1.背景介绍

       随着工业4.0和智能制造的不断发展，面对“高质量、高效率、高效益”的发展要求，在产品种类和生产规模持续增加以及装备性能不断提升的情况下，如何提升数字时代的生存能力以及科研生产新模式的构建能力，是航天制造企业面临的共性、现实问题。

       某航天制造单位主面对“三高”发展需求和支撑数字航天建设中，仍存在以下不足和需求：科研生产管控能力有待进一步提升，生产决策的实时性、精准度、有效性尚存在差距；生产过程柔性化水平有待进一步提升，生产过程人、机、料、法、环的动态调整和资源快速优化配置仍存在不足；制造过程智能化水平有待进一步提升，大数据、人工智能、边缘计算、数字化孪生新技术的应用尚不深入。

       基于此，针对航天产品研制多品种、变/小批量典型的离散制造的特点，急需引入智能数字工厂管理系统，实现业务全在线、过程全透明、数据全追溯，建立敏捷、稳定的精益生产新模式。

2.数字工厂管理系统选型实施思路和方案

       1)项目建设范围

       本项目基于特有的“云-边-端”架构，通过建设“1+1”2个平台，实现以数据驱动为核心的智能数字工厂。

       （1）建设一个统一的技术平台。基于集团架构、顶层设计，深度应用微服务、前后端分离、大数据、低代码开发等当前先进的技术，基于一个平台，实现多公司、多工厂、多车间的全物理范围的快速覆盖，同时支持后期其他基地系统建设时的快速复制扩展。

       （2）建设一个统一的业务平台。采用IFMS智能数字工厂管理系统（以下简称IFMS系统），实现各部门型号产品、市场产品的制造执行过程的信息化管理，固化业务流程，实现各级业务流程穿透；各类计划（工艺、资源、生产、配送、质量、外包）打通，协同式管理；业务全在线、过程全透明、数据全追溯；实现管理决策数字化支撑。

       本项目物理范围覆盖2大生产基地、18个厂房，涉及十余个相关部门。业务范围包含主数据管理、工艺管理、计划管理、生产执行管理、质量管理、仓储物流管理、供应链管理、资源管理、数据应用等，在重点实现所内多部门、多岗位、多人员协同作业之外，初步围绕供应链上下游实现基于平台的网络化协同和服务延伸。

       2)项目建设目标

       本项目建设目标如下：

       (1)实现业务全在线、过程全透明、信息全追溯。

       (2)通过信息化手段，强化“工艺先行”，通过工艺更精细化建模，固化对生产过程、生产条件、质量的要求，实现工艺与整个产品实现过程的有效融合，柔性可配。

       (3)建立统一的计划管理体系，实现计划的编制、审核、分解、监控、协调、考核的全流程管控，打通各部门计划壁垒，实现部门内部、各部门之间、外包计划的全面协同。

       (4)实现仓储业务全覆盖、库存条码化管理、基于计划拉动的精准配送。

       (5)实现全面质量管理，检验流程清晰规范，检验过程全程记录、监控。

       (6)通过条码识别和跟踪，在线采集生产过程中产品加工、质量数据、物料数据、物流数据、异常问题数据、报工等数据，实现生产过程全透明、过程数据全追溯。

       (7)实现资源数字化全生命周期管理，并与工艺、计划、生产模块集成。

       (8)建立与外包供应商统一的协同交流平台，实现数据高效传输、外包生产透明、外包质量可控，提升外包供应链协同能力。

       (9)实现大数据存储、挖掘和深度应用，为管理决策数字化提供支撑。

       3)系统总体架构

       本项目建设的IFMS系统以打通计划、物流、数据、管控等各要素的壁垒为核心，聚焦智能工厂建设资源优化配置、透明化管控、柔性化生产、数字化物流、智能化决策等要素，实现从主数据、工艺准备、计划管理、采购管理、外包管理、仓储配送、生产执行、外包执行、质量管理、产成品入库发运等大流程的贯通。

