智能制造系統(tǒng)架構(gòu)在汽車行業(yè)的應(yīng)用

付巖

（國汽（北京）汽車輕量化技術(shù)研究院有限公司，北京 100176）

主題詞：智能制造 智能制造系統(tǒng)架構(gòu) 汽車制造業(yè)

1 前言

《中國制造2025》明確提出以智能制造為主攻方向，實現(xiàn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級[1]。“智能制造”是新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的深度融合，不限于傳統(tǒng)“制造”的概念，智能制造是貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、制造和服務(wù)活動的各個領(lǐng)域，是具備“自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)”功能的新型生產(chǎn)方式[2]。為推動智能制造的穩(wěn)健發(fā)展，扎實構(gòu)建滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求、先進(jìn)適用的智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系[3]，推動高水平的設(shè)計-生產(chǎn)-服務(wù)于一體的智能制造體系，國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南中構(gòu)建了智能制造系統(tǒng)架構(gòu)[4]，如圖1所示。

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)定義并解釋了智能制造的邊界和內(nèi)涵，各個行業(yè)的智能制造都可以用這個模型來開展相關(guān)工作。汽車行業(yè)是最具代表性的行業(yè)，也是工業(yè)發(fā)展的綜合體現(xiàn)窗口，“智能制造”在汽車領(lǐng)域的實現(xiàn)是標(biāo)志性的。

圖1 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)圖[4]

2 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)容

在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中，智能制造由生命周期、系統(tǒng)層級和智能特征三條坐標(biāo)軸構(gòu)成，對智能制造所涉及的業(yè)務(wù)范圍、裝備等級、智能水平等內(nèi)容進(jìn)行了描述；每個坐標(biāo)軸代表一個維度，從三個維度介紹了智能制造的對象和范圍，指導(dǎo)各行各業(yè)開展智能制造工作。映射到汽車行業(yè)，以整車制造企業(yè)的業(yè)務(wù)范圍為例具體內(nèi)容如下。

2.1 生命周期

生命周期是指某商品車從整車開發(fā)流程的項目啟動開始到產(chǎn)品報廢回收再制造的各個階段，如圖1生命周期坐標(biāo)軸包含設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)一系列相互關(guān)聯(lián)的有價值的活動。

（1）設(shè)計：指汽車制造企業(yè)開發(fā)某款新車型的整車開發(fā)流程，如上汽整車開發(fā)流程GVDP 包含的架構(gòu)階段（A4-A1）、戰(zhàn)略階段（G9-G8）、概念階段（G8-G7）、開發(fā)階段（G7-G5）、產(chǎn)品及生產(chǎn)成熟階段（G5-G1）5個階段[5]；

（2）生產(chǎn)：指某車型量產(chǎn)后采購原材料或外購件、通過符合設(shè)計要求的生產(chǎn)設(shè)備，按照生產(chǎn)計劃制造出滿足質(zhì)量目標(biāo)、符合法規(guī)要求的商品車的全過程；

（3）物流：指物品從供應(yīng)地向接收地的實體流動過程，包括汽車生產(chǎn)過程所需的原材料、外購件的廠外運輸，場內(nèi)運輸、倉儲、分揀、配送等流程，以及成品車銷售過程的運輸；

（4）銷售：指主機廠生產(chǎn)下線的商品車從工廠到達(dá)使用客戶手中的一系列經(jīng)營活動；

（5）服務(wù)：汽車生產(chǎn)企業(yè)與客戶接觸過程中所產(chǎn)生的一系列活動的過程及結(jié)果，包括售前服務(wù)、售后服務(wù)、報廢回收等。

2.2 系統(tǒng)層級

系統(tǒng)層級是指與汽車生產(chǎn)企業(yè)的制造活動有關(guān)的組織層級的劃分，如圖1系統(tǒng)層級坐標(biāo)軸包含設(shè)備、單元、車間、企業(yè)和協(xié)同。

