军工电子智能制造总体架构及关键赋能技术研究

贲可存，胡长明，冯展鹰，张明辉

(南京电子技术研究所，江苏 南京 210039)

0 引言

当前，物联网、大数据、云计算、人工智能为代表的新一代信息通信技术日新月异，给各国经济发展、社会进步、人民生活和国防建设带来重大而深远的影响。以军工电子为代表的军工产业集群不仅是国防建设的主力军，同时还是国家经济、科技发展的重要力量[1]。军工电子制造业是中国高端制造的代表，其智能制造和数字化转型是“中国制造2025”的重要组成部分[2]。近年来，中国制造企业面临的内外部环境正在发生深刻的变化，军工电子制造业同样也面临着各种挑战。从外部环境看，军方对产品性能、制造质量、交付周期和保障水平提出了更高的要求，军工电子企业与民营企业之间围绕产品性能、成本、质量和效率的竞争进一步加剧。在内部经营管理上，随着人力成本持续上升以及智能化设备、新型物联方式的不断普及，传统的企业管理模式和方法已经很难实现军工电子企业内部的高效协同与精细化管理。

在这样的大背景和内外部环境下，军工电子企业必须借助于新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合，推动军工电子产品、技术与服务创新与升级。在军工电子行业层面，各企业之间应强化产业链协同，特别龙头企业应充分发挥带动作用，共同提升全产业链核心竞争力。军工电子企业内部应贯通产品设计、生产制造、服务保障、经营管理在内的产品全生命周期各个环节，破除内部信息孤岛，逐步面向智能化设计、生产与服务，达到创新驱动、快速交付、降本增效的目标。然而，当前军工电子行业智能制造的顶层设计与规划还不足以指导军工电子企业开展智能制造转型升级实践。因此，本文从军工电子智能制造转型需求分析入手，构建军工电子智能制造系统参考模型，明确军工电子智能制造的内涵和边界，进而提出适应军工电子制造业智能化转型需求的智能制造总体架构，并基于工程实践对军工电子智能制造关键赋能技术应用进行分析与探讨。

1 军工电子智能制造转型需求分析

军事电子装备是一种典型的复杂产品，具有技术密集度高、专业门类繁多、产业链结构庞大、研制周期长等重要特征。作为军事电子装备的供应商，军工电子企业智能制造转型升级的需求主要体现在以下几个方面。

a.柔性。军工电子行业是典型的多品种、小批量的订单式生产模式，科研与生产并重，多种型号混线生产[3]。这对生产的柔性提出了多方面需求，如设备的柔性、工装的柔性、工艺的柔性以及产能的柔性等。

b.协同。军事电子信息装备组成复杂，研制过程中需要协调和组织数十家合作单位和上千家零部件供应商，这就需要整机企业与零部件供应商、外协生产单位和用户之间的实现高度协同[4]，将研发、采购、生产、物流、保障融为一体。

c.高质量。为保证军工电子产品质量，军工电子企业采取了严格的全过程质量控制措施，需对制造质量进行实时在线检测，并结合在线补偿与精准控制技术，实现对制造质量波动的抑制，并同步建立质量追溯管理系统。

d.高效率。当前给予军工电子信息装备的交付周期越来越短，需要采用新型生产运营技术来有效提高生产效率、设备综合效率(OEE)、仓库利用率等关键绩效指标，进而为军工电子制造运营带来整体效率的提升。

e.低成本。随着市场竞争的加剧，军工电子企业逐步加大了对研发成本的控制，对现有研发模式进行革新成为必然选择，如运用虚拟仿真试验代替实物试验，不仅能达到降低研发成本的目的，还能显著缩短军工电子产品研发周期。

