復雜電子裝備數(shù)字化車間發(fā)展趨勢與實踐*

賁可存，胡長明，馮展鷹，曹亞琪

（1. 南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039；2. 中國電子科技集團公司第十四研究所，國家 級工業(yè)設計中心，江蘇 南京 210039）

引 言

制造業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，是實體經(jīng)濟的命脈。復雜電子裝備制造是制造業(yè)的重要組成部分，在制造業(yè)從機械時代、電氣時代向信息時代、智能時代發(fā)展的過程中，一個國家的復雜電子裝備制造整體實力與水平集中代表著科技實力、經(jīng)濟實力、國防實力等國家的綜合競爭力[1]。

復雜電子裝備（如通信、雷達、導航、射電望遠鏡、超級計算機等）是以電性能為主、機械性能服務電性能的機電一體化設備，被廣泛用于陸、海、空、天等各個關(guān)鍵領(lǐng)域。

“十三五”以來，我國大力推進制造強國戰(zhàn)略，并在重點領(lǐng)域大力推進數(shù)字化車間/智能工廠建設。復雜電子裝備數(shù)字化車間建設迎來難得的發(fā)展機遇，同時也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

1 面臨的挑戰(zhàn)

復雜電子裝備制造的典型特征是產(chǎn)品組成、產(chǎn)品技術(shù)、生產(chǎn)組織、過程管控及項目管理皆很復雜，開展數(shù)字化車間建設面臨諸多挑戰(zhàn)。

（1）產(chǎn)品組成復雜，規(guī)模大，集成度高，精度和可靠性要求高

隨著復雜電子裝備進一步向多功能、一體化、輕薄化方向發(fā)展，系統(tǒng)集成度和復雜度不斷提高，其生產(chǎn)工藝越來越復雜，裝配精度和可靠性要求越來越高。以某大型機場C波段相控陣天氣雷達為例，該雷達系統(tǒng)硬件從結(jié)構(gòu)上分為室外部分和室內(nèi)部分。室外部分主要包括天線罩、天線座、天線陣面、光傳與控制以及數(shù)字波束形成；室內(nèi)部分包含信號處理、伺服、數(shù)據(jù)處理計算機以及電纜、機柜和網(wǎng)絡等附屬設備，如圖1所示。該雷達還是一種高度集成的復雜電子裝備，有上萬個零部件，元器件數(shù)量達百萬級，包含電子技術(shù)信息最高水平的微系統(tǒng)組件。

圖1 某大型機場相控陣天氣雷達

（2）技術(shù)構(gòu)成復雜，機電磁液多學科耦合，性能要求高

當前，復雜電子裝備技術(shù)向極大極小化、結(jié)構(gòu)功能一體化、平臺載荷一體化等方向發(fā)展，具體表現(xiàn)為超大陣面天線、微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)、結(jié)構(gòu)功能一體化傳感器、柔性共形天線等。以天線為例，需實現(xiàn)厘米級模塊到幾十米級陣列天線的機電磁液高性能、高效率、高質(zhì)量裝配，涉及到多學科交叉。傳統(tǒng)的以經(jīng)驗參數(shù)為主的裝調(diào)方式無法對復雜裝配過程進行動態(tài)科學控制，導致裝配難度大，效率低，質(zhì)量一致性差，難以滿足服役性能需求。

（3）生產(chǎn)組織復雜，多品種，小批量，定制化，產(chǎn)線柔性要求高

復雜電子裝備包括雷達、通信、導航、電子對抗等多個種類，其裝載平臺覆蓋了陸、海、空、天各類載體。不同裝載平臺的復雜電子裝備結(jié)構(gòu)形態(tài)差異很大，即使同一裝載平臺下不同體制、不同型號的復雜電子裝備的結(jié)構(gòu)形態(tài)差異也很大，批量卻很小，甚至是單臺套定制化產(chǎn)品，這就需要采用高效、低成本的柔性化混線生產(chǎn)模式來滿足客戶個性化需求。

