沈文杰 郭永釗 胡永芳

摘要：本文以雷達(dá)研發(fā)制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的建設(shè)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，分析了現(xiàn)有數(shù)字化工廠體系架構(gòu)在雷達(dá)設(shè)計研制型企業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)勢和不足，結(jié)合研制過程實際情況，借鑒面向服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計理念，提出了一種面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)，解決了傳統(tǒng)架構(gòu)中數(shù)據(jù)離散型高、系統(tǒng)功能復(fù)用性差、拓展性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。并以復(fù)雜電子組件典型代表微波組件組裝車間為對象進(jìn)行架構(gòu)的應(yīng)用，驗證了架構(gòu)的模塊低耦合、數(shù)據(jù)共享互通性強(qiáng)、系統(tǒng)迭代速度快等特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：雷達(dá)；智能制造；數(shù)字化工廠；體系架構(gòu)；面向服務(wù)

引言

有源相控陣?yán)走_(dá)作為軍用復(fù)雜電子裝備的典型代表，其制造過程具有專業(yè)領(lǐng)域多、工藝流程復(fù)雜、物料種類多等特點(diǎn)。近年來，隨著我國雷達(dá)技術(shù)的高速發(fā)展，雷達(dá)裝備的研制周期不斷縮短，型號種類呈多樣化，技術(shù)難度不斷加大，給雷達(dá)全流程的制造提出了更高的要求。

隨著雷達(dá)工藝技術(shù)的迅速發(fā)展和信息技術(shù)在雷達(dá)設(shè)計制造中的擴(kuò)展應(yīng)用，雷達(dá)的設(shè)計制造已經(jīng)從基于經(jīng)驗的知識積累型技藝技術(shù)逐漸向基于數(shù)據(jù)和規(guī)則的先進(jìn)設(shè)計制造模式轉(zhuǎn)變；與此同時，人工智能與大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的引入也將雷達(dá)工業(yè)的生產(chǎn)制造向數(shù)字化智能制造之路推進(jìn)，新型技術(shù)的引入和使用極大縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)制造周期，也催生了企業(yè)管理模式的升級改革，如何將數(shù)字化新技術(shù)與企業(yè)運(yùn)營管理相結(jié)合，探索出兼顧企業(yè)管理體系與強(qiáng)數(shù)字化拓展性的數(shù)字化工廠管理架構(gòu)是企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型規(guī)劃中的重要課題，也是保障雷達(dá)產(chǎn)品快速研發(fā)迭代、安全高質(zhì)量持續(xù)生產(chǎn)的基礎(chǔ)性問題。

本文以雷達(dá)研發(fā)制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中的建設(shè)經(jīng)驗為基礎(chǔ)，分析了現(xiàn)有數(shù)字化工廠體系架構(gòu)在雷達(dá)設(shè)計研制型企業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)越性和不足，在原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上加入數(shù)據(jù)和執(zhí)行層，優(yōu)化了各個層級的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，由此提出了一種面向服務(wù)型的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)，并以雷達(dá)微波組件生產(chǎn)制造車間為例，分析了新型架構(gòu)下數(shù)字化車間的建設(shè)優(yōu)勢，其數(shù)據(jù)共享性強(qiáng)、系統(tǒng)柔性高的特點(diǎn)滿足了雷達(dá)微波組件生產(chǎn)節(jié)奏快、產(chǎn)品種類繁、自動化設(shè)備多的數(shù)字化管控需求。

1數(shù)字化工廠體系架構(gòu)

1.1 智能制造的基礎(chǔ)

智能制造是制造技術(shù)與數(shù)字技術(shù)、智能技術(shù)及新一代信息技術(shù)的融合，是面向產(chǎn)品全生命周期的具有信息感知、優(yōu)化決策、執(zhí)行控制功能的制造系統(tǒng)，旨在高效、優(yōu)質(zhì)、柔性、清潔、安全、敏捷地制造產(chǎn)品和服務(wù)用戶。

