)節(jié)涉及的智能服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)主要包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和運維服務(wù)，是智能工廠穩(wěn)定運行必不可少的環(huán)節(jié)。 “網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造標(biāo)準(zhǔn)”用于指導(dǎo)企業(yè)持續(xù)改進和不斷優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)化制造資源協(xié)同，實現(xiàn)生產(chǎn)制造與服務(wù)運維信息高度共享、資源和服務(wù)的動態(tài)分析與柔性配置水平顯著增強。 “運維服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)”用于指導(dǎo)企業(yè)開展遠程運維和預(yù)測性維護系統(tǒng)建設(shè)和管理，基于采集到的設(shè)備運行數(shù)據(jù)，全面分析企業(yè)現(xiàn)場實際運行狀況。

h）H智能經(jīng)營

智能經(jīng)營標(biāo)準(zhǔn)用于規(guī)定企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中采購、銷售、能源、工廠安全、環(huán)保和健康等方面的管理要求，指導(dǎo)智能管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)，確保管理過程的規(guī)范化和精益化。

i）I智造環(huán)境

智造環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)主要包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)與應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)軟件應(yīng)用集成標(biāo)準(zhǔn)、工業(yè)大數(shù)據(jù)及軟件應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)等，是智能制造建設(shè)的必要基礎(chǔ)條件。

3 數(shù)字化生產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)實踐

為了充分發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)在推進智能制造發(fā)展中的基礎(chǔ)性和引導(dǎo)性作用，在深入分析標(biāo)準(zhǔn)化需求的基礎(chǔ)上，按照“急用先行、共用先立”的原則，重點開展數(shù)字化生產(chǎn)線相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究制定工作，在數(shù)字化車間規(guī)劃、系統(tǒng)平臺搭建、共用關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)、實施運行和維護保障等方面有據(jù)可依。

參與編制集團標(biāo)準(zhǔn)《航天數(shù)字化車間建設(shè)通用要求》，規(guī)定了航天數(shù)字化車間的體系結(jié)構(gòu)與數(shù)字化要求和建設(shè)要求，提出了以管理層、執(zhí)行層、基礎(chǔ)層為特點的航天數(shù)字化車間3層體系架構(gòu)。通過提煉航天數(shù)字化車間建設(shè)的數(shù)字化要素，提出數(shù)字化功能要求，細化數(shù)字化車間建設(shè)流程。

完成院標(biāo)《數(shù)字化柔性生產(chǎn)線建設(shè)指南》的編制，規(guī)定了數(shù)字化柔性生產(chǎn)線建設(shè)的一般要求、總體架構(gòu)及主要類型、工作流程、方案策劃、建設(shè)實施和運行評估等。給出了航天數(shù)字化柔性生產(chǎn)線的總體架構(gòu)。

目前，航天一院多家單位相繼開展了數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)工作，以首都航天機械有限公司為例，圍繞生產(chǎn)短線瓶頸，立足于核心制造技術(shù)與關(guān)鍵生產(chǎn)工藝，借助自動化、數(shù)字化、信息化等技術(shù)，進行工藝創(chuàng)新和流程再造，開展泵閥零件加工等數(shù)字化生產(chǎn)線/單元建設(shè)，系統(tǒng)開展了工藝布局、工藝優(yōu)化和管理提升工作，取得了較好效果。通過開展數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè)，優(yōu)化調(diào)整航天產(chǎn)品生產(chǎn)線，形成新時期高效適用的航天制造新模式，實現(xiàn)自動化穩(wěn)定批產(chǎn)和快速研制，同時對標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)內(nèi)容的可行性進行驗證。

與生產(chǎn)線建設(shè)前相比，多品種、小批量、研制與批產(chǎn)混線生產(chǎn)狀態(tài)下，現(xiàn)有生產(chǎn)線產(chǎn)能提高100%，典型產(chǎn)品合格率提高29.8%，百件產(chǎn)品缺陷數(shù)從122個下降為3個，提升了生產(chǎn)的數(shù)字化、精細化、科學(xué)化管理水平。航天結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品數(shù)字化柔性生產(chǎn)線技術(shù)的研究具有鮮明的代表性，對于其他類似的多品種、小批量部組件的生產(chǎn)，具有示范作用和推廣效果。

運載火箭研制是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，本文結(jié)合運載火箭制造特點和對智能制造的需求，提出了運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系框架，指導(dǎo)運載火箭智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)立項工作。基于當(dāng)前任務(wù)需求，重點開展數(shù)字化生產(chǎn)線標(biāo)準(zhǔn)編制和航天結(jié)構(gòu)件產(chǎn)品數(shù)字化柔性生產(chǎn)線建設(shè)實踐，逐步推進運載火箭智能制造實施，為航天智能制造標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)工作起到先行示范作用。