一種面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)研究

■ 沈文杰 郭永釗 胡永芳

引言

有源相控陣?yán)走_(dá)作為軍用復(fù)雜電子裝備的典型代表，其制造過程具有專業(yè)領(lǐng)域多、工藝流程復(fù)雜、物料種類多等特點(diǎn)。近年來，隨著我國雷達(dá)技術(shù)的高速發(fā)展，雷達(dá)裝備的研制周期不斷縮短，型號(hào)種類呈多樣化，技術(shù)難度不斷加大，給雷達(dá)全流程的制造提出了更高的要求。

隨著雷達(dá)工藝技術(shù)的迅速發(fā)展和信息技術(shù)在雷達(dá)設(shè)計(jì)制造中的擴(kuò)展應(yīng)用，雷達(dá)的設(shè)計(jì)制造已經(jīng)從基于經(jīng)驗(yàn)的知識(shí)積累型技藝技術(shù)逐漸向基于數(shù)據(jù)和規(guī)則的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造模式轉(zhuǎn)變；與此同時(shí)，人工智能與大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的引入也將雷達(dá)工業(yè)的生產(chǎn)制造向數(shù)字化智能制造之路推進(jìn)，新型技術(shù)的引入和使用極大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)制造周期，也催生了企業(yè)管理模式的升級(jí)改革，如何將數(shù)字化新技術(shù)與企業(yè)運(yùn)營管理相結(jié)合，探索出兼顧企業(yè)管理體系與強(qiáng)數(shù)字化拓展性的數(shù)字化工廠管理架構(gòu)是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型規(guī)劃中的重要課題，也是保障雷達(dá)產(chǎn)品快速研發(fā)迭代、安全高質(zhì)量持續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)性問題。

本文以雷達(dá)研發(fā)制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，分析了現(xiàn)有數(shù)字化工廠體系架構(gòu)在雷達(dá)設(shè)計(jì)研制型企業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)越性和不足，在原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上加入數(shù)據(jù)和執(zhí)行層，優(yōu)化了各個(gè)層級(jí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由此提出了一種面向服務(wù)型的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)，并以雷達(dá)微波組件生產(chǎn)制造車間為例，分析了新型架構(gòu)下數(shù)字化車間的建設(shè)優(yōu)勢(shì)，其數(shù)據(jù)共享性強(qiáng)、系統(tǒng)柔性高的特點(diǎn)滿足了雷達(dá)微波組件生產(chǎn)節(jié)奏快、產(chǎn)品種類繁、自動(dòng)化設(shè)備多的數(shù)字化管控需求。

1 數(shù)字化工廠體系架構(gòu)

1.1 智能制造的基礎(chǔ)

智能制造是制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的融合，是面向產(chǎn)品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制功能的制造系統(tǒng)，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶。

智能制造的基礎(chǔ)是信息技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，將數(shù)字化軟件高效運(yùn)用在企業(yè)中，減少傳統(tǒng)管理流程中的信息傳遞成本；利用計(jì)算機(jī)軟件輔助設(shè)計(jì)、制造、現(xiàn)場生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與實(shí)踐的深度融合；使用數(shù)據(jù)挖掘等信息自動(dòng)化手段代替部分人力依靠經(jīng)驗(yàn)的勞動(dòng)，都是智能制造的重要研究內(nèi)容。因此數(shù)字化是智能制造的基礎(chǔ)和先決條件，推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建立適合企業(yè)的數(shù)字化架構(gòu)將企業(yè)的業(yè)務(wù)與生產(chǎn)對(duì)象數(shù)字化管控，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化工廠，是發(fā)展智能制造的重要課題。

1.2 數(shù)字化工廠架構(gòu)

《數(shù)字化車間通用技術(shù)要求（GBT 37393-2019）》的國家標(biāo)準(zhǔn)中提出了一種數(shù)字化工廠企業(yè)模型，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 國標(biāo)中數(shù)字化工廠架構(gòu)模型