（4）過程管控復雜，需要可視、可控和可追溯，質(zhì)量要求高

復雜電子裝備車間生產(chǎn)現(xiàn)場存在諸多“黑盒”。由于無法實時采集生產(chǎn)執(zhí)行數(shù)據(jù)，因此生產(chǎn)部門無法精準統(tǒng)計每日計劃完成率、合格品數(shù)量等，管理人員不能第一時間掌握車間生產(chǎn)狀況等，計劃部門無法依據(jù)設備綜合運行效率向設備精準派工，質(zhì)量部門無法及時處理質(zhì)量問題、分析出規(guī)律、提出改進措施等。因此，需要采集生產(chǎn)過程的各類過程信息并進行多維度、多視角的實時可視化展示，實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時的動態(tài)的精準控制，確保復雜電子裝備生產(chǎn)過程完全受控和質(zhì)量全程追溯。

（5）項目管理復雜，交付周期短，效率、成本要求高

新技術(shù)的飛速發(fā)展大大縮短了復雜電子裝備換代的進程，“一代平臺，多代電子”說明電子裝備更新?lián)Q代的速度遠遠超過了其裝載平臺。以機載平臺為例，其機載電子設備改裝已成為提高部隊現(xiàn)役飛機戰(zhàn)斗力的重要途徑。復雜電子裝備的更新?lián)Q代周期被不斷縮短，這就需要復雜電子裝備企業(yè)不斷提高研制效率，大幅縮短裝備交付周期。隨著市場競爭加劇，傳統(tǒng)粗放的成本管理模式越來越不能適應復雜電子裝備企業(yè)的發(fā)展需求，更新成本管理觀念和探索成本控制新方法、新途徑成為復雜電子裝備企業(yè)生存發(fā)展的當務之急。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

在美國“先進制造領(lǐng)先戰(zhàn)略”、德國“工業(yè)4.0”、法國“新工業(yè)法國II”等戰(zhàn)略指引下，通用電氣、雷神、泰雷茲等國外大型復雜電子裝備企業(yè)均開展了數(shù)字化車間/智能工廠建設，取得了顯著成效，代表了目前國外復雜電子裝備制造的先進水平[2]。

通用電氣公司提出了“卓越工廠”建設模式，主要是通過搭建基于網(wǎng)絡協(xié)同的云制造平臺，建立貫通設計、生產(chǎn)、物流、銷售和服務等產(chǎn)品全生命周期主要環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)鏈，實時采集、分析、優(yōu)化運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)工廠/車間的智能化生產(chǎn)[3]。如圖2所示，“卓越工廠”體系結(jié)構(gòu)集成了多個層級，依次有傳感器→機器、機器→產(chǎn)線、產(chǎn)線→車間、車間→工廠、工廠→供應鏈網(wǎng)絡、供應鏈網(wǎng)絡→客戶等層級。該模式的實施使產(chǎn)品開發(fā)周期加快20%，制造及供應鏈效率提高20%以上。

圖2 通用電氣的“卓越工廠”建設示意圖

美國雷神技術(shù)公司利用虛擬現(xiàn)實可視化技術(shù)、運動追蹤技術(shù)、激光制導技術(shù)、3D打印技術(shù)和工業(yè)機器人技術(shù)等在仿真設計、自動化裝配、物流運輸和產(chǎn)品全生命周期管控等環(huán)節(jié)應用了大量先進制造技術(shù)，實現(xiàn)了高度自動化和柔性化，大大提升了裝配生產(chǎn)效率和質(zhì)量的可追溯性[4]。

法國泰雷茲公司啟動了高科技“數(shù)字工廠”，以加速泰雷茲自身及客戶的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。該公司開發(fā)的多用途協(xié)作機器人CRATOS是首個用于裝配復雜電子設備的人機協(xié)作機器人[5]。其結(jié)構(gòu)精巧，操作靈活，被用來裝配電子組件及機械零件，以及進行質(zhì)量檢測，可大大縮短裝配時間，并能顯著提升裝配質(zhì)量。采用的其他新技術(shù)包括面板的機器人裝配、生產(chǎn)過程的數(shù)字化、數(shù)據(jù)的數(shù)字化管理和可追溯性以及在線檢測和增強現(xiàn)實的使用。

