軍工電子智能制造總體架構及關鍵賦能技術研究

賁可存，胡長明，馮展鷹，張明輝

(南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039)

0 引言

當前，物聯網、大數據、云計算、人工智能為代表的新一代信息通信技術日新月異，給各國經濟發展、社會進步、人民生活和國防建設帶來重大而深遠的影響。以軍工電子為代表的軍工產業集群不僅是國防建設的主力軍，同時還是國家經濟、科技發展的重要力量[1]。軍工電子制造業是中國高端制造的代表，其智能制造和數字化轉型是“中國制造2025”的重要組成部分[2]。近年來，中國制造企業面臨的內外部環境正在發生深刻的變化，軍工電子制造業同樣也面臨著各種挑戰。從外部環境看，軍方對產品性能、制造質量、交付周期和保障水平提出了更高的要求，軍工電子企業與民營企業之間圍繞產品性能、成本、質量和效率的競爭進一步加劇。在內部經營管理上，隨著人力成本持續上升以及智能化設備、新型物聯方式的不斷普及，傳統的企業管理模式和方法已經很難實現軍工電子企業內部的高效協同與精細化管理。

在這樣的大背景和內外部環境下，軍工電子企業必須借助于新一代信息通信技術與先進制造技術的深度融合，推動軍工電子產品、技術與服務創新與升級。在軍工電子行業層面，各企業之間應強化產業鏈協同，特別龍頭企業應充分發揮帶動作用，共同提升全產業鏈核心競爭力。軍工電子企業內部應貫通產品設計、生產制造、服務保障、經營管理在內的產品全生命周期各個環節，破除內部信息孤島，逐步面向智能化設計、生產與服務，達到創新驅動、快速交付、降本增效的目標。然而，當前軍工電子行業智能制造的頂層設計與規劃還不足以指導軍工電子企業開展智能制造轉型升級實踐。因此，本文從軍工電子智能制造轉型需求分析入手，構建軍工電子智能制造系統參考模型，明確軍工電子智能制造的內涵和邊界，進而提出適應軍工電子制造業智能化轉型需求的智能制造總體架構，并基于工程實踐對軍工電子智能制造關鍵賦能技術應用進行分析與探討。

1 軍工電子智能制造轉型需求分析

軍事電子裝備是一種典型的復雜產品，具有技術密集度高、專業門類繁多、產業鏈結構龐大、研制周期長等重要特征。作為軍事電子裝備的供應商，軍工電子企業智能制造轉型升級的需求主要體現在以下幾個方面。

a.柔性。軍工電子行業是典型的多品種、小批量的訂單式生產模式，科研與生產并重，多種型號混線生產[3]。這對生產的柔性提出了多方面需求，如設備的柔性、工裝的柔性、工藝的柔性以及產能的柔性等。

b.協同。軍事電子信息裝備組成復雜，研制過程中需要協調和組織數十家合作單位和上千家零部件供應商，這就需要整機企業與零部件供應商、外協生產單位和用戶之間的實現高度協同[4]，將研發、采購、生產、物流、保障融為一體。

c.高質量。為保證軍工電子產品質量，軍工電子企業采取了嚴格的全過程質量控制措施，需對制造質量進行實時在線檢測，并結合在線補償與精準控制技術，實現對制造質量波動的抑制，并同步建立質量追溯管理系統。

d.高效率。當前給予軍工電子信息裝備的交付周期越來越短，需要采用新型生產運營技術來有效提高生產效率、設備綜合效率(OEE)、倉庫利用率等關鍵績效指標，進而為軍工電子制造運營帶來整體效率的提升。

e.低成本。隨著市場競爭的加劇，軍工電子企業逐步加大了對研發成本的控制，對現有研發模式進行革新成為必然選擇，如運用虛擬仿真試驗代替實物試驗，不僅能達到降低研發成本的目的，還能顯著縮短軍工電子產品研發周期。

