離散型特種制造業數字化轉型建設路徑探究

武逸凡,吳亞渝,陳仕勇,謝 峰,米長富,羅其貴,徐正軍

(1.重慶鐵馬工業集團有限公司,重慶 400050;2.陸軍裝備部駐重慶地區軍事代表局駐重慶地區第六軍事代表室,重慶 400042)

當前國際環境和科技競爭態勢日趨嚴峻,推動武器裝備向信息化、數字化、無人化方向快速發展,功能復雜和快速迭代已成為新一代武器裝備的顯著特點[1-2],在管理、研制、保障等方面對特種制造企業提出了更高要求。特別對受制于數字化轉型發展與企業傳統生產間固有矛盾約束的離散型特種制造業而言,在企業數字化轉型升級、提升產品研制能力和兼顧企業生產經營間探索合理的數字化轉型發展路徑已成為首要問題。因此,加快實現離散型特種制造業管理研制體系的數字化轉型升級已成為提升國家綜合實力和國防裝備發展的關鍵[3]。

1 數字化轉型發展分析

1.1 數字化轉型頂層部署

1.1.1 國外數字化轉型戰略發展

美國在2011年發布先進制造業伙伴計劃和《實現21世紀智能制造報告》,2012年發布《美國先進制造業戰略計劃》促進政企校合作強化智能制造產業,推進配套體系建設;2017年發布《智能制造2017-2018路線圖》提出商業實踐、使能技術、智能制造和勞動力開發4個規劃;2018年發布《先進制造業美國領導力戰略》提出先進制造技術研發、教育培訓和供應鏈拓展三大目標;2019年發布《未來工業發展規劃》和《國家人工智能研究和發展戰略計劃》重點關注人工智能、先進制造、量子信息等內容,推進產業數字化發展;2020年發布《工業數字化轉型白皮書》明確基于物聯網的數字化轉型策略;2022年發布《量子網絡基礎設施和勞動力發展法案》旨在提高量子計算工業場景的應用;2023年發布《美國國家半導體技術中心愿景和戰略》致力于擴大美國在半導體、先進制造等方面的競爭力。

德國于2011年公布《高技術戰略2020》,旨在打造基于信息物理系統的智能制造新模式,搶占第四次工業革命戰略導向位置;2014年通過了《國家工業戰略2030》重點布局人工智能等產業,打造數字強國和全球競爭力;2015年發布《中小企業數字化計劃》重點扶持中小企業數字化轉型建設;2016年頒布《數字戰略2025》、2018年發布《德國高科技戰略2025》、2019年發布《德國工業戰略2030》,重點圍繞工業基地數字化轉型建設、加強新技術研發,致力于將德國建成最現代化的工業國家。

2013年日本通過《產業競爭力強化法》提出“日本再興”戰略,強調以科技創新驅動傳統產業結構調整;2015年發布《新機器人戰略》提出促進信息技術、大數據、人工智能和機器人技術協同發展,擴大機器人技術領先地位;2016年日本發布《第五期科學技術基本計劃》首次提出“社會5.0”概念,強調要通過促進政產學研融合強化科技創新能力、提升制造業競爭力;2017年提出“工業互聯”概念,指出要通過系統、設備與操作者交互的數字空間;2018年發布《日本制造業白皮書》強調要通過人工智能、物聯網等技術,實現傳統制造業的數字化轉型發展;2021年日本發布《第六期科學技術基本計劃》及《日本制造業白皮書》,提出持續深化政產學研融合、推進數據共享等具體措施,推動日本制造型企業數字化轉型[4-8]。

1.1.2 國內數字化轉型戰略發展

我國的數字化轉型研究起源于20世紀90年代,最早由科技部試點實施CAD和CIMS工程普及了自動化、信息化相關理念;2002年提出“以信息化帶動工業化,以工業化促進信息化”的發展理念,并于“十五”期間啟動了制造業信息化工程;2007年提出“信息化與工業化融合發展”,初步完成傳統工業向自動化、信息化方向發展的頂層部署,為與世界主要經濟體在數字化轉型中同臺競技建立了技術基礎。