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2015年，智能制造成為我國制造強國戰(zhàn)略的主攻方向，“智能制造試點示范專項行動”、“智能制造綜合標準化與新模式應用”、“網(wǎng)絡協(xié)同制造和智能工廠”等智能制造工程專項先后實施，在全國范圍內(nèi)迎來了發(fā)展的浪潮。在復雜電子裝備制造業(yè)，產(chǎn)業(yè)鏈龍頭企業(yè)牽頭從系統(tǒng)架構(gòu)、賦能技術(shù)、工業(yè)軟件、智能裝備以及示范工程等維度進行了數(shù)字化車間建設的探索與實踐。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)正逐步標準化

先進實用的系統(tǒng)架構(gòu)是數(shù)字化車間建設成功的前提和基礎(chǔ)。在ANSI/ISA—95制造企業(yè)功能層次模型和GB/T 37393—2019數(shù)字化車間體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，針對行業(yè)特點和需求，龍頭企業(yè)提出了復雜電子裝備數(shù)字化車間系統(tǒng)架構(gòu)[6-7]，并在微組裝、總裝等數(shù)字化車間進行了成功應用。如圖3所示，復雜電子裝備數(shù)字化車間系統(tǒng)架構(gòu)包括基礎(chǔ)設施層、現(xiàn)場層、控制層、運營層（企業(yè)管理層不包括在內(nèi)，但與數(shù)字化車間存在密切的信息交互）。

圖3 復雜電子裝備數(shù)字化車間系統(tǒng)架構(gòu)

在該體系架構(gòu)中，基礎(chǔ)設施層是保障，為車間生產(chǎn)運營提供基礎(chǔ)環(huán)境；現(xiàn)場層是數(shù)字化車間生產(chǎn)運行的物理基礎(chǔ)，通過工藝裝備智能化改造及工藝流程與生產(chǎn)布局優(yōu)化實現(xiàn)生產(chǎn)模式的創(chuàng)新；控制層是關(guān)鍵，通過設備物聯(lián)、物料標識、狀態(tài)采集等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、處理及生產(chǎn)指令下達；運營層是核心，是數(shù)字化車間的大腦中樞，對整個車間運營進行整體調(diào)度，在整個車間生產(chǎn)過程中起承上啟下的作用。

（2）信息技術(shù)（Information Technology, IT）與運營技術(shù)（Operation Technology, OT）走向深度融合

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等先進IT的快速發(fā)展，復雜電子裝備制造業(yè)正加速推動IT與OT的深度融合（圖4），改進傳統(tǒng)的生產(chǎn)關(guān)系與業(yè)務流程，從產(chǎn)品研發(fā)、管理決策到車間生產(chǎn)全方位推動企業(yè)的智能化改造與數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

圖4 IT/OT融合應用

在復雜電子裝備制造領(lǐng)域，借助3D打印技術(shù)，可以生產(chǎn)出傳統(tǒng)印刷刻蝕工藝無法制備的曲面和柔性電路，目前已應用于射頻天線、薄膜傳感器和柔性電路板的制備[8]；基于圖像傳感、機器學習、運動控制技術(shù)的自動光學檢測（Automated Optical Inspection, AOI）技術(shù)能夠快速準確地識別出印制板上的孔錯位、劃傷、短路、污染等表面缺陷；借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術(shù)，可解決車間內(nèi)生產(chǎn)進度難掌握、工藝變更頻繁、計劃完工率低、質(zhì)量追溯與成本核算難等發(fā)展瓶頸，讓生產(chǎn)過程透明化，實現(xiàn)全面數(shù)字化運營。

（3）國產(chǎn)工業(yè)軟件替代加快

工業(yè)軟件是智能制造的重要基礎(chǔ)，是國家急需解決的“卡脖子”問題。以制造運營管理（Manufacturing Operation Management, MOM）系統(tǒng)為代表的數(shù)字化車間工業(yè)軟件，建立了數(shù)據(jù)自動流動的規(guī)則體系，實現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的在線采集、實時分析、科學決策和精準執(zhí)行，是車間生產(chǎn)制造的大腦。近年來，國產(chǎn)廠商的崛起迅速，數(shù)字化車間軟件基本具備了國產(chǎn)化替代的能力。

