吉利汽車智能制造戰略的實施（上）

李瑞方，周軍，張洋，王坤

吉利汽車集團有限公司 寧波 315300

汽車制造工業是衡量一個國家制造能力的重要標志，發展汽車智能制造是我國從汽車大國邁向汽車強國的必由之路。汽車智能制造的核心，就是“數字化”和“智能化”。數字化制造戰略的實施就是要結合眾多的核心技術，以其前瞻性、低成本和提升企業整體效率的優點，實現制造的數字化、智能化和定制化。

調研國內主要研究現狀，其中比亞迪股份有限公司針對新能源汽車制造設計了生產管控系統，以MES系統為中心，打通了各系統間的孤島壁壘，實現了整車信息追溯[1]；北京汽車集團有限公司建造了智能電動汽車共享工廠，構建了新能源汽車國家大數據聯盟，意在實現資源共享和產業鏈的進一步開放合作[2]；上汽大通汽車有限公司則對汽車個性化定制進行了研究，提出了C2B大規模個性化智能定制模式[3]；廣州汽車集團有限公司建設了全球首個能源綜合利用生態工廠，定位于擁有物聯網、大數據和個性化定制的世界級數字化智慧工廠[4]；吉利汽車對全柔性化的生產線、智能排產系統進行了研究，并制定了詳細的智能制造實施戰略，新一代工廠正在規劃建設中。從全球汽車關鍵技術發展來看，新興技術與制造的融合仍是企業保持競爭力的關鍵，同時也迫切需要通過降低制造鏈、產業鏈成本來提升競爭力。當下，5G技術、大數據以及人工智能的快速發展，給各行各業都帶來了新的機遇，如何以互聯網技術為基礎，實現對汽車制造產業聚集區域各類資源的協同整合變得尤為重要。

吉利智能制造戰略的實施，就是通過將產業數據鏈和價值鏈進行打通，形成網絡協同制造服務支撐體系，最終實現汽車設計、制造、服務一體化和供應鏈、營銷鏈、服務鏈企業群協同，促進汽車產業發展。具體來講就是——以汽車制造服務為核心理念，融合信息技術、制造技術以及物聯網技術，支持制造企業內部及企業相互間在可靠的網絡資源支持下實現對產品不同階段的增值，建立共享制造資源的公共服務平臺，將產品研發、制造、運維等全生命周期的相關數據資源整合在一起，提供標準、規范、可共享的制造服務模式，促進創新資源、生產能力、市場需求的集聚與對接，提高產業鏈資源整合能力和協同效率，實現汽車制造企業內部、企業間、區域性的制造服務協同。

吉利汽車智能制造戰略實施方案，主要采用“三線”互通模式，如圖1所示，該策略打通了產品研發線、產品交付線（含供應鏈）及生產制造線數據，并以IOT平臺作為數據中臺，應用BI、微服務開發、AI算法等技術為數據應用賦能，部署智能管理駕駛艙、IOT微服務群、精益排班數學模型、高級排產及工藝管理平臺等應用系統，從業務管理到業務分析、從精益生產到敏捷響應，產生“知識泛在”效應，為打造魅力品質、精益管理、及時交付與敏捷開發的品牌價值提供了技術支撐。

圖1 “三線”互通模式

構建虛擬生產系統

按類別建立模型庫，實現三維虛擬生產車間的快速構建，使車間模擬系統盡可能地與未來實際生產系統的三維空間布局結構、生產運行和物流過程相吻合，為生產方案的可行性、合理性提供身臨其境的評判依據，并為將來由于不確定因素帶來的生產布局變更提供快速修正和預言評估。模型庫采用的都是預投產設備的真實模型，與真實工廠是完全一樣的，以保證評估的有效性和可靠性。

