運載火箭智能制造標準體系架構及實踐

梁丹 劉蘇

（首都航天機械有限公司，北京，100076）

近年來，發達國家已紛紛實施“再工業化”戰略，全球產業競爭格局面臨大調整、大變革和大發展；我國正加快實施“中國制造2025”戰略，著力構建新型制造體系。同時，各種先進理念和先進技術層出不窮，如何與制造業務相結合，實現“兩化” （信息化和工業化）融合的落地實施，實現智能制造，制造企業面臨著巨大的機遇與挑戰。 “航空航天裝備”是“中國制造2025”十大重點領域之一，航天智能制造需要實現貫穿企業協同層、車間層、控制層、設備層等不同層面的縱向集成，以及涵蓋航天產品從設計、制造、服務的端到端集成。本文在“智能制造、標準先行”的共識下，通過開展運載火箭智能制造標準體系研究，使用標準指導實現復雜系統間的數據識別與采集、橫向業務流程的貫通、異構系統間的集成等工作[1]。

1 運載火箭研制生產特征

1.1 運載火箭的制造特點

運載火箭的貯箱、殼段、整流罩等大型薄壁連接結構，在裝配、焊接、鉚接等方面的技術難度較大。同時，火箭需要在嚴苛的空間環境下飛行，要求產品具備很高的制造精度，對產品質量要求嚴格。在產品的研制生產過程中，大量的新結構、新材料、新技術、新工藝、新裝備被采用，需要采用更加先進的集成制造技術和創新管理方法來確保產品研制。

運載火箭生產為多品種單件或小批量生產，隨著任務形式的不斷深化，呈現出多型號并舉、研制與批產并存的生產特點。研制產品需快速響應，批產任務需按要求完成，是典型的離散式制造模式。同時，由于配套產品的品種多、零件數量多，生產部門分布在不同的地區，生產組織具有跨地域、跨專業、跨單位的大協作特點。

目前，運載火箭采用三維IPD（集成產品開發）協同研制技術，逐步打破專業、部門界限，改變了原來按專業和部門職能管理的研制模式，滿足多專業三維協同設計的實際需要，實現數字化條件下的設計制造一體化協同研制[2]。

1.2 運載火箭智能制造面臨的問題和挑戰

1.2.1 生產模式面臨的問題

目前運載火箭制造采用的是單件小批量、多品種多型號混線生產模式，這種模式的運載火箭制造過程存在生產裝備的適應性問題、生產排程的精細管控問題、物資配給的效率問題等。往往使得運載火箭制造企業面臨制造效率低下、投入資源浪費嚴重、質量管控難度較大等難題。

1.2.2 質量與可靠性保障面臨著巨大考驗

在面臨更為復雜的航天裝備系統制造、更為先進的技術指標要求和大幅度縮短的研制周期等挑戰時，產品質量與可靠性保障面臨著巨大考驗。有必要通過工業化和信息化的深度融合，以及制造過程的傳感、監控、互聯互通等工業互聯技術的應用為未來航天產品品質溯源和可靠性提供有效途徑。

1.2.3 生產的不均衡性帶來的制約

航天技術快速發展，產品更新的速度越來越快，新產品研發的周期大幅縮短，產品生產的批量成數量級的增加，新研產品大量涌現，批產數量日益增加，傳統的制造模式、布局方式難以適應新時期航天任務形勢，成為航天快速發展的制約。

2 運載火箭智能制造標準體系

2.1 標準體系結構設計

“智能制造、標準先行”，加快研究并推進智能制造的標準化工作，是實現智能制造的重要技術基礎。中國工業和信息化部及國家標準委發布的《國家智能制造標準體系建設指南》從生命期、系統層級、智能功能等3個維度建立了智能制造系統架構，并建立了包括 “A基礎共性”“B關鍵技術” “C行業應用”等3個部分的標準體系結構[3]，結合運載火箭制造模式特點，根據國家智能制造參考模型，筆者分析運載火箭智能制造標準體系建設與其他領域的差異。

a）生命周期維度：運載火箭的生命周期基本涵蓋了設計、生產、物流、銷售和服務等活動，但其要求與民用領域有較大差異。

b）系統層級維度：在單元層、企業層級運載火箭領域與國家通用要求差距不大，優先選用成熟的通用控制系統。但基于產品的制造特點、制造模式和應用需求，在設備層、車間層和協同層級，涉及柔性數字化制造單元、智能裝備等，有一定的特色性。

c）智能功能維度：運載火箭領域對制造設備和生產資源的需求具有明顯的特點。例如針對航天產品自行研制的專用工裝，由于信息安全的要求，采取的互聯互通技術手段以及融合共享技術與民用領域相比存在一定差異[4]。此外，目前運載火箭系統集成目標側重在智能生產線、數字化車間的實現，智能工廠屬于偏長遠的目標。

2.2 標準體系框架

綜合國家智能制造系統架構各維度邏輯關系，將智能制造系統架構的生命周期維度和系統層級維度組成的平面自上而下依次映射到智能功能維度的多個層級，結合運載火箭智能制造發展的特色，增加修改相關模塊，結合對智能裝備、智能工廠、智能服務、工業軟件和大數據、工業互聯網等5類關鍵技術進行組合分析，考慮并列或作為下層級處理，與基礎共性標準和重點行業標準共同構成智能制造標準體系框架。