長期深耕復雜電子裝備領(lǐng)域的南京電子技術(shù)研究所，自帶“工業(yè)基因”，基于最佳數(shù)字化轉(zhuǎn)型實踐，形成了產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)的自主工業(yè)軟件產(chǎn)品，打造了自主工業(yè)軟件品牌“REACH睿知”（圖5）[9]。其中，三維工藝過程管理（Manufacturing Process Management, MPM）系統(tǒng)、制造運營管理系統(tǒng)/制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Operation Management/Manufacturing Execution System, MOM/MES）、倉儲管理系統(tǒng)（Warehouse Management System,WMS）、可視化監(jiān)控系統(tǒng)（Virtual Detection System,VDS）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）系統(tǒng)等工業(yè)軟件已經(jīng)在電子裝備行業(yè)數(shù)字化車間獲得推廣應用，推動了生產(chǎn)管理類工業(yè)軟件的國產(chǎn)化替代進程，助推了國家重點型號產(chǎn)品的研制生產(chǎn)。

圖5 睿知自主工業(yè)軟件體系

（4）智能設備助力柔性生產(chǎn)

數(shù)字化車間是實現(xiàn)智能制造的重要載體，主要通過構(gòu)建智能化生產(chǎn)系統(tǒng)和柔性化生產(chǎn)線，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化。根據(jù)生產(chǎn)對象的結(jié)構(gòu)工藝特點的不同，復雜電子裝備的生產(chǎn)線主要有3種形式：連續(xù)流水生產(chǎn)線、人機協(xié)同生產(chǎn)線和脈動生產(chǎn)線。微組裝對象具有生產(chǎn)工藝復雜、操作要求高、批量大且便于傳送的特點，適合選擇連續(xù)流水生產(chǎn)線；電子裝聯(lián)對象具有多品種、小批量、生產(chǎn)工序多且涉及線纜等柔性件裝配的特點，生產(chǎn)組織形式選擇人機協(xié)同生產(chǎn)線較為適宜；整機總裝對象具有結(jié)構(gòu)組成復雜、設備規(guī)模量大、總裝工序多且機電液交叉混裝、裝調(diào)一體化的特點，優(yōu)先選擇脈動生產(chǎn)線。

產(chǎn)線設備的智能化提升是使生產(chǎn)線柔性化的重要手段。目前，國內(nèi)電子裝備企業(yè)自主研制了從微納加工、微組裝、電裝到總裝總調(diào)等典型工藝的智能化生產(chǎn)設備，如圖6所示。例如，雷達裝備中盲插電連接器的裝配主要以手工操作為主，自動化裝配難度較大。文獻[10-11]通過對機器人控制、機器視覺引導等研究，突破了機器視覺高精度定位、機器人路徑自適應優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，研制了圖6（e）所示的電連接器自動裝配機器人，大幅提升了裝配效率、質(zhì)量一致性等指標。自主研制的國產(chǎn)化智能制造裝備有效推動了復雜電子裝備生產(chǎn)線的柔性程度，滿足了多品種、小批量的定制化生產(chǎn)需求。

圖6 智能化產(chǎn)線設備

（5）示范工程帶動效應漸顯

在制造強國、質(zhì)量強國、網(wǎng)絡強國、數(shù)字中國等諸多國家戰(zhàn)略的疊加效應下，復雜電子裝備制造業(yè)開展了數(shù)字化車間示范工程建設。

西北電子裝備技術(shù)研究所在自主研制的打孔機、撕膜機、印刷機等微電子組裝裝備基礎(chǔ)上，通過建設智能物流傳輸系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)絡、MES系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)以及相應的硬件設施，打造了人、機、物深度交互融合的低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）基板數(shù)字化車間，實現(xiàn)了工藝設計數(shù)字化、制造裝備自動化和網(wǎng)絡化以及生產(chǎn)管理信息化，達到了生產(chǎn)效率提高20%，生產(chǎn)成本降低20%和不良品率降低20%的建設目標[12]。該項目成功入選工業(yè)和信息化部2016年智能制造試點示范項目。