2 軍工電子智能制造總體架構構建

2.1 軍工電子智能制造參考模型

以國家智能制造系統架構以及中國智能制造總體架構為參照[5-6]，本文從生命周期、系統層級和智能特征3個維度提出了軍工電子智能制造參考模型，如圖1所示。

圖1 軍工電子智能制造參考模型

a.生命周期維。因行業的特殊性，軍工電子智能制造系統生命周期維度包括主要需求、設計、生產、試驗和保障5個環節。需求是指識別顧客需求、初步確定戰術技術指標、研制周期和經費預算等的價值形成過程。設計是對軍工電子產品需求進行構造、仿真、驗證和優化等價值形成與增值過程。生產是指通過勞動創造所需要的軍工電子產品的價值形成與增值過程。試驗是指對軍工電子產品使用效能進行驗證和評估的價值形成與增值過程。保障是指軍工電子企業與客戶所產生的一系列的價值形成與增值過程。軍工電子企業通常都采用科研、生產與保障一體化的運營模式。

b.系統層級維。按照與制造活動相關的系統層級來劃分，軍工電子智能制造維度分為設備層、產線層、車間層、企業層和行業層5個層級。設備層包括生產設備以及包括人、物料、生產環境在內的生產資源。產線層是實現面向軍工電子生產線的生產執行管控層級。車間層是實現面向軍工電子車間的生產運營管理層級。企業層是實現面向軍工電子企業圍繞產品全生命周期經營管理的層級。行業層是軍工電子企業之間實現信息互聯和資源共享過程的層級。當前，軍工電子智能制造系統層級呈扁平化和資源配置行業化的趨勢[7]，未來將要求軍工電子企業減少內部管理層級，使生產組織更加柔性。

c.智能特征維。從技術演進的角度，智能制造分為3個相互關聯、遞次升級的范式：數字化制造、數字化網絡化制造、數字化網絡化智能化制造[8]。基于此，本文將軍工電子智能制造特征分為數字化、物聯化、互聯化、服務化和智能化5個級別。數字化是指以數字化產品/設備、數字化設計、信息化系統為代表第一代智能制造特征。物聯化、互聯化、服務化是指以產品/設備實現網絡連接、資源社會化配置、服務化延伸為代表的第二代智能制造特征。智能化是指制造系統具備了“學習”能力，知識的產生、獲取、應用和傳承將發生革命性變化的新一代智能制造特征。當前和今后一段階段，軍工電子智能制造仍將聚焦于第二代智能制造的推廣、應用和普及。

軍工電子智能制造關鍵是針對網絡信息系統、電子整機、電子元器件和信息功能材料等軍工電子產品供給保障能力持續提升的需求，實現貫穿設備、產線、車間、企業和行業等不同層級的縱向集成，跨數字化、物聯化、互聯化、服務化和智能化等不同級別的橫向集成，以及覆蓋需求、設計、生產、試驗、保障等環節的端到端集成。

2.2 軍工電子智能制造總體架構

構建行業級智能制造總體架構一方面是為行業制定和推進制造業轉型升級提供頂層架構模型，另一方面也為行業智能制造的技術系統提供構建、開發、集成和運行的框架。面向新一代軍事電子武裝裝備研制的需要，依據軍工電子智能制造系統參考模型，本文從工程實現角度提出的軍工電子智能制造總體架構如圖2所示。

圖2 軍工電子智能制造總體架構

該架構由“四橫二縱”結構構成。“四橫”主要是從軍工電子智能制造的組織載體和應用對象來劃分，包括車間層、企業層、行業層和應用層。“二縱”為支撐“四橫”的標準體系和安全體系。

a.在產線層建設方面。以提高產線的執行管控水平為核心，關注于產線柔性生產能力提高、工序均衡生產能力提高、工裝的柔性組合能力提高、生產數據采集能力提高、生產裝備智能化能力提升等方面。實現生產線層智能制造的關鍵是柔性生產、數據采集、人機交互和機器通信等[9-10]。其中柔性生產是指實現多品種、小批量的生產方式，能降低在不同產品混線生產時切換所花費的時間和成本。