該模型將制造企業(yè)數(shù)字化架構(gòu)劃分為三層結(jié)構(gòu)，分別是管理層、執(zhí)行層、基礎(chǔ)層，三層結(jié)構(gòu)分別由不同的軟、硬件系統(tǒng)組成，承擔(dān)不同層級(jí)的企業(yè)數(shù)字化管理任務(wù)：

其中管理層主要包括企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）及產(chǎn)品全生命周期管理等系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)示范線生產(chǎn)任務(wù)的發(fā)起和產(chǎn)品完工的接收。執(zhí)行層主要包括數(shù)字化設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)及制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（MOM），負(fù)責(zé)企業(yè)工藝設(shè)計(jì)、訂單信息發(fā)布及生產(chǎn)線運(yùn)行狀況反饋；該層級(jí)主要包括車間計(jì)劃與調(diào)度、工藝執(zhí)行與管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量管理等功能模塊，對(duì)生產(chǎn)過程中的各類業(yè)務(wù)、活動(dòng)或相關(guān)資產(chǎn)進(jìn)行管理；基礎(chǔ)層主要包括生產(chǎn)制造所必需的各種生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)資源，負(fù)責(zé)接收工單并按指令完成各工序的作業(yè)任務(wù)及上傳實(shí)時(shí)過程信息；其中制造設(shè)備承擔(dān)執(zhí)行生產(chǎn)、檢驗(yàn)、物料運(yùn)送等任務(wù)，大量采用智能化設(shè)備，可自動(dòng)進(jìn)行信息的采集或指令執(zhí)行；生產(chǎn)資源是生產(chǎn)用到的物料、托盤、工裝輔具、人、傳感器等，本身不具備智能化通信能力，但可借助條碼、RFID 等技術(shù)進(jìn)行標(biāo)識(shí)，參與生產(chǎn)過程并通過其智能化標(biāo)識(shí)與系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)交互。

而對(duì)于架構(gòu)中的不同軟件系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)交互如圖2 所示，對(duì)于有外部接口的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過已有的外部接口進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，對(duì)于某些在外部接口中沒有設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，需要人工通過手動(dòng)查詢錄入的方式在兩系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

圖2 原始架構(gòu)中軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互

1.3 數(shù)字化工廠架構(gòu)不足

此模型統(tǒng)一的頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)將不同層級(jí)的功能限定，實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計(jì)、現(xiàn)場執(zhí)行的產(chǎn)品全生命周期管控，在電子制造企業(yè)和其他產(chǎn)品較為固定的生產(chǎn)單位得到了廣泛的應(yīng)用，但雷達(dá)屬于復(fù)雜電子裝配，在實(shí)際研發(fā)生產(chǎn)過程中，由于雷達(dá)的零部件眾多，其產(chǎn)品技術(shù)迭代速度快、產(chǎn)品復(fù)雜度高、生產(chǎn)流程復(fù)雜，設(shè)計(jì)流程眾多，因此此套系統(tǒng)架構(gòu)在實(shí)際使用中存在某些不足，具體體現(xiàn)在：

數(shù)據(jù)流通性差，易形成數(shù)據(jù)孤島：從原數(shù)字化車間結(jié)構(gòu)來看，各層級(jí)的數(shù)據(jù)傳遞彼此孤立，管理層通過執(zhí)行層的制造運(yùn)行管理系統(tǒng)對(duì)一線數(shù)據(jù)部分傳遞，上下層系統(tǒng)無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，導(dǎo)致信息在傳遞過程中會(huì)出現(xiàn)不對(duì)稱性，此現(xiàn)象使得各個(gè)系統(tǒng)的大量信息私有化，形成數(shù)據(jù)孤島，最終導(dǎo)致信息在各自系統(tǒng)獨(dú)立存在與獨(dú)立部分決策，無法統(tǒng)一形成信息合力。

