复杂电子装备数字化车间发展趋势与实践*

贲可存，胡长明，冯展鹰，曹亚琪

（1. 南京电子技术研究所，江苏 南京 210039；2. 中国电子科技集团公司第十四研究所，国家 级工业设计中心，江苏 南京 210039）

引 言

制造业是我国的支柱产业，是实体经济的命脉。复杂电子装备制造是制造业的重要组成部分，在制造业从机械时代、电气时代向信息时代、智能时代发展的过程中，一个国家的复杂电子装备制造整体实力与水平集中代表着科技实力、经济实力、国防实力等国家的综合竞争力[1]。

复杂电子装备（如通信、雷达、导航、射电望远镜、超级计算机等）是以电性能为主、机械性能服务电性能的机电一体化设备，被广泛用于陆、海、空、天等各个关键领域。

“十三五”以来，我国大力推进制造强国战略，并在重点领域大力推进数字化车间/智能工厂建设。复杂电子装备数字化车间建设迎来难得的发展机遇，同时也面临着巨大的挑战。

1 面临的挑战

复杂电子装备制造的典型特征是产品组成、产品技术、生产组织、过程管控及项目管理皆很复杂，开展数字化车间建设面临诸多挑战。

（1）产品组成复杂，规模大，集成度高，精度和可靠性要求高

随着复杂电子装备进一步向多功能、一体化、轻薄化方向发展，系统集成度和复杂度不断提高，其生产工艺越来越复杂，装配精度和可靠性要求越来越高。以某大型机场C波段相控阵天气雷达为例，该雷达系统硬件从结构上分为室外部分和室内部分。室外部分主要包括天线罩、天线座、天线阵面、光传与控制以及数字波束形成；室内部分包含信号处理、伺服、数据处理计算机以及电缆、机柜和网络等附属设备，如图1所示。该雷达还是一种高度集成的复杂电子装备，有上万个零部件，元器件数量达百万级，包含电子技术信息最高水平的微系统组件。

图1 某大型机场相控阵天气雷达

（2）技术构成复杂，机电磁液多学科耦合，性能要求高

当前，复杂电子装备技术向极大极小化、结构功能一体化、平台载荷一体化等方向发展，具体表现为超大阵面天线、微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)、结构功能一体化传感器、柔性共形天线等。以天线为例，需实现厘米级模块到几十米级阵列天线的机电磁液高性能、高效率、高质量装配，涉及到多学科交叉。传统的以经验参数为主的装调方式无法对复杂装配过程进行动态科学控制，导致装配难度大，效率低，质量一致性差，难以满足服役性能需求。

（3）生产组织复杂，多品种，小批量，定制化，产线柔性要求高

复杂电子装备包括雷达、通信、导航、电子对抗等多个种类，其装载平台覆盖了陆、海、空、天各类载体。不同装载平台的复杂电子装备结构形态差异很大，即使同一装载平台下不同体制、不同型号的复杂电子装备的结构形态差异也很大，批量却很小，甚至是单台套定制化产品，这就需要采用高效、低成本的柔性化混线生产模式来满足客户个性化需求。

（4）过程管控复杂，需要可视、可控和可追溯，质量要求高

复杂电子装备车间生产现场存在诸多“黑盒”。由于无法实时采集生产执行数据，因此生产部门无法精准统计每日计划完成率、合格品数量等，管理人员不能第一时间掌握车间生产状况等，计划部门无法依据设备综合运行效率向设备精准派工，质量部门无法及时处理质量问题、分析出规律、提出改进措施等。因此，需要采集生产过程的各类过程信息并进行多维度、多视角的实时可视化展示，实现生产过程实时的动态的精准控制，确保复杂电子装备生产过程完全受控和质量全程追溯。

