火炸藥黑燈工廠實現(xiàn)途徑探析*

徐志剛，王軍義，劉 勇，徐永利，曹汝男

(1.中國科學(xué)院 沈陽自動化研究所 機器人學(xué)國家重點實驗室，遼寧 沈陽 110016；2.中國科學(xué)院 機器人與智能制造創(chuàng)新研究院，遼寧 沈陽 110169)

1 概述

火炸藥作為一類高能量密度材料，在能源開采、建筑行業(yè)、航天事業(yè)和軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]。在軍事領(lǐng)域中，火炸藥及其相關(guān)產(chǎn)品是戰(zhàn)斗部進行毀傷的能源，也是各種武器驅(qū)動、爆炸裝置的動力源，能為火炮、火箭、導(dǎo)彈等提供能量，從而完成發(fā)射、推進和毀傷功能。現(xiàn)今，火炸藥的發(fā)展已然成為一個國家國防實力的體現(xiàn)。然而火炸藥具有易燃、易爆的化學(xué)特性，同時，在生產(chǎn)過程中高溫高壓設(shè)備較多，加工工藝復(fù)雜，且容易產(chǎn)生有毒、腐蝕性氣體，一旦操作不當(dāng)就可能發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故，導(dǎo)致人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失[2]。

火炸藥制造過程是一個涉及多工序、多因素、多工藝設(shè)備和多環(huán)境狀態(tài)精準(zhǔn)控制的復(fù)雜生產(chǎn)過程。目前，尚有部分復(fù)雜工序無法實現(xiàn)完全自動化，依舊需要工人進行傳統(tǒng)手工作業(yè)，危險度高，本質(zhì)安全性低，且由于不同工人熟練度不一樣，容易導(dǎo)致質(zhì)量波動，產(chǎn)品質(zhì)量一致性差[3]。此外，火炸藥的生產(chǎn)面臨資源利用率低、能耗高、污染物排放量大及環(huán)境污染嚴(yán)重等諸多問題[4-5]。一方面是因為無法對制造原料的成分、設(shè)備的工作狀態(tài)、制造的工藝參數(shù)以及成品質(zhì)量進行實時監(jiān)控和全面感知；另一方面是制造過程會受到原料、設(shè)備參數(shù)和工作環(huán)境等動態(tài)因素的影響，因此，需要根據(jù)這些影響因素實時對制造參數(shù)等運行指標(biāo)進行修正。如果運行參數(shù)人工調(diào)整不當(dāng)或不及時，將難以確保整個生產(chǎn)流程處于良好的運行狀態(tài)。為促進火炸藥制造向健康綠色方向發(fā)展，其生產(chǎn)過程必須要由過去的單純追求大型化、高速化、連續(xù)化，轉(zhuǎn)向注重提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、減少資源消耗與環(huán)境污染和可持續(xù)發(fā)展的軌道上來。因此，如何提高火炸藥制造工廠的自動化、智能化、本質(zhì)安全性并減少對環(huán)境的污染成為亟待解決的問題。

隨著工業(yè)4.0[6]和中國制造2025的提出[7]，我國逐漸從“三高”(高成本、高能耗、高排放)的傳統(tǒng)制造業(yè)生產(chǎn)模式向“自動化、數(shù)字化、智能化”新模式轉(zhuǎn)型，由此“黑燈工廠”逐漸走入了人們的視野，這也為火炸藥的全流程自動化智能制造帶來了契機。所謂的“黑燈工廠”是智能化時代的一種新形勢[8]，即使用自動化、智能化設(shè)備代替工人作業(yè)，解放大量人力物力，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。從工廠原材料到成品的交付，整個生產(chǎn)過程完全由自動控制的機器設(shè)備來完成。本文將從制造業(yè)黑燈工廠發(fā)展現(xiàn)狀展開論述，并對黑燈工廠的支撐技術(shù)進行分析，最后進行火炸藥制造過程黑燈工廠實現(xiàn)途徑的探討，為火炸藥黑燈工廠的實現(xiàn)提供參考依據(jù)。

2 制造業(yè)黑燈工廠發(fā)展現(xiàn)狀

近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)、AI(人工智能)、5G及大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)深度融合，傳統(tǒng)的流水線生產(chǎn)已逐漸被高度自動化機器人所取代，制造行業(yè)的黑燈工廠正在全球范圍內(nèi)加速落地。

2.1 國內(nèi)外離散制造行業(yè)黑燈工廠

慕尼黑寶馬生產(chǎn)基地已實現(xiàn)自動化+AI技術(shù)的全面升級[9]，90%的工作都是由機械臂和AI完成，工作效率大幅提高，焊接、沖壓、噴涂幾乎實現(xiàn)全部自動化，自動化瓶頸主要集中在裝配過程中小型部件和電氣部件等的復(fù)雜安裝；目前僅有的70個工人在日常工作中通過遠(yuǎn)程實現(xiàn)控制，安全隱患幾乎為零。日本FANUC機器人公司自2001年以來一直作為一家黑燈工廠運營[10]，機器人正在以每24小時班次約50套的速度建造其他機器人，并且可以在無人監(jiān)督的情況下一次運行長達30天。離散型制造行業(yè)黑燈工廠在我國也得到了較為廣泛的應(yīng)用。寶沃汽車秉承“嚴(yán)”“柔”“精”理念建立了全球首條8種車型柔性化產(chǎn)線[11]，可根據(jù)不同車型，在3 min內(nèi)實現(xiàn)整條產(chǎn)線的自動切換，同時，產(chǎn)線配有222套機器人定位系統(tǒng)，可滿足同一產(chǎn)線不同車身的定位。奇瑞汽車新建智能化焊裝生產(chǎn)線[12]，將產(chǎn)線調(diào)試周期縮短10～15天，機器人運行效率提升10%以上，焊接參數(shù)調(diào)試速度提升一半，充分展示了智能化產(chǎn)線的巨大優(yōu)勢。舍弗勒湘潭智能化生產(chǎn)基地采用模塊化工藝設(shè)計，囊括160多種數(shù)字化生產(chǎn)模塊，可根據(jù)產(chǎn)品種類的不同進行模塊任意組合，有效提高汽車制造效率和智能化水平[13]。海爾打造出可以實現(xiàn)柔性選配的自動化生產(chǎn)線[14]，可以根據(jù)用戶的定制信息自行完成產(chǎn)品的裝配，該產(chǎn)線使用iMES全程訂單執(zhí)行管理系統(tǒng)，裝備了200多個RFID、4 300多個傳感器、60個設(shè)備控制器，全面實現(xiàn)物料、設(shè)備與人的高度互聯(lián)。