（1）設(shè)備層：指汽車制造企業(yè)利用傳感器、儀器儀表、機器、裝置等，實現(xiàn)實際物理流程并感知和操控物理流程的層級[4]；該物理流程包括生命周期的全部環(huán)節(jié)；

（2）單元層：指用于汽車生產(chǎn)工廠內(nèi)收集信息、處理信息、實時監(jiān)控、實現(xiàn)物理流程控制的層級；典型的應(yīng)用實例是可編程邏輯控制器(PLC)；

（3）車間層：實現(xiàn)面向企業(yè)的工廠、車間生產(chǎn)管理的層級；其中制造執(zhí)行系統(tǒng)MES在車間層的應(yīng)用上發(fā)揮了重要作用；

（4）企業(yè)層：實現(xiàn)面向汽車制造企業(yè)經(jīng)營管理的層級[4]；包括企業(yè)資源計劃(ERP)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)；

（5）協(xié)同層：汽車制造企業(yè)實現(xiàn)其內(nèi)部信息、外部信息互聯(lián)互通、集成共享的層級，汽車行業(yè)常見的包括協(xié)同研發(fā)、智能生產(chǎn)、精準(zhǔn)物流、智能服務(wù)等。

2.3 智能特征

智能特征是指在汽車行業(yè)中基于新一代信息通信技術(shù)使汽車全生命周期活動具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等一個或多個功能的劃分，如圖1智能特征坐標(biāo)軸包含資源要素、互聯(lián)互通、融合共享、系統(tǒng)集成和新興業(yè)態(tài)5層智能化要求[4]。

（1）資源要素：指汽車制造企業(yè)在設(shè)計、制造等過程中所使用的所有資源或材料；包括產(chǎn)品設(shè)計圖樣、工廠施工圖樣、制造用工藝文件、車間的設(shè)備、廠房等實體及三維數(shù)模，也包括電力能源和人力資源；

（2）互聯(lián)互通：指通過信息通信技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備之間、設(shè)備與控制系統(tǒng)之間、各車間之間、主機廠與供應(yīng)商之間相互關(guān)聯(lián)、相互交換信息功能的層級；

（3）融合共享：指在互聯(lián)互通的基礎(chǔ)上，利用云計算、5G 通信、大數(shù)據(jù)等新一代信息通信技術(shù)，在保障信息安全有效的前提下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息協(xié)同共享的層級；

（4）系統(tǒng)集成：指汽車制造企業(yè)從智能裝備到智能系統(tǒng)、智能生產(chǎn)線乃至智能工廠，最后到智能制造系統(tǒng)逐步集成的層級；

（5）新興業(yè)態(tài)：汽車制造企業(yè)為形成新型產(chǎn)業(yè)形態(tài)進(jìn)行企業(yè)間價值鏈整合的層級[4]，如定制化生產(chǎn)、遠(yuǎn)程運維等。

3 智能制造系統(tǒng)架構(gòu)在汽車行業(yè)的映射

系統(tǒng)層級維度相對于汽車傳統(tǒng)的制造過程在企業(yè)層之上增加了企業(yè)之間協(xié)作的協(xié)同環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了汽車行業(yè)在開展智能制造過程中企業(yè)之間協(xié)同研發(fā)、協(xié)同生產(chǎn)等協(xié)作過程。系統(tǒng)層級維度的設(shè)備、單元、車間、企業(yè)與生命周期維度構(gòu)成的平面是汽車行業(yè)傳統(tǒng)的“制造”，傳統(tǒng)的汽車制造平面沿著智能特征維度向下映射，形成了汽車行業(yè)的智能制造，如圖2所示，映射的層級不同則代表智能的程度不同。

汽車行業(yè)的智能制造不僅是普通的“汽車制造”與智能特征維度的映射集成，也是智能特征維度與生命周期維度和系統(tǒng)層級維度的水平集成。智能特征維度除新興業(yè)態(tài)以外的環(huán)節(jié)與系統(tǒng)層級維度組成的平面是汽車智能制造的載體——智能工廠，如圖3所示。