1.仿真技術應用

在三維軟件環境下，將制造數據與業務進行集成，對產品設計和工藝開發方案進行評估和仿真，找出設計不合理的地方或問題點，針對這些問題點給出優化建議，并驗證更改后的方案，如此反復的實驗和驗證，保證生產過程的最優化。如圖2所示，搭建焊裝車間，對工藝資源進行定義和布局，評估設計方案的合理性并給出整改方案或措施。

圖2 焊裝車間的工藝資源

制造過程設計的科學與否、裝配水平的高低和質量的優劣，直接關系到組裝后的產品是否滿足設計要求。只有嚴格控制裝配工藝，才能保證產品的合格率。數字化預裝配技術在產品開發中的應用，有利于在設計階段及時發現產品裝配設計和規劃中的問題與缺陷并加以解決，從而使企業能夠以更短的時間、更高的質量、更低的成本和更好的服務來贏得市場競爭。

借助于物流仿真軟件對工裝（吊具、滑板、滑橇等）數量、緩沖區合理性、瓶頸工位及線體產能進行分析，提前發現問題并進行高效、準確地解決，優化設備投入，節省項目資金。這樣，能更加充分地驗證方案，減少甚至避免設計缺陷，盡量避免項目實施過程中給生產車間和公司帶來經濟和時間損失。相對于停留在CAD平面設計及經驗積累的物流規劃和設計，縮短從概念到安裝的工廠設計時間，使得內部和外部供應鏈、生產資源和業務流程合理化，按材料要求、集裝箱大小、集裝箱堆放條件以及進出指導原則，充分利用工廠和運輸車輛的空間，減少浪費。在原有自帶庫中增加新的標準化模塊，建立屬于吉利汽車專用數據庫，快速搭建物流仿真模型，縮短方案驗證周期，使驗證更具時效性。

2.虛擬調試技術

汽車生產線集成是一場與時間的賽跑，如何實現在最短時間內以最高的效率將生產線投入生產，是各主機廠面臨的挑戰。傳統的模擬仿真所實現的，是生產線聯動，只是視覺上的設備同時動作，無法準確評估工位運行狀況，很難達到精益制造的目標。利用虛擬調試技術建立邏輯塊，在軟件環境中完成各種“假設分析”的方案執行、系統診斷，實現虛擬與現實工廠的互通，如圖3所示，使虛擬資源成為智能元件，具備與真實資源相同的功能和信號識別能力，為機械操作順序及聯動控制邏輯的正確性提供保證，提高在線調試通過率，縮短現場調試時間。

圖3 虛擬工廠與真實工廠無縫對接

為保證虛擬調試的有效性，需要在設備進場之前完成生產車間坐標系的創建和控制網的布測?？刂谱鴺讼狄话銜x取車間已有坐標系，也可根據需要自定義坐標系?？刂泣c的布設應覆蓋生產線體的周邊，盡量高低錯落，嚴禁布置在同一條直線上?？刂泣c測量使用精度不低于“2mm”的全站儀，采用閉合導線或附合導線進行導線和水準平差，得到各控制點的精確三維坐標，形成局部坐標系下的控制網。測量完成后，將測得的坐標導入數據平臺中，通過自主開發插件，使生產車間網格化。

虛擬調試技術的引入，使得機器人編程和示教環節、PLC的編程和調試環節都可以在辦公室進行。對于虛擬調試技術，控制機器人、伺服電動機、電控閥等設備可以無需依賴對應人員，生產線的所有設備在計算機中呈現，設備的安裝程度亦無要求，只需要在軟件內實現快速控制。虛擬調試中可以做各種“假設分析”，充分識別系統風險，保證系統的可靠性和穩定性。虛擬調試技術打通現場電氣控制系統的調試與機械工藝設計系統的信息隔離，盡最大可能性減少現場無效勞動。