2 军工电子智能制造总体架构构建

2.1 军工电子智能制造参考模型

以国家智能制造系统架构以及中国智能制造总体架构为参照[5-6]，本文从生命周期、系统层级和智能特征3个维度提出了军工电子智能制造参考模型，如图1所示。

图1 军工电子智能制造参考模型

a.生命周期维。因行业的特殊性，军工电子智能制造系统生命周期维度包括主要需求、设计、生产、试验和保障5个环节。需求是指识别顾客需求、初步确定战术技术指标、研制周期和经费预算等的价值形成过程。设计是对军工电子产品需求进行构造、仿真、验证和优化等价值形成与增值过程。生产是指通过劳动创造所需要的军工电子产品的价值形成与增值过程。试验是指对军工电子产品使用效能进行验证和评估的价值形成与增值过程。保障是指军工电子企业与客户所产生的一系列的价值形成与增值过程。军工电子企业通常都采用科研、生产与保障一体化的运营模式。

b.系统层级维。按照与制造活动相关的系统层级来划分，军工电子智能制造维度分为设备层、产线层、车间层、企业层和行业层5个层级。设备层包括生产设备以及包括人、物料、生产环境在内的生产资源。产线层是实现面向军工电子生产线的生产执行管控层级。车间层是实现面向军工电子车间的生产运营管理层级。企业层是实现面向军工电子企业围绕产品全生命周期经营管理的层级。行业层是军工电子企业之间实现信息互联和资源共享过程的层级。当前，军工电子智能制造系统层级呈扁平化和资源配置行业化的趋势[7]，未来将要求军工电子企业减少内部管理层级，使生产组织更加柔性。

c.智能特征维。从技术演进的角度，智能制造分为3个相互关联、递次升级的范式：数字化制造、数字化网络化制造、数字化网络化智能化制造[8]。基于此，本文将军工电子智能制造特征分为数字化、物联化、互联化、服务化和智能化5个级别。数字化是指以数字化产品/设备、数字化设计、信息化系统为代表第一代智能制造特征。物联化、互联化、服务化是指以产品/设备实现网络连接、资源社会化配置、服务化延伸为代表的第二代智能制造特征。智能化是指制造系统具备了“学习”能力，知识的产生、获取、应用和传承将发生革命性变化的新一代智能制造特征。当前和今后一段阶段，军工电子智能制造仍将聚焦于第二代智能制造的推广、应用和普及。

军工电子智能制造关键是针对网络信息系统、电子整机、电子元器件和信息功能材料等军工电子产品供给保障能力持续提升的需求，实现贯穿设备、产线、车间、企业和行业等不同层级的纵向集成，跨数字化、物联化、互联化、服务化和智能化等不同级别的横向集成，以及覆盖需求、设计、生产、试验、保障等环节的端到端集成。

2.2 军工电子智能制造总体架构

构建行业级智能制造总体架构一方面是为行业制定和推进制造业转型升级提供顶层架构模型，另一方面也为行业智能制造的技术系统提供构建、开发、集成和运行的框架。面向新一代军事电子武装装备研制的需要，依据军工电子智能制造系统参考模型，本文从工程实现角度提出的军工电子智能制造总体架构如图2所示。

图2 军工电子智能制造总体架构

该架构由“四横二纵”结构构成。“四横”主要是从军工电子智能制造的组织载体和应用对象来划分，包括车间层、企业层、行业层和应用层。“二纵”为支撑“四横”的标准体系和安全体系。

a.在产线层建设方面。以提高产线的执行管控水平为核心，关注于产线柔性生产能力提高、工序均衡生产能力提高、工装的柔性组合能力提高、生产数据采集能力提高、生产装备智能化能力提升等方面。实现生产线层智能制造的关键是柔性生产、数据采集、人机交互和机器通信等[9-10]。其中柔性生产是指实现多品种、小批量的生产方式，能降低在不同产品混线生产时切换所花费的时间和成本。