圖2 汽車行業(yè)傳統(tǒng)制造向智能制造的映射

圖3 智能特征維度部分環(huán)節(jié)與系統(tǒng)層級維度集成

新興業(yè)態(tài)環(huán)節(jié)與系統(tǒng)層級維度組成的小平面是個性化定制、遠(yuǎn)程運維等新興的商業(yè)模式，如圖4所示。

圖4 新興業(yè)態(tài)環(huán)節(jié)與系統(tǒng)層級維度集成

而智能特征維度與生命周期維度的集成則是資產(chǎn)流、數(shù)據(jù)流、信息流、裝備流、服務(wù)流的貫通，如圖5所示。

4 典型應(yīng)用在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中的體現(xiàn)

汽車作為產(chǎn)品在不斷的發(fā)生著變化，汽車正在向智能化、網(wǎng)聯(lián)化發(fā)展；智能網(wǎng)聯(lián)汽車是高度復(fù)雜、可移動的智能網(wǎng)聯(lián)終端，是大數(shù)據(jù)的采集、中轉(zhuǎn)和處理節(jié)點。智能產(chǎn)品是智能制造的前提，智能制造是實現(xiàn)智能產(chǎn)品的保障，在智能汽車發(fā)展需求的拉動下，汽車行業(yè)智能制造已經(jīng)有了很多成熟的典型應(yīng)用，這些典型的應(yīng)用在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中都能找到相應(yīng)的位置。這里主要從軟件和硬件2個方面舉例說明。

圖5 智能特征維度與生命周期維度集成

4.1 軟件方面——MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))的應(yīng)用

MES 作為汽車行業(yè)制造環(huán)節(jié)專項的制造執(zhí)行系統(tǒng)，在智能制造方面發(fā)揮了不可替代作用。在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中的位置如圖6所示，它的位置坐標(biāo)是生命周期維度的生產(chǎn)環(huán)節(jié)、物流環(huán)節(jié)，系統(tǒng)層級維度的車間環(huán)節(jié)，智能特征維度的系統(tǒng)集成環(huán)節(jié)。

圖6 MES在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中所處的位置

4.2 硬件方面——智能設(shè)備

汽車行業(yè)所使用的智能設(shè)備相對于傳統(tǒng)的制造設(shè)備需要具備主動感知、主動學(xué)習(xí)、主動決策、主動執(zhí)行、主動適應(yīng)等功能。它在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中的位置如圖7所示，它的位置坐標(biāo)是生命周期維度的全部環(huán)節(jié)，系統(tǒng)層級的設(shè)備環(huán)節(jié)、單元環(huán)節(jié)，智能特征的資源要環(huán)節(jié)。

除了上述2 個典型的案例，還有分布式控制系統(tǒng)(FCS)、企業(yè)資源計劃(ERP)、基于模型的設(shè)計(MBD)、產(chǎn)品生命周期管理(PLM)、倉儲管理系統(tǒng)(WMS)、供應(yīng)鏈管理(SCM)、智能工廠等，它們分布在生命周期維度的不同環(huán)節(jié)，與系統(tǒng)層級維度不同層級的設(shè)備硬件結(jié)合，具備不同級別的智能特征，在汽車智能制造領(lǐng)域發(fā)揮著極其重要的作用。

圖7 智能裝備在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中所處的位置[3]

4.3 典型汽車企業(yè)智能制造建設(shè)實踐

在智能制造的大潮中，汽車產(chǎn)業(yè)在轉(zhuǎn)型升級中不斷吸取智能制造的最新成就，大學(xué)、研究機構(gòu)和汽車制造企業(yè)在智能制造的建設(shè)方面也在不斷探索，取得了一定進(jìn)展。