浪潮服務器數(shù)字化車間是一座集智能化、自動化、模塊化、數(shù)字化和精益柔性制造于一體的智能模范車間[13]。車間廣泛采用了云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能終端、自動控制等技術(shù)，集成企業(yè)資源規(guī)劃（Enterprise Resource Planning, ERP）、MES[14]、WMS等6大核心信息系統(tǒng)，以信息化驅(qū)動自動化，全面實現(xiàn)設備與設備、設備與物料、設備與人的互聯(lián)，實現(xiàn)資源利用率提升約62.4%，產(chǎn)能提升9.8%，產(chǎn)品下線一次合格率提升0.8%，平均庫齡減少一個月的目標。該車間成功入選e-works2020年“中國標桿智能工廠”百強榜。

西門子成都數(shù)字化工廠入選了世界經(jīng)濟論壇發(fā)布的首批全球“燈塔工廠”名單。其亮點在于實現(xiàn)了“工業(yè)4.0”的眾多技術(shù)，包括利用3D模擬、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、增強現(xiàn)實等技術(shù)提升了設計、生產(chǎn)和運營環(huán)節(jié)的靈活性，在產(chǎn)品的設計研發(fā)、生產(chǎn)制造、管理調(diào)度、物流配送等過程中，都實現(xiàn)了數(shù)字化操作，能夠確?？焖俜峙滟Y源、高效排產(chǎn)并遵循高質(zhì)量標準。該工廠高度柔性化的生產(chǎn)方式保證了99%的及時交貨率，產(chǎn)能增加了4倍，產(chǎn)品質(zhì)量合格率達到99.999%[15]。

總體而言，我國復雜電子裝備制造數(shù)字化車間建設取得了顯著成效，形成了良好的示范帶動效應，但與通用電氣、雷神、泰雷茲等國際電子裝備企業(yè)相比，在網(wǎng)絡協(xié)同制造、邊緣計算、數(shù)字孿生等方面還存在一定差距。

3 典型案例

南京電子技術(shù)研究所是以復雜電子裝備整機研制為主的大型企業(yè)，圍繞復雜電子裝備全層級組成（圖7），基于數(shù)字化車間統(tǒng)一架構(gòu)，通過工藝布局調(diào)整、自動化工藝裝備升級、工廠信息化系統(tǒng)建設等途徑，開展了數(shù)字化車間建設探索與實踐。

圖7 復雜電子裝備組成

3.1 信息系統(tǒng)建設

針對復雜電子裝備車間集成化、精細化管控的要求，該企業(yè)設計了“1+4”（1個門戶+4大系統(tǒng)）的集成管控平臺開發(fā)架構(gòu)（圖8），包括MOM，VDS，WMS以及SCADA四大工業(yè)軟件系統(tǒng)，向上承接生產(chǎn)計劃、產(chǎn)品數(shù)據(jù)，向下監(jiān)控脈動生產(chǎn)線運行狀態(tài)，實現(xiàn)企業(yè)級計劃、車間級執(zhí)行、現(xiàn)場級控制的全流程數(shù)據(jù)閉環(huán)。

圖8 數(shù)字化車間四大信息系統(tǒng)

（1）制造運營管理MOM系統(tǒng)

搭建了一套能適應互聯(lián)基板制造、電子裝配、整機裝配調(diào)試等多種生產(chǎn)管理模式的MOM系統(tǒng)，并分類分階段推進MOM系統(tǒng)的建設和應用。自主開發(fā)的MOM系統(tǒng)具備計劃管理、質(zhì)量管理、物料管理等功能模塊，通過對作業(yè)計劃排程與執(zhí)行、跨部門跨地域物料拉動、生產(chǎn)全過程質(zhì)量控制等信息集成管控，打通總裝、電裝、微組裝等各類車間的信息壁壘，實現(xiàn)復雜電子裝備有序、協(xié)調(diào)、可控的混線生產(chǎn)組織，大幅提升裝備生產(chǎn)管控能力，縮短生產(chǎn)周期。