在具体管理过程中，可根据农民的实际情况，积极探索培育模式并及时调整科技教育和培训方式，不断满足农民对于现代农业技术和信息服务的多样化需要，整合农业教育资源，逐渐摸索并建立起一套行之有效的科技教育体系，进而提高农民的科学文化素质，为新型职业农民培育和社会主义新农村建设提供源源不断的内生动力。

b.在车间层建设方面。以提高车间生产运营水平为核心，关注于产品质量提高、产品交付能力提高、产品检验能力提高、生产设备效能提高、车间物流能力提高、车间能源管理能力提高、资源配置效率提高等方面。以数字孪生为代表的车间信息物理融合技术运用使得车间现场设备与车间管理系统互联互通，通过虚实制造环境的映射与交互，实现车间生产过程的仿真运行与预测，从而显著提升车间运营决策水平、质量追溯水平等[11]。

c.在企业层建设方面。以提高企业经营管理水平为核心，关注于产品生命周期研究、产品多学科协同设计与优化能力提高、产品研制成本控制能力提高、企业资源计划管控能力提高、装备运维保障能力提高、企业经营决策支持能力提高等方面。构建基于模型的企业，利用产品和过程模型来定义、执行、控制和管理企业的全部过程，并采用基于数字样机技术的模拟与分析工具做出最佳决策[12]，从根本上减少产品创新、开发、制造和服务支持的时间和成本。

d.在行业层建设方面。以提高行业协同发展水平为核心，关注于网络协同设计能力提高、网络协同仿真能力提高、网络化制造资源共享能力提高、网络化协同生产能力提高、供应链协同管理能力提高、网络化协同保障能力提升等。通过打造军工电子行业工业互联网平台，实现军工电子行业设计能力、生产能力、保障能力和制造资源的共享、互补和对接，形成基于社会化协作的军工电子智能制造生态体系。

e.在标准体系建设方面。遵循国家智能制造标准体系的构建思路，构建覆盖军工电子产品全生命周各环节、贯穿军工电子制造系统全层级以及横跨军工电子智能制造不同阶段的智能制造标准体系。当前，重点关注军工电子数字孪生车间、基于模型的企业、工业互联网平台等建设标准，边缘计算、工业大数据、人工智能等信息技术应用标准，半导体制造装备、电子3D打印等行业核心装备标准，以及智能制造安全、评价等基础共性标准。

f.在安全体系建设方面。建立军工电子智能制造信息安全管理体系、信息安全技术体系以及信息安全运维体系[13]，为智能制造参与各方在信息管理系统、工业生产系统的开发、使用、测评等环节提供依据，进而保障智能制造信息物理系统的运行效率和安全。通过建立企业安全运营中心，企业生产制造安全及网络安全将贯穿于产品全生命周期的各个环节，工控系统安全管控平台将与企业安全运营中心进行联动，最终实现信息技术(IT)和运行技术(OT)融合环境下的统一安全运维管理。

基于该架构，军工电子制造业以构建自主可控的智能制造新业态为核心，重点关注军工电子领域国产化智能制造整体解决方案供给能力提升、智能制造试点示范能力提升、智能制造军民融合能力提升等方面。军工电子行业领军企业牵头构建行业智能制造产业生态，带动上下游产业链和服务链开展针对性的智能制造能力提升，不仅可以促进国产智能制造解决方案核心竞争力的不断提升，还可保证军工电子制造运行过程的安全可控。

3 军工电子智能制造关键赋能技术应用

3.1 面向多品种、小批量的柔性生产技术

当前军工电子微组装自动化生产线，有效提高了生产效率、装配精度和装配可靠性，但是现有制造单元的兼容性不足，导致了微波组件型号产品尤其是新研制产品的可自动化生产性难以评估。同时现有生产线只能支持单一产品的在线流水式生产，生产过程工艺方案的确定均要依靠人员参与完成，产品切换依然是人为主导，生产线的柔性混线生产能力不足[14]。

图3 军工微组装柔性生产线组成

本文以微波组件表贴(SMT)生产线为例(如图3所示)，针对SMT生产单元多品种变批量的需求，进行了自动调宽轨道、多尺寸兼容缓冲机和现有工艺装备升级工作，增加二维码读取和记录功能，实现产品的自动识别和程序装载功能，同时可根据产品数据对轨道的宽度进行调整，缓冲机能够兼容多种尺寸的产品并自动调整和升降。通过提高生产线的柔性程度，实现了微波组件的共线、混线生产，减少了产品切换时间，进一步提升了产品生产效率，满足了多品种组件的并行研制需求。

