运载火箭智能制造标准体系架构及实践

梁丹 刘苏

（首都航天机械有限公司，北京，100076）

近年来，发达国家已纷纷实施“再工业化”战略，全球产业竞争格局面临大调整、大变革和大发展；我国正加快实施“中国制造2025”战略，着力构建新型制造体系。同时，各种先进理念和先进技术层出不穷，如何与制造业务相结合，实现“两化” （信息化和工业化）融合的落地实施，实现智能制造，制造企业面临着巨大的机遇与挑战。 “航空航天装备”是“中国制造2025”十大重点领域之一，航天智能制造需要实现贯穿企业协同层、车间层、控制层、设备层等不同层面的纵向集成，以及涵盖航天产品从设计、制造、服务的端到端集成。本文在“智能制造、标准先行”的共识下，通过开展运载火箭智能制造标准体系研究，使用标准指导实现复杂系统间的数据识别与采集、横向业务流程的贯通、异构系统间的集成等工作[1]。

1 运载火箭研制生产特征

1.1 运载火箭的制造特点

运载火箭的贮箱、壳段、整流罩等大型薄壁连接结构，在装配、焊接、铆接等方面的技术难度较大。同时，火箭需要在严苛的空间环境下飞行，要求产品具备很高的制造精度，对产品质量要求严格。在产品的研制生产过程中，大量的新结构、新材料、新技术、新工艺、新装备被采用，需要采用更加先进的集成制造技术和创新管理方法来确保产品研制。

运载火箭生产为多品种单件或小批量生产，随着任务形式的不断深化，呈现出多型号并举、研制与批产并存的生产特点。研制产品需快速响应，批产任务需按要求完成，是典型的离散式制造模式。同时，由于配套产品的品种多、零件数量多，生产部门分布在不同的地区，生产组织具有跨地域、跨专业、跨单位的大协作特点。

目前，运载火箭采用三维IPD（集成产品开发）协同研制技术，逐步打破专业、部门界限，改变了原来按专业和部门职能管理的研制模式，满足多专业三维协同设计的实际需要，实现数字化条件下的设计制造一体化协同研制[2]。

1.2 运载火箭智能制造面临的问题和挑战

1.2.1 生产模式面临的问题

目前运载火箭制造采用的是单件小批量、多品种多型号混线生产模式，这种模式的运载火箭制造过程存在生产装备的适应性问题、生产排程的精细管控问题、物资配给的效率问题等。往往使得运载火箭制造企业面临制造效率低下、投入资源浪费严重、质量管控难度较大等难题。

1.2.2 质量与可靠性保障面临着巨大考验

在面临更为复杂的航天装备系统制造、更为先进的技术指标要求和大幅度缩短的研制周期等挑战时，产品质量与可靠性保障面临着巨大考验。有必要通过工业化和信息化的深度融合，以及制造过程的传感、监控、互联互通等工业互联技术的应用为未来航天产品品质溯源和可靠性提供有效途径。

1.2.3 生产的不均衡性带来的制约

航天技术快速发展，产品更新的速度越来越快，新产品研发的周期大幅缩短，产品生产的批量成数量级的增加，新研产品大量涌现，批产数量日益增加，传统的制造模式、布局方式难以适应新时期航天任务形势，成为航天快速发展的制约。

2 运载火箭智能制造标准体系

2.1 标准体系结构设计

“智能制造、标准先行”，加快研究并推进智能制造的标准化工作，是实现智能制造的重要技术基础。中国工业和信息化部及国家标准委发布的《国家智能制造标准体系建设指南》从生命期、系统层级、智能功能等3个维度建立了智能制造系统架构，并建立了包括 “A基础共性”“B关键技术” “C行业应用”等3个部分的标准体系结构[3]，结合运载火箭制造模式特点，根据国家智能制造参考模型，笔者分析运载火箭智能制造标准体系建设与其他领域的差异。

a）生命周期维度：运载火箭的生命周期基本涵盖了设计、生产、物流、销售和服务等活动，但其要求与民用领域有较大差异。

b）系统层级维度：在单元层、企业层级运载火箭领域与国家通用要求差距不大，优先选用成熟的通用控制系统。但基于产品的制造特点、制造模式和应用需求，在设备层、车间层和协同层级，涉及柔性数字化制造单元、智能装备等，有一定的特色性。

c）智能功能维度：运载火箭领域对制造设备和生产资源的需求具有明显的特点。例如针对航天产品自行研制的专用工装，由于信息安全的要求，采取的互联互通技术手段以及融合共享技术与民用领域相比存在一定差异[4]。此外，目前运载火箭系统集成目标侧重在智能生产线、数字化车间的实现，智能工厂属于偏长远的目标。

2.2 标准体系框架

综合国家智能制造系统架构各维度逻辑关系，将智能制造系统架构的生命周期维度和系统层级维度组成的平面自上而下依次映射到智能功能维度的多个层级，结合运载火箭智能制造发展的特色，增加修改相关模块，结合对智能装备、智能工厂、智能服务、工业软件和大数据、工业互联网等5类关键技术进行组合分析，考虑并列或作为下层级处理，与基础共性标准和重点行业标准共同构成智能制造标准体系框架。

