基于智能設計成熟度評價的探討

阜寧協鑫集成科技有限公司 ■ 王磊 趙書寶 李宗佰 朱功 呂其丹

0 引言

制造業的發展是我國實體經濟發展的主要支撐，是技術創新與進步的前沿，是國家戰略轉型最重要的一步。《中國制造2025》提出為了應對制造業的戰略轉型需求，將發展智能制造作為主攻方向，標志著我國智能制造已進入由理論研究向實際探索邁進的階段。“智能制造”是《中國制造2025》中最為重要的一環，是實現制造業戰略轉型的最重要的一步。智能制造是通過人工智能技術、互聯網技術等技術手段，對工業化產品設計、生產和物流等全過程管控，實現產品設計、生產、物流的信息化與智能化，同時是信息流、資金流、物流及業務工作流的高度集成，是制造業企業走向新工業企業的必由之路[1]。

從《中國制造2025》提出到現在，相關學者從整體布局及行業特色出發進行了多維研究。比如，張鐵[2]研究了工業機器人及智能制造技術在廣東省的發展現狀及重點突破對象；王影等[3]對比了我國智能制造裝備與歐美、日本、德國等國之間的差距，提出了智能制造發展應采取的措施及可行方案；李松[4]對我國智能制造業的競爭力進行了評估，并提出了提升我國智能制造業的相關措施。從目前各行業專家、學者對智能制造的研究進展來看，研究側重于數字化生產、信息化管理及系統集成在企業應用端的重點突破，同時在智能服務和智能物流方面也取得了一定進展，但在智能設計方向的研究相對較少。筆者將結合《中國制造2025》相關文件與專家學者的論述，對智能制造中的智能設計維度進行探討，并闡述了光伏組件制造行業智能升級的方向。

1 智能設計

智能設計是指利用智能化的互聯網科學技術，通過集成處理器對人類的行為活動進行模擬仿真，提高集成處理器的智能處理能力，從而實現集成處理器更快、更好地承擔設計過程中的復雜任務，以協助工程人員完成相關任務[5]。其具有以下特點：1)以設計方法學為指導；2)以人工智能技術為實現手段；3)采用圖形處理與數據分析，結合傳統CAD二維/三維設計技術；4)面向集成智能化，一方面匹配設計的完整性，另一方面結合計算機輔助制造(CAM)，為設計和數據交換提供統一接口；5)提供強大的人機交互功能。從企業的實際生產狀況來看，企業側重智能設計在產品量產前期的仿真設計，即產品設計和工藝設計兩個方面。所以，筆者將從產品設計和工藝設計兩個方面對智能設計的相關內容進行論述。

2 產品設計

產品設計是從制訂出新產品設計任務書起，到設計出產品樣品為止的一系列技術工作。在產品設計過程中，需要把握整個產品的戰略、形象、構造和功能實現，并根據產品設計需求確定生產線的設計布局，因此，產品設計的重要性不言而喻。通過智能化的產品設計實現了從紙質設計書到仿真設計的過渡，可將產品設計所涉及的概念開發和產品規劃階段及詳細設計階段這兩個階段分為數字化與模塊化設計仿真模擬、產品設計試驗仿真、產品虛擬流水線與生產模擬仿真、產品設計公差仿真、產品物流仿真、產品并行/協同設計等6個方面。

1)數字化與模塊化設計仿真模擬[6]。采用數字化模型的虛擬仿真分析優化產品設計，保證產品全生命期最優；同時，考慮到模塊系列的未來擴展及對特殊產品和變型產品的輻射，采用模塊化設計來保持模塊在功能和結構上的獨立性和完整性，以滿足不同需求和產品的升級。

對于光伏組件的制造，可采用三維CAD技術重點解決光伏組件在生產周期的優化方案，同時對于新設備如串焊機、層壓機、疊焊機等采用CAM控制系統，在實現作業自動化的同時，還可以進行作業情景的虛擬仿真，提升設備作業穩定性及作業效率。

2)產品設計試驗仿真。其主要包括產品功能、性能仿真分析，產品的安全性、可靠性、維修性、經濟性仿真分析，產品結構、制造工藝、檢驗檢測工藝仿真分析，以及產品生產效率仿真分析等。采用Plant Simulation仿真軟件，可模擬光伏組件生產，通過調整組件生產過程中的人員匹配、產品結構等，進行制造工藝、產品可靠性分析。

