從智能制造理念到工程實踐

北京航天控制儀器研究所　梁新建

在加強(qiáng)智能制造理論探索基礎(chǔ)上，北京航天控制儀器研究所積極實踐，通過吸收先進(jìn)技術(shù)和提升創(chuàng)新能力，實現(xiàn)關(guān)鍵產(chǎn)品工藝結(jié)構(gòu)化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制以及數(shù)字化物流管理。通過研制模式變革，推動組織與人、先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)營管理的融合，提升了企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平，全面提升了北京航天控制儀器研究所的市場競爭力。

一、“工業(yè)4.0”已經(jīng)來了，我們怎么辦？

成都西門子生產(chǎn)及研發(fā)基地是西門子在中國設(shè)立的最大的現(xiàn)代化智能工廠，于2013年初竣工，西門子成都工廠是工業(yè)4.0思想的重要工程實踐。

國內(nèi)首個“智能工廠實驗室”于2014年10月在同濟(jì)大學(xué)中德學(xué)院落成。這一實驗室將“工業(yè)4.0”概念變成了看得見的實物，是人才培養(yǎng)和智能制造技術(shù)探索實踐的重要平臺。

在中國制造業(yè)面臨來自歐美發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家前后夾擊的大背景下，國務(wù)院于2015年5月發(fā)布了《中國制造2025》，這是我國實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)。

“工業(yè)4.0”已經(jīng)來了，航天企事業(yè)單位怎么辦？航天智能制造離工業(yè)4.0還有多遠(yuǎn)？

二、“熱詞”背后的冷思考

工業(yè)4.0，再工業(yè)化、中國制造2025、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、信息物理系統(tǒng)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)+、大數(shù)據(jù)、智能制造、智能工廠、數(shù)字化車間、精益生產(chǎn)以及企業(yè)架構(gòu)等一系列“熱詞”蜂擁而至，這些離散的、碎片化的華麗概念在人們議論、轉(zhuǎn)發(fā)、紙上談兵后便迅速銷聲匿跡。

產(chǎn)生這種現(xiàn)象有幾個原因：第一，很多人覺得這些“熱詞”就像“上頭條”的明星，除了是供大家茶余飯后的談資，和自身工作有什么關(guān)系呢？第二，缺乏對新概念的系統(tǒng)思考能力，淺嘗輒止，看完專家的文章，聽完專家的講座，說一句“不過如此”了事；第三，滿足于到標(biāo)桿單位走走看看，寫完觀后感，實踐與落實的事情還需認(rèn)真“研究研究”；第四，目光短視，自我封閉，未想深入到“熱詞”的幕后去一探究竟；第五，沒有危機(jī)意識，不愿意為未來投入精力，更不會領(lǐng)悟到歐美發(fā)達(dá)工業(yè)國家在技術(shù)、產(chǎn)業(yè)方面繼續(xù)領(lǐng)跑的態(tài)度和決心。

當(dāng)前，航天各部門既同時面對著改革發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長的壓力，又面對著行業(yè)內(nèi)競爭進(jìn)一步加劇的壓力。挑戰(zhàn)和機(jī)遇就在眼前，通過扒開這些華麗“熱詞”的外衣，不被概念所困惑，讓這些“熱詞”真正融入到航天智能制造中就是直面挑戰(zhàn)最好的方法。

三、智能制造工程實踐

1.將智能制造作為主攻方向

德國的“工業(yè)4.0”、美國的“再工業(yè)化”與中國的“中國制造2025”，三者有一樣的內(nèi)核，就是智能制造。

智能制造是在現(xiàn)代傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動化技術(shù)以及人工智能的基礎(chǔ)上，通過感知、人機(jī)交互、決策、執(zhí)行和反饋，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計過程、制造過程和企業(yè)管理及服務(wù)的智能化，是信息技術(shù)、制造技術(shù)和管理科學(xué)的深度融合與集成，是制造業(yè)創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型升級的制高點和突破口。智能制造本身既能促進(jìn)生產(chǎn)力提升，也是一種新型的生產(chǎn)方式。智能制造是數(shù)據(jù)、信息、知識與智慧的承載體，更是先進(jìn)管理理念的物化。

北京航天控制儀器研究所已將智能制造作為主攻方向，通過關(guān)鍵工序智能化、關(guān)鍵崗位機(jī)器人替代、生產(chǎn)過程智能優(yōu)化控制與數(shù)字物流管理，逐步開展智能制造的探索性工程實踐。