2.2 國內(nèi)外流程制造行業(yè)黑燈工廠

美國大河鋼鐵廠將鋼鐵煉制過程進行集成，并配備了數(shù)十萬的傳感器和掃描儀對生產(chǎn)信息進行實時采集，通過AI技術(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進行分析、優(yōu)化以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率[15]。德國巴斯夫建立的試點化工智能工廠基于AI技術(shù)和無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)洗手液和洗發(fā)水等產(chǎn)品的柔性全自動生產(chǎn)。根據(jù)下達訂單，生產(chǎn)線可以自動調(diào)整要生產(chǎn)的產(chǎn)品種類并自動裝瓶[16]。為響應(yīng)國家綠色生產(chǎn)的號召，首鋼股份公司硅鋼一冷軋廠結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)對原有數(shù)字化生產(chǎn)線進行智能化升級[17]。通過提升作業(yè)設(shè)備、倉庫運輸系統(tǒng)的智能化水平以及搭建智能檢測系統(tǒng)等技術(shù)手段，將產(chǎn)品研發(fā)周期縮短30%，成本降低20%，同時大幅提高了生產(chǎn)效率。寶鋼冷軋廠C008熱鍍鋅“黑燈車間”實現(xiàn)了鋼卷自動拆捆、打捆、產(chǎn)品質(zhì)量自動判級及自動貼標(biāo)等工序自動化。鋼卷從庫區(qū)吊運出來直到發(fā)貨，可以做到信息不落地，全流程在線運作[18]。中韓(武漢)石化工廠完成智能巡檢終端、防爆移動視頻監(jiān)控布控球、融合語音視頻通信、各類傳感器數(shù)據(jù)采集和無線VOCs泄漏檢測等基于5G的深化應(yīng)用，實現(xiàn)園區(qū)內(nèi)云端智能化、監(jiān)控安全精準(zhǔn)化與綠色環(huán)保化[19]，實現(xiàn)產(chǎn)品入庫、智能倉儲、分揀、管理、出庫與運輸?shù)娜鞒套詣踊_保各類數(shù)據(jù)在設(shè)備之間、設(shè)備和控制平臺之間的無線高速傳輸及響應(yīng)。北京合利康源有限公司對中藥傳統(tǒng)調(diào)劑、煎煮等制作工藝進行改進，結(jié)合智能煎煮、中藥調(diào)劑云平臺等技術(shù)實現(xiàn)了藥品的自動化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)[20]。在提高生產(chǎn)效率、保證藥品質(zhì)量的同時，實現(xiàn)生產(chǎn)過程工藝參數(shù)實時監(jiān)控、生產(chǎn)資源合理管控與調(diào)度，有效地提高了運營效率。

然而，即使具有最大的自動化程度，黑燈工廠依舊無法真正做到黑燈和無人化。因為許多制造工作自動化設(shè)備及機器人依然無法勝任復(fù)雜變化作業(yè)。生產(chǎn)線巡檢、生產(chǎn)線控制調(diào)試設(shè)及設(shè)備的日常維護、檢修依舊需要通過人工實現(xiàn)。

3 制造業(yè)黑燈工廠的關(guān)鍵技術(shù)

實現(xiàn)制造業(yè)黑燈工廠的關(guān)鍵技術(shù)包括自動化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)和智能化技術(shù)。其中，自動化技術(shù)[21]是基礎(chǔ)，自動化實現(xiàn)機器/設(shè)備在無人干預(yù)的情況下，按照給定指令和程序自動完成作業(yè)，不僅將操作人員從繁重勞務(wù)和危險環(huán)境中解放出來，而且極大地提高了生產(chǎn)效率；數(shù)字化技術(shù)[22]是支撐，數(shù)字化將物理系統(tǒng)在計算機系統(tǒng)內(nèi)匯總仿真虛擬出來，將復(fù)雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一記錄、分析處理并反過來指導(dǎo)決策及運轉(zhuǎn)；智能化技術(shù)[23]是靈魂，智能化使機器具備靈敏準(zhǔn)確的感知功能、正確的思維與判斷功能、自適應(yīng)的學(xué)習(xí)功能，以及行之有效的執(zhí)行功能，降低管理人員的決策難度，提升決策效率。

3.1 自動化技術(shù)

