卫星总装智能工厂的内涵及关键技术_上海航天

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第 42 卷 2025 年第 2 期 上海航天（中英文） AEROSPACE SHANGHAI （CHINESE & ENGLISH） 卫星总装智能工厂的内涵及关键技术 邢香园 1，夏永江 2，陈小弟 1，万 峰 1，陈瑞启 1，庄存波 3 （1. 上海卫星装备研究所，上海 200240；2. 上海航天技术研究院，上海 201109； 3. 北京理工大学 机械与车辆学院，北京 100081） 摘 要: 面向多品种卫星变批量、柔性化、智能化制造需求，融合智能制造技术、新一代信息技术与卫星制造业 务，提出构建卫星总装智能工厂。阐述了卫星总装智能工厂的内涵和体系架构，提出了基于工业互联网的产业链 跨域协同、面向人机协作的柔性智能成套装备、人工智能辅助工艺决策与执行控制、基于数字孪生的工厂运行智能 管控等关键技术。结合实例开展了卫星总装智能工厂集成应用验证，生产综合效能得到显著提升，为推动卫星智 能制造模式转型提供有益借鉴。 关键词: 卫星总装； 智能工厂； 工业互联网； 数字孪生； 人工智能（AI） 中图分类号: TP 391.9 文献标志码: A DOI: 10.19328/j.cnki.2096⁃8655.2025.02.009 引用格式： 邢香园，夏永江，陈小弟，等 . 卫星总装智能工厂的内涵及关键技术［J］. 上海航天（中英文），2025，42 （2）：83-98. Connotation and Key Techniques for Satellite Assembly Intelligent Factory XING Xiangyuan 1， XIA Yongjiang 2， CHEN Xiaodi 1， WAN Feng 1， CHEN Ruiqi 1， ZHUANG Cunbo 3 （1.Shanghai Institute of Spacecraft Equipment，Shanghai 200240，China； 2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology，Shanghai 201109，China； 3.Academy of Mechanical and Vehicle Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China） Abstract: In response to the demands of multi-variety batch，flexible，and intelligent manufacturing，a satellite assembly intelligent factory is proposed，integrating the intelligent manufacturing technology，new generation information technology， and satellite manufacturing. The connotation and system architecture of the satellite assembly intelligent factory are expounded.The key techniques，e.g.，the cross-domain coordination of industrial chains based on the industrial Internet，the flexible intelligent equipment for human-machine collaboration，the decision-making and execution control by artificial intelligence （AI）-assisted processes，and the Intelligent control of factory operation based on digital twins，are put forward. The integrated application of the intelligent satellite assembly factory is