3)產品虛擬流水線與生產模擬仿真[7]。利用計算機技術、虛擬仿真軟件對整個產品的生產過程進行全面仿真設計；在模擬仿真過程中對可能存在的生產異常進行前期優化及修改，以確保實際生產過程能夠順利生產。采用Plant Simulation仿真軟件，實現組件新產品生產線的人力、設備需求量，崗位節拍及效率管理等的數據化，不斷調整人員和設備，以達到生產效率最高。

4)產品設計公差仿真。采用公差仿真軟件(CAT)對產品及其零部件尺寸公差進行仿真實驗，是在滿足客戶需求的前提下，不斷優化尺寸公差并實時監控公差范圍內的產品匹配度，持續優化尺寸公差的過程。目前，光伏組件制造行業因涉及產品匹配性的內容較少，因此，對于CAT技術的應用較少，針對此的相關文獻及工廠端應用也較為少見。

5)產品物流仿真。采用排隊論、Petri網、線性規劃等建模方法對產品物流系統進行建模仿真，通過電子計算機和手機APP軟件編制對應的物流控制程序，仿真實際物流的運輸情況，建模分析，以此來指導實際生產過程中物流系統的規劃設計與運行管理。

6)產品并行/協同設計。在系統建模仿真過程中需要進行產品的全生命周期管理(PLM)，在設計階段需要將產品的原料、生產、使用、回收等所有因素進行綜合分析與規劃設計，并將客戶需求的產品功能、性能和設計結構考慮進來。

智能化產品設計實現了產品量產的模擬化作業，能夠有效地為企業管理者及生產者提供產品的模擬數據，減少產品前期的試驗費用，有效提高產品的生產能力和企業效益。作為自動化程度相對較高的光伏組件制造行業，目前專注以自動化和信息化驅動智能化變革，將生產線硬件改善及產品數據化作為改革重點，但忽視了對產品生產前的設計進行信息化處理，同時，在產品設計階段也缺乏專業的模擬仿真軟件及專業人才。因此，光伏組件制造行業智能設計升級的方向應為智能產品設計相關人才、技術的引進，尤其是在能夠快速降低新產品成本投入且相對薄弱的產品設計試驗仿真、 產品虛擬流水線與生產模擬仿真這兩個方面。

3 工藝設計

工藝設計的初衷是便于組織生產、指導車間作業、保障產品質量、提升設備效率，其是通過長久作業不斷總結，并結合實際生產條件不斷改善和優化得到的科學經驗。雖然新產品在尚未進行生產時無法準確得到其所需的制造工藝清單(BOM)、規格書等，但是通過計算機仿真可以實現工藝數據的搜集，并確定所需的相關文件資料。智能化工藝設計從BOM模擬、虛擬生產工藝規格書、制造工藝基礎數據庫、人因仿真、虛擬裝配仿真、虛擬產線與生產模擬仿真等6個方面進行仿真模擬。

1)BOM模擬。BOM闡述了產品在生產過程中的零配件組裝方式及加工裝配先后順序，可反映產品生產過程中的標準作業流程。根據BOM對生產流程進行區域性劃分，可實現對新產品流水線的布局設計。通過對BOM模擬仿真，能夠簡化新產品虛擬產線與生產模擬仿真方案，可快速有效地導入虛擬產線，降低設計難度。

2)虛擬生產工藝規格書。通過計算機仿真模擬工藝生產，實現產品數據及指標的搜集，可提前預知產品參數及技術指標，以降低新產品小試過程中不良產品的產生概率，同時減少實際生產過程中原輔材料的消耗。

3)制造工藝基礎數據庫。根據數據庫管理系統對產品生產信息數據進行統一管理，實現數據分類入庫管控，制造工藝基礎數據庫由計算機輔助工藝過程設計(CAPP)系統提供支持，并與計算機輔助設計軟件(CAD)/CAM/計算機輔助質量管理(CAQ)結合，進而為整個數字化生產線提供支撐，實現制造工藝的數字化。

4)人因仿真。人機一體化系統、適度自動化系統、自適應自動化系統、自主生產單元、智能制造系統、敏捷制造和精益生產系統等新的制造系統模式都強調了人這一因素在系統中的重要作用。通過人因仿真，不僅可以對系統的工作效率、誤差水平等指標進行分析，而且還可以量化操作員的任務結構、工作要求等指標。通過調整系統的設計方案或對員工進行培訓，可以實現人機優化，充分發揮人的積極性和主動性。