自動化技術(shù)替代制造現(xiàn)場簡單重復(fù)作業(yè)的人工可以有效降低勞動力成本和錯誤率。機器更擅長始終如一地執(zhí)行重復(fù)性任務(wù)，并且它們在長時間內(nèi)以極小的變化執(zhí)行任務(wù)。自動化技術(shù)包括自動化倉儲、自動化物流、自動化作業(yè)設(shè)備和自動化控制系統(tǒng)。自動化倉儲[24]實現(xiàn)貨物入庫、存貨再到出庫的全自動無人穩(wěn)定運輸，其使用自動化立體庫、條碼標(biāo)簽等技術(shù)動態(tài)規(guī)劃最優(yōu)路徑，將貨物運送至指定位置，具有倉庫占地面積小、庫存量大、信息同步性高、最大限度提高貨物的周轉(zhuǎn)速度、降低貨物破損率等諸多優(yōu)點。自動化物流[25]實現(xiàn)自動配送，配送信息實時反饋。在制造過程的運輸環(huán)節(jié)，通過AGV運輸小車系統(tǒng)對下達的生產(chǎn)任務(wù)與現(xiàn)場各環(huán)節(jié)物料運輸需求進行響應(yīng)，實現(xiàn)貫通整個現(xiàn)場的物流運輸；在上下料環(huán)節(jié)，利用自動化手段實現(xiàn)物流運輸終端與制造工位的銜接，形成物流與信息流的閉環(huán)。自動化作業(yè)設(shè)備[26]實現(xiàn)無人工況下設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定工藝參數(shù)要求進行產(chǎn)品制造成型、裝藥、裝配、檢測等機械化作業(yè)。與傳統(tǒng)人工作業(yè)相比，自動化作業(yè)設(shè)備減少了人為不可控因素，保證作業(yè)精準(zhǔn)度，提升產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性和生產(chǎn)效率，同時降低操作者勞動強度和危險性。此外，自動化制造設(shè)備具有工藝參數(shù)實時反饋、設(shè)備狀態(tài)(運行狀態(tài)、振動、溫度、聲音等)實時監(jiān)控等功能，提供可預(yù)測維護與問題預(yù)警。自動化控制系統(tǒng)[27]實現(xiàn)整個生產(chǎn)流程的精準(zhǔn)控制，該系統(tǒng)對設(shè)備采集的工藝參數(shù)進行在線分析、在線調(diào)整，并將其反饋給自動化設(shè)備，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)的閉環(huán)精準(zhǔn)執(zhí)行，這極大程度上確保了制造精度和產(chǎn)品質(zhì)量。

3.2 數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)貫穿了設(shè)計、制造、維護等產(chǎn)品的全生命周期[28]，是計算機系統(tǒng)在制造服務(wù)、供應(yīng)鏈及產(chǎn)品和流程中的應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)打破了各部門之間的數(shù)據(jù)壁壘，讓數(shù)據(jù)真正地流動起來，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，使得設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與產(chǎn)線、工廠與工廠之間無縫連接，將所有生產(chǎn)領(lǐng)域的系統(tǒng)和流程聯(lián)系起來，創(chuàng)建從設(shè)計到生產(chǎn)再到最終產(chǎn)品的集成。數(shù)字化技術(shù)通過統(tǒng)一不同部分的制造流程，并創(chuàng)建自動數(shù)據(jù)交換，消除了由于紙質(zhì)流程中常見的數(shù)據(jù)丟失或誤解而導(dǎo)致的錯誤；通過建模和仿真流程提供的實時制造可見性為關(guān)鍵決策提供了更好的洞察力，有效地提高了制造決策的質(zhì)量。數(shù)字化分為3個主要領(lǐng)域：產(chǎn)品生命周期、智能工廠和價值鏈管理。

產(chǎn)品生命周期[29]從工程設(shè)計開始，再到采購、生產(chǎn)和使用壽命，每個步驟都使用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，以便在制造過程中對設(shè)計規(guī)范進行修改；智能工廠[30]使用智能機器、傳感器和工具來提供有關(guān)流程和制造技術(shù)的實時反饋。通過結(jié)合運營技術(shù)和信息技術(shù)，數(shù)字化可以提高工廠流程、控制和優(yōu)化的可見性，從而提高生產(chǎn)效率；價值鏈管理[31]的重點是減少資源浪費與降低生產(chǎn)成本的同時，保持產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度。

3.3 智能化技術(shù)

智能化技術(shù)的應(yīng)用將全面替代現(xiàn)場高技能人工，以及設(shè)計、工藝、管理等領(lǐng)域?qū)＜遥嬲龑崿F(xiàn)黑燈工廠。智能化技術(shù)包括大數(shù)據(jù)[32]、云計算[33]、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)[34]以及數(shù)字孿生[35]等多種技術(shù)手段。大數(shù)據(jù)技術(shù)是智能化的基石，而智能化是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的體現(xiàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)量足夠大時，智能決策問題便可以轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)問題，大數(shù)據(jù)技術(shù)通過海量數(shù)據(jù)的全面實時感知、端到端深度集成和智能化建模分析，將企業(yè)分析決策水平提升到了全新高度；云計算將分布式計算和數(shù)據(jù)放在大量的分布式計算機上，在數(shù)萬臺計算機的云海中提供強大的計算和存儲能力，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)向智能化方向發(fā)展。完整的云計算可以實現(xiàn)資源的動態(tài)部署、動態(tài)分配和資源使用的實時監(jiān)控[36]；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將智能終端、移動計算模式、移動網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)的各個方面，是工業(yè)系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)以及高級計算、分析、傳感技術(shù)的高度融合。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通過協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)分析與行動，提升工業(yè)效率，提高制造效率，從而實現(xiàn)智能工業(yè)；數(shù)字孿生技術(shù)通過建立物理實體的精確數(shù)字模型以及物理實體與模型之間的通信關(guān)系，可以雙向映射數(shù)字模型和物理實體，從而可以使用物理實體的數(shù)據(jù)不斷修改孿生模型，孿生模型經(jīng)過診斷、預(yù)測和評估后，可以將仿真結(jié)果輸出到控制器，用于物理實體的狀態(tài)控制，從而實現(xiàn)孿生模型和物理實體之間的一致性。使用數(shù)字孿生技術(shù)可以將工業(yè)領(lǐng)域的產(chǎn)品生命周期管理流程延伸到設(shè)備生產(chǎn)、操作的現(xiàn)場，建立起一個完整、閉環(huán)的“設(shè)計-制造-運營-優(yōu)化”的產(chǎn)品周期，從而實現(xiàn)持續(xù)改進、降低生產(chǎn)成本和提高質(zhì)量。