verified with practical examples.The results show that the comprehensive production efficiency is significantly improved，indicating that the proposed factory could provide a reference for promoting the transformation of satellite intelligent manufacturing mode. Key words: satellite assembly； intelligent factory； industrial Internet； digital twins； artificial intelligence （AI） 0 引言 当前，随着新一代人工智能（Artificial Intelligence， AI）技术与先进制造业的深度融合发展，新一代智能制 造正在全球范围内孕育兴起，成为新一轮工业革命的 核心技术和推动中国制造业转型升级、加快形成新质 生产力的主要路径。智能生产是新一代智能制造系统 的主线，而智能工厂是智能生产的主要载体 ［1-5］。围绕 智能工厂的内涵，国内外学者一致认为，智能工厂首先 收稿日期：2024⁃12⁃01； 修回日期：2025⁃02⁃03 基金项目：上海市促进产业高质量发展专项资助项目（JJ-BGJS-01-24-0178） 作者简介：邢香园（1990—），男，高级工程师，硕士，主要研究方向为航天器数字化制造。 83 第 42 卷 2025 年第 2 期 上海航天（中英文） AEROSPACE SHANGHAI （CHINESE & ENGLISH） 强调的是“智能”，要实现设备像人一样具备思考、判断 和交流的能力，实现智能感知与智能决策，具有单元组 模块化、决策智能化、控制数字化与自动化等特点 ［6-10］。 卢秉恒院士等 ［11］在《离散型制造智能工厂发展战略》中， 提出了离散型制造智能工厂的内涵，从智能设计/工艺/ 生产/物流等功能维、数字工厂/数字互联工厂/智能工 厂等范式维、智能制造装备/智能车间产线/智能工厂 等结构维阐述了智能工厂的基本架构，给出了智能工 厂五层信息系统架构，阐释了智能工厂的基本特征，提 出了智能工厂的重点突破方向和实施途径，对离散制 造智能工厂规划与建设具有重要的指导意义。 围绕离散制造业智能工厂的建设与应用，汽车等 大规模制造行业已形成成熟的理论技术体系、丰富的 工程实践经验与完备的标准支撑体系 ［12-19］。在航空产 品制造领域，单继东等 ［20］结合航空发动机制造企业的 业务特点，提出了航空发动机制造企业智能工厂信息 化应用架构，阐述了主要建设内容、实现方法。 “十四 五”以来，我国卫星高密度、短周期、低成本、高质高效 研制挑战日益严峻，商业巨型星座建设规划如火如 荼，多品种卫星变批量、柔性化、智能化制造模式转型 日益迫切 ［21-25］。国内航天科技、航天科工、中科院微小 卫星、时空道宇等诸多航天制造相关企业及机构纷纷 开 展 卫 星 批 量 化 生 产 线 相 关 技 术 研 究 与 工 程 实 践 ［26-30］。上述研究为卫星智能工厂建设提供了有益思 路，但在工厂级智能制造系统架构研究、产业链跨域 协同、人工智能/数字孪生等新一代信息技术与卫星 工厂深度融合应用方面仍有待系统研究与实践 ［31-37］。 面向我国军民商多品种卫星变批量、柔性化、智 能化制造模式转型需求，融合智能制造技术、新一代 信息技术与卫星制造业务，分析了卫星总装智能工 厂的内涵、体系架构及关键技术，提出了卫星总装智 能工厂的总体架构，阐述了关键技术解决方案，并结 合实例介绍了卫星智能工厂构建和应用情况。 1 卫星总装智能工厂的内涵与体系架构 1.1 卫星总装智能工厂的内涵 融合智能制造技术、精益管理理念、新一代信 息技术与卫星制造业务，提出了以“柔、敏、精、智、 联”五维特征为核心的卫星总装智能工厂内涵，如图 1 所示。具体如下：1） 柔：多品种卫星变批量共线生 产能力，支持工厂生产组织柔性可重构、工艺流程柔 性可配置、硬件装备柔性可兼容、软件接口柔性可接 入。2） 敏：快速响应与敏捷制造能力，具备面向订单 与扰动的快速响应与动态调整、集成自动化装备实 现快速总装集成测试等能力。