制造企业生产现场数字化转型路径研究

蔡 薇， 崔一辉

（中国航空发动机集团有限公司， 北京 100089）

0 引言

新时代十年，是我国经济社会发展取得历史性成就、发生历史性变革和转向高质量发展的时期。10 年来，数据作为继土地、劳动力、资本和技术之后成为第5 项新型生产力要素，极大地改变了当代经济发展范式，实体经济拥抱数字技术实现变革跃升成为必然之路。制造业作为实体经济的关键组成部分，进行数字变革，推进新型工业化，是实现国家高质量发展的重要举措，也是遵循产业发展规律的自我提升路径。

1 数字化背景下的军工制造企业转型方向

企业要开展数字化转型，应深入理解行业特性、掌握用户需求，明确企业发展目标、规划发展路线，确立数字化转型方向、设计转型路径并储备工具方法。GE 公司通过重新制定公司战略，将企业的经营重心回归到航空、发电和可再生能源等工业战略领域，通过开发工业软件平台、推行卓越制造等行动，进行数字化持续转型[1]。

在我国，传统制造业的产品设计相对固定，经营模式相对稳定，变革通常将目标放在降低成本、扩大再生产方面。军工制造企业属于传统制造业，存在生产能力偏低、质量不稳定和制造成本偏高等问题。同时，也具有设计改型频繁、同型产品小批生产、制造周期较长和供应链条长等行业特色。为实现强军目标，军工制造企业往往以快速设计研发产品、多样化小批量快速生产、提升供应保障能力和科研生产效益为数字化变革方向，以坚持聚焦主业，坚持自主创新为发展原则，以产品交付为企业核心价值，不断提高企业技术壁垒、降低生产成本、精准服务用户，实现低碳化发展，为国家提供战略保障。

围绕企业发展战略，聚焦解决关键问题，中国航发以主价值链为工作核心，从面向研发、面向生产、面向供应链和服务保障四个方面，协同推进企业运营体系优化升级与体系数字化，实行与现代生产力相适应的生产方式和组织机制变革，配合运用数字理念、工具和方法等，建立覆盖全系统、全方位和全过程的价值创造空间，按需动态配置全价值链资源，提升企业价值创造核心能力，为用户提供高质量产品。

企业数字化转型是复杂的系统工程，生产制造是军工企业价值链的核心，而生产车间则是产品制造、装配和试验的第一现场。

2 生产现场数字化转型

生产车间是企业生产力的基本构成单元，又是传统制造企业中数字化程度较低的场所，做好生产现场的数字化转型落地，企业的生产数字变革就成功了一大半。生产现场数字化转型将成为企业其他配套业务数字化转型的需求牵引和示范引领，促进企业实现整体数字化转型。

2.1 以操作者为核心的场景重构与业务优化

企业通常按照制造流程环节建立不同的生产车间，如铸造、机加、表面处理、试验和装配车间等，车间相对独立，车间内部对人员、岗位和物资按照工作任务自行进行组织安排。人员分岗位管理，工艺员管工艺、操作员管操作，检验员管检验，配送员管配送，人员按岗位进行技能培训，并履行相关职责，各种岗位按业务流程进行工作串并联。在这种人员岗位固定的机制下，对业务流程的设计能力要求就非常高，强调岗位间的协作和流程的精益化，流程的优化成为数字变革的重点。生产现场业务流程往往没有以最大便利现场操作为原则进行设计，而是按照操作步骤一步步顺序执行，分岗位/业务来建设相应流程系统，分工艺类型采购独立的车床和检验设备，人员、设备在时间上存在浪费现象。业务数据受流程隔离、系统隔离和设备隔离等影响，未实现贯通，无法产生较高价值。