（5）项目管理复杂，交付周期短，效率、成本要求高

新技术的飞速发展大大缩短了复杂电子装备换代的进程，“一代平台，多代电子”说明电子装备更新换代的速度远远超过了其装载平台。以机载平台为例，其机载电子设备改装已成为提高部队现役飞机战斗力的重要途径。复杂电子装备的更新换代周期被不断缩短，这就需要复杂电子装备企业不断提高研制效率，大幅缩短装备交付周期。随着市场竞争加剧，传统粗放的成本管理模式越来越不能适应复杂电子装备企业的发展需求，更新成本管理观念和探索成本控制新方法、新途径成为复杂电子装备企业生存发展的当务之急。

2 发展现状

2.1 国外发展现状

在美国“先进制造领先战略”、德国“工业4.0”、法国“新工业法国II”等战略指引下，通用电气、雷神、泰雷兹等国外大型复杂电子装备企业均开展了数字化车间/智能工厂建设，取得了显著成效，代表了目前国外复杂电子装备制造的先进水平[2]。

通用电气公司提出了“卓越工厂”建设模式，主要是通过搭建基于网络协同的云制造平台，建立贯通设计、生产、物流、销售和服务等产品全生命周期主要环节的数据链，实时采集、分析、优化运行数据，实现工厂/车间的智能化生产[3]。如图2所示，“卓越工厂”体系结构集成了多个层级，依次有传感器→机器、机器→产线、产线→车间、车间→工厂、工厂→供应链网络、供应链网络→客户等层级。该模式的实施使产品开发周期加快20%，制造及供应链效率提高20%以上。

图2 通用电气的“卓越工厂”建设示意图

美国雷神技术公司利用虚拟现实可视化技术、运动追踪技术、激光制导技术、3D打印技术和工业机器人技术等在仿真设计、自动化装配、物流运输和产品全生命周期管控等环节应用了大量先进制造技术，实现了高度自动化和柔性化，大大提升了装配生产效率和质量的可追溯性[4]。

法国泰雷兹公司启动了高科技“数字工厂”，以加速泰雷兹自身及客户的数字化转型。该公司开发的多用途协作机器人CRATOS是首个用于装配复杂电子设备的人机协作机器人[5]。其结构精巧，操作灵活，被用来装配电子组件及机械零件，以及进行质量检测，可大大缩短装配时间，并能显著提升装配质量。采用的其他新技术包括面板的机器人装配、生产过程的数字化、数据的数字化管理和可追溯性以及在线检测和增强现实的使用。

2.2 国内发展现状

2015年，智能制造成为我国制造强国战略的主攻方向，“智能制造试点示范专项行动”、“智能制造综合标准化与新模式应用”、“网络协同制造和智能工厂”等智能制造工程专项先后实施，在全国范围内迎来了发展的浪潮。在复杂电子装备制造业，产业链龙头企业牵头从系统架构、赋能技术、工业软件、智能装备以及示范工程等维度进行了数字化车间建设的探索与实践。

（1）系统架构正逐步标准化

先进实用的系统架构是数字化车间建设成功的前提和基础。在ANSI/ISA—95制造企业功能层次模型和GB/T 37393—2019数字化车间体系结构基础上，针对行业特点和需求，龙头企业提出了复杂电子装备数字化车间系统架构[6-7]，并在微组装、总装等数字化车间进行了成功应用。如图3所示，复杂电子装备数字化车间系统架构包括基础设施层、现场层、控制层、运营层（企业管理层不包括在内，但与数字化车间存在密切的信息交互）。

图3 复杂电子装备数字化车间系统架构

在该体系架构中，基础设施层是保障，为车间生产运营提供基础环境；现场层是数字化车间生产运行的物理基础，通过工艺装备智能化改造及工艺流程与生产布局优化实现生产模式的创新；控制层是关键，通过设备物联、物料标识、状态采集等工业物联网技术实现生产数据采集、处理及生产指令下达；运营层是核心，是数字化车间的大脑中枢，对整个车间运营进行整体调度，在整个车间生产过程中起承上启下的作用。

（2）信息技术（Information Technology, IT）与运营技术（Operation Technology, OT）走向深度融合

随着物联网、大数据、云计算等先进IT的快速发展，复杂电子装备制造业正加速推动IT与OT的深度融合（图4），改进传统的生产关系与业务流程，从产品研发、管理决策到车间生产全方位推动企业的智能化改造与数字化转型。