3.2 基于数字孪生的智能车间信息物理融合技术

数字孪生车间(DTW)通过物理车间与虚拟车间的双向真实映射与实时交互，在车间孪生数据的驱动下，实现车间生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间、车间服务系统间的迭代运行，从而在满足特定目标和约束的前提下，达到车间生产和管控最优的一种车间运行新模式[15]。

基于上述数字孪生概念，建立了军工微组装智能车间的数字运维平台[16]，具备数字设备建模、设备互联和关键信息的自动采集，支持实时监控生产状态的决策管理，其系统组成如图4所示。通过虚拟环境运行，对生产计划、生产执行、资源调度等生产活动进行精确模拟、监控和预测。基于数字孪生的生产车间改变了传统的军工电子生产管控模式，为军工电子产品生产车间的智能化转型提供了有效途径。

图4 军工微组装数字孪生车间组成

3.3 基于MBSE的复杂电子装备创新研发技术

MBSE主要根据系统工程从需求到系统、分系统、模块以及实现之间的分解关系，通过定义产品研制各个阶段(如需求、系统设计、分系统设计、模块设计和工艺制造等)的模型，实现产品研制过程和信息基于模型的管理，并在此基础上建立了基于模型的系统工程机制[17]。

面向军事电子装备的改型升级、新品研发需求，采用MBSE方法论，建立军工电子产品正向研发创新模式(如图5所示)，打造以“需求牵引、模型贯穿、虚实验证、并行协同”为特征的新型研发模式，形成包括需求跟踪追溯、基于数字样机的协同设计与虚拟仿真验证、项目计划流程一体化管理等研发能力。MBSE方法论与智能制造技术的融合应用正在助推军工电子产品研发模式从传统的逆向工程向正向研发转变，可大幅缩短产品研发周期，提升企业的产品创新能力和市场竞争力。

图5 军工电子产品正向研发创新模式

3.4 面向军事电子装备的网络化协同制造技术

网络协同制造是一种利用物联网、大数据、云计算等新一代信息技术，将串行工作变为并行工程，实现供应链内及跨供应链间的企业产品设计、生产、服务、管理等协作的制造模式。该模式特别适用于产品结构复杂、设计周期长、制造环节多的大型军事电子装备产品。以中等规模的雷达装备为例，它是高度集成的复杂电子信息装备，有上万个零部件和百万量级的元器件组件，研制和运维这样一台装备必须基于网络协同制造平台开展协同设计、协同生产、协同保障等社会化协作。

基于工业互联网平台的网络协同制造(如图6所示)将研发流程、企业管理流程与生产供应链流程有机结合，从而使得生产管理、产品设计、产品服务和供应链管理、客户关系管理有机地融合在一个完整的企业与市场的闭环系统之中[18]，使军工电子企业的价值链从单一的制造环节向上游设计与研发环节延伸，并向下游运维保障控制环节拓展，形成一个集成了工程设计、生产制造、供应链和服务保障的网络协同制造系统。

图6 军工电子网络协同制造模式

4 结束语

军工电子是关系国家安全、国民经济命脉的重要行业，军工电子制造业的数字化、网络化和智能化转型对推动国家重大工程建设和实体经济高质量发展具有非常重要的作用。本文详细分析了军工电子智能制造转型需求，以通用智能制造系统架构为参考，从生命周期维、系统架构维和智能特征维3个维度构建了军工电子智能制造系统参考模型，进而提出了“四横二纵”的军工电子智能制造总体架构，并对柔性生产、数字孪生、MBSE以及网络协同制造等关键赋能技术在军工电子智能制造领域的应用进行分析与探讨。实践表明，本文提出的智能制造总体架构及关键赋能技术应用案例对推动军工电子智能制造发展具有积极的借鉴意义和参考价值。