付岩

（国汽（北京）汽车轻量化技术研究院有限公司，北京 100176）

主题词：智能制造 智能制造系统架构 汽车制造业

1 前言

《中国制造2025》明确提出以智能制造为主攻方向，实现制造业转型升级[1]。“智能制造”是新一代信息通信技术与先进制造技术的深度融合，不限于传统“制造”的概念，智能制造是贯穿于设计、生产、制造和服务活动的各个领域，是具备“自感知、自学习、自决策、自执行、自适应”功能的新型生产方式[2]。为推动智能制造的稳健发展，扎实构建满足产业发展需求、先进适用的智能制造标准体系[3]，推动高水平的设计-生产-服务于一体的智能制造体系，国家智能制造标准体系建设指南中构建了智能制造系统架构[4]，如图1所示。

智能制造系统架构定义并解释了智能制造的边界和内涵，各个行业的智能制造都可以用这个模型来开展相关工作。汽车行业是最具代表性的行业，也是工业发展的综合体现窗口，“智能制造”在汽车领域的实现是标志性的。

图1 智能制造系统架构图[4]

2 智能制造系统架构内容

在智能制造系统架构中，智能制造由生命周期、系统层级和智能特征三条坐标轴构成，对智能制造所涉及的业务范围、装备等级、智能水平等内容进行了描述；每个坐标轴代表一个维度，从三个维度介绍了智能制造的对象和范围，指导各行各业开展智能制造工作。映射到汽车行业，以整车制造企业的业务范围为例具体内容如下。

2.1 生命周期

生命周期是指某商品车从整车开发流程的项目启动开始到产品报废回收再制造的各个阶段，如图1生命周期坐标轴包含设计、生产、物流、销售、服务一系列相互关联的有价值的活动。

（1）设计：指汽车制造企业开发某款新车型的整车开发流程，如上汽整车开发流程GVDP 包含的架构阶段（A4-A1）、战略阶段（G9-G8）、概念阶段（G8-G7）、开发阶段（G7-G5）、产品及生产成熟阶段（G5-G1）5个阶段[5]；

（2）生产：指某车型量产后采购原材料或外购件、通过符合设计要求的生产设备，按照生产计划制造出满足质量目标、符合法规要求的商品车的全过程；

（3）物流：指物品从供应地向接收地的实体流动过程，包括汽车生产过程所需的原材料、外购件的厂外运输，场内运输、仓储、分拣、配送等流程，以及成品车销售过程的运输；

（4）销售：指主机厂生产下线的商品车从工厂到达使用客户手中的一系列经营活动；

（5）服务：汽车生产企业与客户接触过程中所产生的一系列活动的过程及结果，包括售前服务、售后服务、报废回收等。

2.2 系统层级

系统层级是指与汽车生产企业的制造活动有关的组织层级的划分，如图1系统层级坐标轴包含设备、单元、车间、企业和协同。

（1）设备层：指汽车制造企业利用传感器、仪器仪表、机器、装置等，实现实际物理流程并感知和操控物理流程的层级[4]；该物理流程包括生命周期的全部环节；

（2）单元层：指用于汽车生产工厂内收集信息、处理信息、实时监控、实现物理流程控制的层级；典型的应用实例是可编程逻辑控制器(PLC)；

（3）车间层：实现面向企业的工厂、车间生产管理的层级；其中制造执行系统MES在车间层的应用上发挥了重要作用；

（4）企业层：实现面向汽车制造企业经营管理的层级[4]；包括企业资源计划(ERP)、供应链管理(SCM)、产品生命周期管理(PLM)；

（5）协同层：汽车制造企业实现其内部信息、外部信息互联互通、集成共享的层级，汽车行业常见的包括协同研发、智能生产、精准物流、智能服务等。

2.3 智能特征

智能特征是指在汽车行业中基于新一代信息通信技术使汽车全生命周期活动具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等一个或多个功能的划分，如图1智能特征坐标轴包含资源要素、互联互通、融合共享、系统集成和新兴业态5层智能化要求[4]。

（1）资源要素：指汽车制造企业在设计、制造等过程中所使用的所有资源或材料；包括产品设计图样、工厂施工图样、制造用工艺文件、车间的设备、厂房等实体及三维数模，也包括电力能源和人力资源；

（2）互联互通：指通过信息通信技术，实现设备之间、设备与控制系统之间、各车间之间、主机厂与供应商之间相互关联、相互交换信息功能的层级；

（3）融合共享：指在互联互通的基础上，利用云计算、5G 通信、大数据等新一代信息通信技术，在保障信息安全有效的前提下，实现数据、信息协同共享的层级；

（4）系统集成：指汽车制造企业从智能装备到智能系统、智能生产线乃至智能工厂，最后到智能制造系统逐步集成的层级；

（5）新兴业态：汽车制造企业为形成新型产业形态进行企业间价值链整合的层级[4]，如定制化生产、远程运维等。

3 智能制造系统架构在汽车行业的映射

系统层级维度相对于汽车传统的制造过程在企业层之上增加了企业之间协作的协同环节，体现了汽车行业在开展智能制造过程中企业之间协同研发、协同生产等协作过程。系统层级维度的设备、单元、车间、企业与生命周期维度构成的平面是汽车行业传统的“制造”，传统的汽车制造平面沿着智能特征维度向下映射，形成了汽车行业的智能制造，如图2所示，映射的层级不同则代表智能的程度不同。