（2）倉儲物流管理系統(tǒng)WMS

自主研制的倉儲物流管理系統(tǒng)WMS具備資源管理、出入庫管理、配送管理等功能。通過開展物料編碼規(guī)則、物料跟蹤追溯以及物料配送模型等研究，提出了“緩存庫+線邊庫+智能料倉”的三級倉儲模式，應用電子標簽、掃碼槍、二維碼等物聯(lián)網(wǎng)手段，實現(xiàn)該企業(yè)內(nèi)部數(shù)十萬種物料、上萬個貨位的自主編碼和身份快速識別；打通WMS與其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)鏈路，建立了一種基于工位、工序任務的拉動式齊套模式，物料配送準點率超過99%，大幅縮短了物料等待時間，保證了電子設備按時交付。

（3）可視化監(jiān)控系統(tǒng)VDS

以可視化、透明化管控為目標，自主設計并開發(fā)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的可視化監(jiān)控系統(tǒng)VDS。該系統(tǒng)具備整體態(tài)勢分析、設備運行狀態(tài)監(jiān)控、場地資源狀態(tài)展示等功能，以生產(chǎn)流程為主線，實時獲取MOM，WMS，SCADA等系統(tǒng)的訂單計劃、生產(chǎn)執(zhí)行、工藝參數(shù)、物料配送、設備運行等信息，從“車間-產(chǎn)線-單元”三級實時展示產(chǎn)品臺套研制、訂單執(zhí)行、齊套狀態(tài)、產(chǎn)線運行等整體態(tài)勢，全面提升智能車間管控能力。

（4）數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)SCADA

自主開發(fā)的基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視系統(tǒng)，具備設備任務管理、數(shù)據(jù)采集與處理、設備運行監(jiān)控等功能，通過智能車間基礎(chǔ)網(wǎng)絡環(huán)境和統(tǒng)一交換協(xié)議接口，向上承接MOM系統(tǒng)工步作業(yè)計劃并下發(fā)至作業(yè)系統(tǒng)，向下在線采集設備運行狀態(tài)、工藝參數(shù)等數(shù)據(jù)反饋至MOM，VDS等系統(tǒng)，并對產(chǎn)品裝配關(guān)鍵工藝參數(shù)實施統(tǒng)計過程控制（Statistical Process Control, SPC），實現(xiàn)作業(yè)“計劃-物料-資源-執(zhí)行”四位一體的生產(chǎn)數(shù)據(jù)全閉環(huán)。

3.2 智能生產(chǎn)線建設

通過對復雜電子設備制造業(yè)務類型的分類及產(chǎn)品生產(chǎn)對象的聚類分析，打造了微組裝、電裝、總裝總調(diào)等核心制造業(yè)務智能生產(chǎn)線，實現(xiàn)了裝備生產(chǎn)、裝配和調(diào)試過程的全覆蓋。

（1）變批量共線制造的微波組件生產(chǎn)線

針對微組裝車間內(nèi)設備自動化程度高、產(chǎn)品質(zhì)量追溯嚴等特點，構(gòu)建了數(shù)據(jù)采集-分析-決策-反饋的閉環(huán)控制體系，實現(xiàn)微波組件全生命周期數(shù)字化和可視化管控。建立了裝機元器件、工藝參數(shù)、質(zhì)量檢驗、性能數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)等數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，每天采集近2 000萬條數(shù)據(jù)，形成基于工藝專家系統(tǒng)的工藝參數(shù)優(yōu)化自我決策系統(tǒng)，實現(xiàn)了在線式的響應處理，提高了質(zhì)量問題處理的速度和準確率，保障微波組件高質(zhì)量穩(wěn)定生產(chǎn)。

（2）人機協(xié)同作業(yè)的電裝生產(chǎn)線

電裝車間生產(chǎn)離散程度、復雜程度突出，對人員技能的依賴性強。根據(jù)不同裝配對象離散程度，設計電裝車間生產(chǎn)布局，建立人機協(xié)同作業(yè)系統(tǒng)，通過設置合理的人機協(xié)同配比，實現(xiàn)生產(chǎn)運營敏捷化[16]。針對批量大、工藝流程單一的部件生產(chǎn)，建立自動化與信息化相結(jié)合的智能生產(chǎn)線，大幅提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本；針對批量小、工序多的部件生產(chǎn)，采用以機器為主、人工為輔的人機協(xié)作方式，降低產(chǎn)線建設成本，同時結(jié)合自動防錯檢查，提升裝配效率和質(zhì)量；對于結(jié)構(gòu)復雜、數(shù)量少的部件裝配，采用以手工操作為主、智能單機裝備為輔的柔性生產(chǎn)方式，結(jié)合三維可視化裝配工藝作業(yè)指導，減少對高級技能人才的依賴，提升復雜部件裝配的一次成功率。