在具體管理過程中，可根據農民的實際情況，積極探索培育模式并及時調整科技教育和培訓方式，不斷滿足農民對于現代農業技術和信息服務的多樣化需要，整合農業教育資源，逐漸摸索并建立起一套行之有效的科技教育體系，進而提高農民的科學文化素質，為新型職業農民培育和社會主義新農村建設提供源源不斷的內生動力。

b.在車間層建設方面。以提高車間生產運營水平為核心，關注于產品質量提高、產品交付能力提高、產品檢驗能力提高、生產設備效能提高、車間物流能力提高、車間能源管理能力提高、資源配置效率提高等方面。以數字孿生為代表的車間信息物理融合技術運用使得車間現場設備與車間管理系統互聯互通，通過虛實制造環境的映射與交互，實現車間生產過程的仿真運行與預測，從而顯著提升車間運營決策水平、質量追溯水平等[11]。

c.在企業層建設方面。以提高企業經營管理水平為核心，關注于產品生命周期研究、產品多學科協同設計與優化能力提高、產品研制成本控制能力提高、企業資源計劃管控能力提高、裝備運維保障能力提高、企業經營決策支持能力提高等方面。構建基于模型的企業，利用產品和過程模型來定義、執行、控制和管理企業的全部過程，并采用基于數字樣機技術的模擬與分析工具做出最佳決策[12]，從根本上減少產品創新、開發、制造和服務支持的時間和成本。

d.在行業層建設方面。以提高行業協同發展水平為核心，關注于網絡協同設計能力提高、網絡協同仿真能力提高、網絡化制造資源共享能力提高、網絡化協同生產能力提高、供應鏈協同管理能力提高、網絡化協同保障能力提升等。通過打造軍工電子行業工業互聯網平臺，實現軍工電子行業設計能力、生產能力、保障能力和制造資源的共享、互補和對接，形成基于社會化協作的軍工電子智能制造生態體系。

e.在標準體系建設方面。遵循國家智能制造標準體系的構建思路，構建覆蓋軍工電子產品全生命周各環節、貫穿軍工電子制造系統全層級以及橫跨軍工電子智能制造不同階段的智能制造標準體系。當前，重點關注軍工電子數字孿生車間、基于模型的企業、工業互聯網平臺等建設標準，邊緣計算、工業大數據、人工智能等信息技術應用標準，半導體制造裝備、電子3D打印等行業核心裝備標準，以及智能制造安全、評價等基礎共性標準。

f.在安全體系建設方面。建立軍工電子智能制造信息安全管理體系、信息安全技術體系以及信息安全運維體系[13]，為智能制造參與各方在信息管理系統、工業生產系統的開發、使用、測評等環節提供依據，進而保障智能制造信息物理系統的運行效率和安全。通過建立企業安全運營中心，企業生產制造安全及網絡安全將貫穿于產品全生命周期的各個環節，工控系統安全管控平臺將與企業安全運營中心進行聯動，最終實現信息技術(IT)和運行技術(OT)融合環境下的統一安全運維管理。

基于該架構，軍工電子制造業以構建自主可控的智能制造新業態為核心，重點關注軍工電子領域國產化智能制造整體解決方案供給能力提升、智能制造試點示范能力提升、智能制造軍民融合能力提升等方面。軍工電子行業領軍企業牽頭構建行業智能制造產業生態，帶動上下游產業鏈和服務鏈開展針對性的智能制造能力提升，不僅可以促進國產智能制造解決方案核心競爭力的不斷提升，還可保證軍工電子制造運行過程的安全可控。

3 軍工電子智能制造關鍵賦能技術應用

3.1 面向多品種、小批量的柔性生產技術

當前軍工電子微組裝自動化生產線，有效提高了生產效率、裝配精度和裝配可靠性，但是現有制造單元的兼容性不足，導致了微波組件型號產品尤其是新研制產品的可自動化生產性難以評估。同時現有生產線只能支持單一產品的在線流水式生產，生產過程工藝方案的確定均要依靠人員參與完成，產品切換依然是人為主導，生產線的柔性混線生產能力不足[14]。

圖3 軍工微組裝柔性生產線組成

本文以微波組件表貼(SMT)生產線為例(如圖3所示)，針對SMT生產單元多品種變批量的需求，進行了自動調寬軌道、多尺寸兼容緩沖機和現有工藝裝備升級工作，增加二維碼讀取和記錄功能，實現產品的自動識別和程序裝載功能，同時可根據產品數據對軌道的寬度進行調整，緩沖機能夠兼容多種尺寸的產品并自動調整和升降。通過提高生產線的柔性程度，實現了微波組件的共線、混線生產，減少了產品切換時間，進一步提升了產品生產效率，滿足了多品種組件的并行研制需求。