2015年國務院頒布《中國制造2025》提出,以智能制造為主攻方向,著力發展智能裝備、智能產品和生產過程智能化的要求。同年發布《國務院關于積極推進“互聯網+”行動指導意見》,推動互聯網與其他行業融合發展,推動制造業轉型升級;“十三五”期間我國啟動國家科技創新規劃,2016年發布《國務院關于深化制造業與互聯網融合發展的指導意見》和《智能制造發展規劃(2016-2020)》,2017年頒布《國務院關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》,積極構建工業互聯網基礎,搭建制造業數字化轉型互聯網平臺;2018、2019年發布《工業互聯網平臺建設及推廣指南》《5G+工業互聯網512工程推進方案》,重點打造工業互聯網生態體系,推進百萬企業上云;工信部于2020和2021年頒布的《“十四五”智能制造發展規劃》和《“十四五”大數據產業發展規劃》,提出數字技術與實體經濟深度融合賦能傳統產業轉型升級的要求;2022年《政府工作報告》指出要加快發展工業互聯網、人工智能等數字產業,提升軟硬件技術創新、供給能力和應用能力,賦能數字經濟發展[9-10]。

1.2 離散型特種制造業數字化轉型必要性分析

1.2.1 武器裝備數字化發展趨勢

進入21世紀以來,世界主要軍事強國紛紛開展武器裝備數字化轉型研究[11]。美軍確立了覆蓋武器裝備開發、研制、維保等階段的數字化發展目標[12],俄軍組建了以軍事智能發展為目標的國防部直屬單位,北約和歐盟開展了數字化轉型實施戰略及數字化部隊戰略實施計劃。為適應外部環境變化,我國也在包括軍事理論、人員素質和裝備研制等方面提出數字化轉型發展目標[13]。特種制造業作為武器裝備研制主體,應立足國防態勢和武器裝備數字化發展趨勢,建設以協同研發為基礎,以數據交互和信息共享為核心的數字化研制管理體系[14],持續推進特種制造業數字化轉型發展。

1.2.2 我國制造業數字化轉型發展分析

工業發展歷經基于工具的1.0階段、計算機輔助的2.0階段、機器人協作的3.0階段以及基于數字化技術的4.0階段[15]。由于我國工業發展起步晚,工業自動化、信息化發展不足,使得我國工業數字化轉型必須采取兩化融合發展與數字轉型同步并舉、協同發展的方式。

總體來說,我國工業數字化建設呈兩極分化且整體認知不足的現狀。一方面,少數龍頭企業數字化建設高度發達,“燈塔工廠”數量排名全球第一,形成了以三一重工18號工廠、美的燈塔工廠、比亞迪智慧工廠等為代表的數字化轉型范例。另一方面,截止2022年我國實現數字化轉型的企業占全行業比例僅達23.03%,且有高達78%的企業認為數字化轉型對經營與研制能力提升不足[16]。

此外,與流程式制造業數字化轉型發展不同,離散型制造業受制于產品型號復雜、小批多次、混線生產等因素,與以追求系統化、整體性發展為目標的數字化轉型建設間存在先天性屏障。因此,如何將數字化轉型布局、生產實踐與企業經營狀況有機整合[17],實現因企而異的離散型特種制造業數字化升級改造,對提升國家綜合實力和武器裝備高水平發展意義重大。

1.3 小結

通過對國內外數字化轉型頂層部署、特種制造業發展趨勢以及國內工業特別是離散型制造業的發展分析發現,離散型特種制造業數字化轉型已進入關鍵階段。在戰略引領、產品升級和兼顧研制保障能力的要求下,探索合理的數字化轉型發展路線是特種制造業企業轉型升級的難點和重點。

2 企業數字化轉型建設實例

離散型特種制造業受制于數字化轉型與傳統生產模式間固有矛盾約束,導致系統化、規模化的數字化轉型建設往往難以推進。本文以重慶鐵馬工業集團有限公司為例,通過介紹企業工業互聯網平臺建設、生產能力改造及數據拓展應用實例,對離散型特種制造業的數字化轉型路徑進行剖析。

2.1 工業互聯網平臺搭建

2.1.1 整體規劃

工業數字化和互聯網技術的有機整合,有助于企業研制管理模式完成由靜到動的體系化轉變,為實現以數字模型為中心的數據深度應用、構建全周期數字孿生、產品快速迭代和精益生產建立底層基礎。

鐵馬集團于2000年初開始積極探索計算機輔助研發技術應用,通過開展基于多數據源的串行研發實踐、零部件三維數字化設計應用等研究,在數字化轉型探索及應用等方面積累了豐富的經驗,并于2015年基本實現了基于PDM的項目、數據、流程管理能力。隨著物聯網技術和工業設備數字化技術發展,鐵馬集團通過對工業互聯網技術的深度研究,結合生產實踐確立了由總到分的數字化轉型總體布局和由分到總的實施辦法,進行數字化轉型發展的統籌規劃。