（3）脈動式柔性裝調(diào)一體化的總裝生產(chǎn)線

針對多品種、小批量、變節(jié)拍的柔性生產(chǎn)需求，突破面向生產(chǎn)擾動的動態(tài)排程與調(diào)度、多傳感器數(shù)據(jù)融合的自動裝配控制、自適應調(diào)測一體化等關(guān)鍵技術(shù)，解決了多品種小批量、機電液混裝、裝調(diào)一體化等難題，自主開發(fā)了陣面模塊機器人裝配系統(tǒng)、陣面拼接設備、自動翻轉(zhuǎn)設備、助力機械手等30余型自動化設備，在國內(nèi)率先建成了大型復雜電子裝備數(shù)字化總裝車間（圖9），實現(xiàn)生產(chǎn)效率提高35%以上、產(chǎn)能提升2倍以上的目標。該項目成功入選工業(yè)和信息化部2021年度智能制造試點示范工廠名單。

圖9 雷達總裝數(shù)字化車間

4 發(fā)展趨勢

面向復雜電子裝備制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的新需求，未來將深度融合新一代信息技術(shù)，充分依托國家智能制造新模式，發(fā)揮試點示范工程的創(chuàng)建優(yōu)勢，探索培育建設電子設備制造業(yè)新型智能制造數(shù)字化車間/智能工廠，打造智能制造新模式新標桿，示范引領(lǐng)我國制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展。

4.1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”賦能車間數(shù)字化加速

隨著5G時代的來臨，5G為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在復雜電子裝備智能制造中的數(shù)據(jù)傳輸提供了更快、更穩(wěn)定、更安全的接入模式。自“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”工程實施以來，其應用領(lǐng)域不斷拓展，從生產(chǎn)外圍環(huán)節(jié)逐步延伸至生產(chǎn)加工、在線檢測、設備運維、倉儲配送、安全監(jiān)控、生產(chǎn)溯源等數(shù)字化車間運營核心環(huán)節(jié)，培育形成了柔性生產(chǎn)制造、輔助現(xiàn)場裝配、機器視覺質(zhì)檢、設備健康管理、遠程維修示教、車間智能物流、車間無人巡檢、遠程生產(chǎn)監(jiān)測、物料追蹤溯源等應用場景[17]，助力企業(yè)提質(zhì)、降本、增效和安全生產(chǎn)。

以復雜電子裝備生產(chǎn)過程溯源為例，未來利用“5G+移動邊緣計算（Mobile Edge Computing,MEC）+云”實現(xiàn)“云網(wǎng)邊端”融合。將通過車間生產(chǎn)現(xiàn)場的條碼槍、讀卡器、攝像頭等采集到的物料、設備、人員、環(huán)境等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)5G網(wǎng)絡實時傳輸至云平臺，同時關(guān)聯(lián)MOM，WMS等多個系統(tǒng)中的生產(chǎn)訂單、工藝參數(shù)、倉儲配送等信息，可精準追溯到生產(chǎn)過程中的人、機、料、法、環(huán)、測等相關(guān)信息，滿足復雜電子裝備對生產(chǎn)過程和生產(chǎn)質(zhì)量的快速、精準追溯需求。

4.2 面向網(wǎng)絡協(xié)同制造的數(shù)字化車間

網(wǎng)絡協(xié)同制造是充分利用基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡技術(shù)和信息技術(shù)，實現(xiàn)供應鏈內(nèi)及跨供應鏈的企業(yè)產(chǎn)品設計、制造、管理和商務等的合作，以實現(xiàn)資源利用最大化的一種現(xiàn)代制造模式[18]。具體包括基于云制造的資源共享模式、基于云制造的協(xié)同設計仿真模式、基于云制造的設計生產(chǎn)一體化模式以及面向制造能力的生產(chǎn)策劃模式等。