3.2 基于數字孿生的智能車間信息物理融合技術

數字孿生車間(DTW)通過物理車間與虛擬車間的雙向真實映射與實時交互，在車間孿生數據的驅動下，實現車間生產要素管理、生產活動計劃、生產過程控制等在物理車間、虛擬車間、車間服務系統間的迭代運行，從而在滿足特定目標和約束的前提下，達到車間生產和管控最優的一種車間運行新模式[15]。

基于上述數字孿生概念，建立了軍工微組裝智能車間的數字運維平臺[16]，具備數字設備建模、設備互聯和關鍵信息的自動采集，支持實時監控生產狀態的決策管理，其系統組成如圖4所示。通過虛擬環境運行，對生產計劃、生產執行、資源調度等生產活動進行精確模擬、監控和預測。基于數字孿生的生產車間改變了傳統的軍工電子生產管控模式，為軍工電子產品生產車間的智能化轉型提供了有效途徑。

圖4 軍工微組裝數字孿生車間組成

3.3 基于MBSE的復雜電子裝備創新研發技術

MBSE主要根據系統工程從需求到系統、分系統、模塊以及實現之間的分解關系，通過定義產品研制各個階段(如需求、系統設計、分系統設計、模塊設計和工藝制造等)的模型，實現產品研制過程和信息基于模型的管理，并在此基礎上建立了基于模型的系統工程機制[17]。

面向軍事電子裝備的改型升級、新品研發需求，采用MBSE方法論，建立軍工電子產品正向研發創新模式(如圖5所示)，打造以“需求牽引、模型貫穿、虛實驗證、并行協同”為特征的新型研發模式，形成包括需求跟蹤追溯、基于數字樣機的協同設計與虛擬仿真驗證、項目計劃流程一體化管理等研發能力。MBSE方法論與智能制造技術的融合應用正在助推軍工電子產品研發模式從傳統的逆向工程向正向研發轉變，可大幅縮短產品研發周期，提升企業的產品創新能力和市場競爭力。

圖5 軍工電子產品正向研發創新模式

3.4 面向軍事電子裝備的網絡化協同制造技術

網絡協同制造是一種利用物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術，將串行工作變為并行工程，實現供應鏈內及跨供應鏈間的企業產品設計、生產、服務、管理等協作的制造模式。該模式特別適用于產品結構復雜、設計周期長、制造環節多的大型軍事電子裝備產品。以中等規模的雷達裝備為例，它是高度集成的復雜電子信息裝備，有上萬個零部件和百萬量級的元器件組件，研制和運維這樣一臺裝備必須基于網絡協同制造平臺開展協同設計、協同生產、協同保障等社會化協作。

基于工業互聯網平臺的網絡協同制造(如圖6所示)將研發流程、企業管理流程與生產供應鏈流程有機結合，從而使得生產管理、產品設計、產品服務和供應鏈管理、客戶關系管理有機地融合在一個完整的企業與市場的閉環系統之中[18]，使軍工電子企業的價值鏈從單一的制造環節向上游設計與研發環節延伸，并向下游運維保障控制環節拓展，形成一個集成了工程設計、生產制造、供應鏈和服務保障的網絡協同制造系統。

圖6 軍工電子網絡協同制造模式

4 結束語

軍工電子是關系國家安全、國民經濟命脈的重要行業，軍工電子制造業的數字化、網絡化和智能化轉型對推動國家重大工程建設和實體經濟高質量發展具有非常重要的作用。本文詳細分析了軍工電子智能制造轉型需求，以通用智能制造系統架構為參考，從生命周期維、系統架構維和智能特征維3個維度構建了軍工電子智能制造系統參考模型，進而提出了“四橫二縱”的軍工電子智能制造總體架構，并對柔性生產、數字孿生、MBSE以及網絡協同制造等關鍵賦能技術在軍工電子智能制造領域的應用進行分析與探討。實踐表明，本文提出的智能制造總體架構及關鍵賦能技術應用案例對推動軍工電子智能制造發展具有積極的借鑒意義和參考價值。