在宏觀層面上,鐵馬集團以研發協同化、管理精益化、制造智能化、服務產業化為總體目標,搭建了集成PLM、ERP和MES等系統的工業互聯網平臺,打通了生產管理→設計→工藝→制造→交付→服務的核心流程,實現了基于單一數據源的產品全生命周期管理。

在微觀層面上,鐵馬集團立足企業經營狀況和實際需求,規劃由小及大的數字化升級改造路線,以產線為單位逐步進行設備設施的數字化替換。同時結合企業技術改進和持續創新,基于協同研發平臺實現了以仿真分析模塊為代表的數據深度應用能力。經統計,系統搭建及設備改造完成后,集團產品設計周期和工藝設計效率提升均超30%,實物試制成本降低達90%以上。

2.1.2 部署實施

工業互聯網平臺可實現設計/工藝模型、文檔信息、管理流程等多結構數據匯總及分析,是打造產品設計優化、工藝動態優化、車間智能排產、資源優化配置和產線數字孿生等多場景集成應用,實現離散型特種制造業數字化轉型的基礎框架。

鐵馬集團在由總到分的數字化轉型規劃指導下,聚焦業務模式、管理過程、產品研制等關鍵業務環節的協同化發展需求,搭建了以PLM為核心的三維數字化協同研發平臺、以ERP為核心的全流程數字化精益管控系統和以MES為核心的智能制造執行系統,并有機整合為工業互聯網平臺,平臺架構如圖1所示。

圖1 鐵馬集團工業互聯網平臺架構

1)三維數字化協同研發平臺。

三維數字化協同研發平臺基于TCM結構化數據管理模塊開發,集成了建模、制造、仿真等應用,并通過建立工藝資源數據庫,形成了以模型為基礎的產品設計、工藝設計、工序建模、過程仿真與產品制造的高效流程[18],單型產品可縮短設計周期超30%、節省人工80人次以上。

2)數字化精益管控系統。

數字化精益管控系統通過物聯網技術實現了數控機床、機器人、信息射頻設備等硬件設施與工業互聯網平臺的高效集成與資源共享,可有效指導工藝規程編制及生產制造。同時智能制造執行系統采集的生產大數據可向協同研發系統進行反饋,用以驗證設計/工藝端仿真結果,實現數字化協同研發體系的迭代和優化。

3)智能制造執行系統。

鐵馬集團在進一步完善信息安防措施及車間硬件設施數字化替換的基礎上,將各車間獨立的制造執行系統融合構建為企業級智能制造執行系統,打通了企業資源與各執行單元之間的聯系,實現了車間層與平臺層的云邊協同,為工業互聯網平臺建立了互通、高速、可靠的網絡鏈路。

2.1.3 拓展應用

隨著計算機仿真與大數據、云計算、物聯網等技術的深度融合,賦予了傳統制造型企業在數字化轉型態勢下實現“快速高效、精準映射、動態預測”的新內涵。鐵馬集團以工業互聯網平臺數據互通能力為依托,以企業工藝信息資源庫為基礎,同時結合試驗方法建立材料特性模型,對企業常用鋼板的自由折彎行為進行研究,開發了鋼板折彎數值仿真模塊。

鋼板折彎數值仿真模塊開發研究如圖2所示。

a)試驗測試

基于該模塊,可對鋼板折彎過程中板料厚度分布、縮頸、開裂等過程進行精確仿真,并可基于該方法對不同工藝參數下的鋼板折彎行為進行模擬,在減少工藝試制過程的同時達到探明零件的折彎開裂原因的目的。通過開發該應用模塊,可針對性優化產品結構設計及工藝成型方法,對建立完善的工藝資源數據庫、提升公司核心制造能力意義重大。同時,依托集團工業互聯網平臺,可對生產數據和仿真數據進行分析對比,從而持續優化功能模塊,為工業數據深度應用、實現數字孿生建立底層基礎。

2.2 懸掛臂組件柔性制造線

鐵馬集團基于智能制造執行系統(MES)與數字化精益管控系統(ERP),運用柔性夾持、焊縫路徑自適應規劃、在線檢測等數字化技術對懸掛臂類組件老舊產線進行優化再造,搭建了懸掛臂組件柔性制造線。改造后,產線生產效率和制造成本均得到大幅改進,勞動強度和工位平衡率得到有效改善。產線建設情況如圖3所示。