4 實現(xiàn)火炸藥黑燈工廠的途徑探析

我國火炸藥制造行業(yè)正在由間斷式生產(chǎn)向自動化、連續(xù)化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型，數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用及黑燈工廠的建設(shè)初見雛形，未來工作任務(wù)道阻且長。本節(jié)將從全流程自動化技術(shù)、數(shù)字化建模與集成調(diào)控、人工智能制造和優(yōu)化決策以及制造過程的安全防護技術(shù)等4個方面進行火炸藥黑燈工廠實現(xiàn)途徑的探討，為早日實現(xiàn)火炸藥黑燈工廠提供有價值的參考。

4.1 全流程自動化技術(shù)

4.1.1 高柔性自動化工藝與設(shè)備

為取締傳統(tǒng)的復(fù)雜工藝手工作業(yè)模式，實現(xiàn)全流程自動化生產(chǎn)，首先，應(yīng)從源頭著手，優(yōu)化制造工藝，梳理再制造流程，讓生產(chǎn)流程及所有生產(chǎn)作業(yè)都固定化，并盡量將復(fù)雜制造過程分解為多個重復(fù)不變的簡單作業(yè)的組合；其次，在工藝及流程優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對物流、搬運、上下料、混合、攪拌、裝藥、檢測等工序進行分類，通過成熟的機器人、AGV運輸小車、傳輸線、提升機、稱量、加料捏合、成型等工藝設(shè)備，實現(xiàn)簡單重復(fù)作業(yè)的無人化；最后，依靠成熟自動化技術(shù)，研制系列化、通用化裝備，并基于視覺感知、力感知等結(jié)合智能控制算法，提高復(fù)雜工序的自動化水平。

由于傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式都是針對單一產(chǎn)品進行的產(chǎn)線設(shè)計和建設(shè)[37]，無法兼顧其他產(chǎn)品的生產(chǎn)，生產(chǎn)線改造成本高，周期長，無法實現(xiàn)新型號產(chǎn)品的快速生產(chǎn)。為適應(yīng)當(dāng)前武器裝備更新?lián)Q代速度，需要在火炸藥產(chǎn)品自動化制造、裝配工藝的基礎(chǔ)上，對各道工序進行模塊化處理，建立模塊化柔性生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線由各種單元設(shè)備模塊以系統(tǒng)的、合理的方式進行組合，使得生產(chǎn)線具備較高的柔性和應(yīng)變能力。面對不同型號產(chǎn)品的制造需要，通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)各單元模塊的移動和快速重組，在短時間內(nèi)實現(xiàn)新型火炸藥產(chǎn)品的生產(chǎn)。

4.1.2 工藝、質(zhì)量參數(shù)自動化檢測

1)工藝參數(shù)在線檢測技術(shù)。

現(xiàn)有部分火炸藥生產(chǎn)線在規(guī)劃設(shè)計時并沒有覆蓋全部生產(chǎn)過程的測控，在一些關(guān)鍵點位也沒有設(shè)計相關(guān)的質(zhì)量數(shù)據(jù)傳感器和控制回路，導(dǎo)致現(xiàn)有的生產(chǎn)線控制系統(tǒng)無法采集生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)信息，關(guān)鍵點位的工藝參數(shù)采集和質(zhì)量信息采集存在很多不足，局部工序的控制調(diào)節(jié)回路也存在欠缺。關(guān)鍵點位的質(zhì)量信息數(shù)據(jù)實時在線感知與調(diào)控是實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字化管控和智能決策優(yōu)化的基礎(chǔ)與必要前提。因此，需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上采集和調(diào)控更多的數(shù)據(jù)信息，以獲取基于時間和空間等多個維度的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備運行數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)等，從而為質(zhì)量控制模型提供穩(wěn)定可靠且真實詳盡的數(shù)據(jù)支撐。生產(chǎn)線數(shù)據(jù)在線檢測采集與管理過程如圖1所示。

圖1 工藝參數(shù)在線檢測技術(shù)

隨后，通過實時網(wǎng)關(guān)接收生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包，進行實時解析、處理后，存入實時數(shù)據(jù)庫。實時數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)融合、抽取、處理、裝載等，存入生產(chǎn)執(zhí)行管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。生產(chǎn)管理根據(jù)需要從2個數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)查詢、對比分析、歷史數(shù)據(jù)追溯、可視化顯示等公共操作。在生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)執(zhí)行管理系統(tǒng)的其他模塊可以結(jié)合業(yè)務(wù)需求調(diào)用這些公共模塊，實現(xiàn)進度、質(zhì)量、設(shè)備運行的監(jiān)控和管理功能。

2)產(chǎn)品質(zhì)量在線檢測技術(shù)。

目前生產(chǎn)過程中火炸藥產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)主要依靠人工檢測和記錄，難以避免人為因素對檢測結(jié)果的影響，并且檢測數(shù)據(jù)只是被簡單記錄，未能進行有效分析。針對這些問題，需要實現(xiàn)關(guān)鍵工序質(zhì)量狀態(tài)在線檢測：a.采用測距傳感器、視覺及稱重等先進的測量傳感器，實現(xiàn)質(zhì)量參數(shù)的全自動、高精度測量，同時監(jiān)控環(huán)境條件，完全消除人為因素干擾；b.檢測數(shù)據(jù)與產(chǎn)品綁定，便于產(chǎn)品質(zhì)量追溯；c.不合格品自動剔除，利于生產(chǎn)現(xiàn)場管理；d.具備檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析功能，為產(chǎn)品質(zhì)量提升提供數(shù)據(jù)支撐。