2.智能制造初步探索與實踐

北京航天控制儀器研究所為提高生產(chǎn)效率、提升管理水平，結(jié)合自身特點，并切合實際需求，分步開展智造制造工程實踐，智能制造實踐范圍涉及核心產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

通過先進(jìn)的控制技術(shù)、通信技術(shù)和計算技術(shù)的深度融合和有機(jī)協(xié)作，將產(chǎn)品生產(chǎn)線改造為一個結(jié)構(gòu)合理、動力充沛的自動運(yùn)轉(zhuǎn)的智慧生命體。生產(chǎn)集控系統(tǒng)就像是“大腦”，負(fù)責(zé)決策與管控。數(shù)控系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)等組成了“神經(jīng)中樞”，負(fù)責(zé)互聯(lián)和信息傳遞。電子標(biāo)簽、視頻監(jiān)控、傳感器等構(gòu)成“五官”，負(fù)責(zé)信息收集與感知。工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控設(shè)備更像“四肢”，確保執(zhí)行精準(zhǔn)、到位，某精密零件智造單元如圖1所示。

圖1 某精密零件制造單元生產(chǎn)現(xiàn)場

智能制造建設(shè)的價值不僅限于生產(chǎn)環(huán)節(jié),可以向前端的工藝設(shè)計環(huán)節(jié)延伸,通過對制造工藝的結(jié)構(gòu)化，實現(xiàn)產(chǎn)品、工藝、工廠和資源（P3R）四大數(shù)據(jù)的有機(jī)關(guān)聯(lián)和結(jié)構(gòu)化組織，保證數(shù)據(jù)的一致、有效和重用。同時，通過結(jié)構(gòu)化工藝系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)三維模型、工藝指令等信息向生產(chǎn)現(xiàn)場的推送，北京航天控制儀器研究所已經(jīng)完成產(chǎn)品全生命周期管理（PLM）、企業(yè)資源計劃（ERP）以及制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的系統(tǒng)集成建設(shè)，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的全面數(shù)字化，為智能化奠定基礎(chǔ)，系統(tǒng)集成架構(gòu)如圖2所示。

圖2 PLM、ERP、MES系統(tǒng)集成框架圖

智能制造有效提升設(shè)備利用率，減少水、電、氣消耗，減低運(yùn)營成本，這符合綠色制造理念。另外，智能制造促使生產(chǎn)準(zhǔn)備、工藝、調(diào)度、質(zhì)量與設(shè)備管理都緊緊圍繞零件加工這一核心目標(biāo)，實現(xiàn)并行工作，踐行了精益生產(chǎn)理念,最大限度地降低了時間成本。

智能制造還將促進(jìn)人的進(jìn)一步解放。通過工業(yè)機(jī)器人的全面引入，集成包括智慧物流系統(tǒng)、智能傳感系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)，將勞動者從簡單重復(fù)的勞動中解放出來，減輕精神壓力。

四、智能制造與變革

北京航天控制儀器研究所的智能制造探索實踐才剛剛開始，整體研制模式正在發(fā)生根本性改變，在加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)引進(jìn)、消化、吸收的同時，開始注重自身研制模式的變革，從根本上營造智能制造局面。

1.智能制造，標(biāo)準(zhǔn)先行

智能制造的柔性與敏捷建立在“嚴(yán)謹(jǐn)”之上，標(biāo)準(zhǔn)化工作占有舉足輕重的地位。實現(xiàn)智能制造目標(biāo)的核心和關(guān)鍵是實現(xiàn)人、機(jī)器以及資源的互聯(lián)互通，“原子與比特”的智能聯(lián)接必然要求一個系統(tǒng)框架，在這個框架內(nèi)，多種終端設(shè)備、應(yīng)用軟件之間的數(shù)據(jù)信息交換、識別、處理、維護(hù)等必須基于一套標(biāo)準(zhǔn)化的體系。

傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化模式是當(dāng)產(chǎn)品在技術(shù)成熟后才進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)制訂，屬于后補(bǔ)性模式。而對于智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)采用“前導(dǎo)+研發(fā)”模式，即伴隨先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，標(biāo)準(zhǔn)化同步甚至超前進(jìn)行，為智能制造發(fā)展勾勒出整體框架。

2.加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源管理能力

在信息的增值鏈上，數(shù)據(jù)是源頭。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集只是智能制造的前端基礎(chǔ)部分，將數(shù)據(jù)采集上來干什么，如何好好利用才是問題的關(guān)鍵。

