制造企業生產現場數字化轉型路徑研究

蔡 薇， 崔一輝

（中國航空發動機集團有限公司， 北京 100089）

0 引言

新時代十年，是我國經濟社會發展取得歷史性成就、發生歷史性變革和轉向高質量發展的時期。10 年來，數據作為繼土地、勞動力、資本和技術之后成為第5 項新型生產力要素，極大地改變了當代經濟發展范式，實體經濟擁抱數字技術實現變革躍升成為必然之路。制造業作為實體經濟的關鍵組成部分，進行數字變革，推進新型工業化，是實現國家高質量發展的重要舉措，也是遵循產業發展規律的自我提升路徑。

1 數字化背景下的軍工制造企業轉型方向

企業要開展數字化轉型，應深入理解行業特性、掌握用戶需求，明確企業發展目標、規劃發展路線，確立數字化轉型方向、設計轉型路徑并儲備工具方法。GE 公司通過重新制定公司戰略，將企業的經營重心回歸到航空、發電和可再生能源等工業戰略領域，通過開發工業軟件平臺、推行卓越制造等行動，進行數字化持續轉型[1]。

在我國，傳統制造業的產品設計相對固定，經營模式相對穩定，變革通常將目標放在降低成本、擴大再生產方面。軍工制造企業屬于傳統制造業，存在生產能力偏低、質量不穩定和制造成本偏高等問題。同時，也具有設計改型頻繁、同型產品小批生產、制造周期較長和供應鏈條長等行業特色。為實現強軍目標，軍工制造企業往往以快速設計研發產品、多樣化小批量快速生產、提升供應保障能力和科研生產效益為數字化變革方向，以堅持聚焦主業，堅持自主創新為發展原則，以產品交付為企業核心價值，不斷提高企業技術壁壘、降低生產成本、精準服務用戶，實現低碳化發展，為國家提供戰略保障。

圍繞企業發展戰略，聚焦解決關鍵問題，中國航發以主價值鏈為工作核心，從面向研發、面向生產、面向供應鏈和服務保障四個方面，協同推進企業運營體系優化升級與體系數字化，實行與現代生產力相適應的生產方式和組織機制變革，配合運用數字理念、工具和方法等，建立覆蓋全系統、全方位和全過程的價值創造空間，按需動態配置全價值鏈資源，提升企業價值創造核心能力，為用戶提供高質量產品。

企業數字化轉型是復雜的系統工程，生產制造是軍工企業價值鏈的核心，而生產車間則是產品制造、裝配和試驗的第一現場。

2 生產現場數字化轉型

生產車間是企業生產力的基本構成單元，又是傳統制造企業中數字化程度較低的場所，做好生產現場的數字化轉型落地，企業的生產數字變革就成功了一大半。生產現場數字化轉型將成為企業其他配套業務數字化轉型的需求牽引和示范引領，促進企業實現整體數字化轉型。

2.1 以操作者為核心的場景重構與業務優化

企業通常按照制造流程環節建立不同的生產車間，如鑄造、機加、表面處理、試驗和裝配車間等，車間相對獨立，車間內部對人員、崗位和物資按照工作任務自行進行組織安排。人員分崗位管理，工藝員管工藝、操作員管操作，檢驗員管檢驗，配送員管配送，人員按崗位進行技能培訓，并履行相關職責，各種崗位按業務流程進行工作串并聯。在這種人員崗位固定的機制下，對業務流程的設計能力要求就非常高，強調崗位間的協作和流程的精益化，流程的優化成為數字變革的重點。生產現場業務流程往往沒有以最大便利現場操作為原則進行設計，而是按照操作步驟一步步順序執行，分崗位/業務來建設相應流程系統，分工藝類型采購獨立的車床和檢驗設備，人員、設備在時間上存在浪費現象。業務數據受流程隔離、系統隔離和設備隔離等影響，未實現貫通，無法產生較高價值。