在網(wǎng)絡協(xié)同制造模式下，利用互聯(lián)網(wǎng)平臺構(gòu)建跨地區(qū)、跨行業(yè)的動態(tài)“虛擬車間”成為現(xiàn)實，幫助企業(yè)有效實現(xiàn)制造資源的協(xié)同共享和優(yōu)化配置。未來對于復雜電子裝備產(chǎn)業(yè)龍頭企業(yè)來說，網(wǎng)絡化協(xié)同制造能使其組織結(jié)構(gòu)更加扁平化，能通過更靈活、更有效率的方式集聚資源，提高市場響應速度。廣大中小型協(xié)作配套企業(yè)則可通過網(wǎng)絡協(xié)同制造平臺找到與龍頭企業(yè)的合作機會，充分發(fā)揮自身優(yōu)勢。

4.3 基于數(shù)字孿生的數(shù)字化車間

近年來，隨著對信息物理世界虛實融合的強烈需求，數(shù)字孿生逐漸成為學術(shù)界研究熱點之一?？梢灶A見，未來將有越來越多的企業(yè)將數(shù)字孿生技術(shù)引入到數(shù)字化車間建設中。基于數(shù)字孿生的數(shù)字化車間是在新一代信息技術(shù)和制造技術(shù)驅(qū)動下，通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實時交互，實現(xiàn)物理車間、虛擬車間及車間服務系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務數(shù)據(jù)的集成和融合，并通過車間孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動，實現(xiàn)車間生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等在物理車間、虛擬車間和車間服務系統(tǒng)間的迭代運行，從而在滿足特定目標和約束的前提下，使車間生產(chǎn)和管控最優(yōu)的一種車間運行新模式[19-20]，如圖10所示。

圖10 數(shù)字孿生車間架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)車間改變了傳統(tǒng)的裝備制造模式。未來通過設計指標、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成融合，將生產(chǎn)過程鏡像到虛擬環(huán)境中，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化、物流精準配送和設備在線監(jiān)控，為復雜電子裝備生產(chǎn)車間的智能化運營提供一條有效途徑[21]。

4.4 “雙碳”成為數(shù)字化車間發(fā)展的重要導向

綠色制造助推節(jié)能減碳的技術(shù)變革，正成為全球新一輪工業(yè)革命和科技競爭的重要新興領(lǐng)域。數(shù)字化車間是制造業(yè)的基本生產(chǎn)單元，是綠色制造的實施主體，屬于綠色制造體系的核心支撐單元，側(cè)重于生產(chǎn)過程的綠色化[22]。當前，我國提出了“碳達峰、碳中和”目標和工作要求，“碳達峰、碳中和”將成為數(shù)字化車間綠色低碳發(fā)展的重要導向。

未來，在我國“雙碳”戰(zhàn)略目標實施大背景下，將有越來越多的復雜電子裝備制造企業(yè)在數(shù)字化車間建設過程中貫徹綠色制造理念。通過部署物聯(lián)網(wǎng)、云計算和人工智能等核心技術(shù)，建立車間級“數(shù)字能源”管理體系，連通設備管理“信息煙囪”，再通過大數(shù)據(jù)可視化平臺，整合水電氣、安全、消防、環(huán)保等系統(tǒng)，挖掘潛在的能源節(jié)約空間，達成節(jié)能減碳增效的轉(zhuǎn)型升級目標，最終實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展[23]。

5 結(jié)束語

在制造企業(yè)智能化改造、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的熱潮下，復雜電子企業(yè)數(shù)字化車間建設不宜盲目跟風，追求大而全。建設數(shù)字化車間應圍繞企業(yè)的中長期發(fā)展戰(zhàn)略，在數(shù)字化車間標準和行業(yè)龍頭企業(yè)示范工程的指引下，根據(jù)自身產(chǎn)品、工藝、設備和管理特點，合理進行數(shù)字化車間的現(xiàn)狀評估、業(yè)務診斷與需求分析、目標制定與整體規(guī)劃、詳細設計與建設實施以及運行維護與優(yōu)化。隨著新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)的進一步融合應用，新的車間生產(chǎn)模式還將不斷涌現(xiàn)，復雜電子裝備數(shù)字化車間建設將是一個持續(xù)改進、螺旋式上升的過程。