       主业务流程如下图所示：
 
       4)设计数字化

       本项目通过PDM系统+IFMS系统，贯通整个工艺管理流程，实现对产品数据、过程、资源一体化集成管控。IFMS系统接收PDM维护的结构化的工艺建模信息，包括生产过程、生产条件、质量的要求，并与整个产品实现过程进行融合。通过信息化手段，强化“工艺先行”，实现设计、工艺、计划、生产、仓储、质量等制造各环节信息共享与在线传递。

       针对航天产品研制多品种、变/小批量典型的离散制造的特点，通过IFMS系统与PDM系统的无缝集成，彻底贯通工艺管理信息流。从IFMS系统正常接收PDM已发版的工艺数据，并应用到制造各环节；到IFMS系统通过项目计划分解PBOM计划和工艺计划，反向传输PDM系统，进行工艺拉动式编制。同时实现PBOM变更、工艺变更从发起到执行的全流程管理，系统自动锁定影响范围，提前介入，受影响产品可控，并与计划、生产、仓储模块在线协同。
 
       5)生产过程管理数字化

       (1)生产管控

       本项目以数字化管控需求为导向，规划IFMS系统功能，实现工厂的管理数字化、排产便捷化、采集自动化、物料精细化、调度智能化、现场看板化、质量透明化、系统集成化。系统功能架构图如下所示：
 
       围绕生产制造过程“业务全在线、过程全透明、信息全追溯”的目标，IFMS系统中制造执行管理由计划管理、生产执行管理、质量管理、资源管理等子系统组成。

       计划管理子系统：重点打造生产计划数字化体系，实现多型号任务并行、计划变更频繁背景下的混流均衡生产。主要功能沿生产任务管理、项目计划和节点计划的编制和审核、MRP运算、车间生产计划及生产订单操作的计划业务全流程脉络展开，实现计划路径的全管控。

       生产执行子系统：实现柔性生产、透明生产、敏捷生产，覆盖航天产品研制生产执行全过程。主要包含业务端、工位终端、离线PAD三个客户端功能，每道工序按照扫码上料、扫码开工、物料绑定、扫码完工操作，实现更精细化管理。并通过设备数采和人工记录方式，在线采集和记录5M1E全生产要素数据，实现生产过程全追溯。同时实现工时的在线采集和分配，快速核算车间人员绩效。

       质量管理子系统：重点打造产品质量全追溯体系。实现全面质量管理，主要功能覆盖外购检验、外包检验、首检检验、工序检验、总检、交付检验、库存检验、发运检验等检各个验环节，检验工作在线结构化管理；异常过程电子化闭环管理，与相应业务打通，形成约束闭环；支持多种形式的质量数据采集，构建人、机、料、法、环的正推和反溯，实现产品制造全周期质量数据的100%可溯。

       资源管理子系统：重点打造基于唯一码的生产资源全周期管理体系。通过本子系统，实现生产相关设备、工装、刀具、量具、工具、载具等资源的在线管理，实现从台账登记到生产使用、日常维保到最终报废的管理。通过多种方式采集现场作业活动信息，做到资源可用量管理。实现资源在线统计、分析，无纸化；提升资源利用率，降低资源对生产的影响，提升产品品质。

       分析决策子系统：基于生产全过程数据的实时采集，应用大数据技术进行数据分析挖掘，进行数据赋能和可视化展现。通过提供多维度报表，提升工作效率、支持管理决策；通过建设电子看板，提高现场可视化和目视管理水平；通过建立统一预警消息总线，通过“事找人”，快速反应、快速闭环。

       (2)计划与调度

       建立统一的计划调度体系，实现计划的编制、审核、分解、监控、协调、考核的全流程管控，实现生产资源高效协同、基于模型预排产、生产执行实时透明，从上而下，计划可行；从下而上，进度透明。
 