圖3 懸掛臂組件柔性制造產線

工廠通過將懸掛臂組件柔性制造線接入MES系統可以實現對關鍵制造過程、設備、產品及人員等信息的實時追溯,可兼容最多14種產品的混線制造需求,且僅需兩名工人配合作業,其余工序均由機器人自動完成,基本實現了機器換人,并同時實現了制造風險的識別防范與生產信息的實時跟蹤。此外,通過基于工業互聯網平臺的MES+ERP系統實時聯動,可實現上下游工序靈活調度與零部件智能排產,充分釋放產線生產潛力。產線功能模塊如圖4所示。

a)柔性快換工裝

2.3 車體數字化柔性拼裝系統

在以往生產模式下,車體拼裝需設計專用工裝并定位安裝在平臺上實現車體制造。其自動化程度低、夾具數量多、焊接一致性差、產品換產效率低等問題亟待解決。

特種車輛車體數字化柔性拼裝系統基于工廠工業互聯網平臺搭建,通過數字化協同研發平臺調用車體模型,以平臺算力為依托在虛擬空間內解算各部件相對位置參數;得到求解參數后,MES系統通過工業互聯網平臺調用解算數據,以掃描模塊測量車體在平臺上的絕對位置,聯合求解通用夾持工裝位置參數并通過柔性拼裝系統實現統一調度和自動定位。產線建設情況如圖5所示。

a)拼裝系統總體布局

車體數字化柔性拼裝系統實現了車體加持工裝的柔性自動定位、夾裝及閉環調校,改變了傳統生產方法,減少了夾具數量和生產過程。該系統通過構建仿真-定位-拼裝一體化流程,降低了生產成本,提高了生產效率和焊接質量一致性。此外,該系統還可通過MES+ERP系統實時準確地獲取涵蓋車體制造零部件、物流、設備、產品、質量的現場數據,實現智能排產、實時監控、及時預警、快速響應等功能,以優化車間排產,提高設備及產能利用率。

2.4 小結

重慶鐵馬工業集團有限公司從兩個維度對制造型企業的數字化轉型進行探索。宏觀層面上,基于信息化、數字化技術搭建工業互聯網平臺,實現了企業經營和產品研發的協同、精益化管理;微觀層面上,企業結合生產實際,以產線為單位對硬件設施進行數字化升級改造,提高了工廠的自動化生產和管理能力。同時,基于工業互聯網平臺和三維數字化協同研發平臺的數據交互功能實現并具備了一定的虛擬輔助裝配及數據深度應用能力,是推動特種制造業企業數字化轉型的良好例證。

3 數字化轉型關鍵技術與發展建議

3.1 關鍵技術

3.1.1 物聯網與大數據技術

進入數字化時代,物聯網和大數據技術已深度融入各個行業。物聯網是指基于傳感設備及通信協議將互聯網單元延伸到物品之間進行信息交互的技術[19],大數據是指使用特定方法及工具對不同結構、類型海量數據進行處理及應用的方法[20]。在工業生產中可利用物聯網技術對設備、環境、人員等對象產生的數據進行采集和傳送,進而實現基于物聯網的工業大數據應用。

制造型企業涉及諸多復雜的結構化、非結構化數據類型:一是以產品設計、工藝設計、試驗測試等數據為代表的產品類數據;二是以組織管理、生產管理、質量控制等數據為代表的管理類數據;三是以供應鏈、業務營銷、產品服務等數據為代表的價值類數據。

使用分散的數據處理方法進行管理,需要耗費大量的人力及硬件資源,且無法通過數據整合及深度挖掘實現“1+1>2”的應用效果。因此借助物聯網及大數據技術,通過鏈接各硬件層級為PLM、ERP、MES等核心業務系統提供數據支撐,可為實現數據融合、智能制造、輔助決策等功能提供底層運行框架,是制造型企業實現數字化轉型的基礎。

3.1.2 機器人技術

機器人是一種基于編程和自動控制技術,使傳統機械機構具備一定的感知、決策和執行能力,可以半自主或完全自主的方式輔助甚至完全替代人力執行重復、繁重、危險工作的機器[21],是實現人機隔離、機器換人,建設“黑燈工廠”的核心技術,是制造型企業發展的必然趨勢。

機器人技術具有成本低、效率高、重復精度好、環境適應性強等特點,作為工業生產過程中的最后執行單元,是工廠生產運作的“骨骼”。隨著自動化、信息化技術的進步,機器人也開始越來越多地承擔如識別、檢測、測試等高精密協同工作。

在當前我國制造業面臨產品科技含量提高、產業高端轉型及人口老齡化進程加速引起的人工成本升高等問題,提高機器人技術的研發和應用水平已成為助力我國工業技術發展、加快實現制造業數字化轉型和智能制造的決定性因素。