对体系框架进行逐级细化，对标准明细需求进行全局整合，将国家标准体系中的“AE评价”整合到“C智能工厂建设”中（CC评价），与智能工厂的设计、建造交付、评价放在一起。将“B关键技术”进行拆分为 “B智能装备” “C智能工厂建设” “D智能工艺设计” “E智能物流与现场管理” “F智能生产” “G智能服务”“H智能经营”7个一级模块，运载火箭智能制造标准体系框架见图1所示。

图1 运载火箭智能制造标准体系框架（二级）

a）A基础共性标准

基础共性标准主要包括4个部分：基础、信息安全、可靠性和检测评价。基于运载火箭研制过程中的信息安全要求，需要单独制定相应的信息安全标准，主要包括软件安全、设备信息安全、网络信息安全、数据安全、信息安全防护等。

b）B智能装备

智能装备标准包括工业机器人、数控机床、针对航天产品自行研制的数字化工装等相关标准，提高了产品的精度和可靠性。

c）C智能工厂建设

智能工厂建设标准用于规定其设计、建造、交付以及评价过程，确保建设过程规范化、系统集成规范化，指导系统与业务的优化。

d）D智能工艺设计

基于运载火箭采用三维IPD协同研制模式，智能工艺设计标准主要涵盖设计制造协同、工艺设计与仿真、BOM（物料清单）管理、设计与工艺管理的全过程。

e）E智能物流与现场管理

智能物流与现场管理标准主要解决车间现场原材料、半成品、成品、工装等的快速准确流转问题，以及基于航天质量管理要求的现场管理等内容。

f）F智能生产

智能生产标准包括基于单件小批量多品种多型号混线生产模式下的计划调度、制造过程控制、质量管控、产品试验与测试等内容。为了将质量过程控制内容与生产环节紧密结合，将质量管控标准分类纳入此部分。

g）G智能服务

生产环节涉及的智能服务标准主要包括网络协同制造和运维服务，是智能工厂稳定运行必不可少的环节。 “网络协同制造标准”用于指导企业持续改进和不断优化网络化制造资源协同，实现生产制造与服务运维信息高度共享、资源和服务的动态分析与柔性配置水平显著增强。 “运维服务标准”用于指导企业开展远程运维和预测性维护系统建设和管理，基于采集到的设备运行数据，全面分析企业现场实际运行状况。

h）H智能经营

智能经营标准用于规定企业生产经营中采购、销售、能源、工厂安全、环保和健康等方面的管理要求，指导智能管理系统的设计与开发，确保管理过程的规范化和精益化。

i）I智造环境

智造环境标准主要包括工业互联网建设与应用标准、工业软件应用集成标准、工业大数据及软件应用标准等，是智能制造建设的必要基础条件。

3 数字化生产线标准实践

为了充分发挥标准在推进智能制造发展中的基础性和引导性作用，在深入分析标准化需求的基础上，按照“急用先行、共用先立”的原则，重点开展数字化生产线相关标准的研究制定工作，在数字化车间规划、系统平台搭建、共用关键技术开发、实施运行和维护保障等方面有据可依。

参与编制集团标准《航天数字化车间建设通用要求》，规定了航天数字化车间的体系结构与数字化要求和建设要求，提出了以管理层、执行层、基础层为特点的航天数字化车间3层体系架构。通过提炼航天数字化车间建设的数字化要素，提出数字化功能要求，细化数字化车间建设流程。

完成院标《数字化柔性生产线建设指南》的编制，规定了数字化柔性生产线建设的一般要求、总体架构及主要类型、工作流程、方案策划、建设实施和运行评估等。给出了航天数字化柔性生产线的总体架构。

目前，航天一院多家单位相继开展了数字化生产线建设工作，以首都航天机械有限公司为例，围绕生产短线瓶颈，立足于核心制造技术与关键生产工艺，借助自动化、数字化、信息化等技术，进行工艺创新和流程再造，开展泵阀零件加工等数字化生产线/单元建设，系统开展了工艺布局、工艺优化和管理提升工作，取得了较好效果。通过开展数字化生产线建设，优化调整航天产品生产线，形成新时期高效适用的航天制造新模式，实现自动化稳定批产和快速研制，同时对标准技术内容的可行性进行验证。

与生产线建设前相比，多品种、小批量、研制与批产混线生产状态下，现有生产线产能提高100%，典型产品合格率提高29.8%，百件产品缺陷数从122个下降为3个，提升了生产的数字化、精细化、科学化管理水平。航天结构件产品数字化柔性生产线技术的研究具有鲜明的代表性，对于其他类似的多品种、小批量部组件的生产，具有示范作用和推广效果。

运载火箭研制是复杂的系统工程，本文结合运载火箭制造特点和对智能制造的需求，提出了运载火箭智能制造标准体系框架，指导运载火箭智能制造标准体系建设及相关标准立项工作。基于当前任务需求，重点开展数字化生产线标准编制和航天结构件产品数字化柔性生产线建设实践，逐步推进运载火箭智能制造实施，为航天智能制造标准相关工作起到先行示范作用。