模塊復(fù)用性差，系統(tǒng)冗余性較高：在各個(gè)層級(jí)中，有一些功能相同或相似的基礎(chǔ)模塊，在不同層級(jí)的功能系統(tǒng)中會(huì)重復(fù)開發(fā)，導(dǎo)致模塊的開發(fā)速度和兼容性較低，多項(xiàng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)冗余存在于各個(gè)系統(tǒng)的不同部分，造成系統(tǒng)耦合度過高，復(fù)用性較差。

系統(tǒng)拓展性差，二次開發(fā)周期長：按照原有數(shù)字化工廠架構(gòu)，各個(gè)層級(jí)的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)確定需求后定制，能高度適應(yīng)企業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)需求，但其功能相對(duì)固定，不同系統(tǒng)之間的交互只通過外部接口，若企業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)生拓展，往往需要涉及多個(gè)系統(tǒng)的二次升級(jí)，二次開發(fā)周期較長。

基于上述情況，本文結(jié)合在實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，提出一種面向服務(wù)的新型數(shù)字化工廠體系架構(gòu)。

2 面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)

2.1 面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）方法是一種建立、管理、維護(hù)IT 系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的方法。SOA 架構(gòu)中，由各自獨(dú)立、可復(fù)用的服務(wù)構(gòu)成系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)。基于標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)開發(fā)的“服務(wù)”能夠?qū)崿F(xiàn)軟件系統(tǒng)中業(yè)務(wù)邏輯抽象和技術(shù)抽象,支持業(yè)務(wù)邏輯與具體實(shí)現(xiàn)技術(shù)的分離,從而使企業(yè)應(yīng)用徹底擺脫“面向技術(shù)”設(shè)計(jì)解決方案的束縛,使企業(yè)能夠適應(yīng)業(yè)務(wù)和技術(shù)的不斷變化,輕松應(yīng)對(duì)企業(yè)業(yè)務(wù)變化和發(fā)展的需要。面向服務(wù)計(jì)算環(huán)境下,“服務(wù)”可以被共享、重用和動(dòng)態(tài)配置,從而便于從整體角度審視企業(yè)的信息系統(tǒng)架構(gòu),選擇一個(gè)合適的支撐平臺(tái),有機(jī)地集成企業(yè)的各個(gè)“信息孤島”。伴隨著大規(guī)模企業(yè)級(jí)應(yīng)用的不斷發(fā)展,為了減少異構(gòu)性、滿足互操作性和不斷變化的業(yè)務(wù)要求,面向服務(wù)架構(gòu)方法已經(jīng)成為企業(yè)架構(gòu)設(shè)計(jì)熱點(diǎn)技術(shù)之一。

2.2 面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)

借鑒SOA 的建設(shè)思路，對(duì)原有模型的部分功能和數(shù)據(jù)解耦和，在原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上加入數(shù)據(jù)層和控制層，將原有的模塊功能細(xì)分，以具體的業(yè)務(wù)對(duì)象單元為單位，在現(xiàn)場變化頻繁的基礎(chǔ)層以車間生產(chǎn)單元為建設(shè)對(duì)象，建設(shè)多個(gè)智能與數(shù)字化單元，形成現(xiàn)有的面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)，其架構(gòu)模型如圖2 所示。

其中數(shù)據(jù)層將所有層級(jí)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享統(tǒng)一管理，各個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)只是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的應(yīng)用，控制層是對(duì)基礎(chǔ)層的業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行組合管理，形成一套模塊化可定制的面向業(yè)務(wù)的操作控制界面。

對(duì)于數(shù)字化軟件層級(jí)的設(shè)計(jì)，將不同軟件的系統(tǒng)功能層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和與硬件結(jié)合的采集/控制部分抽離出，形成硬件采集控制功能池、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)功能池，其軟件系統(tǒng)如圖3 所示；對(duì)于單個(gè)系統(tǒng)來說，系統(tǒng)知識(shí)對(duì)于功能池的不同組合，通過調(diào)用功能池的不同接口獲取想要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)的交互，功能池通過操縱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的訪問和讀寫，而硬件采集控制功能池是將所有與硬件結(jié)合的功能統(tǒng)一，將其驅(qū)動(dòng)、接口、數(shù)據(jù)格式化處理等功能統(tǒng)一到一個(gè)層級(jí)，實(shí)現(xiàn)與硬件的面向?qū)ο蠼换ァ?/p>

