航天器智能制造CAST-I3框架的研究与实践

本文刊登于《网信军民融合》杂志2017年8月刊

北京卫星制造厂徐 磊 刘金山 赵长喜 张明

北京空间飞行器总体设计部孙 京

编者按：航天器作为高端装备的代表，其研制过程具有批量小、种类多、更新换代快、高复杂性、高风险性等特点，随着航天器装备不断地更新换代以及研制数量的持续增长，航天器产品对性能的要求越来越高、开发周期要求越来越短，对航天器制造技术和制造管理水平提出了更高的要求和挑战。为适应制造业数字化、网络化、智能化的趋势，针对单件小批量生产特点，开展智能制造有关研究和应用，有利于减少设备、劳动力投入，提升航天企业制造效益，实现航天制造能力的提升、产业化转型和跨越式发展。

本文从航天器研制现状和需求出发，探讨了航天器智能制造的内涵，结合当前航天器智能制造的探索实践，提出了以智能、精益、信息为核心的航天智能制造CAST-I3 框架，对全三维研制、信息物理融合、工业物联网、工业大数据分析、智能装备等智能制造关键技术进行了论述，并对智能制造的典型实践进行了阐述，以期为加速航天器智能车间建设、提升我国航天器智能制造技术水平、强化航天工业基础能力提供借鉴。

一、智能制造的内涵分析

当前，对智能制造存在很多种不同的认识，比如智能制造是实现黑灯工厂或无人工厂、智能制造是自动化加信息化、智能制造是机器换人等，但智能制造的核心仍然是“制造”，其本质上仍然是以企业经营全局及生产全过程的高效化为目标，以生产全流程整体智能优化为特征的制造模式。智能制造在技术层面体现出的是面向产品全生命周期，在现代传感技术、网络技术、自动化技术、拟人化智能技术等先进技术的基础上，实现工艺设计智能化、制造过程智能化和制造装备智能化，是信息技术和智能技术与制造装备的深度融合与集成。智能制造在整体制造解决方案的角度上，延续了信息技术、数字化技术和精益生产等先进理念，使得整个制造模式能够更适应各类产品的特点，同时在整体上表现出人与系统的自然交互，系统自身的自动、自治、智能，也可以体现在实现“感知、分析、决策、执行”的一体化。每一类产品的特点最终决定了其实现智能制造的技术内涵。总体上，智能制造从制造要素的角度上体现在制造过程的柔性化、制造装备的智能化、加工工艺的优化、管理的智能化、服务的敏捷化。智能制造从支撑技术上体现在信息物理融合技术、工业大数据技术、工业互联网技术、机器人技术、信息技术等先进技术的综合。智能制造从产品生命周期的角度体现在产品设计智能化、工艺设计智能化、生产过程智能化、检验过程智能化、管理决策智能化。

二、智能制造CAST-I3框架

CAST-I3 是中国空间技术研究院航天器智能制造体系框架的总称，CAST 是指信息物理融合（CPS）、数据分析（Analytics）、智能化技术（Smart）、模式转型（Transformation）四个主要方面，I3 是指以精益化（IE）为目标、以智能化（IM）为手段、以信息化（IT）为基础。CAST-I3 是融合航天器制造、数字化技术、智能化技术的特点，以模式变革为导向，单元化、拉动生产、定制分离、数字化与自动化融合的，面向单件小批量、定制化生产，面向航天器制造新模式的智能制造方案框架，是智能制造理念与宇航制造技术相融合的具体体现。

智能制造CAST-I3内涵

CAST-I3 框架中，信息物理融合是连接物理世界和信息世界的关键技术，是面向智能制造实现制造过程实时监控和管理的基础；工业物联网是实现制造资源互联互通的基础，将为实现生产管控智能化提供基础数据支撑；工业大数据分析是智能化的核心技术，是进行产品制造过程精准分析与决策的基础；智能化制造技术是智能制造的关键执行技术，包括各类智能化制造装备，是智能制造模式中实现精准执行的基础。上述CAST-I3框架中的关键技术，将共同支撑制造模式向智能化方向转变，其主要目标是推进制造过程的智能化，推动航天器智能生产、智能工厂的落地实现，加快信息物理融合、物联网、大数据、智能装备等相关软硬件技术在生产过程中的应用，促进制造工艺的仿真优化、数字化控制、状态信息实时监测和自适应控制，加快各类信息系统的推广应用，实现航天器制造过程的智能管控。