智能制造的基礎(chǔ)是信息技術(shù)與數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用，將數(shù)字化軟件高效運(yùn)用在企業(yè)中，減少傳統(tǒng)管理流程中的信息傳遞成本；利用計算機(jī)軟件輔助設(shè)計、制造、現(xiàn)場生產(chǎn)各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與實踐的深度融合；使用數(shù)據(jù)挖掘等信息自動化手段代替部分人力依靠經(jīng)驗的勞動，都是智能制造的重要研究內(nèi)容。因此數(shù)字化是智能制造的基礎(chǔ)和先決條件，推進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，建立適合企業(yè)的數(shù)字化架構(gòu)將企業(yè)的業(yè)務(wù)與生產(chǎn)對象數(shù)字化管控，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字化工廠，是發(fā)展智能制造的重要課題。

1.2 數(shù)字化工廠架構(gòu)

《數(shù)字化車間通用技術(shù)要求（GBT 37393-2019）》的國家標(biāo)準(zhǔn)中提出了一種數(shù)字化工廠企業(yè)模型，其架構(gòu)如圖1所示。

該模型將制造企業(yè)數(shù)字化架構(gòu)劃分為三層結(jié)構(gòu)，分別是管理層、執(zhí)行層、基礎(chǔ)層，三層結(jié)構(gòu)分別由不同的軟、硬件系統(tǒng)組成，承擔(dān)不同層級的企業(yè)數(shù)字化管理任務(wù)：

其中管理層主要包括企業(yè)資源計劃（ERP）及產(chǎn)品全生命周期管理等系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個示范線生產(chǎn)任務(wù)的發(fā)起和產(chǎn)品完工的接收。執(zhí)行層主要包括數(shù)字化設(shè)計仿真系統(tǒng)及制造運(yùn)營管理系統(tǒng)（MOM），負(fù)責(zé)企業(yè)工藝設(shè)計、訂單信息發(fā)布及生產(chǎn)線運(yùn)行狀況反饋；該層級主要包括車間計劃與調(diào)度、工藝執(zhí)行與管理、生產(chǎn)過程質(zhì)量管理等功能模塊，對生產(chǎn)過程中的各類業(yè)務(wù)、活動或相關(guān)資產(chǎn)進(jìn)行管理；基礎(chǔ)層主要包括生產(chǎn)制造所必需的各種生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)資源，負(fù)責(zé)接收工單并按指令完成各工序的作業(yè)任務(wù)及上傳實時過程信息；其中制造設(shè)備承擔(dān)執(zhí)行生產(chǎn)、檢驗、物料運(yùn)送等任務(wù)，大量采用智能化設(shè)備，可自動進(jìn)行信息的采集或指令執(zhí)行；生產(chǎn)資源是生產(chǎn)用到的物料、托盤、工裝輔具、人、傳感器等，本身不具備智能化通信能力，但可借助條碼、RFID等技術(shù)進(jìn)行標(biāo)識，參與生產(chǎn)過程并通過其智能化標(biāo)識與系統(tǒng)進(jìn)行自動或半自動交互。

而對于架構(gòu)中的不同軟件系統(tǒng)，其數(shù)據(jù)交互如圖2所示，對于有外部接口的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)通過已有的外部接口進(jìn)行數(shù)據(jù)對接，對于某些在外部接口中沒有設(shè)計的數(shù)據(jù)，需要人工通過手動查詢錄入的方式在兩系統(tǒng)間進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。

1.3 數(shù)字化工廠架構(gòu)不足

此模型統(tǒng)一的頂層架構(gòu)設(shè)計將不同層級的功能限定，實現(xiàn)了從產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計、現(xiàn)場執(zhí)行的產(chǎn)品全生命周期管控，在電子制造企業(yè)和其他產(chǎn)品較為固定的生產(chǎn)單位得到了廣泛的應(yīng)用，但雷達(dá)屬于復(fù)雜電子裝配，在實際研發(fā)生產(chǎn)過程中，由于雷達(dá)的零部件眾多，其產(chǎn)品技術(shù)迭代速度快、產(chǎn)品復(fù)雜度高、生產(chǎn)流程復(fù)雜，設(shè)計流程眾多，因此此套系統(tǒng)架構(gòu)在實際使用中存在某些不足，具體體現(xiàn)在：