5)虛擬裝配仿真。在新產品導入過程中，員工為適應新的裝配方式往往會消耗太多精力，并會造成批量產品不合格的情況。在產品虛擬裝配環境中，員工使用各種方式聯合作業以模擬現實生產環境，在模擬裝配過程中會發現新裝配要求的差異及改善重點，在系統仿真結束后，系統會自動生成裝配過程中的全部數據，為改善裝配方式提供技術及數據支撐。通過增強現實技術(AR)連接已通過Plant Simulation仿真軟件仿真出的光伏組件生產線，讓員工在虛擬仿真環境下進行光伏組件生產，重點培訓，以提升技能。

6)虛擬產線與生產模擬仿真。通過計算機圖形系統及虛擬現實技術，使員工實現在虛擬環境中以一種現實狀態進行作業、操作及設計活動；特別是進行產品技術培訓時，模擬實際生產狀況，讓員工在虛擬現實環境中進行技術培訓，提升員工對新產品的適應能力及糾錯能力。

智能化工藝設計解決了產品生產前期基礎數據的來源問題，提供了較為準確的模擬數值，減少了產品生產過程中不良產品的產生與二次試驗，為公司技術人員提交了可靠的數據基礎。光伏組件的新產品導入相對頻繁，尤其是在采用新工藝、新技術的產品研制階段，對工藝設計仿真模擬的需求更加緊迫，通過使用Plant Simulation仿真軟件或Solidworks進行虛擬產線與生產模擬仿真，可以直接獲取工藝基礎數據庫，通過分析數據庫數據可在仿真階段直接解決錯誤或異常設計，降低了由于人員適應新產品生產工藝導致的不良損失，提升了工作人員對新產品生產過程的管控能力。

4 智能設計的成熟度評價指標

由智能設計、數字化生產、智能服務、信息化管理、智能物流、系統集成等6個方面組成的智能工廠智能制造評價體系在客觀反映工廠智能制造所處狀態時，需引入成熟度評價體系。智能工廠智能制造成熟度可以通過多個衡量維度，以百分比或等級來進行衡量，其中1級為最高等級。等級越高(或百分比越高)，說明智能化成熟度越高，相關指標覆蓋性和適用性越廣泛。本文以智能設計為例，以等級作為衡量標準，針對智能設計維度提出成熟度評價指標。

