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(yè)務為項目制的單發(fā)火箭生產任務，產品完全定制，主要表現(xiàn)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(shù)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(lián)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(xié)同難、品質不穩(wěn)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(xié)同的業(yè)務集成：
通過業(yè)務集成解決訂單，銷售、技術、采購、生產各業(yè)務部門進度不透明，多部門協(xié)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(xiàn)制造過程數(shù)據(jù)的精準采集與追溯。
③基于智能決策的數(shù)據(jù)集成：
整個裝備制造過程生命周期長，涉及到大量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)集成搭建數(shù)據(jù)匯聚和分析的數(shù)據(jù)集成應用平臺，解決品質不穩(wěn)定、交期不可控等問題。
因為航天裝備制造行業(yè)的特殊性，同時還具有高安全、高可靠、高集成的要求；但是，現(xiàn)狀卻面臨著車間與系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)務流程進行梳理，火箭總裝數(shù)字化轉型的現(xiàn)狀與需求主要體現(xiàn)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(xiàn)數(shù)字化協(xié)同制造，提高生產效率。
（2）建立工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）平臺，實現(xiàn)設備互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)自動采集，實現(xiàn)全過程質量檢測數(shù)據(jù)、數(shù)字化工具反饋數(shù)據(jù)和多媒體記錄數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集、回傳和關聯(lián)融合，通過工藝數(shù)字化、制造過程數(shù)字化、質量數(shù)字化實現(xiàn)全面質量數(shù)據(jù)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(xiàn)工藝維護、工藝規(guī)程傳遞以及生產過程數(shù)據(jù)的自動傳遞與歸集。
（4）以數(shù)字工位為抓手，建立制造運行管理平臺(MOM)系統(tǒng)，工藝、生產、倉儲、檢驗各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)實時同步與控制，實現(xiàn)各業(yè)務流程的數(shù)字化協(xié)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(xiàn)有的信息化系統(tǒng)，打造一個以型號任務為源點的一體化數(shù)字化工廠集成平臺系統(tǒng)，為企業(yè)搭建工藝管理、項目制計劃統(tǒng)籌、生產制造、設備智能化、智能物流倉儲、工業(yè)物聯(lián)網平臺等全業(yè)務場景的數(shù)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(shù)字化工廠建設按照平臺化的架構進行系統(tǒng)功能架構，平臺框架以業(yè)務中臺、數(shù)據(jù)中臺和二次開發(fā)平臺為基礎，搭建IIoT工業(yè)物聯(lián)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(yè)務場景需求，幫助首航機械總裝事業(yè)部實現(xiàn)橫向與縱向全方位數(shù)據(jù)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(tǒng)和采集、控制層系統(tǒng)分層分網絡部署，智能應用層系統(tǒng)服務器接入涉密網，控制層系統(tǒng)服務器接入工控網，涉密網與工控網之間通過網閘實現(xiàn)文件形式的數(shù)據(jù)交互，工控網牽扯到的涉密數(shù)據(jù)通過字段轉換實現(xiàn)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(tǒng)研發(fā)標準，從應用安全、數(shù)據(jù)安全、網絡安全等方面，充分考慮企業(yè)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(shù)字化工廠集成平臺的統(tǒng)一平臺和統(tǒng)一架構為系統(tǒng)基礎，以工藝知識庫為系統(tǒng)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(shù)化以及工藝知識化和可復用性，作為本系統(tǒng)的主要設計理念，同時兼顧工藝管理系統(tǒng)的與外部系統(tǒng)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(yè)領域（機加、焊接等）的工藝管理平臺系統(tǒng)。
通過一體化文件平臺的建設，主要實現(xiàn)以下基本目標：實現(xiàn)一體化文件的編輯、更改、審批、發(fā)布、使用及歸檔等全過程化的管理，確保產品技術狀態(tài)受控；實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)數(shù)據(jù)的完整、規(guī)范和統(tǒng)一，為 Smart Team、MES、ERP、QMS 等重要平臺系統(tǒng)的建設提供可靠的數(shù)據(jù)基礎，支撐企業(yè)數(shù)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(fā)產品的生產作為項目，通過單發(fā)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(fā)布、物料齊配套、設備工裝配套、生產進程等方面實現(xiàn)項目的全方位管理，使單發(fā)產品在總裝過程中信息化、透明化，可視化，從而實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)信息，通過在各生產單元一體機終端建立數(shù)字工位（HMI），作為生產管控平臺在現(xiàn)場的執(zhí)行抓手，包含生產準備、生產報工、質量檢驗、異常處理等現(xiàn)場執(zhí)行操作業(yè)務模塊。
