基于知識的產品設計生產一體化系統技術研究及方案設計

徐蓓蓓，劉恒，畢勝，陳瀟萍，汪朝陽

（北京航天動力研究所，北京 100076）

0 引言

經過多年培育和發展，某產品得到了快速發展，合同額增長速度很快，但產品的產能規模以及制造能力卻比較低，產能越來越難以滿足產業發展步伐，制造模式與實際需求的矛盾日益突出。隨著產業發展，訂單數量成倍增加，設計人員數量卻難以同步增加，與設計效率和智能化制造水平低下之間的矛盾日益突出；該產品的制造特點是訂單數量多批量小，多個任務同時運行，少則十幾個，多則上百個，如何使制造過程更加高效運轉、實現多任務協調是亟待解決的問題；經過多年積累，設計制造過程中產生大量紙質技術文件，達到數十萬份，傳輸效率低下、存檔和檢索流程繁瑣，查找困難且不利于技術保密；現有總裝工段采用的是傳統的工藝布局和設備設置，工藝布局松散，物料在裝配制造各工序之間流轉效率低，缺乏必要的專用工具、工裝及自動化設備，缺少網絡互連與消息交互。

目前產品基本完成了系列化設計，即所有規格尺寸的產品都有明確的零部件配套表，所有零部件都有規范唯一的圖號編碼，設計人員基本不再需要設計零部件，只需進行編寫技術要求、零部件選配等總成工作，產品系列化總成技術狀態為開展基于知識的設計生產一體化系統奠定了良好的基礎。基于此,現階段已建立了部分的知識庫，將產品型號以系列化型式進行統一管理，用于產品設計；自主開發的產品設計管控系統已經初步建立了設計流程，主要包括項目任務管理、設計管理、產品設計、報表中心等模塊，將設計輸入、技術審查、總裝配套、試驗要求、樣圖繪制、彈簧計算、設計查詢及報表編制等設計內容集成到統一的工作平臺上，同時將工作流程和崗位要求用程序規范下來，建立開放式可擴展的數字化設計平臺，大幅度優化設計環境，設計人員可在系統幫助下完成產品設計；資源管控系統采用了成熟的ERP軟件系統，初步部署完成，基本包含了計劃管理、采購管理、庫存管理、生產數據管理、外庫管理、模擬配套等模塊。

但是，尚缺少選型系統及管理生產過程的生產管控系統，離散的設計生產系統沒有實現設計-生產的數據打通，未形成一個整體數字化系統。所以，要實現產品的小批量、多品種、個性化定制的智能生產，就需要建立一個離散制造業數字化系統，通過ESB數據總線打通各系統之間的數據通道，將選型系統、設計管控系統、資源管控系統和生產管控系統集成為一體，實現基于知識的設計生產一體化。

1 技術研究

本系統與國內一流企業對標，向國內一流汽車行業看齊，學習其正向開發的理念，建設基于知識的設計生產一體化系統，建設安全可控的信息系統，樹立自己的信息化系統品牌，實現產品從設計到生產的正向開發流程。

據中國汽車工業協會數據顯示，2016年11月，長城哈弗國內SUV車型銷量第一，同時也創造了自主品牌乘用車單一車型的月銷量最高紀錄。對此，業內專家表示，這與長城一貫重視車型正向開發的體系建設密切相關。長城無論是業務流程還是信息化建設，都在圍繞這一體系開展。早在2015年，長城汽車就開發了支撐其產品體系的產品數據系統——BOM系統。BOM數據系統是最為基礎和核心的產品密碼，被稱為“車企DNA”，是車企從事正向開發必不可少的因素，其核心作用是向各個業務部門輸出當前產品準確定義，使得各個業務部門在整車開發的任何時點，都能準確知道基于什么樣的基礎進行工作，從而使得各個業務領域能夠實現良好的協同合作。

據了解，各個跨國汽車公司都有自己開發且不對外開放的BOM管理平臺，如通用汽車的GPDS系統、大眾汽車的TI-syncro/ESON系統、日產汽車的G2B系統等。其中，大眾汽車應用BOM系統已有50年以上的歷史。汽車企業要實現正向開發，按消費者需求定制，首要的條件就是要有自己的超級BOM系統，這將成為所有車企的標配[1]。

設計生產學習優秀車企正向開發的理念，建設基于知識的設計生產一體化系統，以產品BOM為數據鏈條貫穿整個系統，實現產品的正向開發。基于此要建設基于知識的設計生產一體化系統預計存在以下的技術問題需要研究：