清華大學(xué)汽車產(chǎn)業(yè)與技術(shù)戰(zhàn)略研究院劉宗巍博士提出了面向智能制造的汽車產(chǎn)業(yè)升級路徑和汽車智能制造升級的特點與價值，如圖8所示[6]，對于引導(dǎo)企業(yè)按照智能制造的方向轉(zhuǎn)型升級具有一定的指導(dǎo)意義。

圖8 汽車智能制造升級的特點與價值[6]

清華大學(xué)天津高端裝備研究院謝坤領(lǐng)導(dǎo)的課題組，完成了新能源汽車制動器總成的智能制造工廠設(shè)計[7]，智能工廠的MES 系統(tǒng)監(jiān)控邏輯設(shè)計如圖9 所示。

圖9 MES系統(tǒng)監(jiān)控邏輯設(shè)計[7]

自2015年工信部明確智能制造試點示范項目起，長安汽車就啟動智能制造實踐工作，形成了如表1所示的汽車產(chǎn)業(yè)全價值鏈智能制造應(yīng)用示范[8]。長安汽車通過智能制造的探索與實踐，制造水平有了較大幅度提高，企業(yè)經(jīng)營質(zhì)量有了較大幅度提升[8]。

表1 長安汽車智能制造示范要素[8]

一汽集團在紅旗制造體系上大力發(fā)展智能制造，通過數(shù)字化建設(shè)借助工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實行橫與縱的連接集成，如圖10所示為一汽智能制造的數(shù)字化框架[9]。并發(fā)展數(shù)字化工藝、虛擬仿真與分析、數(shù)字化生產(chǎn)、自動化設(shè)備和控制系統(tǒng)等數(shù)字化制造的關(guān)鍵技術(shù)來推動智能制造的。

圖10 一汽智能制造的數(shù)字化框架[9]

長城汽車采用智能制造理念建設(shè)智能制造體系[10]，長城汽車現(xiàn)階段從智能設(shè)計、智能生產(chǎn)、智能裝備3個維度實施智能制造，旨在實現(xiàn)降本增效，提高產(chǎn)品競爭力，長城汽車智能設(shè)計構(gòu)架如圖11所示。

圖1 1長城汽車智能設(shè)計構(gòu)架[10]

北京現(xiàn)代汽車積極探索新產(chǎn)業(yè)和新技術(shù)融合，提出“智現(xiàn)代·質(zhì)未來”品牌戰(zhàn)略向智能制造轉(zhuǎn)型，在生產(chǎn)過程、安全控制、品質(zhì)管理、物流運輸、設(shè)備保全5個方面不斷進(jìn)行智能化升級，如表2所示為北京現(xiàn)代汽車智能化升級的5個方面[11]。

表2 北京現(xiàn)代汽車智能化升級的5個方面[11]

江鈴底盤股份有限公司也積極踐行智能制造，采用Teamcenter10.0 進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)信息化管理[12]。東風(fēng)汽車集團也提出了潛心智能制造,提出了提升核心技術(shù)先行研發(fā)、同步工程、智能制造和系統(tǒng)集成的整體解決方案[13]。

5 結(jié)束語

各個汽車制造行業(yè)的主機廠在智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的指導(dǎo)下結(jié)合自身企業(yè)的特點和發(fā)展需要分別建立了具有自身特色的智能制造體系，而每個企業(yè)的智能制造體系都能在圖1所示的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)中找到相應(yīng)的模塊單元。像魔方一樣的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)是智能制造的全貌，而汽車行業(yè)目前的智能制造水平還不能覆蓋到魔方的每個位置，各個企業(yè)的智能制造體系只是魔方體積的一部分。但隨著發(fā)展，汽車行業(yè)智能制造定會不斷完善、一步一步完善并覆蓋智能制造系統(tǒng)架構(gòu)。

智能制造正在發(fā)生顛覆性的巨變，基于AI、5G和工業(yè)大數(shù)據(jù)將使智能制造呈現(xiàn)新的發(fā)展勢頭，汽車制造業(yè)將迅速迭代，轉(zhuǎn)型升級更加體現(xiàn)高效、低成本和高質(zhì)量。