3） 精：精密制造与精 益生产管控能力，包括卫星高精度装配测试与检测、 以精确流程控制+精准计划调度+精益资源配套+ 精细质量控制为核心的精益生产管控。4） 智：工厂 智能感知-分析-决策-执行能力，包括生产状态智能 感知、故障瓶颈智能诊断、运行风险智能预警、计划 资源智能调度等能力。5） 联：全要素、全过程互联互 通能力，包括产业链上下游设计-制造-配套多企业跨 域互联、工厂制造全要素互联感知能力。 图 1 卫星总装智能工厂内涵 Fig.1 Connotation of the satellite assembly intelligent factory 84 第 42 卷 2025 年第 2 期 邢香园，等：卫星总装智能工厂的内涵及关键技术 1.2 卫星总装智能工厂的体系架构 融合智能制造技术、新一代信息新技术与精益 管理思想，采用分层架构设计理念，构建了如图 2 所 示 的 卫 星 总 装 智 能 工 厂 总 体 建 设 框 架 ，包 括 产 线 层、设备层、通信层、数据层、业务层、应用层 6 个层 级。具体如下：1） 应用层：融合数据挖掘、数字孪 生、人工智能技术与卫星制造业务，形成可视化监 控、资源瓶颈诊断、智能动态调度、进度/质量/状态 预测、数据挖掘分析等创新应用。2） 业务层：实现 工厂跨域协同管理、工艺设计管理、计划/资源/质 量管理、供应链协同管理、产品全周期管理、工厂生 产运营管理等业务集成应用。3） 数据层：构建以大 数据平台为支撑的智能工厂数据底座，实现卫星制 造 大 数 据 采 存 管 理 ；封 装 面 向 不 同 对 象（产 品/设 备）、不同过程（设计/工艺/制造）、不同场景（智能 工艺/智能调度）的模型库、数据库与知识库，支撑 业务集成与创新应用。4） 通信层：建立“多网络环 境+多采集手段+多传输方式”相结合的跨域信息 协同环境及工业互联网平台，满足设计-制造-配套 多单位远程跨域协同、工厂制造全要素数据感知需 求。5） 设备层：开发应用激光投影装配引导、视觉 在线检测、智能辅助装配、高精度在线测量、自动仓 储物流等系列成套智能装备，提升卫星工厂设备。 6） 产线层：形成以大中型卫星脉动式总装生产线+ 商业小卫星批量化柔性生产线为核心的卫星总装 智能工厂，实现卫星智能制造场景落地与应用。 图 2 卫星总装智能工厂总体建设框架 Fig.2 Construction framework of the satellite assembly intelligent factory 85 第 42 卷 2025 年第 2 期 上海航天（中英文） AEROSPACE SHANGHAI （CHINESE & ENGLISH） 2 卫星总装智能工厂关键技术 2.1 基于工业互联网的产业链跨域协同技术 针对卫星制造产业链计划-资源-质量跨域协同管 控、工厂制造全要素物联集成等需求，研究基于工业 互联网的产业链跨域协同技术，构建“云+网+端”融 合的卫星工厂跨域协同环境，实现模型与数据驱动的 设计工艺协同研制、总装拉动的计划资源动态协同调 度、数实结合的产品质量精细协同控制等应用。 2.1.1 “云+网+端”融合的卫星工厂跨域协同管控 总体架构 融 合 云 平 台 、工 业 互 联 网 等 技 术 ，研 究 构 建 “混合工业云平台+工业互联网+终端设备”相结 合 的 软 硬 件 集 成 环 境 ，建 立 如 图 3 所 示 的“ 云 + 网+端”融合的卫星工厂跨域协同管控架构，支撑 多单位跨域协同、云↔端集成应用、工厂制造要素 互 联 。 实 现 途 径 如 下 ：1） 云 ：工 厂 生 产 管 控 云 平 台 ，通 过 内 网 私 有 云 、互 联 网 公 有 云 等 部 署 ，实 现 设计制造协同、供应链协同、工厂生产管控等云服 务 部 署 应 用 。 2） 网 ：产 业 链 工 业 互 联 网 协 同 环 境 ，支 撑 产 业 链 跨 单 位 业 务 协 同 、工 厂 制 造 物 联 、 云 ↔ 端 集 成 应 用 。 3） 端 ：包 括 工 厂 数 字 化 装 备 、 数据终端、办公终端等硬件及客户端软件、APP 等 边缘端应用软件。 2.1.2 模型与数据驱动的设计工艺协同研制 针对卫星设计↔工艺↔制造全流程在线协同 与数据闭环问题，基于工业互联网协同环境建立了 模型与数据驱动的设计工艺协同机制，如图 4 所示。 