加強(qiáng)數(shù)據(jù)資源管理的工作重點是理清數(shù)據(jù)關(guān)系，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建分析模型和建立數(shù)據(jù)管理機(jī)制，以解決“方言”問題、數(shù)據(jù)的集成共享問題和綜合利用問題。只有真正盤活數(shù)據(jù)資產(chǎn)，最大限度發(fā)揮數(shù)據(jù)作用，智能制造的基礎(chǔ)才能穩(wěn)固。

3.掌握關(guān)鍵核心技術(shù)

在加強(qiáng)智能制造工程實踐和經(jīng)驗積累的同時，開始注重智能制造核心技術(shù)的吸收、研究與創(chuàng)新。智能制造核心技術(shù)如不掌握，長遠(yuǎn)深度發(fā)展定會受制于人。

通過提升對高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備、新型傳感器、智能測量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)與制造執(zhí)行系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的學(xué)習(xí)及消化吸收水平，北京航天控制儀器研究所對智能制造核心技術(shù)超前規(guī)劃布局，瞄準(zhǔn)突破口和主攻方向，著力攻克了一批關(guān)鍵核心技術(shù)，已經(jīng)成為智能制造技術(shù)和解決方案集成商。

4.研制模式的同步變革

智能制造單元或數(shù)字化車間試點建設(shè)不僅會加快人機(jī)智能交互、工業(yè)機(jī)器人、增材制造和智能物流等技術(shù)和裝備在生產(chǎn)過程中的應(yīng)用，重點將促進(jìn)企業(yè)研制模式的改變。例如，智能制造單元運(yùn)行過程中，工藝人員的核心與紐帶作用將真正得到體現(xiàn)，工藝可以提前介入設(shè)計環(huán)節(jié)，保證設(shè)計結(jié)果的可制造性，減少工程更改，還可將生產(chǎn)準(zhǔn)備時間前移，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。另外，隨著智能制造項目的推進(jìn)，計劃調(diào)度、業(yè)務(wù)和成本銜接等經(jīng)營管控模式也將隨之改變。

5.復(fù)雜巨系統(tǒng)管理

智能制造是復(fù)雜巨系統(tǒng)，智能制造系統(tǒng)的建設(shè)、維護(hù)和管理變得越來越困難。系統(tǒng)的復(fù)雜性已經(jīng)超出了分工理論的能力范圍，通過成立智能制造建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)智能制造建設(shè)全局性工作，對重大規(guī)劃、重大問題和重要工作安排加強(qiáng)戰(zhàn)略謀劃，保證智能制造建設(shè)目標(biāo)、行動和能力的匹配。

6.培訓(xùn)和持續(xù)的專業(yè)發(fā)展

智能制造涉及新概念、新技術(shù)，在智能工廠，員工的角色將發(fā)生顯著變化。工作中的實時控制將越來越多，這將改變工作內(nèi)容、工作流程和工作環(huán)境，將極大地改變操作工人、工藝師，甚至設(shè)計師的工作和技能。因此，通過培訓(xùn)和持續(xù)的專業(yè)發(fā)展，促進(jìn)終身學(xué)習(xí)和專業(yè)持續(xù)發(fā)展，保障人力資源配備合理。

在堅持外腦引進(jìn)，建立智庫的同時，通過加強(qiáng)智能制造人才發(fā)展統(tǒng)籌規(guī)劃和分類指導(dǎo)，以高層次、急需緊缺專業(yè)技術(shù)人才為重點，實施知識更新工程和智能制造卓越工程師培養(yǎng)計劃，將智能制造打造成工程創(chuàng)新訓(xùn)練中心，變成打造高素質(zhì)復(fù)合型人才隊伍的基地。

五、結(jié)語

智能制造實現(xiàn)了“原子”與“比特”的互聯(lián)，具有軟硬一體、剛?cè)嵯酀?jì)、虛實結(jié)合和技管并重的特點。隨著智能制造項目的推進(jìn)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式將朝敏捷化、智能化以及綠色化的方向轉(zhuǎn)變。

智能制造將領(lǐng)銜新工業(yè)革命。通過攻克智能制造關(guān)鍵技術(shù)，推動成果工程化、產(chǎn)業(yè)化機(jī)制變革，北京航天控制儀器研究所正在成為智能制造整體解決方案供應(yīng)商，初步形成新的經(jīng)濟(jì)增長點。