對體系框架進行逐級細化，對標準明細需求進行全局整合，將國家標準體系中的“AE評價”整合到“C智能工廠建設”中（CC評價），與智能工廠的設計、建造交付、評價放在一起。將“B關鍵技術”進行拆分為 “B智能裝備” “C智能工廠建設” “D智能工藝設計” “E智能物流與現場管理” “F智能生產” “G智能服務”“H智能經營”7個一級模塊，運載火箭智能制造標準體系框架見圖1所示。

圖1 運載火箭智能制造標準體系框架（二級）

a）A基礎共性標準

基礎共性標準主要包括4個部分：基礎、信息安全、可靠性和檢測評價?；谶\載火箭研制過程中的信息安全要求，需要單獨制定相應的信息安全標準，主要包括軟件安全、設備信息安全、網絡信息安全、數據安全、信息安全防護等。

b）B智能裝備

智能裝備標準包括工業機器人、數控機床、針對航天產品自行研制的數字化工裝等相關標準，提高了產品的精度和可靠性。

c）C智能工廠建設

智能工廠建設標準用于規定其設計、建造、交付以及評價過程，確保建設過程規范化、系統集成規范化，指導系統與業務的優化。

d）D智能工藝設計

基于運載火箭采用三維IPD協同研制模式，智能工藝設計標準主要涵蓋設計制造協同、工藝設計與仿真、BOM（物料清單）管理、設計與工藝管理的全過程。

e）E智能物流與現場管理

智能物流與現場管理標準主要解決車間現場原材料、半成品、成品、工裝等的快速準確流轉問題，以及基于航天質量管理要求的現場管理等內容。

f）F智能生產

智能生產標準包括基于單件小批量多品種多型號混線生產模式下的計劃調度、制造過程控制、質量管控、產品試驗與測試等內容。為了將質量過程控制內容與生產環節緊密結合，將質量管控標準分類納入此部分。

g）G智能服務

生產環節涉及的智能服務標準主要包括網絡協同制造和運維服務，是智能工廠穩定運行必不可少的環節。 “網絡協同制造標準”用于指導企業持續改進和不斷優化網絡化制造資源協同，實現生產制造與服務運維信息高度共享、資源和服務的動態分析與柔性配置水平顯著增強。 “運維服務標準”用于指導企業開展遠程運維和預測性維護系統建設和管理，基于采集到的設備運行數據，全面分析企業現場實際運行狀況。

h）H智能經營

智能經營標準用于規定企業生產經營中采購、銷售、能源、工廠安全、環保和健康等方面的管理要求，指導智能管理系統的設計與開發，確保管理過程的規范化和精益化。

i）I智造環境

智造環境標準主要包括工業互聯網建設與應用標準、工業軟件應用集成標準、工業大數據及軟件應用標準等，是智能制造建設的必要基礎條件。

3 數字化生產線標準實踐

為了充分發揮標準在推進智能制造發展中的基礎性和引導性作用，在深入分析標準化需求的基礎上，按照“急用先行、共用先立”的原則，重點開展數字化生產線相關標準的研究制定工作，在數字化車間規劃、系統平臺搭建、共用關鍵技術開發、實施運行和維護保障等方面有據可依。

參與編制集團標準《航天數字化車間建設通用要求》，規定了航天數字化車間的體系結構與數字化要求和建設要求，提出了以管理層、執行層、基礎層為特點的航天數字化車間3層體系架構。通過提煉航天數字化車間建設的數字化要素，提出數字化功能要求，細化數字化車間建設流程。

完成院標《數字化柔性生產線建設指南》的編制，規定了數字化柔性生產線建設的一般要求、總體架構及主要類型、工作流程、方案策劃、建設實施和運行評估等。給出了航天數字化柔性生產線的總體架構。

目前，航天一院多家單位相繼開展了數字化生產線建設工作，以首都航天機械有限公司為例，圍繞生產短線瓶頸，立足于核心制造技術與關鍵生產工藝，借助自動化、數字化、信息化等技術，進行工藝創新和流程再造，開展泵閥零件加工等數字化生產線/單元建設，系統開展了工藝布局、工藝優化和管理提升工作，取得了較好效果。通過開展數字化生產線建設，優化調整航天產品生產線，形成新時期高效適用的航天制造新模式，實現自動化穩定批產和快速研制，同時對標準技術內容的可行性進行驗證。

與生產線建設前相比，多品種、小批量、研制與批產混線生產狀態下，現有生產線產能提高100%，典型產品合格率提高29.8%，百件產品缺陷數從122個下降為3個，提升了生產的數字化、精細化、科學化管理水平。航天結構件產品數字化柔性生產線技術的研究具有鮮明的代表性，對于其他類似的多品種、小批量部組件的生產，具有示范作用和推廣效果。

運載火箭研制是復雜的系統工程，本文結合運載火箭制造特點和對智能制造的需求，提出了運載火箭智能制造標準體系框架，指導運載火箭智能制造標準體系建設及相關標準立項工作?；诋斍叭蝿招枨?，重點開展數字化生產線標準編制和航天結構件產品數字化柔性生產線建設實踐，逐步推進運載火箭智能制造實施，為航天智能制造標準相關工作起到先行示范作用。