3.數字化工廠發布

如圖4所示，利用數據庫平臺發布數字化工廠，并實現對整個工廠做測量和現場驗證分析。

圖4 數字化工廠發布與局部測量圖

通過虛擬生產系統的建立，實現新工廠建設規劃、已有生產線改造以及智能制造虛擬現實交互，實現生產制造過程數據在計算機虛擬環境中進行仿真、評估、優化?；跀底只M和三維設計對工廠設備、工藝流程等進行規劃，利用三維設計軟件進行廠區布置、廠房設計、物流規劃，依靠高柔性運輸和自動化裝備，實現了多品種的混線生產的工廠建設。利用該工廠模型可以方便的對生產線或者設備位置進行調整，與傳統平面圖紙相比，三維模型仿真可以更直觀地對生產環節進行模擬，更快地發現問題并進行優化，還可以為快速、靈活地調整生產提供精準、全面的實時數據。

構建虛擬現實系統

國內汽車企業仍以“物理試驗為主，仿真為輔”的開發模式，導致了產品研發周期長、開發費用巨大、生產與研發脫節等問題。物理樣機的局限性使汽車開發中的很多方案無法充分驗證，使用虛擬仿真替代物理樣車是制造發展的必然趨勢。面對虛擬現實VR（Virtual Reality）掀起的信息技術創新革命，VR技術已在國防軍事、航空航天、軌道交通等領域廣泛運用，在汽車行業的應用相對較少。虛擬現實仿真技術即將成為未來工業生產最大的驅動力?，F以吉利NPDS研發流程為契機，依托以獲得審批的浙江省重點研發計劃項目《新能源汽車虛擬現實仿真系統研發與推廣應用》，如圖5所示，構建虛擬現實系統技術路線圖。

圖5 虛擬現實系統技術路線圖

使用虛擬仿真替代物理樣車是制造發展的必然趨勢。一方面，制造物理樣車需要相當長的時間，對于嚴格按照研發進度日歷進行的技術團隊而言，只能為這種后知后覺的發現提供補救措施；另一方面，制造物理樣車需要相當大的資金投入，而為了降低研發成本，盡可能減少甚至取消物理樣車是企業管理者的迫切要求。運用虛擬仿真技術則極大地彌補了這方面的不足。虛擬現實系統能夠使用現有設計CAD模型進行剛體部件的可裝配性分析、動態碰撞檢查、運動機構的定義和動態仿真、基于真實材料物理屬性的柔性體定義及行為仿真。

1.虛擬評審

通過使用三維交互式系統進行設計評審，為企業決策者提供不同于以往的決策環境，對準確了解設計意圖、狀態、問題，加速決策流程提供更快捷的方式，虛擬評審內容包括：虛擬造型評審、虛擬人機工效評審以及虛擬性能評審。

（1）虛擬造型評審 如圖6所示，通過實驗室的沉浸式可視化設備，系統對造型CAS數據快速著色和渲染，形成立體三維虛擬造型進行評審，代替傳統油泥模型制造與評審，提高造型評審效率。

圖6 造型評審

（2）虛擬人機工效評審 汽車設計SAE標準以駕駛員作為設計的出發點，對整車進行符合人機工程學要求的設計。開發平臺軟件作為可視化環境，通過第一人稱視角為設計者、決策者提供產品體驗的環境，以評審產品設計是否滿足駕/乘人員的體驗要求。其中，駕/乘人機工程，是車輛在前期設計和市場定位時，應考慮到產品的客戶群體特征，以及使用過程中的人機工程要求。諸如行李艙的開啟與關閉等過程對人機工程的要求。過高的行李艙張開角度能夠解決大行李的裝卸問題，但對于身材較小的女性用戶而言，可能會帶來使用過程中的不良用戶體驗。使用軟件的人機工程仿真，通過虛擬人體模型的操作體驗，可為決策者和設計者提供產品修改的依據。另外，制造、維修人機工程是對于車輛的制造與維修，需要考慮生產工人和后期車輛維修人員的人機工程要求。工藝規劃時，使用虛擬現實系統對制造過程的人機工程學檢查，確保復雜、精密部件的裝配過程符合基本人機工程學要求，避免由此導致的錯裝、漏裝等質量問題；產品設計時，使用虛擬現實系統對維修過程的人機工程學檢查，確保車輛可維修性和便捷性，提高產品質量和效率。