       通过计划管理模块的应用，实现了：

       计划体系完善和规范

       实现从生产任务-项目计划-生产作业计划-路卡-计划执行跟踪，整个计划链路的打通和闭环管理。

       多层级多类型计划协同

       打通各事业部计划壁垒，实现事业部内部、事业部之间、外包计划的全面协同。实现计划、工艺、生产、外包、仓储等模块的业务联动、信息共享。

       基于模块预排产

       基于模型和相关主数据，实现了项目计划向生产作业计划自动分解，支持人工调整；基于预置模型和规则，实现粗能力平衡运算，确保项目计划的可执行性；实现MRP运算，基于预置模型和规则，将生产作业计划自动分解成生产计划、外包计划、备料计划，支持人工调整。

       (3)生产执行

       建立柔性、透明、敏捷的生产执行体系，覆盖航天产品研制从产品准备、车间作业、过程检验到成成品入库的生产执行全过程，实现了生产业务流的闭环。
 
       生产执行规划业务系统、工位终端、离线PAD三个客户端功能，每道工序在线接收计划、工艺要求和作业指导书，按规执行汇报和设备数采，实现更精细化管理。
 
       通过生产执行管理模块的应用，实现了：

       生产现场管理更精细化

       现场人员在IFMS系统中需严格按照流程操作，管理更精细化，根据产品特性和管控要求，支持单件追溯和批次追溯。

       实现生产过程全追溯

       现场人员通过工位终端进行生产执行汇报，基于现场条码识别技术的应用，对每道工序的报工、物料、检验等数据进行电子化采集和记录，实现生产过程全追溯。

       在线采集和分配工时

       各生产部门的工时实现在线采集和分配。支持按照产品码+排程分配工时，实现工时分别更及时、管理颗粒度更细化，为车间人员绩效提供准确工时数据。

       异常“事找人”

       通过现场安灯，实现异常“事找人”，提升现场问题处理效率，实现生产异常可视化

       离线工艺查看和生产汇报

       提供离线PAD，适应离线操作场景。降低现场人员工作强度、促进现场无纸化。

       (4)产品质量控制

       建立全过程质量管理体系，基于质量管控点策划，实现质量精细化管控；打通过程质量管控业务，过程质量数据采集、建立闭环体系、实现品质受控。
 
       通过质量管理模块的应用，实现了：

       检验工作在线结构化管理

       根据工艺模型固化的质检要求以及相关主数据配置，实现外购检验、外包检验、首检检验、工序检验、总检、交付检验、库存检验、发运检验等检验工作的在线结构化管理。

       与TDM在线协同和闭环

       实现与TDM系统打通形成业务闭环，在线发起试验检测任务，并在线接收试验检测结果和报表。

       异常过程在线闭环管理

       实现不合格品审理、紧急放行、例外放行等业务流程电子化，与相应业务打通，形成约束闭环。支持现场次品触发不合格品审理闭环。

       产品的全追溯管理

       通过条码识别和跟踪，实现生产过程种产品加工、质量数据、物料数据、报工等数据的采集，并形成全追溯报表。

       6)仓储物流数字化

       本项目建立精细化物料管理体系，实现库存条码化以及所有出入库业务全面信息化，仓储信息透明、可靠、实时，并可精细化管理到库位。同时向上下游业务实时共享信息，为智能化排程和制造提供支持。
 
       通过仓储物流管理模块的应用，实现了：

       存储数字化建模

       实现仓储物流的数字化建模，覆盖所有与生产相关的仓库，包括一级库、车间中转仓和线边仓，按照管理要求，支持进一步对库位建模。所有仓库库存透明、共享。

       库存条码化管理

       实现仓库产品、物料的条码化管理，做到产品、物料精细化的批次管理。所有物料入库时，根据最小包装自动生成物料条码，并打印物料标签粘贴在物料外包装上。扫描物料标签上的二维码，支持快速查询物料信息、当前数量、库龄、物料有效期等信息。