圖3 面向服務(wù)的數(shù)字化工廠架構(gòu)模型

在面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)模型下對(duì)企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)，對(duì)比原有模型有若干優(yōu)勢(shì)：

數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)數(shù)據(jù)共通性：增加的數(shù)據(jù)層可以對(duì)管理層以下數(shù)據(jù)全局共享，增加數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的全局作用，以人員管控為例，在沒有將數(shù)據(jù)獨(dú)立之前，人員的考核是依靠每天的打卡數(shù)據(jù)和月度考核指標(biāo)中的固定幾個(gè)參數(shù)來衡量，人員每天的工作量難以量化，在獨(dú)立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，人員考核可以從多個(gè)系統(tǒng)中獲取到人員的工作情況、培訓(xùn)信息、負(fù)責(zé)產(chǎn)品信息等多個(gè)維度的基礎(chǔ)信息，對(duì)于人員考核的考評(píng)方式也更加多樣化。

功能解耦，多模塊功能復(fù)用：在基礎(chǔ)層和控制層中，以功能模塊和車間生產(chǎn)單元為最小單位建立數(shù)字化系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多模塊的功能復(fù)用，例如在SMT生產(chǎn)車間和殼體焊接車間，均需要“生產(chǎn)問題反饋”功能，但SMT 生產(chǎn)車間和殼體焊接車間的問題類型和處理流程存在差異，原架構(gòu)使用上層管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)此功能，導(dǎo)致問題處理流程無法覆蓋所有車間，但若在各個(gè)車間分別建設(shè)管理系統(tǒng)，進(jìn)行定制化的“生產(chǎn)問題反饋”功能開發(fā)，開發(fā)周期過長且耗費(fèi)成本巨大，對(duì)功能進(jìn)行解耦后，“生產(chǎn)問題反饋”作為底層的共用模塊，在不同車間根據(jù)車間的需求，對(duì)此模塊進(jìn)行定制化的修改，即可適用于該車間的業(yè)務(wù)需求，既滿足需求又減少了數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)周期。

便于拓展，建設(shè)方式更靈活：雷達(dá)研發(fā)屬于高新電子制造行業(yè)，隨著雷達(dá)的生產(chǎn)的設(shè)計(jì)、工藝變更，企業(yè)的生產(chǎn)模式和管理模式也會(huì)隨之快速變更，伴隨而來的則是新業(yè)務(wù)與新模式的數(shù)字化需求，如在某型號(hào)雷達(dá)新產(chǎn)品的預(yù)研項(xiàng)目中，采用了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和最新的工藝方法，開辟了一條適應(yīng)于新工藝的生產(chǎn)線，原有數(shù)字化系統(tǒng)無法滿足管控需求，若在原有體系下，需要從企業(yè)ERP系統(tǒng)，到運(yùn)營管理層MOM 系統(tǒng)和現(xiàn)場管理系統(tǒng)均進(jìn)行升級(jí)改造，在面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)中，只需要在需要的層級(jí)加入相應(yīng)的控制單元，將其數(shù)據(jù)按照SOA 規(guī)則并入數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層，各層系統(tǒng)即可快速適應(yīng)新業(yè)務(wù)管控，實(shí)現(xiàn)了靈活的數(shù)字化系統(tǒng)拓展。

3 面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)的應(yīng)用

微波組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，具有產(chǎn)品質(zhì)量要求高、多品種變批量、研制批產(chǎn)共線、多型號(hào)混線等特點(diǎn)，對(duì)管控系統(tǒng)提出了很高的要求。本文提出的架構(gòu)在微波組件制造車間進(jìn)行了應(yīng)用，充分發(fā)揮了架構(gòu)支持快速迭代、復(fù)用性好以及互通性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