生產現場數字化轉型首先聚焦制造具體場景，對場景要素進行解耦，將人員類型、生產資料和流程步驟拆解至基本單元，再根據生產計劃、技術工藝、加工和配送等場景，圍繞操作者“做什么”“怎么做”“用什么做”“做的怎么樣”來重新設計業務要素和資源配置方案。場景要素重構后，應做到制造工人在本人工位上可接收當日計劃、當件工藝文件、加工程序和生產資料，可以直接操作設備進行加工，并在工位結算工時。通過場景優化，可以最大限度減少時間浪費，消除無價值活動。如何獲取計劃、工藝、程序和生產資料，就成為了場景優化急需解決的問題。

2.2 以四大業務方向為主線的改造與貫通

在完成場景優化后，為了解決計劃、工藝、程序和生產資料等的獲取問題，需要圍繞場景對生產計劃、工藝管理、生產準備和過程控制四大主線業務進行系統內部流程改造，以適應場景要求。

生產計劃是制造的核心抓手，應自上而下打通主生產計劃到作業計劃，實現各層計劃之間數據可追溯，顆粒度從單批次優化至單臺份，并推進計劃編制智能化。在企業的具體實踐中，一定要建立完整的生產計劃體系，同時兼顧主計劃的“剛性”和車間作業計劃的“靈活性”。通過ERP 編制年度計劃和滾動計劃，MES（現場執行管理系統）將訂單任務自動轉換成制造計劃，實現制造計劃的自動轉換、自動反饋以及智能追溯功能，推進計劃的智能化管理。在計劃顆粒度的細化方面，應不斷在生產過程中積累期量標準，精確測算生產周期，完善MES 庫存、工具工裝、員工技能與設備能力等數據庫，提高生產計劃批量制定的科學性，優化生產節拍。在計劃的智能化編制方面，需要做的基礎性工作更多，結構化工藝與準確、充分的期量標準，都是智能編制計劃的前提條件，通過ERP、MES 和PDM等多系統的綜合集成與科學建模，實現自動編制和調整車間作業計劃，逐漸取代線下編制和計劃員在線手動編制，提高計劃編制的準確性、合理性和智能化程度。

在工藝管理方面，重點是抓好數據源統一、落實無紙化和結構化等方面的工作。秉持PDM產品數據管理系統輕量化發展原則，在產品完整生產過程中，采用獨立軟件開展工藝規程、臨時工藝和超越工藝等全部工藝文件的編制，并對換版、更改進行統一落實。在編制工藝的同時標注零件檢驗關鍵特性和測量方法，按產品BOM 結構統一存放至PDM 系統，實現工藝數據、檢測數據與設計文件同源，徹底改變線上線下文件混合管理的現象。不斷深入推進結構化工藝，加快工藝規程編制，減少數據冗余。MES 系統自動獲取、解析和拆分文件，實現結構化工藝規程和技術通知現場應用，提升排產的準確性，實現車間資源的精細化管理。推動工藝設計從二維向三維模型的設計方式轉變，可有效繼承產品設計三維模型數字資源，更好地指導工人作業，提高復雜件加工、產品裝配等工序的工作效率。

在生產準備方面，重點是推進按需實現物資智能流動。MES 系統從PDM自動獲取物料、工具工裝和輔料等的結構化數據，根據ERP 任務訂單自動生成相應的配送清單，再根據MES 排產計劃自動比對當前庫存進行齊套性檢查，自動發起配送計劃和庫存預警信息。系統實現自動下料、自動發料，輔助無線技術和機器人技術開展智能配送、非接觸式接收確認和物流過程監控，確保生產現場的信息流與實物狀態相符。在生產現場還可以建立廢品、待處理品和串換件等各類臺賬，對配送過程進行可視化管理，強化對現場生產資源的管控。

生產過程控制主要是指從投料開始到成品的整個過程的質量控制，重點通過數字化形成一套全面質量控制解決方案。一是要做到統一識別：采用統一編碼體系，廣泛推廣條碼應用，條碼細化至單件物料，在產品生產全過程保持識別標記的一致性和相對唯一性。二是要完善數據采集：完善數據標準化管理，系統支持實時采集，支持單件產品檢驗信息和制造信息自動記錄，減少人工干預。在高耗能車間，還應通過設備改進實現能源能耗和設備損耗的實時動態監控，支持成本管控。三是要做好數據利用：系統自動整合制造數據，反向填充和優化基礎數據庫，不斷完善期量標準，指導計劃編制和過程糾偏。部署問題快速反饋功能模塊和設備異?？梢暬窗澹槍χ圃爝^程中的突發問題實現快速響應、快速解決，自動積淀形成問題知識庫。