數(shù)據(jù)流通性差，易形成數(shù)據(jù)孤島：從原數(shù)字化車間結(jié)構(gòu)來看，各層級的數(shù)據(jù)傳遞彼此孤立，管理層通過執(zhí)行層的制造運(yùn)行管理系統(tǒng)對一線數(shù)據(jù)部分傳遞，上下層系統(tǒng)無法直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，導(dǎo)致信息在傳遞過程中會出現(xiàn)不對稱性，此現(xiàn)象使得各個系統(tǒng)的大量信息私有化，形成數(shù)據(jù)孤島，最終導(dǎo)致信息在各自系統(tǒng)獨(dú)立存在與獨(dú)立部分決策，無法統(tǒng)一形成信息合力。

模塊復(fù)用性差，系統(tǒng)冗余性較高：在各個層級中，有一些功能相同或相似的基礎(chǔ)模塊，在不同層級的功能系統(tǒng)中會重復(fù)開發(fā)，導(dǎo)致模塊的開發(fā)速度和兼容性較低，多項基礎(chǔ)數(shù)據(jù)冗余存在于各個系統(tǒng)的不同部分，造成系統(tǒng)耦合度過高，復(fù)用性較差。

系統(tǒng)拓展性差，二次開發(fā)周期長：按照原有數(shù)字化工廠架構(gòu)，各個層級的數(shù)字系統(tǒng)開發(fā)是根據(jù)企業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)確定需求后定制，能高度適應(yīng)企業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)需求，但其功能相對固定，不同系統(tǒng)之間的交互只通過外部接口，若企業(yè)的業(yè)務(wù)發(fā)生拓展，往往需要涉及多個系統(tǒng)的二次升級，二次開發(fā)周期較長。

基于上述情況，本文結(jié)合在實踐中的經(jīng)驗，提出一種面向服務(wù)的新型數(shù)字化工廠體系架構(gòu)。

2面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)

2.1 面向服務(wù)的架構(gòu)設(shè)計

面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA）方法是一種建立、管理、維護(hù)IT系統(tǒng)和業(yè)務(wù)的方法。SOA架構(gòu)中，由各自獨(dú)立、可復(fù)用的服務(wù)構(gòu)成系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)?；跇?biāo)準(zhǔn)化技術(shù)開發(fā)的“服務(wù)”能夠?qū)崿F(xiàn)軟件系統(tǒng)中業(yè)務(wù)邏輯抽象和技術(shù)抽象，支持業(yè)務(wù)邏輯與具體實現(xiàn)技術(shù)的分離，從而使企業(yè)應(yīng)用徹底擺脫“面向技術(shù)”設(shè)計解決方案的束縛，使企業(yè)能夠適應(yīng)業(yè)務(wù)和技術(shù)的不斷變化，輕松應(yīng)對企業(yè)業(yè)務(wù)變化和發(fā)展的需要。面向服務(wù)計算環(huán)境下，“服務(wù)”可以被共享、重用和動態(tài)配置，從而便于從整體角度審視企業(yè)的信息系統(tǒng)架構(gòu)，選擇一個合適的支撐平臺，有機(jī)地集成企業(yè)的各個“信息孤島”。伴隨著大規(guī)模企業(yè)級應(yīng)用的不斷發(fā)展，為了減少異構(gòu)性、滿足互操作性和不斷變化的業(yè)務(wù)要求，面向服務(wù)架構(gòu)方法已經(jīng)成為企業(yè)架構(gòu)設(shè)計熱點(diǎn)技術(shù)之一。

2.2 面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)

借鑒SOA的建設(shè)思路，對原有模型的部分功能和數(shù)據(jù)解耦和，在原有架構(gòu)的基礎(chǔ)上加入數(shù)據(jù)層和控制層，將原有的模塊功能細(xì)分，以具體的業(yè)務(wù)對象單元為單位，在現(xiàn)場變化頻繁的基礎(chǔ)層以車間生產(chǎn)單元為建設(shè)對象，建設(shè)多個智能與數(shù)字化單元，形成現(xiàn)有的面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)，其架構(gòu)模型如圖2所示。

其中數(shù)據(jù)層將所有層級的數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享統(tǒng)一管理，各個層級的系統(tǒng)只是以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的應(yīng)用，控制層是對基礎(chǔ)層的業(yè)務(wù)模塊進(jìn)行組合管理，形成一套模塊化可定制的面向業(yè)務(wù)的操作控制界面。