智能制造CAST-I3框架

CAST-I3 框架的核心包括智能化、精益化、流程自动化三个主要方面，在智能化方面，以数据为核心，基于智能感知、大数据分析、智能决策、智能机器人，实现感知、决策、控制、执行的闭环；在精益化方面，基于人员、物料、设备、生产线的精益化管理，实现计划、执行、检查、行动的闭环；在流程自动化方面，基于PDM、ERP、MES 等信息系统，实现数据、流程、组织、技术的闭环。基于上述核心，促进设计制造全过程的纵向协同优化以及设计制造之间的横向协同优化，支撑造精品卫星的目标实现。

三、智能制造关键技术

（一）基于模型的全三维研制

基于模型的全三维研制特点

基于模型的全三维研制是打通智能制造全过程数据流的关键技术，基于三维模型的设计和工艺作为驱动生产的依据，被传输给各个制造执行系统、自动化设备、操作者等角色，可以解决传统二维研制不能直观、有效地总结和表达研制经验和方法的弊端。面向全三维研制的技术状态管控、统一数据源、制造信息集成等是全三维研制过程中需要突破的关键技术难点。基于模型的全三维制造带来的是研制模式和研制流程的变革，基于三维模型，通过产品描述的数字化、过程管控的数字化、加工装备的数字化，以“产品研制过程的统一数据源与信息闭环”为核心，以“虚拟世界与物理世界的融合与统一”为目标，打通产品设计、工艺规划、生产、装配、检验、交付的全过程信息流，实现研制过程“所见即所得”，提升产品制造数字化、智能化程度，加速信息传递和闭环追溯，保证产品一次成功，提升产品研制效率。

（二）信息物理融合

面向物理和虚拟工厂的信息物理融合

信息物理融合是连接物理世界和信息世界的关键技术，其需要重点突破的问题是如何实现生产现场全实物要素在虚拟层面的数字化、实时化、同步化，从而实现物理世界与信息世界的全面同步映射。信息物理融合的主要对象是基于智能装备的物理工厂和基于智能系统的虚拟工厂，面向智能制造的智能化装备、智能化生产线、智能化车间、智能化企业四个层面，实现智能化硬件装备与智能化软件系统之间的信息动态映射和有机融合，实现生产过程信息的多层次展示和监控、异常数据实时预警、生产状态评估和预测等，支撑航天器智能制造过程的动态感知、实时分析、自主决策以及精准执行，可进一步提升航天器制造在过程管控、设备使用、物流配送等方面的效率，从而优化制造资源配置，提升制造过程管控能力和制造效率，支撑航天器智能制造框架的落地实现。

（三）基于工业物联网的智能感知

基于工业物联网的智能感知技术是为实现航天器制造生产管控智能化提供基础数据的关键技术，是实现智能化制造的基础和前提。航天器具有单件小批量、种类多、结构复杂等特点，并且对产品的质量有着极高的要求，因此，为实现航天器制造过程管控的精准化，需借助基于工业物联网的智能感知技术，对影响产品质量、过程质量的人、机、料、法、环、测等状态信息进行有效的感知与监控，并在此基础上建立起面向生产现场的多源异构制造数据的感知网络。

实现面向智能制造的智能感知需要突破三类关键技术，包括面向生产现场实物状态信息和位置信息采集的物联网技术、面向生产现场人员及零部件状态信息采集的视频网技术、面向智能装备加工过程数据采集的工控网技术，三种网络相互协调，相互辅助，形成面向制造过程的智能感知网络，为企业上层管理决策提供原始的数据支持。

（四）工业大数据融合分析

面向航天器制造的工业大数据融合分析

工业大数据融合分析是实现智能决策的关键支撑技术，其中包括面向制造过程数据的时空建模、数据压缩分类、模式识别和知识推理等需要重点突破的核心技术。在航天器制造过程中会产生大量的数据，来源于设备状态参数、产品状态、计划执行情况、生产线运行状态、人员状态、环境状态等，这些既相互独立又相互关联的数据随着制造系统的运行形成了制造过程的大数据。为实现面向航天器制造过程的工艺、装备、质量、管理等方面的持续优化，需要对上述多源异构大数据进行融合分析，将数据按时间维度和空间维度，映射到制造过程数据时空模型上，以时间和空间为索引实现制造过程数据的融合，在此基础之上，对制造过程工业大数据进行分析，获取单一数据源无法感知和反映的制造全过程状态，挖掘出加工过程中的多特征与多参数之间的关联关系，从而实现面向航天器制造过程的多源异构数据关联融合分析，为加工工艺优化、装备利用率提升、生产计划管理效率提升、生产过程问题预警预报等提供大数据支撑。

（五）智能可移动加工机器人

智能可移动加工机器人是智能制造技术的最终执行主体，相关技术的突破需要重点开展以下主要方向的研究工作：（1）构建面向智能可移动机器人的智能化工艺设计与仿真环境，实现以三维模型为输入的快速高效结构化智能工艺规划和管理；（2）突破面向可移动加工机器人的精确定位与补偿技术，解决由于机器人开环结构所带来的定位精度较低的问题；（3）突破人与机器人、机器人与机器人、其它设备与机器人之间的协同管控技术，减少干涉和冲突，提升生产效率。

