版权声明：原文刊登于《中国勘察设计》杂志2016年07期，版权为《中国勘察设计》杂志社所有。欢迎转载，转载请注明作者及出处。
今年是新中国航空工业建立65周年，中国航空规划设计研究总院也将迎来65岁生日。作为我国航空工业固定资产投资领域的主力军和勘察设计行业的排头兵，中国航空规划设计研究总院立足自身优势，全面拓展业务板块及服务领域，而智能工厂建设就是其众多有益探索之一。
做智慧的参与者
——中航规划探索智能工厂
建设之路的宏景与微观
中国航空规划设计研究总院 沈阳 张超
“你相信吗？在不久的将来，我们吃的药是根据每个人的基因来配方的；我们的早餐可以根据个人的口味和营养需求来调配生产；工厂生产线可以按照工人希望的时间开工，无需担心下午3点没法去接孩子；生产车间里是机器告诉机器下一步做什么，而非中心控制台的技术员在操作。”这就是德国工业4.0给我们描绘的未来智能工厂的宏景。
工业化发展在经历了机械化、自动化、数字化的历程后，以“动态感知、实时分析、自主决策、精准执行”为特征的先进智能生产模式，已经成为制造业转型升级的主旋律，令智能工厂建设的浪潮势不可挡。如何打造适应产业转型发展的智能工厂，设施规划和设计又能发挥怎样的作用呢？65年来深耕航空工业设施规划和设计领域的中国航空规划设计研究总院（以下简称“中航规划”），正在开启探索智能工厂建设之路。
从工厂生命周期的角度看，设施规划和设计是工厂建设的源头，是保障制造工厂实现功能的前提条件和重要环节，智能制造的生产线的建设中，设施规划设计更是基本前提和基础，关乎智能制造的成败。
从传统的视角来看，设施规划是相对静态的。工业4.0催生了一套崭新的逻辑——从设计这个源头开始，就必须考虑未来“未可确知”的使用状况，也就是设施规划与设计的动态化。此外，设备智能化也是这套崭新逻辑的关键所在。在设备的配置选型上，需要具备设备智能化条件，包括信息的接收、反馈、自主分析能力；要考虑工业网络架构及设备之间的互联互通；生产辅助系统物流管理，动力供应智能化，比如可计量、动态化，实时监控，能够进行智能的生产配套设施运行的自主决策。同时，也可获得产量和动力消耗的关系等。诚然，“运用崭新逻辑的基础就是要实现设计方式本身的升级。设计要数字化，要进行规划设计方案的数字化仿真。”中航规划总工程师陆国杰如是说。
沿着这一逻辑，我们就很容易理解设施规划与智能制造的关系：智能工厂为智能生产的实施提供了载体；设施规划为智能工厂的实现提供了系统化的设计方案，涵盖设备设施、人员、物资等要素；反过来，智能生产则为设施规划提供了各类约束，包括制造工艺约束、物流约束等。
图1 聚类工具图
智能工厂究竟有多智能？
在中航规划技术院院长王明珠看来，“智能工厂的建设目标就是使企业达到安全环保、最优生产、效益最佳、劳动生产率最高的状态。无论是智能工厂还是数字化生产线，设施规划始终围绕产品从毛坯到零部件到成品的全过程。”
在工业4.0的逻辑框架下，设施规划的设计标准及工作方式亦是全新的。首先是实现零件和产品的智能化，意味着零件和产品具有很高的“数据”和“信息”特征，即标签化，达到可识别、实时跟踪。其次，设计师们要更为深刻地了解零件工艺过程，包括零件所有工艺及工序过程，零件应用及设备需求和互动关系，才可能最终实现工厂里机器与机器之间的“对话”，达到基于数据分析的生产线优化，大大提高生产线效率。这其中的两把利器就是：精益化生产与柔性化设计。在进行产品的数字化仿真后，可以发现哪些环节冗余度较高，从而将生产线进行合理化改进，形成精益化生产。柔性化就是生产线的可扩散性和多适应性，将一条生产线稍作调整就可以适应不同的产品加工对象，能够减少工装数量，提高工装的利用率。
中航规划总工程师陆国杰表示，肩负中航工业基础设施建设的重要使命，中航规划致力于为航空工业的转型升级服务。中航规划深谙航空产品的制造工艺，包括航空零件加工、部装、总装生产线等，能够为厂所提供智能工厂顶层设计、转型路线图、软硬件一体化实施的工业4.0解决方案。