對于數(shù)字化軟件層級的設(shè)計，將不同軟件的系統(tǒng)功能層、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層和與硬件結(jié)合的采集/控制部分抽離出，形成硬件采集控制功能池、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)功能池，其軟件系統(tǒng)如圖3所示；對于單個系統(tǒng)來說，系統(tǒng)知識對于功能池的不同組合，通過調(diào)用功能池的不同接口獲取想要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)人機(jī)的交互，功能池通過操縱基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問和讀寫，而硬件采集控制功能池是將所有與硬件結(jié)合的功能統(tǒng)一，將其驅(qū)動、接口、數(shù)據(jù)格式化處理等功能統(tǒng)一到一個層級，實現(xiàn)與硬件的面向?qū)ο蠼换ァ?/p>

在面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)模型下對企業(yè)進(jìn)行數(shù)字化建設(shè)，對比原有模型有若干優(yōu)勢：

數(shù)據(jù)共享，增強(qiáng)數(shù)據(jù)共通性：增加的數(shù)據(jù)層可以對管理層以下數(shù)據(jù)全局共享，增加數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的全局作用，以人員管控為例，在沒有將數(shù)據(jù)獨(dú)立之前，人員的考核是依靠每天的打卡數(shù)據(jù)和月度考核指標(biāo)中的固定幾個參數(shù)來衡量，人員每天的工作量難以量化，在獨(dú)立了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，人員考核可以從多個系統(tǒng)中獲取到人員的工作情況、培訓(xùn)信息、負(fù)責(zé)產(chǎn)品信息等多個維度的基礎(chǔ)信息，對于人員考核的考評方式也更加多樣化。

功能解耦，多模塊功能復(fù)用：在基礎(chǔ)層和控制層中，以功能模塊和車間生產(chǎn)單元為最小單位建立數(shù)字化系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多模塊的功能復(fù)用，例如在SMT生產(chǎn)車間和殼體焊接車間，均需要“生產(chǎn)問題反饋”功能，但SMT生產(chǎn)車間和殼體焊接車間的問題類型和處理流程存在差異，原架構(gòu)使用上層管控系統(tǒng)實現(xiàn)此功能，導(dǎo)致問題處理流程無法覆蓋所有車間，但若在各個車間分別建設(shè)管理系統(tǒng)，進(jìn)行定制化的“生產(chǎn)問題反饋”功能開發(fā)，開發(fā)周期過長且耗費(fèi)成本巨大，對功能進(jìn)行解耦后，“生產(chǎn)問題反饋”作為底層的共用模塊，在不同車間根據(jù)車間的需求，對此模塊進(jìn)行定制化的修改，即可適用于該車間的業(yè)務(wù)需求，既滿足需求又減少了數(shù)字化系統(tǒng)開發(fā)周期。

便于拓展，建設(shè)方式更靈活：雷達(dá)研發(fā)屬于高新電子制造行業(yè)，隨著雷達(dá)的生產(chǎn)的設(shè)計、工藝變更，企業(yè)的生產(chǎn)模式和管理模式也會隨之快速變更，伴隨而來的則是新業(yè)務(wù)與新模式的數(shù)字化需求，如在某型號雷達(dá)新產(chǎn)品的預(yù)研項目中，采用了新的結(jié)構(gòu)設(shè)計和最新的工藝方法，開辟了一條適應(yīng)于新工藝的生產(chǎn)線，原有數(shù)字化系統(tǒng)無法滿足管控需求，若在原有體系下，需要從企業(yè)ERP系統(tǒng)，到運(yùn)營管理層MOM系統(tǒng)和現(xiàn)場管理系統(tǒng)均進(jìn)行升級改造，在面向服務(wù)的系統(tǒng)架構(gòu)中，只需要在需要的層級加入相應(yīng)的控制單元，將其數(shù)據(jù)按照SOA規(guī)則并入數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層，各層系統(tǒng)即可快速適應(yīng)新業(yè)務(wù)管控，實現(xiàn)了靈活的數(shù)字化系統(tǒng)拓展。

