面向航天裝備制造的數字化工廠集成平臺建設項目
一、項目概況
1.項目背景
運載火箭裝備制造痛點
首航機械主營業務為項目制的單發火箭生產任務，產品完全定制，主要表現在以下幾點：
①訂單高度定制：
訂單客制化程度高，批量小，種類多；訂單信息量大，特殊參數要求和標準繁多，項目制。
②技術工藝與供應鏈高度復雜：
零部件多達兩萬多種，BOM結構復雜；工藝標準和工藝路線多樣化；
③生產制造高度離散：
工序集群孤島式分布；加工工序流轉多樣化；生產任務、人員、物料、設備信息高度離散，計劃管理困難。
④生產制造高度離散：
設備化程度相對較高，但聯網利用率低；
⑤產品品質要求高（生命周期長）：
產品在客戶端使用后，售后品質問題需要“歸零”追溯與處理；對于品質“零容忍”，品質的高度拉長生命的長度。
以上痛點造成管理協同難、品質不穩定、交期不可控的問題。
集成平臺建設需求與“雙重”信息孤島的矛盾
圖1 集成需求與信息孤島之間的矛盾
①基于訂單協同的業務集成：
通過業務集成解決訂單，銷售、技術、采購、生產各業務部門進度不透明，多部門協同管理難的問題。
②基于產品結構的制造集成：
通過制造集成，解決產品結構復雜，生產制造過程高度離散的問題，實現制造過程數據的精準采集與追溯。
③基于智能決策的數據集成：
整個裝備制造過程生命周期長，涉及到大量的數據，通過數據集成搭建數據匯聚和分析的數據集成應用平臺，解決品質不穩定、交期不可控等問題。
因為航天裝備制造行業的特殊性，同時還具有高安全、高可靠、高集成的要求；但是，現狀卻面臨著車間與系統的“雙重信息孤島”；集成平臺建設需求與“雙重信息孤島”是系統建設要解決的根本問題。
2.項目簡介
圖2 價值流圖
運用價值流工具對全業務流程進行梳理，火箭總裝數字化轉型的現狀與需求主要體現在以下幾個方面：
（1）基于裝配網絡計劃圖建設項目制裝配網絡計劃，構建適合單元式生產與脈動式生產相結合的生產計劃體系，實現數字化協同制造，提高生產效率。
（2）建立工業物聯網（IIoT）平臺，實現設備互聯互通與數據自動采集，實現全過程質量檢測數據、數字化工具反饋數據和多媒體記錄數據的數字化采集、回傳和關聯融合，通過工藝數字化、制造過程數字化、質量數字化實現全面質量數據的追溯管理。
（3）基于工藝一體化建設，搭建工藝管理平臺，實現工藝維護、工藝規程傳遞以及生產過程數據的自動傳遞與歸集。
（4）以數字工位為抓手，建立制造運行管理平臺(MOM)系統，工藝、生產、倉儲、檢驗各環節數據實時同步與控制，實現各業務流程的數字化協同。
3. 項目目標
圖3 項目目標
二、項目實施概況
基于首航機械現有的信息化系統，打造一個以型號任務為源點的一體化數字化工廠集成平臺系統，為企業搭建工藝管理、項目制計劃統籌、生產制造、設備智能化、智能物流倉儲、工業物聯網平臺等全業務場景的數字化工廠應用平臺。
1.項目總體架構和主要內容
（1）整體功能架構
圖4 項目總體功能架構
首航機械火箭總裝數字化工廠建設按照平臺化的架構進行系統功能架構，平臺框架以業務中臺、數據中臺和二次開發平臺為基礎，搭建IIoT工業物聯網平臺、MOM制造運行管理平臺、工藝管理平臺等包含100多個功能應用與服務，滿足不同業務場景需求，幫助首航機械總裝事業部實現橫向與縱向全方位數據集成。
（2）技術架構
由于密級和網絡隔離限制，平臺智能應用層系統和采集、控制層系統分層分網絡部署，智能應用層系統服務器接入涉密網，控制層系統服務器接入工控網，涉密網與工控網之間通過網閘實現文件形式的數據交互，工控網牽扯到的涉密數據通過字段轉換實現保密脫敏，保障信息安全。
（3）安全架構