图4 IT/OT融合应用

在复杂电子装备制造领域，借助3D打印技术，可以生产出传统印刷刻蚀工艺无法制备的曲面和柔性电路，目前已应用于射频天线、薄膜传感器和柔性电路板的制备[8]；基于图像传感、机器学习、运动控制技术的自动光学检测（Automated Optical Inspection, AOI）技术能够快速准确地识别出印制板上的孔错位、划伤、短路、污染等表面缺陷；借助物联网、云计算等新技术，可解决车间内生产进度难掌握、工艺变更频繁、计划完工率低、质量追溯与成本核算难等发展瓶颈，让生产过程透明化，实现全面数字化运营。

（3）国产工业软件替代加快

工业软件是智能制造的重要基础，是国家急需解决的“卡脖子”问题。以制造运营管理（Manufacturing Operation Management, MOM）系统为代表的数字化车间工业软件，建立了数据自动流动的规则体系，实现了生产数据的在线采集、实时分析、科学决策和精准执行，是车间生产制造的大脑。近年来，国产厂商的崛起迅速，数字化车间软件基本具备了国产化替代的能力。

长期深耕复杂电子装备领域的南京电子技术研究所，自带“工业基因”，基于最佳数字化转型实践，形成了产品全生命周期各环节的自主工业软件产品，打造了自主工业软件品牌“REACH睿知”（图5）[9]。其中，三维工艺过程管理（Manufacturing Process Management, MPM）系统、制造运营管理系统/制造执行系统（Manufacturing Operation Management/Manufacturing Execution System, MOM/MES）、仓储管理系统（Warehouse Management System,WMS）、可视化监控系统（Virtual Detection System,VDS）、数据采集与监视（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）系统等工业软件已经在电子装备行业数字化车间获得推广应用，推动了生产管理类工业软件的国产化替代进程，助推了国家重点型号产品的研制生产。

图5 睿知自主工业软件体系

（4）智能设备助力柔性生产

数字化车间是实现智能制造的重要载体，主要通过构建智能化生产系统和柔性化生产线，实现生产过程的智能化。根据生产对象的结构工艺特点的不同，复杂电子装备的生产线主要有3种形式：连续流水生产线、人机协同生产线和脉动生产线。微组装对象具有生产工艺复杂、操作要求高、批量大且便于传送的特点，适合选择连续流水生产线；电子装联对象具有多品种、小批量、生产工序多且涉及线缆等柔性件装配的特点，生产组织形式选择人机协同生产线较为适宜；整机总装对象具有结构组成复杂、设备规模量大、总装工序多且机电液交叉混装、装调一体化的特点，优先选择脉动生产线。

产线设备的智能化提升是使生产线柔性化的重要手段。目前，国内电子装备企业自主研制了从微纳加工、微组装、电装到总装总调等典型工艺的智能化生产设备，如图6所示。例如，雷达装备中盲插电连接器的装配主要以手工操作为主，自动化装配难度较大。文献[10-11]通过对机器人控制、机器视觉引导等研究，突破了机器视觉高精度定位、机器人路径自适应优化等关键技术，研制了图6（e）所示的电连接器自动装配机器人，大幅提升了装配效率、质量一致性等指标。自主研制的国产化智能制造装备有效推动了复杂电子装备生产线的柔性程度，满足了多品种、小批量的定制化生产需求。

图6 智能化产线设备

（5）示范工程带动效应渐显

在制造强国、质量强国、网络强国、数字中国等诸多国家战略的叠加效应下，复杂电子装备制造业开展了数字化车间示范工程建设。

西北电子装备技术研究所在自主研制的打孔机、撕膜机、印刷机等微电子组装装备基础上，通过建设智能物流传输系统、工业以太网络、MES系统、SCADA系统以及相应的硬件设施，打造了人、机、物深度交互融合的低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）基板数字化车间，实现了工艺设计数字化、制造装备自动化和网络化以及生产管理信息化，达到了生产效率提高20%，生产成本降低20%和不良品率降低20%的建设目标[12]。该项目成功入选工业和信息化部2016年智能制造试点示范项目。