對于尺寸和重量類的質(zhì)量參數(shù)均可通過添加測距傳感器和稱重傳感器等裝置，并設(shè)計相應(yīng)的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)該部分質(zhì)量參數(shù)的在線檢測。而對于產(chǎn)品外觀質(zhì)量，可使用基于面陣相機的視覺識別技術(shù)實現(xiàn)外觀質(zhì)量的在線檢測。

4.1.3 人機協(xié)同遙操作技術(shù)

自動化設(shè)備雖然實現(xiàn)簡單工藝自動化并提高了復(fù)雜工藝的自動化水平，但是部分火炸藥產(chǎn)品制造涉及高危且復(fù)雜工序尚無法實現(xiàn)自動化作業(yè)，以藥柱整型為例，該過程必須由工人利用刀具對藥柱進行精準(zhǔn)修型，由于在制造過程中的摩擦和切削，熱量和擠壓極易引起爆炸，因此該工序通常由最具經(jīng)驗的操作人員來完成，危險系數(shù)極高。在新一代萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的驅(qū)動下，跨域人機協(xié)同作業(yè)替代高技能工人在現(xiàn)場進行高危險復(fù)雜作業(yè)的生產(chǎn)過程成為了可能[38]，遙操作流程如圖2所示。

圖2 復(fù)雜精密作業(yè)的人機協(xié)同遙操作示意圖

高危險復(fù)雜精密作業(yè)的人機協(xié)同遙操作是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和操作人員的有效融合。分布在生產(chǎn)全流程的多傳感器實時采集被制造對象的狀態(tài)信息，并通過視覺、力覺反饋等技術(shù)手段將遠(yuǎn)程作業(yè)狀態(tài)反饋給操作者，操作者根據(jù)經(jīng)驗操作主端控制器達到人機協(xié)同作業(yè)目的。使用人機協(xié)同遙操作實現(xiàn)高危險復(fù)雜精密作業(yè)涉及人機協(xié)作過程中多源誤差建模分析、基于網(wǎng)絡(luò)與控制融合的人機協(xié)作控制、設(shè)計-生產(chǎn)跨域的容差動態(tài)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)。

1)人機協(xié)作過程中多源誤差建模分析。

人機協(xié)同過程中涉及機械傳遞誤差、作業(yè)對象彈性變形誤差、測量誤差、網(wǎng)絡(luò)延時誤差及計算延時誤差等多種固定及隨機誤差。網(wǎng)絡(luò)和計算延時不確定性隨機誤差的引入及多種誤差的耦合作用，導(dǎo)致人機協(xié)同過程多因素誤差動態(tài)傳遞耦合規(guī)律不清，不確定誤差對控制系統(tǒng)控制律的影響規(guī)律不清。傳統(tǒng)的人機協(xié)同誤差建模著重研究單一誤差因素，主要考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中相關(guān)幾何特征的誤差，未進行全局誤差及耦合機理研究，致使誤差預(yù)測及補償精度低，人機協(xié)同作業(yè)精度差。因此，人機協(xié)同的高精度作業(yè)需要探索人機協(xié)同過程多因素誤差動態(tài)傳遞耦合機理，構(gòu)建其動態(tài)預(yù)測模型，實現(xiàn)誤差的高精度補償，從而提升其作業(yè)精度。

2)高精度人機協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。

復(fù)雜危險作業(yè)環(huán)境下，尤其是針對高危險、高精度需求的操作對象，要求網(wǎng)絡(luò)化遙操作系統(tǒng)的人機協(xié)同控制具有高透明性、高精準(zhǔn)性、高魯棒性和高穩(wěn)定性。傳統(tǒng)的基于波變量和散射理論的方法、無源性方法、小增益定理方法、滑模控制等[39-40]在解決這種復(fù)雜多閉環(huán)問題時均有不同程度的局限性，無法同時滿足系統(tǒng)的綜合高性能要求。在人機協(xié)同作業(yè)中使操作者獲得臨場感是重要目標(biāo)，因此，應(yīng)分析人機協(xié)同控制中的透明性機制并建立其約束模型，并在此基礎(chǔ)上分析透明性約束下的控制系統(tǒng)同步性能；為了完成網(wǎng)絡(luò)化遙操作機器人的高精度控制任務(wù)，采用基于切換的類描述性能控制方法，在獲得主從機器人同步誤差后，設(shè)計基于動態(tài)補償思想的控制策略；復(fù)雜危險環(huán)境的人機協(xié)同遙操作機器人運行于動態(tài)變化的、非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，存在作業(yè)對象危險性高、人機信息流互動頻次高、受控系統(tǒng)模型不確定性等不利條件，因此應(yīng)構(gòu)建控制系統(tǒng)模型穩(wěn)定性及判據(jù)模型進行復(fù)雜場景下的系統(tǒng)魯棒性、穩(wěn)定性分析從而保證協(xié)同控制系統(tǒng)具備較高的魯棒性和穩(wěn)定性。

4.1.4 設(shè)備高可靠安全控制技術(shù)

容錯與冗余技術(shù)[41]是提高工作可靠性的重要手段，主要從采用具有容錯能力的控制器、服務(wù)器、雙機熱備技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)冗余以及電源系統(tǒng)冗余設(shè)計等多個方面保證設(shè)備功能可靠性。而設(shè)備的安全性則通過多重互鎖控制來保證，主要通過制定設(shè)備故障時應(yīng)急響應(yīng)機制、工藝異常時應(yīng)急響應(yīng)機制及功能異常時的應(yīng)急響應(yīng)機制，以實現(xiàn)設(shè)備的高安全控制。冗余容錯及多重互鎖的控制策略示意圖如圖3所示。