圖6 數(shù)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(xié)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(yè)物料出入庫、物料精準推送的難題，優(yōu)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(huán)節(jié)進行科學管理，實現(xiàn)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(jiān)控等各項日常業(yè)務的信息化管理。同時實現(xiàn)與其他業(yè)務系統(tǒng)和智能硬件的信息交互與對接，以及對物資的全業(yè)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(xiàn)資源合理配置，并為決策提供數(shù)據(jù)依據(jù)。
圖7 智能物流倉儲管理平臺數(shù)據(jù)流
（5）IIoT工業(yè)物聯(lián)網系統(tǒng)
運用物聯(lián)網、邊緣計算、工業(yè)控制等先進互聯(lián)網技術，建立CA-IIoT工業(yè)物聯(lián)網平臺，實現(xiàn)設備組網、數(shù)據(jù)采集、數(shù)控傳輸、現(xiàn)場控制、中央控制功能；基于5G通訊技術實現(xiàn)生產線業(yè)務層人、機、料、法、環(huán)、測各要素的數(shù)據(jù)連接、數(shù)據(jù)感知、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲以及控制指令的下發(fā)。
圖8 設備物聯(lián)及工業(yè)控制結構圖
①設備組網：基于工業(yè)以太網接口，通過工業(yè)智能網關（或工業(yè)一體機）對現(xiàn)場設備工裝進行組網連接，實現(xiàn)設備協(xié)議的解析、采集點位的配置、采集網關的監(jiān)控、采集數(shù)據(jù)的有序傳輸。
②數(shù)據(jù)采集：通過對航天裝備生產線各組裝單元設備工裝通訊協(xié)議的解析以及采集點位地址配置，進行設備通訊；根據(jù)采集參數(shù)的點位地址實現(xiàn)需求數(shù)據(jù)的定向精準采集。
③數(shù)控傳輸：面向通過程序控制實現(xiàn)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(guī)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(zhí)行。
（6）數(shù)據(jù)統(tǒng)計與可視化
以業(yè)務為導向、數(shù)據(jù)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(yè)務場景的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與可視化解決方案，將數(shù)據(jù)形象化、直觀化、具體化的展示出來。對生產執(zhí)行、異常統(tǒng)計、質量統(tǒng)計等相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析與應用，實現(xiàn)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(shù)字化工廠的建設，遵循國際、國家和行業(yè)標準，包括ISA95標準與GB/T20720《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》。整體項目是在首航機械數(shù)字化工廠平臺規(guī)劃的基礎上，基于總裝事業(yè)部場景進行建設。建設思路按照整體規(guī)劃，分部部署的方式執(zhí)行，如下圖，本項目數(shù)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(yè)控制系統(tǒng)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(yè)領域工藝知識的沉淀，建立工藝知識庫；實現(xiàn)工藝結構化、工藝標準化、工藝模型化、工藝流程化、工藝參數(shù)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(shù)字化集成平臺向上下游進行延伸
以數(shù)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(xiàn)航天裝備制造全業(yè)務流程、全價值鏈的數(shù)字化協(xié)同。
3.建立航天裝備制造行業(yè)的數(shù)據(jù)共享賦能平臺
以航天裝備數(shù)字化為標桿，為高端裝備制造企業(yè)打造工具化、低成本、一站式的數(shù)字化升級產品生態(tài)；打造裝備制造產業(yè)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)賦能的工業(yè)大數(shù)據(jù)應用創(chuàng)新平臺；形成裝備制造業(yè)智能化升級、服務化轉型、創(chuàng)新性設計的新一代信息技術創(chuàng)新應用共享服務平臺，助力我國裝備制造業(yè)技術融合與產業(yè)升級。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
（1）創(chuàng)建高端裝備工業(yè)機理模型庫
本項目同時參與申請了《國家工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新發(fā)展工程 》的工業(yè)機理模型庫項目，創(chuàng)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(guī)劃機理模型、制造執(zhí)行機理模型、故障診斷機理模型在內的航天裝備工業(yè)機理模型庫，同時建立與之適應的包括開發(fā)環(huán)境在內的工業(yè)互聯(lián)網平臺，最終實現(xiàn)機理模型庫在航天領域的成功應用與推廣。
圖10 工業(yè)機理模型庫建設
（2） “工業(yè)樂高模式”適合不同工業(yè)場景
結合工業(yè)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(yè)樂高模式”面向不同工業(yè)場景的工業(yè)APP進行快速的解耦重構與功能迭代，滿足裝備制造企業(yè)品種多、批量小的個性化定制場景需求。
圖11 “工業(yè)樂高”模型
2. 實施效果
基于涉密信息系統(tǒng)研發(fā)標準的企業(yè)級工業(yè)互聯(lián)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(tǒng)，建立項目制裝配網絡計劃管理、生產執(zhí)行過程控制與管理監(jiān)控，實現(xiàn)各部門工作的數(shù)字化系統(tǒng)，生產進度透明化管理；保證生產計劃的有效執(zhí)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(shù)據(jù)實時提報與采集，通過一物一碼的全面數(shù)字化標識體系建立，實現(xiàn)全面的數(shù)字化質量追溯管理。通過數(shù)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(yè)務環(huán)節(jié)協(xié)同管理，總裝車間組裝效率提升。實現(xiàn)訂單-研發(fā)設計-制造-供應鏈，全業(yè)務協(xié)同；實現(xiàn)基于產品結構的制造協(xié)同；實現(xiàn)通過數(shù)字工位、自動化設備與IIoT平臺應用集成，實現(xiàn)人機交互的高效協(xié)同；整體組裝效率提升13.3%。