图2 移动生产线仿真
中航规划紧跟发展趋势，早就着手对数字化生产线设计技术进行了有益尝试和探索，通过一系列能力建设项目的设计，初步建立了基于模型的数字化生产线规划设计技术体系。以三维协同设计平台为基础，以基于启发式算法的工艺布局优化、基于离散事件仿真技术、智能制造部分关键技术为核心，在航空制造生产线规划设计和数字化、网络化技术应用方面，积累了一批技术成果和丰富的应用经验，致力于推进智能制造在航空工业的落地。
下面，就带您聆听中航规划探索智能工厂建设的三部曲：“工艺分析”—“布局优化”—“结果呈现”。
在生产线布局阶段，以精益加工单元的划分为例，众所周知，多品种、小批量是航空制造业的典型特征，品种繁多且加工流程长度差异显著，仅通过电子表格来人工进行工作零件归类是一件十分繁杂而不易做好的事情，为此，中航规划开发了精益单元自动划分工具，能够自动实现相近加工工序的零件聚类，极大提高了工作效率，对精益加工单元的设计推进工作也大有裨益。
在生产线布局优化阶段，中航规划联合应用三维设计协同平台和生产线运行仿真平台，通过三维协同设计尽可能避免设计过程中的“错漏碰缺”问题，形成可以交付的虚拟生产线模型。
在生产线规划成果呈现阶段，以虚拟生产线模型为基础，结合仿真平台产生的三维制造过程渲染，产生的虚拟生产线运行过程动画具有突出的视觉效果，能够把难以解释的复杂系统用直观的方法表现出来，能够指导员工快速开展生产制造。
在实际项目建设中，中航规划要把控整个生产线的投资平衡，保证生产线的实际运行效率和设计意图完全一致，减少在真实系统上调试的工时，提高效率，节省资金。
在设施规划“三部曲”的基础上，经验丰富的设计师将实现智能生产线和土建、动力、能源供应的完美集成，提供最优化的配套保障，确保生产线安全、稳定运行；确保节能、环保、人性化等绿色理念最有效地在智能线上落地。
图3 生产线规划三维呈现
随着工业4.0时代的来临，中航规划也不断加快智能工厂设计实践的步伐。一方面，立足航空，基于丰富的航空生产线设计经验，研究适用于航空各型产品制造特点的智能制造应用模型；以精益的设施规划设计为平台，以赛博物理系统为手段，打通物理工厂与数字工厂的界限。另一方面，服务民用工业，基于自动控制技术及人工智能技术，实现数字量传递与处理、物流传输与交换、作业流程的智能处理；聚焦数字化、标准体系、平台建设，为企业提供智能化建设整体解决方案，让智能制造的价值不折不扣地发挥。
以下是中航规划在智能制造领域的典型案例。
围绕产品生命周期的运营环节，中航规划为XX轮胎企业开发了智能排产系统，最大限度优化了生产计划，保障企业实现精益生产。该系统采用先进的优化技术，提供给企业落实到设备、精确到每个时间单元的作业计划，杜绝由于计划不准带来的停工待料，工序能力不均衡造成的产能浪费，可让企业的相对瓶颈设备的利用率最大化，并且通过设备的连续生产保证设备的运行效率最大化，对紧急插单、机器设备故障检修、员工请假等情况作出生产安排。通过该排产系统的甘特图显示区域，用户可以直观地浏览到车间内各类加工设备上所安排的待加工任务信息。
用户可以通过甘特图区域的鼠标操作，轻松完成对任务的起始时间、持续时间以及所安排的加工设备的调整，在调整过程中，系统会自动高亮显示能完成该任务的设备，以方便用户快速调整。同时，在调整完成后，系统会检测任务间的时间冲突，并自动对各任务的起始时间作相应的调整。最后，在排产结束后，用户可以将排产信息一键输出到Excel表格中，方便后续使用。
[案例2] XX重型装备制造企业智能化建设
整体解决方案
基于前期信息化建设基础，从产品全生命周期各个关键环节入手，对XX集团智能化建设工作内容进行整体规划，核心模块包括智能化产品设计与研发、智能生产线/车间/工厂、智能化产品服务等。希望通过本期智能制造总体规划，明确未来XX集团智能化建设方向及工作模式，进而基于相关的工作成果，支持XX集团入围2016年智能制造试点示范项目。