1.1 基于知識的快速集成設計技術

在設計生產過程中對于多品種的產品已經形成了一套成型的系列化數據文件，但是這些數據文件沒有形成一個知識庫用于快速集成設計。目前制造特點是小批量、多品種和個性化定制，如果沒有一套基于知識的快速集成設計系統，產品設計就不能實現系列化快速設計，無法實現各設計模塊間的數據流通，導致設計效率緩慢，影響生產效率。

1.2 總成裝配工藝流程優化和生產現場管控技術

傳統工藝布局造成生產效率低，原產品制造裝配采取傳統的機群式布局，產品在制造裝配過程中要在各區域頻繁反復轉移，造成物流路徑和物流時間較長，按每年2萬余臺產品的裝配量計，僅工人無效走動時間每年將達到1000小時以上。需要進行生產流程分析、工藝流程分析場地布局研究、人員配置模擬、生產效率測算等工作，建設生產管控系統，實現生產車間及裝配作業現場的信息化管理，實現對生產現場實時管控，追蹤生產任務進度等。

1.3 產品全生命周期數據管理技術

設計生產系統之間處于離散化、獨立進行的狀態，計劃管理、采購管理、設計管理、生產管理、庫存管理等模塊沒有進行數據信息共享，無法做到對產品從銷售、設計、生產、庫存全生命周期管理，管理層無法調度企業資源，跟蹤生產進度、庫存情況、工作情況和其他進出車間的操作管理等相關的信息流，影響項目的高效執行。

2 基于知識的設計生產一體化系統總方案設計

全球制造業相繼開展了“智能制造”領域的創新和研究工作，設計生產一體化已成為未來制造業的發展趨勢。基于知識的設計生產一體化系統集選型系統、設計管控系統、資源管控系統和生產管控系統為一體，通過對計劃、采購、設計、生產、庫房等管控，以產品BOM為數據鏈條，實現產品的全生命周期管理，將離散的設計與生產模塊進行數字化鏈接，做到小批量、多品種、個性化定制的智能生產；針對設計生產過程中的人、財、物等資源進行有效管理，實現產品的自動化快速設計及生產資源的合理規劃。系統總體架構如圖1所示。

圖1 系統架構圖

目前，設計管控系統及資源管控系統已基本完成搭建，可以實現對設計、資源的單點管控。需建立知識庫，完成選型系統及生產管控系統的開發，升級設計管控系統，通過ESB數據總線打通各系統之間的數據通道，將選型系統、設計管控系統、資源管控系統和生產管控系統集成為一體。

2.1 知識庫建立

知識庫是由規則型數據庫和方案累積型數據庫組成，如圖2所示。規則型數據庫是將系列化的全套設計方案進行分析抽象，以數據庫型式存儲和維護的規則集合，由各系列產品零部件配套關系表、材料庫、樣圖模板選擇關系表、配件產品配套關系表、試驗參數關系表、工藝路線表等組成。方案累積型數據庫是將平臺上所有產品設計方案以數據庫型式存儲下來，這些設計方案都是經過試驗論證的成熟方案，可以作為可靠的設計依據。

圖2 知識庫組成圖

2.2 選型系統開發

基于知識庫中的產品型號、參數開發產品選型系統，為客戶提供了簡潔、智能的產品選型方案。依據客戶對類型、定徑、材料及規格的需求，規則型知識庫自動匹配出最符合需求的產品，將最終參數及報價反饋給客戶，完成選型；自動生成項目任務單及數據文件，傳輸至設計管控系統。選型系統流程圖如圖3所示。

圖3 選型系統流程圖

客戶通過終端訪問平臺輸入定制需求，交互平臺會將客戶的碎片化需求進行整合，自動完成選型設計工作，向客戶展示最終方案。在此過程中，技術支持工程師還可以與客戶一起開展協同設計，指導客戶完善和細化選型方案[2]。

2.3 設計管控系統升級

設計管控系統升級內容主要為基于知識的快速集成設計和工藝設計，流程圖如圖4所示。

圖4 基于知識的快速集成設計和工藝設計流程圖

設計管控系統依據若干規則對設計輸入參數進行分析，判斷是否符合純系列化產品特征。純系列化產品依據規則型知識庫自動完成配套表編制、總裝試驗參數、竣工圖繪制、配件配套等設計工作[3]。非純系列化產品會進入人工設計階段，此時系統提供兩個基于知識庫的參考設計手段，第一種是依據規則型知識庫提供與產品具有某些共同特征的系列化設計方案，第二種是系統從方案累積型知識庫中查找與產品類似的設計方案，設計人員在系統提供的方案基礎上開展設計。只有完全非系列化、之前也沒有類似工程經驗的產品，才進行人工設計。