圖3 冗余容錯及多重互鎖的控制策略

1)冗余容錯控制。采用高可靠性冗余控制器構(gòu)建安全控制系統(tǒng)，使其具有容錯能力，完成各作業(yè)設(shè)備的總體協(xié)調(diào)運行，實現(xiàn)總體在線監(jiān)視、數(shù)據(jù)記錄、過程控制與調(diào)度管理，并將發(fā)生生產(chǎn)故障危險的程度降到最低。容錯自動化系統(tǒng)由具有冗余功能的CPU控制器、雙電源模塊、多PN通信接口模塊、多種PROFINET總線冗余及分布式I/O模塊構(gòu)成其核心硬件部分。通過PROFINET冗余總線系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)實時同步地完成工房所有設(shè)備控制器的總體協(xié)調(diào)運行，對控制系統(tǒng)進行以冗余為主導(dǎo)的容錯控制。

2)多重互鎖控制。針對智能單元可能發(fā)生的設(shè)備不受控、檢測傳感器失靈、參數(shù)超限和設(shè)備故障等緊急情況，制定互鎖控制預(yù)案，當(dāng)發(fā)生上述情況時，設(shè)備控制系統(tǒng)立刻將危險信號發(fā)送給安全互鎖控制系統(tǒng)，并由安全互鎖控制系統(tǒng)分配不同危險等級，將信號發(fā)送給設(shè)備，設(shè)備執(zhí)行預(yù)設(shè)動作。設(shè)備故障時安全互鎖過程如下：當(dāng)檢測到某個工藝設(shè)備及傳感器故障時，相關(guān)檢測傳感器返回故障信號，控制器報警，將報警信息通過硬接線方式發(fā)送至聯(lián)鎖控制器，并通過控制器控制著故障設(shè)備、關(guān)聯(lián)設(shè)備和過程儀器、儀表迅速執(zhí)行指定安全動作，在有固定和巡檢人員的房間聲光報警，保證相關(guān)人員快速撤離至安全區(qū)域。

4.2 數(shù)字化建模與集成調(diào)控技術(shù)

4.2.1 數(shù)字化建模技術(shù)

火炸藥制造過程包含多道工序，涉及大量工藝參數(shù)，多參數(shù)耦合作用過程極為復(fù)雜。因其影響因素多，內(nèi)在機理復(fù)雜，實現(xiàn)精準(zhǔn)建模難度極大，簡化后模型又無法準(zhǔn)確表達其內(nèi)在的行為方式。而通過機理模型直接實時控制生產(chǎn)的準(zhǔn)確性及實時性都難以保證。大數(shù)據(jù)分析及機器學(xué)習(xí)方法[42]為解決復(fù)雜機理模型提供了新的技術(shù)途徑，其直接從實際生產(chǎn)及實驗中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)總結(jié)規(guī)律，可繞過復(fù)雜機理障礙得到黑匣模型，通過數(shù)據(jù)的不斷積累及模型的不斷優(yōu)化，可以有效地補充簡化機理模型帶來的缺陷，提高模型的準(zhǔn)確度及實時性，可直接用于指導(dǎo)生產(chǎn)。基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)的數(shù)字化建模流程如圖4所示。

圖4 基于機器學(xué)習(xí)技術(shù)的數(shù)字化建模流程

1)典型樣本數(shù)據(jù)集特征選取。由于火炸藥制造過程機理復(fù)雜，工藝參數(shù)眾多，如此高維度的數(shù)據(jù)將會導(dǎo)致在線訓(xùn)練效率低、學(xué)習(xí)模型過擬合、可理解性低、信息冗余以及預(yù)測精度低等問題，不利于后續(xù)利用機器學(xué)習(xí)方法進行建模。因此，在產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測模型訓(xùn)練之前，應(yīng)進行關(guān)鍵特征的選擇。特征選擇是在依據(jù)某些評估準(zhǔn)則下，從樣本特征集合中選取合適的子集或者對原有變量集合進行某些操作，使生成新的特征加入到最優(yōu)特征子集合中，為后續(xù)算法提供更優(yōu)的模型。

2)基于機器學(xué)習(xí)的質(zhì)量預(yù)測模型構(gòu)建。采用支撐向量機[43]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[44]等機器學(xué)習(xí)方法構(gòu)建產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測黑匣模型。根據(jù)工藝及質(zhì)量采集數(shù)據(jù)，通過實際工藝試驗下的質(zhì)量狀態(tài)樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練構(gòu)建機器學(xué)習(xí)模型，同時通過實驗?zāi)M數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、實際應(yīng)用生產(chǎn)數(shù)據(jù)的不斷積累，在質(zhì)量優(yōu)化模型中不斷迭代，以實現(xiàn)質(zhì)量模型的循環(huán)修正，達到火炸藥產(chǎn)品質(zhì)量的精準(zhǔn)預(yù)測。

3)基于遷移學(xué)習(xí)的模型擴展。考慮到火炸藥生產(chǎn)過程大量歷史數(shù)據(jù)不完整、人工進行數(shù)據(jù)標(biāo)定耗時費力、可用高質(zhì)量數(shù)據(jù)稀少以及算力資源不足等問題，通過實驗補充高質(zhì)量精確數(shù)據(jù)，并構(gòu)建實驗環(huán)境下的產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)測模型，然后根據(jù)實驗環(huán)境(源域)和生產(chǎn)環(huán)境(目標(biāo)域)的特征空間和數(shù)據(jù)分布的相似性，根據(jù)一定的權(quán)重生成規(guī)則，對數(shù)據(jù)樣本進行重用，基于遷移學(xué)習(xí)[45]將實驗環(huán)境學(xué)習(xí)過的模型應(yīng)用在生產(chǎn)環(huán)境上。

4.2.2 生產(chǎn)線數(shù)字化集成調(diào)控技術(shù)