生产现场数字化转型首先聚焦制造具体场景，对场景要素进行解耦，将人员类型、生产资料和流程步骤拆解至基本单元，再根据生产计划、技术工艺、加工和配送等场景，围绕操作者“做什么”“怎么做”“用什么做”“做的怎么样”来重新设计业务要素和资源配置方案。场景要素重构后，应做到制造工人在本人工位上可接收当日计划、当件工艺文件、加工程序和生产资料，可以直接操作设备进行加工，并在工位结算工时。通过场景优化，可以最大限度减少时间浪费，消除无价值活动。如何获取计划、工艺、程序和生产资料，就成为了场景优化急需解决的问题。

2.2 以四大业务方向为主线的改造与贯通

在完成场景优化后，为了解决计划、工艺、程序和生产资料等的获取问题，需要围绕场景对生产计划、工艺管理、生产准备和过程控制四大主线业务进行系统内部流程改造，以适应场景要求。

生产计划是制造的核心抓手，应自上而下打通主生产计划到作业计划，实现各层计划之间数据可追溯，颗粒度从单批次优化至单台份，并推进计划编制智能化。在企业的具体实践中，一定要建立完整的生产计划体系，同时兼顾主计划的“刚性”和车间作业计划的“灵活性”。通过ERP 编制年度计划和滚动计划，MES（现场执行管理系统）将订单任务自动转换成制造计划，实现制造计划的自动转换、自动反馈以及智能追溯功能，推进计划的智能化管理。在计划颗粒度的细化方面，应不断在生产过程中积累期量标准，精确测算生产周期，完善MES 库存、工具工装、员工技能与设备能力等数据库，提高生产计划批量制定的科学性，优化生产节拍。在计划的智能化编制方面，需要做的基础性工作更多，结构化工艺与准确、充分的期量标准，都是智能编制计划的前提条件，通过ERP、MES 和PDM等多系统的综合集成与科学建模，实现自动编制和调整车间作业计划，逐渐取代线下编制和计划员在线手动编制，提高计划编制的准确性、合理性和智能化程度。

在工艺管理方面，重点是抓好数据源统一、落实无纸化和结构化等方面的工作。秉持PDM产品数据管理系统轻量化发展原则，在产品完整生产过程中，采用独立软件开展工艺规程、临时工艺和超越工艺等全部工艺文件的编制，并对换版、更改进行统一落实。在编制工艺的同时标注零件检验关键特性和测量方法，按产品BOM 结构统一存放至PDM 系统，实现工艺数据、检测数据与设计文件同源，彻底改变线上线下文件混合管理的现象。不断深入推进结构化工艺，加快工艺规程编制，减少数据冗余。MES 系统自动获取、解析和拆分文件，实现结构化工艺规程和技术通知现场应用，提升排产的准确性，实现车间资源的精细化管理。推动工艺设计从二维向三维模型的设计方式转变，可有效继承产品设计三维模型数字资源，更好地指导工人作业，提高复杂件加工、产品装配等工序的工作效率。

在生产准备方面，重点是推进按需实现物资智能流动。MES 系统从PDM自动获取物料、工具工装和辅料等的结构化数据，根据ERP 任务订单自动生成相应的配送清单，再根据MES 排产计划自动比对当前库存进行齐套性检查，自动发起配送计划和库存预警信息。系统实现自动下料、自动发料，辅助无线技术和机器人技术开展智能配送、非接触式接收确认和物流过程监控，确保生产现场的信息流与实物状态相符。在生产现场还可以建立废品、待处理品和串换件等各类台账，对配送过程进行可视化管理，强化对现场生产资源的管控。

生产过程控制主要是指从投料开始到成品的整个过程的质量控制，重点通过数字化形成一套全面质量控制解决方案。一是要做到统一识别：采用统一编码体系，广泛推广条码应用，条码细化至单件物料，在产品生产全过程保持识别标记的一致性和相对唯一性。二是要完善数据采集：完善数据标准化管理，系统支持实时采集，支持单件产品检验信息和制造信息自动记录，减少人工干预。在高耗能车间，还应通过设备改进实现能源能耗和设备损耗的实时动态监控，支持成本管控。三是要做好数据利用：系统自动整合制造数据，反向填充和优化基础数据库，不断完善期量标准，指导计划编制和过程纠偏。部署问题快速反馈功能模块和设备异常可视化看板，针对制造过程中的突发问题实现快速响应、快速解决，自动积淀形成问题知识库。