3.1.3 數值仿真和虛擬裝配技術

數值仿真技術指利用先進計算機技術,基于多學科耦合對復雜現象、結構或工藝方法進行高精度計算的過程[22],包括計算流體力學、計算結構力學、虛擬樣機等新技術應用。隨著我國制造業數字化轉型不斷發展,大力運用基于數值仿真技術的正向設計方法,可有效減少工藝試制過程以實現降本增效。

同時,虛擬輔助裝配技術的運用可在虛擬空間內對制造過程進行映射,在規劃層面對裝配參數、裝配節拍及現場調度進行平衡優化,從而為產品迭代、智能排產、提高企業管理、生產及運營效率等方面的應用構建扎實的底層基礎,已成為貫徹于產品設計、研制、使用、檢修和回收全生命周期的重要工具和流程。

3.2 發展建議

通過對國內外數字化轉型頂層部署、國內工業發展特點以及特種制造業發展趨勢的分析可知,數字化轉型已成為特種制造業發展的迫切需求。同時,結合鐵馬集團數字化轉型實例,對離散型特種制造業企業的數字化轉型建設提出建議如下。

3.2.1 持續推進兩化融合與數字化轉型協調發展

面對我國工業發展起步晚,工業自動化、信息化建設基礎差等現實因素,應持續推進兩化融合發展,將國內5G、互聯網等優勢技術深度融入工業發展,同時堅定兩化融合與制造業數字化轉型同步并舉、協同發展的方式,賦能我國工業數字化轉型升級。

3.2.2 正確認識數字化轉型技術特點及發展意義

制造業數字化轉型不等同于單純的加工制造數字化改造,應明確數字化轉型發展是不斷迭代優化的過程,克服轉型陣痛是企業在數字換轉型建設中的必由之路;其次,應明確數字化轉型是企業發展工具而非建設目標、是建立在企業實體上的適應性改進。在企業數字化轉型過程中,不能忽略企業自身的技術改進和持續創新,應將數字化轉型建設深度融入企業經營管理、技術開發及生產活動中并不斷優化。

3.2.3 制定合理的數字化轉型路徑

以重慶鐵馬工業集團有限公司數字化轉型發展為例,離散型特種制造業受諸多因素制約,不宜盲目追求全方位、高水平的數字化改造升級,應結合企業實際以工廠生產能力和實際需求為立足點統籌規劃由總到分的數字化轉型總體規劃和由分到總的實施辦法。

1)確立先總后分的轉型總體規劃。離散型特種制造業數字化轉型應建立在業務需求、市場需求、產品迭代和技術提升等要素基礎上,統籌規劃企業級工業互聯網平臺,為構建統一的管理規程、硬件設施設備、數據格式及技術規范提供總體指導,以避免子系統間組織模式、數據格式或硬件兼容等問題,提高企業數字化轉型效率并提升轉型效果。

2)確立先分后總的改造過程規劃。離散型特種制造業的數字化轉型改造過程應結合實際生產狀況、技術水平和需求,從單臺設備的數字化改造入手,探索轉型方法與生產實踐的合理融合方案,并逐步拓展到加工單元、產線、車間直至企業的數字化改造。

3.2.4 拓展數字化轉型成果應用

1)持續推進平臺優化和應用建設。加強對工業互聯網平臺邊緣層、架構層、應用層等框架的深度優化與能力挖掘,促進數據、資源、技術、應用在頂層規劃與局部建設間的雙向創新與持續迭代;同時應加強企業技術改進和持續創新能力,拓展應用二次開發、子系統信息交互、技術橫向移植等項目建設,不斷挖掘企業數字化轉型潛能。

2)嚴格落實數字化轉型建設成果。利用工業互聯網平臺數據源單一、信息準確、傳遞及時的特性,充分發揮工業互聯網平臺跨體系、跨部門便捷性和數字化辦公扁平化、柔性化優勢,提高信息交互效率,推動企業組織形式革新;把企業技術突破作為核心突破口,主動適應新設備、新工藝變革,扎實推進生產能力數字化改造和先進制造能力建設。

4 結語

本文首先對國內外數字化轉型發展頂層部署進行對比分析,結合我國工業發展特點和武器裝備發展趨勢闡述了離散型特種制造業數字化轉型發展的必要性。隨后以重慶鐵馬工業集團有限公司數字化轉型建設為例,從總體平臺搭建、生產能力改造和拓展應用等方面對特種制造業的數字化轉型路徑進行剖析,最后以關鍵技術為線索為離散型特種制造業的數字化轉型探索與實踐提出發展建議。