该项目属于重型装备制造业，与一般的工业制造相比，具有众多的独特之处，其特点使其智能化演进具有特殊性。因此，本项目建设方案不能完全照搬常规工业车间的智能化案例，而必须根据其特殊性对其生产规划进行定制。
本项目建设立足重型装备研制特点，结合XX集团运营现状，通过与国内外重型装备制造业最佳实践对标分析，首先确立了针对XX集团的智能化建设目标愿景；进而从典型业务流程入手，以作业内容及应用需求为依据，将产品生命周期归纳总结为三个关键阶段，即研发、制造、服务保障环节，同时，对各关键环节的应用需求要点进行了分类整理，明确了项目建设方向；最后，基于各关键环节应用需求要点，提出了本项目的核心建设内容，并建立了各部分建设内容与需求要点间的关联映射关系，最终形成了XX集团智能化建设的总体架构，架构形式如图4所示。
图4 交互式甘特图排产系统
a.任务排产方案
b.便捷执行计划调整
c.自动识别“设备-零件”加工适用性
d.任务调整结束
总体架构分为企业层和执行层两个层级，企业层级主要实现产品全生命周期各环节的信息共享及协同作业，整合信息孤岛；执行层级是企业智能化运营的执行终端，按产品生命周期划分为三个主要部分，即智能产品设计院、智能工厂和智能产品保障服务中心。通过两者的有效集成，可以实现产品设计研发、制造、服务保障等全生命周期各关键环节的智能化运行。
深入工厂全生命周期的各个环节精耕细作，中航规划在智能制造摸爬滚打的实践中“赛”出了经验和成绩。日前，中航规划以“十二五”期间的生产线仿真、生产线建模和工业物联网研究等一系列技术成果为基础，联合申报《航空复合材料智能生产线工艺仿真标准研究与试验验证》课题通过工信部和财政部评审，标志着国家层面对仿真工作在智能工厂/车间建设中重要地位的认可——智能仿真是直观而科学的对工艺流程、调度运营、物流干涉、经济性等综合分析推演的重要手段，是实现智能制造时代“先虚拟，后投建”工厂建设新模式的前提。
作为一支拥有65年技术积淀的国家队，中航规划在工信部多轮论证评审中脱颖而出，已经跻身智能制造标准的制定单位。在工业和信息化部国家标准化管理委员会印发的《国家智能制造标准体系建设指南2015版》的指导下，中航规划积极参与制定智能工厂标准的建设规划标准，包括智能工厂的基本功能、设计要求、设计模型类标准等总体规划标准；达成智能工厂规划设计要求所需要的仿真分析、协同设计和建设实施标准等实施指南标准；面向智能工厂的工艺布局模型、生产过程和组织模型等系统建模标准，人性化工作条件设计标准。
国家智能制造“集结号”已经吹响，越来越多“智慧”的参与者着手布局智能制造领域。作为该领域标准化建设的一支国家队，中航规划躬体力行，紧密围绕以下三个方面紧锣密鼓地推进：一是推进数字化工厂设计。通过新建或改建生产线为智能制造提供基础设施条件。进一步丰富三维模板库，结合历史设计经验进行模块化梳理形成知识库，从而实现设计的重用。二是推进设施规划标准体系的建设。在工信部标准体系指南的基础上，完成智能制造工厂规划设计标准，建立相应的验证平台，推动标准建设，形成行业通用的设计标准。三是推进生产运营数据对设施规划的有效支撑，推进连接工厂运行管控系统的规划平台建设。
从顶层设计开始，综合考虑技术可达性、经济可行性；再落地到工厂的每一个细节，为工厂提供由点到线、由线到面且契合工厂产品技术特点和生产需求的智能化发展整体解决方案——这位“智慧”的参与者，距离叩开智能时代的大门，不会遥远。（本文作者沈阳为中国航空规划设计研究总院企业文化部文化宣传处处长，张超为技术院工艺室主任）
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