汽车行业的智能制造不仅是普通的“汽车制造”与智能特征维度的映射集成，也是智能特征维度与生命周期维度和系统层级维度的水平集成。智能特征维度除新兴业态以外的环节与系统层级维度组成的平面是汽车智能制造的载体——智能工厂，如图3所示。

图2 汽车行业传统制造向智能制造的映射

图3 智能特征维度部分环节与系统层级维度集成

新兴业态环节与系统层级维度组成的小平面是个性化定制、远程运维等新兴的商业模式，如图4所示。

图4 新兴业态环节与系统层级维度集成

而智能特征维度与生命周期维度的集成则是资产流、数据流、信息流、装备流、服务流的贯通，如图5所示。

4 典型应用在智能制造系统架构中的体现

汽车作为产品在不断的发生着变化，汽车正在向智能化、网联化发展；智能网联汽车是高度复杂、可移动的智能网联终端，是大数据的采集、中转和处理节点。智能产品是智能制造的前提，智能制造是实现智能产品的保障，在智能汽车发展需求的拉动下，汽车行业智能制造已经有了很多成熟的典型应用，这些典型的应用在智能制造系统架构中都能找到相应的位置。这里主要从软件和硬件2个方面举例说明。

图5 智能特征维度与生命周期维度集成

4.1 软件方面——MES(制造执行系统)的应用

MES 作为汽车行业制造环节专项的制造执行系统，在智能制造方面发挥了不可替代作用。在智能制造系统架构中的位置如图6所示，它的位置坐标是生命周期维度的生产环节、物流环节，系统层级维度的车间环节，智能特征维度的系统集成环节。

图6 MES在智能制造系统架构中所处的位置

4.2 硬件方面——智能设备

汽车行业所使用的智能设备相对于传统的制造设备需要具备主动感知、主动学习、主动决策、主动执行、主动适应等功能。它在智能制造系统架构中的位置如图7所示，它的位置坐标是生命周期维度的全部环节，系统层级的设备环节、单元环节，智能特征的资源要环节。

除了上述2 个典型的案例，还有分布式控制系统(FCS)、企业资源计划(ERP)、基于模型的设计(MBD)、产品生命周期管理(PLM)、仓储管理系统(WMS)、供应链管理(SCM)、智能工厂等，它们分布在生命周期维度的不同环节，与系统层级维度不同层级的设备硬件结合，具备不同级别的智能特征，在汽车智能制造领域发挥着极其重要的作用。

图7 智能装备在智能制造系统架构中所处的位置[3]

4.3 典型汽车企业智能制造建设实践

在智能制造的大潮中，汽车产业在转型升级中不断吸取智能制造的最新成就，大学、研究机构和汽车制造企业在智能制造的建设方面也在不断探索，取得了一定进展。

清华大学汽车产业与技术战略研究院刘宗巍博士提出了面向智能制造的汽车产业升级路径和汽车智能制造升级的特点与价值，如图8所示[6]，对于引导企业按照智能制造的方向转型升级具有一定的指导意义。

图8 汽车智能制造升级的特点与价值[6]

清华大学天津高端装备研究院谢坤领导的课题组，完成了新能源汽车制动器总成的智能制造工厂设计[7]，智能工厂的MES 系统监控逻辑设计如图9 所示。

图9 MES系统监控逻辑设计[7]

自2015年工信部明确智能制造试点示范项目起，长安汽车就启动智能制造实践工作，形成了如表1所示的汽车产业全价值链智能制造应用示范[8]。长安汽车通过智能制造的探索与实践，制造水平有了较大幅度提高，企业经营质量有了较大幅度提升[8]。

表1 长安汽车智能制造示范要素[8]

一汽集团在红旗制造体系上大力发展智能制造，通过数字化建设借助工业网络实行横与纵的连接集成，如图10所示为一汽智能制造的数字化框架[9]。并发展数字化工艺、虚拟仿真与分析、数字化生产、自动化设备和控制系统等数字化制造的关键技术来推动智能制造的。

图10 一汽智能制造的数字化框架[9]

长城汽车采用智能制造理念建设智能制造体系[10]，长城汽车现阶段从智能设计、智能生产、智能装备3个维度实施智能制造，旨在实现降本增效，提高产品竞争力，长城汽车智能设计构架如图11所示。

图1 1长城汽车智能设计构架[10]

北京现代汽车积极探索新产业和新技术融合，提出“智现代·质未来”品牌战略向智能制造转型，在生产过程、安全控制、品质管理、物流运输、设备保全5个方面不断进行智能化升级，如表2所示为北京现代汽车智能化升级的5个方面[11]。

表2 北京现代汽车智能化升级的5个方面[11]

江铃底盘股份有限公司也积极践行智能制造，采用Teamcenter10.0 进行企业生产信息化管理[12]。东风汽车集团也提出了潜心智能制造,提出了提升核心技术先行研发、同步工程、智能制造和系统集成的整体解决方案[13]。

5 结束语

各个汽车制造行业的主机厂在智能制造系统架构的指导下结合自身企业的特点和发展需要分别建立了具有自身特色的智能制造体系，而每个企业的智能制造体系都能在图1所示的智能制造系统架构中找到相应的模块单元。像魔方一样的智能制造系统架构是智能制造的全貌，而汽车行业目前的智能制造水平还不能覆盖到魔方的每个位置，各个企业的智能制造体系只是魔方体积的一部分。但随着发展，汽车行业智能制造定会不断完善、一步一步完善并覆盖智能制造系统架构。

智能制造正在发生颠覆性的巨变，基于AI、5G和工业大数据将使智能制造呈现新的发展势头，汽车制造业将迅速迭代，转型升级更加体现高效、低成本和高质量。