平臺建設基于涉密信息系統研發標準，從應用安全、數據安全、網絡安全等方面，充分考慮企業信息安全需求，從三員管理、訪問控制、入侵檢測、加密傳輸與存儲等各個方面入手，提供軍工標準的安全可靠性防護。
2.具體應用場景和應用模式
（1）工藝管理
通過建立基于知識體系建構的工藝管理平臺，以數字化工廠集成平臺的統一平臺和統一架構為系統基礎，以工藝知識庫為系統核心，將工藝結構化、工藝標準化、工藝模型化、工藝流程化、工藝參數化以及工藝知識化和可復用性，作為本系統的主要設計理念，同時兼顧工藝管理系統的與外部系統和工具的集成性、可擴展性，打造自主可控的涵蓋航天裝備制造的九大專業領域（機加、焊接等）的工藝管理平臺系統。
通過一體化文件平臺的建設，主要實現以下基本目標：實現一體化文件的編輯、更改、審批、發布、使用及歸檔等全過程化的管理，確保產品技術狀態受控；實現零件、裝配及總裝測試操作的文件一體化和內容精細化管理；實現基于知識、流程、模型等工藝管理，提升工藝設計的質量和效率；實現數據的完整、規范和統一，為 Smart Team、MES、ERP、QMS 等重要平臺系統的建設提供可靠的數據基礎，支撐企業數字化工廠建設和智能制造轉型。
（2）項目制裝配網絡計劃管理
以單發產品的生產作為項目，通過單發總裝過程模型為網絡計劃控制主線，并貫穿于項目管理的整個過程；基于物料一物一碼的標識編碼原則，從項目的立項開始到項目結束的全過程，其工藝文件發布、物料齊配套、設備工裝配套、生產進程等方面實現項目的全方位管理，使單發產品在總裝過程中信息化、透明化，可視化，從而實現總裝生產的脈動式和單元式的靈活切換，達到進度可控、風險提前預警的管理要求，真正做到存在即可追溯。
圖5 項目總體功能架構
（3）以數字工位為抓手的MOM生產管控平臺
集成工藝管理平臺和制造運營管理系統信息，通過在各生產單元一體機終端建立數字工位（HMI），作為生產管控平臺在現場的執行抓手，包含生產準備、生產報工、質量檢驗、異常處理等現場執行操作業務模塊。
圖6 數字工位建設
（4）智能物流倉儲管理
搭建智能物流倉儲平臺，基于5G通訊網絡，集成應用RFID、AGV、智能立體庫、協作機器人搬運等技術，用智能化、自動化、信息化的手段輔助解決企業物料出入庫、物料精準推送的難題，優化配料路線及配料準確性，整體提高物料周轉效率。
智能物流倉儲管理圍繞物資的“進、出、用”環節進行科學管理，實現航天裝備制造各車間與部門對物資的賦碼、入庫、出庫、調撥、盤點、報廢、信息監控等各項日常業務的信息化管理。同時實現與其他業務系統和智能硬件的信息交互與對接，以及對物資的全業務流程的追溯管理。幫助航天裝備制造更有效、更全面地管理生產物資，最終實現資源合理配置，并為決策提供數據依據。
圖7 智能物流倉儲管理平臺數據流
（5）IIoT工業物聯網系統
運用物聯網、邊緣計算、工業控制等先進互聯網技術，建立CA-IIoT工業物聯網平臺，實現設備組網、數據采集、數控傳輸、現場控制、中央控制功能；基于5G通訊技術實現生產線業務層人、機、料、法、環、測各要素的數據連接、數據感知、數據采集、數據傳輸、數據存儲以及控制指令的下發。
圖8 設備物聯及工業控制結構圖
①設備組網：基于工業以太網接口，通過工業智能網關（或工業一體機）對現場設備工裝進行組網連接，實現設備協議的解析、采集點位的配置、采集網關的監控、采集數據的有序傳輸。
②數據采集：通過對航天裝備生產線各組裝單元設備工裝通訊協議的解析以及采集點位地址配置，進行設備通訊；根據采集參數的點位地址實現需求數據的定向精準采集。