浪潮服务器数字化车间是一座集智能化、自动化、模块化、数字化和精益柔性制造于一体的智能模范车间[13]。车间广泛采用了云计算、大数据、物联网、智能终端、自动控制等技术，集成企业资源规划（Enterprise Resource Planning, ERP）、MES[14]、WMS等6大核心信息系统，以信息化驱动自动化，全面实现设备与设备、设备与物料、设备与人的互联，实现资源利用率提升约62.4%，产能提升9.8%，产品下线一次合格率提升0.8%，平均库龄减少一个月的目标。该车间成功入选e-works2020年“中国标杆智能工厂”百强榜。

西门子成都数字化工厂入选了世界经济论坛发布的首批全球“灯塔工厂”名单。其亮点在于实现了“工业4.0”的众多技术，包括利用3D模拟、制造执行系统MES、增强现实等技术提升了设计、生产和运营环节的灵活性，在产品的设计研发、生产制造、管理调度、物流配送等过程中，都实现了数字化操作，能够确保快速分配资源、高效排产并遵循高质量标准。该工厂高度柔性化的生产方式保证了99%的及时交货率，产能增加了4倍，产品质量合格率达到99.999%[15]。

总体而言，我国复杂电子装备制造数字化车间建设取得了显著成效，形成了良好的示范带动效应，但与通用电气、雷神、泰雷兹等国际电子装备企业相比，在网络协同制造、边缘计算、数字孪生等方面还存在一定差距。

3 典型案例

南京电子技术研究所是以复杂电子装备整机研制为主的大型企业，围绕复杂电子装备全层级组成（图7），基于数字化车间统一架构，通过工艺布局调整、自动化工艺装备升级、工厂信息化系统建设等途径，开展了数字化车间建设探索与实践。

图7 复杂电子装备组成

3.1 信息系统建设

针对复杂电子装备车间集成化、精细化管控的要求，该企业设计了“1+4”（1个门户+4大系统）的集成管控平台开发架构（图8），包括MOM，VDS，WMS以及SCADA四大工业软件系统，向上承接生产计划、产品数据，向下监控脉动生产线运行状态，实现企业级计划、车间级执行、现场级控制的全流程数据闭环。

图8 数字化车间四大信息系统

（1）制造运营管理MOM系统

搭建了一套能适应互联基板制造、电子装配、整机装配调试等多种生产管理模式的MOM系统，并分类分阶段推进MOM系统的建设和应用。自主开发的MOM系统具备计划管理、质量管理、物料管理等功能模块，通过对作业计划排程与执行、跨部门跨地域物料拉动、生产全过程质量控制等信息集成管控，打通总装、电装、微组装等各类车间的信息壁垒，实现复杂电子装备有序、协调、可控的混线生产组织，大幅提升装备生产管控能力，缩短生产周期。

（2）仓储物流管理系统WMS

自主研制的仓储物流管理系统WMS具备资源管理、出入库管理、配送管理等功能。通过开展物料编码规则、物料跟踪追溯以及物料配送模型等研究，提出了“缓存库+线边库+智能料仓”的三级仓储模式，应用电子标签、扫码枪、二维码等物联网手段，实现该企业内部数十万种物料、上万个货位的自主编码和身份快速识别；打通WMS与其他系统的数据链路，建立了一种基于工位、工序任务的拉动式齐套模式，物料配送准点率超过99%，大幅缩短了物料等待时间，保证了电子设备按时交付。

（3）可视化监控系统VDS

以可视化、透明化管控为目标，自主设计并开发实时数据驱动的可视化监控系统VDS。该系统具备整体态势分析、设备运行状态监控、场地资源状态展示等功能，以生产流程为主线，实时获取MOM，WMS，SCADA等系统的订单计划、生产执行、工艺参数、物料配送、设备运行等信息，从“车间-产线-单元”三级实时展示产品台套研制、订单执行、齐套状态、产线运行等整体态势，全面提升智能车间管控能力。