       仓储业务全覆盖

       通过所部两级的物流协同，实现产品、物料流转的纵深贯通，利用物料标识技术，物料拣配、出库、配送、盘点时，扫描标签上的二维码，实现产品、物料全追溯管理。作为重要业务数据来源，支持在线快速实现存货核算。

       计划与发料协同

       实现事业部计划员根据生产需要，针对生产作业计划手工发起下料申请，指导物资部进行提前下料准备。实现按生产/外包需求自动触发生产拣配配送任务，提前备料准备，工艺BOM指导拣配。

       物料及时精准配送

       建立拉动式的配送体系，基于智能排产调度，实现仓库与线边仓、线边仓与线边仓之间自动按需及时配送。降低生产现场在制积压、线边库透明化管理、提高配送效率，实现物流和信息流的并行统一。

       离线移动终端

       开发物资仓库PDA应用，支持离线完成物资仓库货位绑定、拣配、出库、配送等的移动操作，减少仓管员的日常工作量。

       7)供应链管理数字化

       本项目基于互联网，建立需方与供方的统一协同管理平台，实现数据高效传输、外包生产透明、外包质量可控，提升外包供应链协同能力。系统功能架构图如下所示：
 
       供应商全周期管理。在线贯通供应商管理流程，覆盖从供应商申请、试制管理、准入评定、准入审核、进入合格供应商名录全生命周期管理。

       外购过程透明管理。面向计划、质量、供应商进行全要素结构化、精细化过程管控。需方与外包供方基于一个平台信息共享、在线协同。需方在线下发外包订单；供方实时接收外包订单、安排生产、执行汇报、在线组织首件确认、下场检验，并进行不合格品反馈；合格品送至需方，需方进行外包收货，转入外包检验流程。各环节信息流与实物流一致，实现外包生产透明、外包质量可控，并可一键提取外包质量数据包，提升外包供应链协同能力。

       外包价格结构化管理。建立外包价格管理平台，在线管理价格库。整个价格管理过程透明。多方在线协同，加快数据信息传递，节省线下沟通时间。价格历史数据的提供，为价格分析提供数据支持。价格细化至工序，便于内部核算，增加相关报表的查询维度。

       信息实时分发共享。在线分发文件，可指定授权供方，提高文件传递效率。建立在线问题沟通平台；对问题进行闭环管理，并形成沟通记录。提升相关数据、信息传递的高效与实效性。

       8)数据互联互通

       (1)网络结构

       根据项目特性，本项目在内网部署IFMS系统，实现全业务管理，在互联网部署IFMS系统-供应量管理部分，作为需方与供方的统一协同平台。网络架构图如下所示：
 
       (2)数据互通及集成

       本项目基于数据总线，实现IFMS系统与外部系统、物联网设备的互联互通、数据交互。交互过程中的数据实时记录和保存，数据交互状态实时管理和更新。数据集成方式采用以下3种方式：
 
       直接接口调用

       PDM系统替代IFMS系统中的工艺微服务。工艺数据通过Restful API接口与其他微服务进行平台内数据交互。

       数据冗余

       在内部专用网络内，通过数据集成服务与其他相关业务系统进行数据交互。

       网间数据调用

       与工控网交互：通过摆渡、单向网闸实现IFMS系统与物联网系统（工控网）的交互。

       与互联网交互：通过摆渡、二维码实现IFMS系统与外包供应商系统（互联网）的交互。

3.成效与成果

       本项目的实施，实现了“业务全在线、过程全透明、信息全追溯”，有力支撑航天产品的“高质量、高效率、高效益”研制生产。建设的智能数据工厂系统具有前瞻性，全业务融合、柔性灵活、自主可控，形成了基于微服务新一代技术途径的数字信息系统解决方案，可为多品种、变批量离散制造企业提升制造过程柔性化与智能化水平提供借鉴。