圖4 面向服務(wù)的數(shù)字化工廠軟件模型

3.1 面向服務(wù)的體系架構(gòu)在微組裝車間的應(yīng)用

微波組件微組裝車間業(yè)務(wù)應(yīng)用需求眾多，涉及到人員管理、設(shè)備管理、物料管理、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)控等多個(gè)方面。按照面向服務(wù)的數(shù)字化車間體系架構(gòu)思路，建設(shè)車間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）進(jìn)行統(tǒng)一的車間級(jí)管控，在具體的業(yè)務(wù)部分，在最底層使用生產(chǎn)單元為最小建設(shè)功能單位，各個(gè)單元的基本功能可以復(fù)用，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享，通過不同生產(chǎn)單元的組合建設(shè)單元SCADA 對(duì)業(yè)務(wù)相近的生產(chǎn)流程進(jìn)行統(tǒng)一的管控，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 微組裝車間數(shù)字化系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)

以高密度板級(jí)電路生產(chǎn)單元管控系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)的建設(shè)為例，其軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6 所示。以剝離數(shù)據(jù)層和功能模塊為基本思路設(shè)計(jì)基礎(chǔ)信息共享層和基礎(chǔ)功能池，以具體的功能組合不同的數(shù)據(jù)和功能形成具體功能集合的應(yīng)用層和負(fù)責(zé)報(bào)表生成和系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示的展示層，信息共享層中，生產(chǎn)線管控系統(tǒng)和測(cè)試管理系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)庫，因此人員數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、廠房工位數(shù)據(jù)等均只需要維護(hù)一次，做到了數(shù)據(jù)復(fù)用，在基礎(chǔ)功能池內(nèi)，集成了多個(gè)功能組件，如設(shè)備通訊協(xié)議組件、人員權(quán)限管理組件、消息推送組件、表單填寫組件、數(shù)據(jù)查詢組件等，應(yīng)用層和展示層的應(yīng)用系統(tǒng)能通過這些組件實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的操作和展示，一個(gè)組件可在多個(gè)系統(tǒng)中復(fù)用，也可根據(jù)不同組件的需求繼承組件的功能，拓展應(yīng)用系統(tǒng)中獨(dú)有的新功能。

圖6 板級(jí)管控系統(tǒng)內(nèi)部架構(gòu)

3.2 取得成果

在微組裝車間以一年時(shí)間內(nèi)完成功能重構(gòu)和升級(jí)，將原有功能以單個(gè)功能池為單位建立了基礎(chǔ)功能池，并利用基礎(chǔ)功能池在短期內(nèi)組織出兼容現(xiàn)有所有業(yè)務(wù)的智能單元管控系統(tǒng)兩個(gè)，人員管控系統(tǒng)一個(gè)，報(bào)表生成系統(tǒng)一個(gè)及可視化看板一項(xiàng)，做到了現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備采集程序的快速拓展與全覆蓋，各個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無障礙貫通，功能的強(qiáng)復(fù)用性和低耦合性，在系統(tǒng)開發(fā)上實(shí)現(xiàn)了開發(fā)成本降低60%，系統(tǒng)迭代周期減少30%，與外協(xié)廠商溝通需求時(shí)間減少40%以上；系統(tǒng)穩(wěn)定性上做到了系統(tǒng)偶發(fā)故障降低20%，系統(tǒng)問題處理時(shí)間降低35%以上。

4 總結(jié)

智能制造的基礎(chǔ)是數(shù)字化管控，企業(yè)能做到全流程數(shù)字化管控，實(shí)現(xiàn)智能制造才能水到渠成，本文在十四所雷達(dá)研制中數(shù)字化轉(zhuǎn)型系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)計(jì)實(shí)際情況，借鑒SOA 設(shè)計(jì)架構(gòu)，提出了一種面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)，解決了傳統(tǒng)架構(gòu)中數(shù)據(jù)離散型高、系統(tǒng)功能復(fù)用性差、拓展性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，并在所內(nèi)微波組件制造部門進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)，取得了優(yōu)異的成績，對(duì)電子設(shè)計(jì)制造企業(yè)有著強(qiáng)借鑒意義。