工藝設計模塊從設計輸出中獲取產品參數，與知識庫中的工藝路線表進行參數判斷，最終得到每臺產品的工藝路線和試驗參數，驅動生產管控系統的工序流轉。

2.4 生產管控系統開發

生產管控系統的功能模塊執行圖如圖5所示，該系統包括了供應商條碼管理、出入庫管理、檢驗管理、工序管理、配套管理、質量管理等模塊，通過二維碼等工具實時記錄、統計、分析實物的位置、狀態、數量、時間和使用信息，對產品、材料、設備、人員、工具等進行全生命周期管理，實現實物管理的閉環運行。

圖5 生產管控系統功能模塊執行圖

根據運行流程，明確劃分庫房、檢驗、生產、質量等部門的工作內容及職責，在生產過程中，將所有的設備及工位統一聯網管理，使設備與設備之間、設備與工位人員緊密關聯，在軟件內進行嚴格控制，將操作和查詢權限細分到每個崗位，改變以往手工和紙質臺帳查詢方式導致的規范準確性差，效率低的工作情況，實現收料、發料、生產任務下達、零件配套及質量信息錄入、裝配及工序檢驗、出入庫、完工單查詢等一系列生產管理過程的自動化、信息化管理[4,5]。

2.5 接口集成建設

通過ESB數據總線打通各系統之間的數據通道，將選型系統、設計管控系統、資源管控系統和生產管控系統集成為一體，實現選型、設計、工藝、制造、物料、質量、試驗數據的自動歸集并提供服務。

基于知識的設計生產一體化系統的數據流向如圖6所示。選型系統生成項目任務單和數據文件等，作為設計管控系統的設計依據；設計管控系統生成的工藝路線和試驗參數，作為驅動生產管控系統工序流轉的基礎，生產管控系統生產過程中生成的生產調度時間、不合格品信息回傳給設計管控系統，驅動設計修改流程；從設計管控系統導出數據引入資源管控系統內，對數據進行維護；生產管控系統在工序流轉中從資源管控系統下載相應的生產任務單、采購訂單、零件配套表、庫存、領料單等信息，生成原材料領料信息、原材料退料信息、生產任務單完工信息、產品出入庫數據等回傳給資源管控系統進行統一管理。

圖6 系統數據流向圖

基于知識的設計生產一體化系統為產品設計生產提供了一個全新的設計工作模式，后續將按照“總體規劃、分布實施、逐一見效、持續推進”的工作思路，將信息化系統向銷售環節、售后環節延伸，向制造環節、作業現場延伸，持續開展信息化建設，推動航天產品的設計生產一體化進程。

3 預期成果

產品設計生產一體化系統相比以往的手工處理模式，大幅度提高工作效率，縮短產品研制周期，為完成更多的交付任務發揮了積極作用，預期成果主要體現在以下四個方面：一體化：構建銷售、設計、工藝、生產、裝配的統一管理平臺；并行化：產品選型、產品設計、工藝設計、生產裝配等角色的并行工作；自主性：自主研發設計生產一體化系統，建立產品知識庫，實現知識產權積累和固化；可控性：直觀查看準確有效數據，實時掌握設計生產情況，有效整合人員、設備、物料、技術等資源。

建立開放可擴展的數字化管理平臺，實現產品設計、生產過程規范化管理，使得單臺產品152分鐘勞動消耗時間減少為60分鐘，一次裝配調試合格率從目前的90%提高到95%，產能由20臺/天提高到40臺/天，勞動效率至少提高一倍；形成產品總裝試驗工藝規程、產品設計生產一體化管理文件、項目技術總結報告、產品設計生產一體化技術科技論文、專用工藝設備等作為基于知識的設計生產一體化系統推廣的經驗材料。

4 結語

基于知識的設計生產一體化系統在航天技術應用產業的應用實施，已逐漸固化成了一種以全生命周期管理理念為指導的管理模式，此模式對解決離散型制造業系列化產品全生命周期關鍵環節的典型問題具有一定的指導價值，特別是針對以小批量、多品種、個性化定制，產品系列化程度高，自動化水平較低的制造型企業具有極大的指導意義和推廣價值。

對標優秀車企正向開發的理念，通過ESB數據總線打通各系統之間的數據通道，將選型系統、設計管控系統、資源管控系統和生產管控系統集成為一體，實現基于知識的設計生產一體化建設。

以產品BOM為數據鏈條貫穿整個系統，實現產品的正向開發，完成對產品從銷售、設計、生產、庫存全生命周期管理，做到小批量、多品種、個性化定制的智能生產，實現產品的自動化快速設計及生產資源的合理規劃。

通過此套系統，可實現產品設計、生產過程規范化管理，使得單臺產品勞動消耗時間減少60%，一次裝配調試合格率5%，勞動效率至少提高一倍。