數(shù)字化技術(shù)打破了各生產(chǎn)單元間的數(shù)據(jù)壁壘，集動態(tài)指揮調(diào)度、實時閉環(huán)生產(chǎn)管控、智能精準(zhǔn)物流配送、自適應(yīng)柔性裝藥、在線質(zhì)量檢測于一體，達到全生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)閉環(huán)驅(qū)動與優(yōu)化。總體流程如下。

1)仿真優(yōu)化系統(tǒng)開展生產(chǎn)過程仿真與優(yōu)化，指導(dǎo)生產(chǎn)線布局優(yōu)化、資源配置優(yōu)化，向生產(chǎn)線下發(fā)優(yōu)化定型后生產(chǎn)流程方案與關(guān)鍵工藝參數(shù)。

2)生產(chǎn)線根據(jù)下發(fā)的生產(chǎn)訂單和工藝下發(fā)的物料清單，利用數(shù)字化管控系統(tǒng)生成作業(yè)計劃，結(jié)合設(shè)備、庫房等資源信息，進行計劃分解和生產(chǎn)排產(chǎn)，生成執(zhí)行工單、配料計劃，將任務(wù)派送至各工位。

3)將物料提前配送至生產(chǎn)線，并完成檢驗入庫及編碼，根據(jù)車間配料計劃利用AGV調(diào)度系統(tǒng)調(diào)度AGV小車完成零部件的自動精準(zhǔn)配送，并根據(jù)工藝要求對物料進行實時自動跟蹤定位及正確性判定。

4)現(xiàn)場設(shè)備利用現(xiàn)場控制器及終端，接收自動作業(yè)指令，接收執(zhí)行工單任務(wù)，通過條碼識別技術(shù)對物料進行自動識別及準(zhǔn)確性判定，按照標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)要求，依靠參數(shù)檢測設(shè)備在管控系統(tǒng)的閉環(huán)監(jiān)控下，準(zhǔn)確準(zhǔn)時地進行作業(yè)。

5)現(xiàn)場工位將生產(chǎn)進度、物料、質(zhì)量、設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境等數(shù)據(jù)自動采集到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并反饋到執(zhí)行管控系統(tǒng)，各測量測試設(shè)備自動采集數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)并反饋到執(zhí)行管控系統(tǒng)，AGV狀態(tài)信息實時反饋到AGV調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)物流優(yōu)化調(diào)度。

6)當(dāng)現(xiàn)場出現(xiàn)換型生產(chǎn)、設(shè)備故障、質(zhì)量異常及緊急插單等問題，管控系統(tǒng)排產(chǎn)模塊重新進行動態(tài)排產(chǎn)，及時調(diào)整作業(yè)計劃，通過資源動態(tài)優(yōu)化調(diào)整及重構(gòu)方法滿足新的任務(wù)要求，進行生產(chǎn)任務(wù)的實時調(diào)整及調(diào)度；如果現(xiàn)有資源不滿足任務(wù)要求，實時把信息反饋到上級系統(tǒng)，上級計劃人員重新制定新的生產(chǎn)計劃和采購計劃。

7)生產(chǎn)過程中的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過可視化管控中心進行實時展示，主要展示生產(chǎn)計劃信息、設(shè)備狀態(tài)信息、異常報警信息及生產(chǎn)監(jiān)控、不同設(shè)備上的工單執(zhí)行信息和質(zhì)量信息等。

8)生產(chǎn)過程中通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時采集的物料狀態(tài)、工藝參數(shù)、設(shè)備運行狀態(tài)、檢測數(shù)據(jù)等形成質(zhì)量數(shù)據(jù)包；發(fā)生質(zhì)量問題時，通過質(zhì)量管控模塊中的質(zhì)量數(shù)字化模型定位質(zhì)量問題點，并在質(zhì)量數(shù)據(jù)包中通過質(zhì)量判定規(guī)則追溯質(zhì)量問題產(chǎn)生的原因。

4.3 人工智能制造與優(yōu)化決策技術(shù)

4.3.1 智能工業(yè)機器人技術(shù)

智能工業(yè)機器人[46]集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體，是實現(xiàn)智能制造的代表性裝備，是智能制造的重要技術(shù)載體。為滿足火炸藥制造對高安全、高精準(zhǔn)、高復(fù)雜作業(yè)的需求，實現(xiàn)智能工業(yè)機器人取代技術(shù)工人從事復(fù)雜作業(yè)，應(yīng)進行復(fù)雜場景智能感知、移動定位與自主導(dǎo)航、高靈巧性機構(gòu)設(shè)計、動作規(guī)劃與智能控制、多任務(wù)調(diào)度與協(xié)調(diào)規(guī)劃及安全作業(yè)等技術(shù)的研究。深入開展機器人、人工智能與火炸藥制造工藝交叉融合的智能機器人技術(shù)研究，開發(fā)火炸藥領(lǐng)域機器人應(yīng)用系統(tǒng)，包括面向復(fù)雜危險制造工藝的智能作業(yè)機器人技術(shù)與系統(tǒng)、面向火炸藥柔性制造的機器人技術(shù)與系統(tǒng)。

4.3.2 人工智能優(yōu)化決策技術(shù)

火炸藥的制造屬于高耗能行業(yè)，為響應(yīng)國家號召，促進火炸藥制造向健康綠色方向發(fā)展，應(yīng)從傳統(tǒng)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)向注重降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染和資源消耗的可持續(xù)發(fā)展路線。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，將火炸藥制造工藝與人工智能技術(shù)結(jié)合，通過大數(shù)據(jù)、知識工程與機理分析相結(jié)合，基于數(shù)字化模型實現(xiàn)生產(chǎn)過程及質(zhì)量的自主判斷以及制造工藝的自學(xué)習(xí)優(yōu)化。