（3）虛擬性能評審 虛擬現實系統在重視視覺的效果真實的基礎上，也專注于工程需求，通過多來源數據的集成，不僅可以查看產品結構數據，還可以隨時查看有關性能的仿真數據。將研發階段中采用傳統的、分散的圖表、曲線等各虛擬性能表達方式集成為逼真的真實感受進行感知評審，提高性能評審效果與質量（例如NVH噪聲分析，將原來的曲線表達方式轉換為空間立體聲音呈現出來，更直觀和有效）。與此同時，通過軟件功能開發，對CAE不同學科計算結果數據的再處理，還能夠提供一般后處理工具無法實現的實時機構運動仿真、管線路仿真和人體模型仿真，進行性能的深層次研究與提升。

如圖7所示，在進行整車碰撞仿真后，后處理工具可對碰撞變形進行顯示，還能夠將假人模型放置在變形后的車身內，以評估碰撞變形后乘員的逃生空間；還能夠將電池作為仿真對象，研究碰撞變形后，汽車電池能否拆除等裝配問題。

圖7 整車碰撞仿真與電池拆卸功能仿真

通過動作捕捉系統，操作者可以身臨其境地在虛擬產品中漫游，并切換為第一人稱視角，對產品進行真實視覺尺寸的交互式體驗，指導產品設計通過手柄可以便捷的對產品零部件進行實時地拖拽、移動以及隱藏等動作，增加了評審的效率與手段的多樣性。同時，支持跨地域的協調評審功能?？蓪⒉煌赜虻挠脩敉瑫r納入一個評審系統中進行設計的評審，例如在一個評審中心打開需要評審的模型，進行移動、裝配、交互等動作時，在其他地域參與評審的用戶也可以實時地得到反饋，他們可以獲得跟上述操作者一樣的視覺效果，同步的移動、裝配、交互等動作的可行性及評審。

2.虛擬裝配

（1）結合虛擬生產系統 在統一的使用環境下實現虛擬裝配，我們在讀取CAE、CAD設計數據進入系統時用戶僅需進行簡單定義，無需預先進行運動路徑等復雜的設置就能實現對數據中零件的實時交互操作，包括實時仿真、動態干涉檢查、摩擦與滑動分析、實時拖拽、移動、隱藏、標注標記及測量等動作。如圖8所示，這就方便評審過程中對問題零件的工藝性、可裝配性、干涉及裝配順序等關鍵問題、關鍵零件的排查與實時仿真測試，實現產品的操控性、可視性、可達性、舒適性及安全性。

圖8 虛擬裝配評審

3.虛擬展示

依托虛擬現實系統提供對外宣傳平臺，向來訪貴賓展示吉利具備國際水平的沉浸式、可視化的虛擬產品開發能力與技術，親身體驗吉利在研發設計階段先進的虛擬性能開發、生產制造階段先進的數字化工廠，從虛擬概念設計到產品生產全生命周期的開發過程，為吉利自主品牌勇于創新、精品開發與制造的形象提供了很好的宣傳平臺。如圖9所示，通過虛擬現實系統和虛擬生產系統相結合，可以讓參觀者帶上設備在虛擬環境中參觀工廠，縮短汽車制造商與客戶之間的距離，增強與客戶的互動，更好地了解客戶的需求，并將需求轉化到產品設計中。

圖9 數字化工廠漫游

數字化虛擬設計和驗證，可以打破時間和空間的距離，數字化信息的傳輸速度非常可觀，不受訪問人員數量和地域的限制，使異地協同設計成為可能。與傳統制造相比，節約人力成本的同時也降低了設計過程中對人工操作能力的依賴性，極大地減少材料浪費，真正實現柔性化、個性化設計（待續）。