（4）数据采集与监视系统SCADA

自主开发的基于统一数据标准的数据采集与监视系统，具备设备任务管理、数据采集与处理、设备运行监控等功能，通过智能车间基础网络环境和统一交换协议接口，向上承接MOM系统工步作业计划并下发至作业系统，向下在线采集设备运行状态、工艺参数等数据反馈至MOM，VDS等系统，并对产品装配关键工艺参数实施统计过程控制（Statistical Process Control, SPC），实现作业“计划-物料-资源-执行”四位一体的生产数据全闭环。

3.2 智能生产线建设

通过对复杂电子设备制造业务类型的分类及产品生产对象的聚类分析，打造了微组装、电装、总装总调等核心制造业务智能生产线，实现了装备生产、装配和调试过程的全覆盖。

（1）变批量共线制造的微波组件生产线

针对微组装车间内设备自动化程度高、产品质量追溯严等特点，构建了数据采集-分析-决策-反馈的闭环控制体系，实现微波组件全生命周期数字化和可视化管控。建立了装机元器件、工艺参数、质量检验、性能数据、设备状态等数据库系统，每天采集近2 000万条数据，形成基于工艺专家系统的工艺参数优化自我决策系统，实现了在线式的响应处理，提高了质量问题处理的速度和准确率，保障微波组件高质量稳定生产。

（2）人机协同作业的电装生产线

电装车间生产离散程度、复杂程度突出，对人员技能的依赖性强。根据不同装配对象离散程度，设计电装车间生产布局，建立人机协同作业系统，通过设置合理的人机协同配比，实现生产运营敏捷化[16]。针对批量大、工艺流程单一的部件生产，建立自动化与信息化相结合的智能生产线，大幅提升生产效率，降低生产成本；针对批量小、工序多的部件生产，采用以机器为主、人工为辅的人机协作方式，降低产线建设成本，同时结合自动防错检查，提升装配效率和质量；对于结构复杂、数量少的部件装配，采用以手工操作为主、智能单机装备为辅的柔性生产方式，结合三维可视化装配工艺作业指导，减少对高级技能人才的依赖，提升复杂部件装配的一次成功率。

（3）脉动式柔性装调一体化的总装生产线

针对多品种、小批量、变节拍的柔性生产需求，突破面向生产扰动的动态排程与调度、多传感器数据融合的自动装配控制、自适应调测一体化等关键技术，解决了多品种小批量、机电液混装、装调一体化等难题，自主开发了阵面模块机器人装配系统、阵面拼接设备、自动翻转设备、助力机械手等30余型自动化设备，在国内率先建成了大型复杂电子装备数字化总装车间（图9），实现生产效率提高35%以上、产能提升2倍以上的目标。该项目成功入选工业和信息化部2021年度智能制造试点示范工厂名单。

图9 雷达总装数字化车间

4 发展趋势

面向复杂电子装备制造业高质量发展的新需求，未来将深度融合新一代信息技术，充分依托国家智能制造新模式，发挥试点示范工程的创建优势，探索培育建设电子设备制造业新型智能制造数字化车间/智能工厂，打造智能制造新模式新标杆，示范引领我国制造业数字化、网络化和智能化转型发展。

4.1 “5G+工业互联网”赋能车间数字化加速

随着5G时代的来临，5G为工业互联网在复杂电子装备智能制造中的数据传输提供了更快、更稳定、更安全的接入模式。自“5G+工业互联网”工程实施以来，其应用领域不断拓展，从生产外围环节逐步延伸至生产加工、在线检测、设备运维、仓储配送、安全监控、生产溯源等数字化车间运营核心环节，培育形成了柔性生产制造、辅助现场装配、机器视觉质检、设备健康管理、远程维修示教、车间智能物流、车间无人巡检、远程生产监测、物料追踪溯源等应用场景[17]，助力企业提质、降本、增效和安全生产。