2.3 先进制造技术的投入运用

随着科学技术的不断发展，制造业的生产力要素发生巨大变化[2]，接入物（互）联网、工业互联网的智能设备、感知设备不断增加，数据获取更加简便、快捷和低成本。企业采购数控机床、各类自动机器人和智能设备，提高生产现场的自动化程度，但是，执行流程存在断点，大量数据无法互通，造成了数据流动壁垒，阻碍生产效率的进一步提升。

进行生产数字化转型，不能为了数字化而数字化，应根据企业资源和资金情况，在现有基础上进行改造和提升。除了部署智能制造设备外，生产车间应首先重视构建统一工控网络，提供安全互联底座，支持多种数据传输协议，基于私有云、边缘云等混合云体系提供高带宽和边缘算力，实现现场加工、检测、监控设备数据的高速采集与系统之间的实时数据交互，系统基于边缘节点和产品模型进行检测或监控数据计算。工控网中建设智能设备管理平台，统一对设备开展预防性维护、故障监测与预警等工作，连入的新购设备应遵循统一数据标准和安全规范，提供编程二次开发界面。对连入的老旧设备可开展自动化、可视化和数字化改造，支持数据自动采集。军工制造企业可通过网闸等技术打通涉密网与工控网络之间的交换通道，实现设计与制造、试验数据的双向交互。在生产车间应用5G、人工智能、虚拟仿真和图像自动识别等智能技术，广泛开展基于知识的工艺设计、基于有限能力的敏捷排产、基于模型的生产制造、基于感知的物流调度、基于互联的智能检测和基于数据的网格化协同。通过紧抓核心矛盾、理顺关键问题，以“网络通、系统通”助力实现“业务通、数据通”，逐步构建满足脉动式节拍化生产模式的智能化过程管控。

2.4 统筹实施专项工作，提升组织行动力

中国航发强化“加快建设制造强国”的政治担当，围绕国家重大战略需要，不断强化企业科技创新主体地位，通过管理模式创新，联合17 家生产制造单位的上百个车间共同开展生产现场“最后一公里”数字化转型专项工作。通过主价值链体系性业务模式创新，推动数字技术、理念与生产制造深度融合。专项工作打破了单位之间的藩篱，针对产品规模化生产需求，聚焦生产现场的效率和质量双提升以及成本和碳排放双下降的建设目标，通过现场调查和反复研讨，逐渐统一了对“最后一公里”落地内涵的认识，归纳总结了计划、工艺、准备和过程控制四个方面的建设内容，以及网络通、系统通、数据通和业务通的数字化“四通”要求，专项面向机加、装配、热处理和铸锻造等10类专业车间，通过建设实践，提炼形成了以业务场景数字化实现程度为评价项的等级标准和分专业的建设重点指南。通过近两年的专项行动，60%以上的车间提升了数字化应用等级，部分车间生产计划日变动率低于10%，应用了结构化工艺数据的车间超过70%，3 家车间被评为优秀车间标杆单位，“最后一公里”数字化转型专项为企业实现高质量发展探索出一套可行的实施路径。

3 结语

生产数字化转型目标是降本、增效和稳质量，其生产现场的数字化转型解决方案依据企业特点各有不同，不能盲目投资。除了现场改造和系统升级外，还应围绕供应链强化组织协同，向供应链上游和横向延伸，增加对供应商、配套单位和外委单位的制造过程监控，实现人、物的数字全联通，提升产品综合质量，规避生产风险，控制生产成本。