可移动加工机器人智能加工技术主要根据生产任务时间要求、机器人能力和加工工时等约束条件，结合精测得到的结果数据，通过判断工艺类型，提取和自动校正工艺参数，将任务分配给机器人。同时，通过读取路径和节点信息、工艺加工参数、机器人种类和数量，生成机器人行驶的最优路径，实现机器人移动路径的智能规划。

四、智能制造的典型实践

（一）面向精益的生产线规划优化

面向精益的生产线规划优化总体架构

针对航天器研制面临的多型号、多任务、多模式并存的情况，以精益生产为目标，持续深化单元模式的应用，整合自动化装备，实现单元化与数字化的结合，形成了五项核心技术：布局与物流规划、系统建模与仿真、流程分析与优化、绩效度量与测评、现场管理与改善。生产线规划和优化全面采用了先进制造建模仿真技术，通过产品系列划分、仿真框架设计、数据结构构造、模型程序实现、运行规律分析等主要步骤，实现了产品制造过程的仿真与验证，完成了对结构板、精密机加、电装、管路等一批生产线的优化，实现了在没有大幅度增加制造资源投入的前提下，显著提升了生产效率，典型产品的制造能力不断提高，有效缓解了生产瓶颈，提高了产品的质量水平。

（二）面向空间站的智能制造系统

空间站结构智能制造系统示意图

针对我国空间站结构制造特点以及发展需求，结合智能制造的内涵，进行了智能制造系统的探索和研究，提出了空间站智能制造系统的基本构成与建设思路。该智能制造系统主要由移动检测机器人、移动加工机器人及激光跟踪仪等组成生产操作的执行主体，在智能工艺的驱动下，基于制造信息融合与分析系统、智能移动装备协同控制系统、智能仓储与物流系统、以及检测和加工配套的编程、仿真和分析专业软件，形成“检测—判断—执行”的闭环，并驱动移动平台车实现智能配送。

（三）面向科研生产的信息化建设

面向科研生产的信息化建设体系

按照企业发展规划及型号任务与综合管理等方面的需求，持续开展了面向科研生产的信息化建设工作，为数字化、智能化制造技术建立了良好基础。在设计制造一体化方面，建立了适合机械加工产品的设计、制造PDM 跨域集成环境。在应用系统建设方面，建成了以AVIDM 企业版为核心的信息化综合支撑平台，并配置了MES 系统，建成了三维工艺设计制造的数字化环境，在数控加工技术方面，数控加工仿真等CAD/CAM先进技术应用已具有较高水平，建成了制造资源管理系统。在综合管控方面，建成了科研生产管控平台，实现了科研生产全过程数据的实时汇总和分析。

面向航天器智能制造的发展需求，结合先进的信息技术，在信息物理融合、工业物联网、大数据分析、智能装备协同等方面进行了探索和应用，建成了基于移动终端的车间现场监控系统、基于物联网的制造资源监控系统、基于图像识别的人员状态监控系统、面向AGV 的智能装备协同系统等智能化信息系统，为智能制造技术在航天器制造领域的落地奠定了良好的基础。

五、智能制造发展思考

为提升我国航天器制造领域整体竞争力，保持可持续发展，实现转型升级，应借鉴欧美制造强国提出的先进制造发展战略理念、目标和制定的路线图，紧密围绕中国航天发展战略以及中国制造2025 战略，结合当前我国航天器制造领域数字化、信息化、智能化工作基础，全面推进航天领域信息技术与制造技术的融合发展，加强以航天器制造智能化为中心的关键核心技术研发能力。

先进传感技术、物联网技术、人工智能技术与制造技术相融合发展，是未来制造模式变革的基础支撑，是智能制造实现的技术基础。未来航天制造也必将向着智能化方向发展，借鉴互联网、云计算等技术，构建航天智能制造的云、管、端。“云”主要是通过加强企业内部网络和物联网的建设，完善基于互联网的供应链；“端”是指用户的需求端，航天智能制造就是面向用户，解决产品不断采用新原理、新技术、新战略、新集成的需求；“管”主要是面向航天产品研制过程，对于产品研制过程中不断引进的新设计、新工艺，采用工业工程专业方法和工具，优化、完善研制流程，提升产品制造的数字化研制、精细化管理、自动化装备、单元化生产四项核心能力，推进研制模式向拉式生产、精益化生产转变，向下支撑宇航制造产业链的完善与发展，向上满足新原理、新技术、新战略、新集成的需求。最终，支撑航天制造技术创新能力的进一步提升，强化航天工业基础能力建设。