以复杂电子装备生产过程溯源为例，未来利用“5G+移动边缘计算（Mobile Edge Computing,MEC）+云”实现“云网边端”融合。将通过车间生产现场的条码枪、读卡器、摄像头等采集到的物料、设备、人员、环境等生产数据，经5G网络实时传输至云平台，同时关联MOM，WMS等多个系统中的生产订单、工艺参数、仓储配送等信息，可精准追溯到生产过程中的人、机、料、法、环、测等相关信息，满足复杂电子装备对生产过程和生产质量的快速、精准追溯需求。

4.2 面向网络协同制造的数字化车间

网络协同制造是充分利用基于互联网技术的网络技术和信息技术，实现供应链内及跨供应链的企业产品设计、制造、管理和商务等的合作，以实现资源利用最大化的一种现代制造模式[18]。具体包括基于云制造的资源共享模式、基于云制造的协同设计仿真模式、基于云制造的设计生产一体化模式以及面向制造能力的生产策划模式等。

在网络协同制造模式下，利用互联网平台构建跨地区、跨行业的动态“虚拟车间”成为现实，帮助企业有效实现制造资源的协同共享和优化配置。未来对于复杂电子装备产业龙头企业来说，网络化协同制造能使其组织结构更加扁平化，能通过更灵活、更有效率的方式集聚资源，提高市场响应速度。广大中小型协作配套企业则可通过网络协同制造平台找到与龙头企业的合作机会，充分发挥自身优势。

4.3 基于数字孪生的数字化车间

近年来，随着对信息物理世界虚实融合的强烈需求，数字孪生逐渐成为学术界研究热点之一。可以预见，未来将有越来越多的企业将数字孪生技术引入到数字化车间建设中。基于数字孪生的数字化车间是在新一代信息技术和制造技术驱动下，通过物理车间与虚拟车间的双向真实映射与实时交互，实现物理车间、虚拟车间及车间服务系统的全要素、全流程、全业务数据的集成和融合，并通过车间孪生数据的驱动，实现车间生产要素管理、生产活动计划、生产过程控制等在物理车间、虚拟车间和车间服务系统间的迭代运行，从而在满足特定目标和约束的前提下，使车间生产和管控最优的一种车间运行新模式[19-20]，如图10所示。

图10 数字孪生车间架构

基于数字孪生的生产车间改变了传统的装备制造模式。未来通过设计指标、设备状态数据、工艺数据等多源异构数据的集成融合，将生产过程镜像到虚拟环境中，实现生产调度优化、物流精准配送和设备在线监控，为复杂电子装备生产车间的智能化运营提供一条有效途径[21]。

4.4 “双碳”成为数字化车间发展的重要导向

绿色制造助推节能减碳的技术变革，正成为全球新一轮工业革命和科技竞争的重要新兴领域。数字化车间是制造业的基本生产单元，是绿色制造的实施主体，属于绿色制造体系的核心支撑单元，侧重于生产过程的绿色化[22]。当前，我国提出了“碳达峰、碳中和”目标和工作要求，“碳达峰、碳中和”将成为数字化车间绿色低碳发展的重要导向。

未来，在我国“双碳”战略目标实施大背景下，将有越来越多的复杂电子装备制造企业在数字化车间建设过程中贯彻绿色制造理念。通过部署物联网、云计算和人工智能等核心技术，建立车间级“数字能源”管理体系，连通设备管理“信息烟囱”，再通过大数据可视化平台，整合水电气、安全、消防、环保等系统，挖掘潜在的能源节约空间，达成节能减碳增效的转型升级目标，最终实现可持续发展[23]。

5 结束语

在制造企业智能化改造、数字化转型的热潮下，复杂电子企业数字化车间建设不宜盲目跟风，追求大而全。建设数字化车间应围绕企业的中长期发展战略，在数字化车间标准和行业龙头企业示范工程的指引下，根据自身产品、工艺、设备和管理特点，合理进行数字化车间的现状评估、业务诊断与需求分析、目标制定与整体规划、详细设计与建设实施以及运行维护与优化。随着新一代信息技术与先进制造技术的进一步融合应用，新的车间生产模式还将不断涌现，复杂电子装备数字化车间建设将是一个持续改进、螺旋式上升的过程。