3面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)的應(yīng)用

微波組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，具有產(chǎn)品質(zhì)量要求高、多品種變批量、研制批產(chǎn)共線、多型號混線等特點(diǎn)，對管控系統(tǒng)提出了很高的要求。本文提出的架構(gòu)在微波組件制造車間進(jìn)行了應(yīng)用，充分發(fā)揮了架構(gòu)支持快速迭代、復(fù)用性好以及互通性強(qiáng)等優(yōu)勢。

3.1面向服務(wù)的體系架構(gòu)在微組裝車間的應(yīng)用

微波組件微組裝車間業(yè)務(wù)應(yīng)用需求眾多，涉及到人員管理、設(shè)備管理、物料管理、工藝設(shè)計、生產(chǎn)管理、質(zhì)量監(jiān)控等多個方面。按照面向服務(wù)的數(shù)字化車間體系架構(gòu)思路，建設(shè)車間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）進(jìn)行統(tǒng)一的車間級管控，在具體的業(yè)務(wù)部分，在最底層使用生產(chǎn)單元為最小建設(shè)功能單位，各個單元的基本功能可以復(fù)用，數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享，通過不同生產(chǎn)單元的組合建設(shè)單元SCADA對業(yè)務(wù)相近的生產(chǎn)流程進(jìn)行統(tǒng)一的管控，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

以高密度板級電路生產(chǎn)單元管控系統(tǒng)在軟件系統(tǒng)的建設(shè)為例，其軟件系統(tǒng)設(shè)計如圖6所示。以剝離數(shù)據(jù)層和功能模塊為基本思路設(shè)計基礎(chǔ)信息共享層和基礎(chǔ)功能池，以具體的功能組合不同的數(shù)據(jù)和功能形成具體功能集合的應(yīng)用層和負(fù)責(zé)報表生成和系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示的展示層，信息共享層中，生產(chǎn)線管控系統(tǒng)和測試管理系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)庫，因此人員數(shù)據(jù)、權(quán)限數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、廠房工位數(shù)據(jù)等均只需要維護(hù)一次，做到了數(shù)據(jù)復(fù)用，在基礎(chǔ)功能池內(nèi)，集成了多個功能組件，如設(shè)備通訊協(xié)議組件、人員權(quán)限管理組件、消息推送組件、表單填寫組件、數(shù)據(jù)查詢組件等，應(yīng)用層和展示層的應(yīng)用系統(tǒng)能通過這些組件實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作和展示，一個組件可在多個系統(tǒng)中復(fù)用，也可根據(jù)不同組件的需求繼承組件的功能，拓展應(yīng)用系統(tǒng)中獨(dú)有的新功能。

3.2取得成果

在微組裝車間以一年時間內(nèi)完成功能重構(gòu)和升級，將原有功能以單個功能池為單位建立了基礎(chǔ)功能池，并利用基礎(chǔ)功能池在短期內(nèi)組織出兼容現(xiàn)有所有業(yè)務(wù)的智能單元管控系統(tǒng)兩個，人員管控系統(tǒng)一個，報表生成系統(tǒng)一個及可視化看板一項，做到了現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備采集程序的快速拓展與全覆蓋，各個系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無障礙貫通，功能的強(qiáng)復(fù)用性和低耦合性，在系統(tǒng)開發(fā)上實現(xiàn)了開發(fā)成本降低60%，系統(tǒng)迭代周期減少30%，與外協(xié)廠商溝通需求時間減少40%以上；系統(tǒng)穩(wěn)定性上做到了系統(tǒng)偶發(fā)故障降低20%，系統(tǒng)問題處理時間降低35%以上。

4總結(jié)

智能制造的基礎(chǔ)是數(shù)字化管控，企業(yè)能做到全流程數(shù)字化管控，實現(xiàn)智能制造才能水到渠成，本文在十四所雷達(dá)研制中數(shù)字化轉(zhuǎn)型系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)設(shè)計實際情況，借鑒SOA設(shè)計架構(gòu)，提出了一種面向服務(wù)的數(shù)字化工廠體系架構(gòu)，解決了傳統(tǒng)架構(gòu)中數(shù)據(jù)離散型高、系統(tǒng)功能復(fù)用性差、拓展性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，并在所內(nèi)微波組件制造部門進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)，取得了優(yōu)異的成績，對電子設(shè)計制造企業(yè)有著強(qiáng)借鑒意義。

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（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所）