火炸藥黑燈工廠涉及人-機-物的深度融合，需要建立極其復(fù)雜的優(yōu)化決策系統(tǒng)實現(xiàn)整個生產(chǎn)流程的自優(yōu)化運行[47]。在滿足市場需求、企業(yè)生產(chǎn)能力指標(biāo)(設(shè)備性能、工藝指標(biāo))、可投入資源以及節(jié)能減排、環(huán)保等諸多約束的前提下，對火炸藥生產(chǎn)全流程進行優(yōu)化決策，以達到增加產(chǎn)量、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗、減少排放、節(jié)約成本的最終目的。

火炸藥生產(chǎn)流程優(yōu)化決策是在多個決策控制系統(tǒng)的協(xié)同作用下實現(xiàn)的，系統(tǒng)構(gòu)架如圖5所示，其中包括面向工藝參數(shù)等生產(chǎn)指標(biāo)的優(yōu)化決策系統(tǒng)、生產(chǎn)過程的協(xié)同控制系統(tǒng)以及自主運行控制系統(tǒng)。決策優(yōu)化系統(tǒng)通過對虛擬的制造流程進行仿真分析進行產(chǎn)線的前饋決策矯正，隨后基于大數(shù)據(jù)和在線檢測相結(jié)合的方式對現(xiàn)場工況進行識別和反饋，并快速完成優(yōu)化決策。通過決策優(yōu)化系統(tǒng)的實時動態(tài)決策，可以感知生產(chǎn)過程中產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率、制造成本、能耗物耗以及安全運行狀態(tài)等生產(chǎn)指標(biāo)的動態(tài)變化，并在最短時間內(nèi)對各級控制系統(tǒng)發(fā)出指令，對自動化設(shè)備的運行參數(shù)做出調(diào)整，始終保證生產(chǎn)過程整體優(yōu)化運行，實現(xiàn)綜合生產(chǎn)指標(biāo)(能耗、效率、產(chǎn)品質(zhì)量、成本等)的自優(yōu)化運行。

圖5 生產(chǎn)過程人工智能優(yōu)化決策系統(tǒng)構(gòu)架示意圖

4.4 火炸藥制造過程安全防護技術(shù)

火炸藥制造過程屬于高危險作業(yè)，存在多種風(fēng)險點及風(fēng)險因素。在制備過程中，含能物料可能會受到熱、撞擊和摩擦等多種外界因素的耦合刺激。為保證火炸藥自動化制造過程的本質(zhì)安全，基于生產(chǎn)全流程的安全防護技術(shù)至關(guān)重要。但火炸藥整體制造流程較為復(fù)雜，為得到風(fēng)險抑制及安全防控方法，應(yīng)綜合考慮相關(guān)物料安全特性、演變特性及相關(guān)危險因素辨識、安全性能仿真、安全邊界條件等多種因素，具體研究內(nèi)容如下。

1)含能物料安全特性研究。分別對火炸藥制作涉及到的多種含能物料的熱感度、火焰感度、電感度以及沖擊波感度等關(guān)鍵特性參數(shù)進行表征和測試。火炸藥關(guān)鍵特性參數(shù)如圖6所示。

圖6 火炸藥關(guān)鍵特性參數(shù)

2)危險刺激因素辨識及安全性能仿真。精準(zhǔn)的危險因素辨識是實現(xiàn)火炸藥自動化安全制造的重要保證。首先，對不同過程中的危險刺激因素進行辨識；隨后，將開展制造關(guān)鍵工序的安全性能仿真，建立過程安全性能仿真模型，模擬制造過程關(guān)鍵工序熱場、力場變化特點，得出制造過程中相關(guān)刺激因素的安全邊界條件，實現(xiàn)路徑如圖7所示。

圖7 關(guān)鍵工序安全性能仿真流程

3)自動化制造過程安全防護。基于火炸藥制造過程安全防控技術(shù)，結(jié)合物料安全特性數(shù)據(jù)分析及制造過程安全性能仿真設(shè)計結(jié)果，進行自動化制造過程風(fēng)險因素及邊界條件分析，形成風(fēng)險抑制及安全防控方法，完成裝藥、裝配過程安全防控技術(shù)設(shè)計，安全防控技術(shù)實現(xiàn)路徑如圖8所示。

圖8 制造過程安全防控技術(shù)實現(xiàn)途徑

5 結(jié)語

目前我國火炸藥生產(chǎn)正處于轉(zhuǎn)型期，自動化、連續(xù)化生產(chǎn)技術(shù)已初步形成。在此基礎(chǔ)上進一步實現(xiàn)黑燈工廠是行業(yè)要求也是大勢所趨，需要借助行業(yè)內(nèi)外力量，協(xié)同攻關(guān)，進行體制系規(guī)劃。為實現(xiàn)火炸藥黑燈工廠在未來需要進行如下突破。

1)深化機理研究、進行工藝深度改革：深化工藝機理及安全感度研究，為工藝優(yōu)化及裝備研制提供基礎(chǔ)。不在落后的工藝基礎(chǔ)上強行建設(shè)黑燈工廠，在先進工藝基礎(chǔ)上，進行自動化和數(shù)字化，事半功倍。

2)形成標(biāo)準(zhǔn)化工藝裝備及解決方案：集中精力優(yōu)先突破一批共性工藝裝備，形成可復(fù)制推廣的共性解決方案。

3)實現(xiàn)深度數(shù)字化并進一步提升智能化：基于數(shù)字化技術(shù)將數(shù)字孿生、人工智能等新技術(shù)與火炸藥制造工藝結(jié)合，實現(xiàn)安全、質(zhì)量、效率自判定、自學(xué)習(xí)、自優(yōu)化，建成真正意義的無憂黑燈工廠。