③數控傳輸：面向通過程序控制實現動作的設備和工裝，例如扭力工具扭矩程序的傳輸與管理：基于工藝規程，定義扭矩加工程序編號，加工程序存儲在扭力工具控制器內，平臺基于生產任務需求對程序進行點對點的指令（程序編號指令）調用與執行。
（6）數據統計與可視化
以業務為導向、數據為核心、可視化產品為依托，為航天裝備制造全過程提供面向各業務場景的數據統計與可視化解決方案，將數據形象化、直觀化、具體化的展示出來。對生產執行、異常統計、質量統計等相關數據進行統計分析與應用，實現全方位可視化KPI管理，輔助智能決策。
3. 其他亮點
首航機械數字化工廠的建設，遵循國際、國家和行業標準，包括ISA95標準與GB/T20720《企業控制系統集成》。整體項目是在首航機械數字化工廠平臺規劃的基礎上，基于總裝事業部場景進行建設。建設思路按照整體規劃，分部部署的方式執行，如下圖，本項目數字化車間的建設主要聚焦在L1、L2、L3三層。
圖9 ISA-95、GB 20720《企業控制系統集成》功能層次模型
三、下一步實施計劃
1.工藝管理平臺知識庫搭建
基于工藝管理平臺，通過對機加、焊接、鈑金、鍛造、部裝、總裝等各專業領域工藝知識的沉淀，建立工藝知識庫；實現工藝結構化、工藝標準化、工藝模型化、工藝流程化、工藝參數化以及工藝知識化和可復用性，為航天裝備制造提供工藝知識積累。
2.數字化集成平臺向上下游進行延伸
以數字化工廠平臺為基礎，以總裝為起點，向機加、輔助處理、部裝等制程輻射，實現航天裝備制造全業務流程、全價值鏈的數字化協同。
3.建立航天裝備制造行業的數據共享賦能平臺
以航天裝備數字化為標桿，為高端裝備制造企業打造工具化、低成本、一站式的數字化升級產品生態；打造裝備制造產業數據獲取、數據匯聚、數據賦能的工業大數據應用創新平臺；形成裝備制造業智能化升級、服務化轉型、創新性設計的新一代信息技術創新應用共享服務平臺，助力我國裝備制造業技術融合與產業升級。
四、項目創新點和實施效果
1. 項目先進性及創新點
（1）創建高端裝備工業機理模型庫
本項目同時參與申請了《國家工業互聯網創新發展工程 》的工業機理模型庫項目，創新性的階段研制出包含航天裝備理論模型、設計機理模型、仿真機理模型、工藝規劃機理模型、制造執行機理模型、故障診斷機理模型在內的航天裝備工業機理模型庫，同時建立與之適應的包括開發環境在內的工業互聯網平臺，最終實現機理模型庫在航天領域的成功應用與推廣。
圖10 工業機理模型庫建設
（2） “工業樂高模式”適合不同工業場景
結合工業機理模型庫項目，通過機理模型應用模式的探索和研究，建立“工業樂高模式”面向不同工業場景的工業APP進行快速的解耦重構與功能迭代，滿足裝備制造企業品種多、批量小的個性化定制場景需求。
圖11 “工業樂高”模型
2. 實施效果
基于涉密信息系統研發標準的企業級工業互聯網平臺項目預期實施效果如下：
（1）基于工藝管理平臺、通用MES平臺和WMS系統，建立項目制裝配網絡計劃管理、生產執行過程控制與管理監控，實現各部門工作的數字化系統，生產進度透明化管理；保證生產計劃的有效執行與落地，預計可縮短產品交期24%；
（2）建立異常管理模塊，質量數據實時提報與采集，通過一物一碼的全面數字化標識體系建立，實現全面的數字化質量追溯管理。通過數字化控制體系，全過程質量追溯和完整性，使返工率預計降低19.2%；
（3）各工廠業務環節協同管理，總裝車間組裝效率提升。實現訂單-研發設計-制造-供應鏈，全業務協同；實現基于產品結構的制造協同；實現通過數字工位、自動化設備與IIoT平臺應用集成，實現人機交互的高效協同；整體組裝效率提升13.3%。
聲明
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