4.1 產品設計

4.1.1 數字化與模塊化設計仿真模擬

1)1級：采用數字化模型的虛擬仿真分析，優化產品設計，達到產品全生命期最優。

2)2級：采用數字化模型的虛擬仿真分析，優化部分產品設計。

3)3級：采用數字化模型的虛擬仿真分析，但暫未用于優化產品設計。

4)4級：未采用數字化模型的虛擬仿真分析，部分采用模塊化設計。

4.1.2 產品設計試驗仿真

1)1級：對所有產品功能、性能，包括安全性、可靠性、維修性、經濟性、結構、制造工藝、檢驗檢測工藝，以及生產效率仿真分析等功能模塊的占比大于等于80%。

2)2級：對大部分產品功能等仿真分析等功能模塊的占比大于等于60%。

3)3級：對極少數產品功能等仿真分析功能模塊的占比大于等于40%。

4)4級：對極少數產品的功能等部分指標進行仿真分析等功能模塊的占比小于40%。

4.1.3 產品虛擬流水線與生產模擬仿真

1)1級：利用信息技術、虛擬現實技術、計算機技術等對產品生產過程進行全面仿真，此類工序所占比例大于等于80%。

2)2級：利用信息技術、虛擬現實技術、計算機技術等對產品生產過程進行部分仿真，此類工序所占比例大于等于60%。

3)3級：利用信息技術、計算機技術等對產品生產過程進行部分仿真，此類工序所占比例大于等于40%。

4)4級：利用信息技術、計算機技術等對產品生產過程進行部分仿真，此類工序所占比例低于40%。

4.1.4 產品設計公差仿真

1)1級：在產品的設計、加工、裝配、檢測等過程中，能完全利用計算機對產品及其零部件的尺寸和公差進行并行優化和監控。

2)2級：僅在產品的加工、裝配、檢測等過程中，利用計算機對產品及其零部件的尺寸和公差進行并行優化和監控。

3)3級：僅在產品的加工、裝配、檢測等過程中，利用計算機對產品及其零部件的尺寸和公差進行監控。

4)4級：僅在產品的檢測過程中，利用計算機對產品及其零部件的尺寸和公差進行監控。

4.1.5 產品物流仿真

1)1級：針對物流系統進行系統建模，在計算機上編制相應應用程序模擬實際物流系統運行狀況，并統計和分析模擬結果，采用全自動模擬計算，無需人員采集數據。

2)2級：針對物流系統進行系統建模，在計算機上編制相應應用程序模擬實際物流系統運行狀況，并統計和分析模擬結果，采用計算機模擬和人員調整相結合的方式。

3)3級：針對物流系統進行系統建模，模擬實際物流系統運行狀況，采用人員采集統計數據進行數據計算，并統計和分析模擬結果。

4)4級：無物流系統建模。

4.1.6 產品并行/協同設計

1)1級：在產品設計階段考慮到產品全生命周期/全壽命歷程的所有環節。

2)2級：在產品設計階段考慮到產品全生命周期/全壽命歷程的主要環節。

3)3級：在產品設計階段考慮到產品全生命周期/全壽命歷程的部分環節。

4)4級：在產品設計階段考慮到產品全生命周期/全壽命歷程的個別環節。

4.2 工藝設計

4.2.1 BOM模擬

1)1級：有完整的產品零件加工和最終產品的加工裝配流程資料。

2)2級：有最終產品的加工裝配流程資料，包括工藝過程和具體的工序。

3)3級：有最終產品的加工裝配流程資料，包含部分工藝過程及主要工序。

4)4級：僅有最終產品的加工裝配流程資料，工藝流程及工序無法實現。

4.2.2 虛擬生產工藝規格書

1)1級：通過計算機仿真模擬工藝生產，搜集全部產品數據指標。

2)2級：通過計算機仿真模擬工藝生產，搜集部分產品數據指標。

3)3級：依靠制造經驗和相關資料預知部分產品參數和技術指標。

4)4級：依靠制造經驗預知部分產品參數和技術指標。

4.2.3 制造工藝基礎數據庫

1)1級：使用“工藝基礎數據庫管理系統”，對數據庫進行統一管理，并進行維護。

2)2級：使用計算機進行大部分工藝基礎數據的收集與整理，并進行維護。

3)3級：使用計算機進行部分工藝基礎數據的收集與整理，并進行維護。

4)4級：通過紙質材料對少部分工藝基礎數據進行收集與整理。

4.2.4 人因仿真

1)1級：產品工藝設計過程完全使用人因仿真模擬系統。

2)2級：建立實驗工作臺和相應作業工具進行真人實際操作。

3)3級：全部動作進行真人動作模擬。

4)4級：進行真人動作簡單模擬。

4.2.5 虛擬裝配仿真

1)1級：基于產品虛擬拆裝技術在交互式虛擬裝配環境中，用戶使用各類交互設備在真實環境中對產品的零部件進行各類裝配操作。

2)2級：基于產品虛擬拆裝技術在交互式虛擬裝配環境中，用戶使用大部分交互設備在真實環境中對產品的零部件進行裝配操作。

3)3級：基于產品虛擬拆裝技術在交互式虛擬裝配環境中，用戶使用部分交互設備在真實環境中對產品的零部件進行裝配操作。

4)4級：基于產品虛擬拆裝技術在交互式虛擬裝配環境中，用戶使用小部分交互設備在真實環境中對產品的零部件進行裝配操作。

4.2.6 虛擬產線與生產模擬仿真

1)1級：所有產品均可綜合利用計算機圖形系統和虛擬現實技術等在計算機上生成可交互的三維生產線環境。

2)2級：部分產品可綜合利用計算機圖形系統和虛擬現實技術等在計算機上生成可交互的三維生產線環境。

3)3級：個別產品可綜合利用計算機圖形系統和虛擬現實技術等在計算機上生成可交互的三維生產線環境。

4)4級：個別產品的某些模塊可以利用計算機圖形系統和虛擬現實技術等，但無法生成三維生產線環境。

智能設計成熟度評價需結合其他5項評價維度，可實現準確客觀地評價智能工廠智能制造成熟度狀態。

5 總結

本文在研究智能制造時，運用智能設計技術將虛擬仿真與實際生產相結合，快速響應新產品導入過程中的數據管理與實時反饋。同時，引入智能化成熟度評價指標，可為后續智能化工程項目評定提供重要參考。