2.3 先進制造技術的投入運用

隨著科學技術的不斷發展，制造業的生產力要素發生巨大變化[2]，接入物（互）聯網、工業互聯網的智能設備、感知設備不斷增加，數據獲取更加簡便、快捷和低成本。企業采購數控機床、各類自動機器人和智能設備，提高生產現場的自動化程度，但是，執行流程存在斷點，大量數據無法互通，造成了數據流動壁壘，阻礙生產效率的進一步提升。

進行生產數字化轉型，不能為了數字化而數字化，應根據企業資源和資金情況，在現有基礎上進行改造和提升。除了部署智能制造設備外，生產車間應首先重視構建統一工控網絡，提供安全互聯底座，支持多種數據傳輸協議，基于私有云、邊緣云等混合云體系提供高帶寬和邊緣算力，實現現場加工、檢測、監控設備數據的高速采集與系統之間的實時數據交互，系統基于邊緣節點和產品模型進行檢測或監控數據計算。工控網中建設智能設備管理平臺，統一對設備開展預防性維護、故障監測與預警等工作，連入的新購設備應遵循統一數據標準和安全規范，提供編程二次開發界面。對連入的老舊設備可開展自動化、可視化和數字化改造，支持數據自動采集。軍工制造企業可通過網閘等技術打通涉密網與工控網絡之間的交換通道，實現設計與制造、試驗數據的雙向交互。在生產車間應用5G、人工智能、虛擬仿真和圖像自動識別等智能技術，廣泛開展基于知識的工藝設計、基于有限能力的敏捷排產、基于模型的生產制造、基于感知的物流調度、基于互聯的智能檢測和基于數據的網格化協同。通過緊抓核心矛盾、理順關鍵問題，以“網絡通、系統通”助力實現“業務通、數據通”，逐步構建滿足脈動式節拍化生產模式的智能化過程管控。

2.4 統籌實施專項工作，提升組織行動力

中國航發強化“加快建設制造強國”的政治擔當，圍繞國家重大戰略需要，不斷強化企業科技創新主體地位，通過管理模式創新，聯合17 家生產制造單位的上百個車間共同開展生產現場“最后一公里”數字化轉型專項工作。通過主價值鏈體系性業務模式創新，推動數字技術、理念與生產制造深度融合。專項工作打破了單位之間的藩籬，針對產品規?；a需求，聚焦生產現場的效率和質量雙提升以及成本和碳排放雙下降的建設目標，通過現場調查和反復研討，逐漸統一了對“最后一公里”落地內涵的認識，歸納總結了計劃、工藝、準備和過程控制四個方面的建設內容，以及網絡通、系統通、數據通和業務通的數字化“四通”要求，專項面向機加、裝配、熱處理和鑄鍛造等10類專業車間，通過建設實踐，提煉形成了以業務場景數字化實現程度為評價項的等級標準和分專業的建設重點指南。通過近兩年的專項行動，60%以上的車間提升了數字化應用等級，部分車間生產計劃日變動率低于10%，應用了結構化工藝數據的車間超過70%，3 家車間被評為優秀車間標桿單位，“最后一公里”數字化轉型專項為企業實現高質量發展探索出一套可行的實施路徑。

3 結語

生產數字化轉型目標是降本、增效和穩質量，其生產現場的數字化轉型解決方案依據企業特點各有不同，不能盲目投資。除了現場改造和系統升級外，還應圍繞供應鏈強化組織協同，向供應鏈上游和橫向延伸，增加對供應商、配套單位和外委單位的制造過程監控，實現人、物的數字全聯通，提升產品綜合質量，規避生產風險，控制生產成本。