设计端融合基于模型的设计（Model-Based Design， MBD）设计理念，基于模型和设计 BOM，实现设计 要求的结构化关联定义；工艺端在线集成 MBD 数 模与结构化设计数据，驱动设计工艺性审查、结构 化工艺快速设计；制造端按照结构化设计要求，在 线采集总装、集成与测试（Assembly Integration and 图 3 基于工业物联网的卫星总装智能工厂协同管控总体架构 Fig.3 Architecture for the collaborative management and control of the satellite assembly intelligent factory based on the industrial Internet 86 第 42 卷 2025 年第 2 期 邢香园，等：卫星总装智能工厂的内涵及关键技术 Test，AIT）实时数据并自动反馈至设计端，支撑产 品技术状态在线确认偏差分析与数据判读，实现卫 星研制从传统“模型+文档”向“模型+数据”的协 同模式转变。 2.1.3 面向多专业协同与多因素耦合的工厂生产运行 仿真技术 卫 星 总 装 工 厂 涉 及 基 础 产 品 制 造 、部 组 件 装 配、总装集成、特性测试、环境试验等多单元产线， 包含人员、设备、物流等多种制造要素。为保证卫 星生产效率与质量，提高工厂运行效能，提出面向 多专业协同与多因素耦合的工厂生产运行仿真技 术。面向工厂运行过程，建立工厂制造资源要素模 型库及仿真知识库，采用集成化生产运行仿真软件 进行工厂几何建模与运行逻辑建模，对工艺流程、 物流及节拍进行仿真分析，根据仿真结果优化工艺 布局、消除资源瓶颈、均衡生产节拍，支撑工厂计划 资源动态协同管控与生产运行过程的分析优化，工 艺流程仿真及节拍分析如图 5 所示。 图 4 模型与数据驱动的设计制造协同机制 Fig.4 Collaborative mechanism of the design and manufacturing driven by the model and data 图 5 卫星总装工厂的工艺流程仿真及节拍分析 Fig.5 Process simulation and rhythm analysis on the satellite assembly factory 87 第 42 卷 2025 年第 2 期 上海航天（中英文） AEROSPACE SHANGHAI （CHINESE & ENGLISH） 2.1.4 总装拉动的计划资源动态协同管控 针对卫星产业链上下游多单位研制及配套计 划动态协调需求，建立总装拉动、内外结合的计划 资源动态协同管控机制。面向工厂外部，基于工业 互联网打通多单位计划管控平台，在线共享总装工 厂计划进度、配套交付进度及需求，实时预警配套 超期风险，拉动产业链上下游计划协同调整并驱动 工厂内部计划资源动态调度。面向工厂内部，基于 AIT 主流程计划进度，自动分解各单元产线作业计 划，拉动多单元产线协同作业排产；通过多源制造 要素物联感知、实时分析监控，动态分析资源能力， 识别资源瓶颈及拖期风险，驱动各单元产线内部动 态排产与工厂全局协同排产，达到局部扰动冲突消 解、优化配置工厂全局资源、均衡多单元产线节拍 的目的。 2.1.5 数实结合的产品研制状态协同管控 针对卫星研制状态直观、动态呈现与跨单位、 全周期、穿透式协同管控需求，融合数字孪生与全 景影像采集管理技术，提出一种数实结合的卫星研 制状态协同管控方法，如图 6 所示。建立卫星产品 高保真孪生模型，以实际装拆数据驱动模型实时渲 染，真实呈现卫星装配状态、实装工艺参数，并实现 与总体设计要求的状态偏差分析与数据判读。采 用全景影像在线采集→图像拼接→热点标注→影 像与数据关联管理等方法，建立卫星研制全过程全 景影像状态基线，实现卫星实物状态及实施数据的 穿透式、真实化在线确认及后续质量状态追溯，实 现卫星研制状态的多层级、穿透式组织呈现。 2.2 面向人机协作的柔性智能成套装备技术 2.2.1 总装拉动的仓储物流智能管控技术 面向卫星总装工厂仓储物流高效精细智能管控 需求，研究总装拉动的仓储物流多级精细化管控技术。 建立面向总装配套供应链的产品/物料统一编码体系， 基 于 条 码 和 RFID（Radio Frequency Identification， RFID）实现仓储物流过程信息的实时采集；集成工厂 ERP（Enterprise Resource Planning，ERP）↔线边WMS （Warehouse Management System，WMS）↔工位 MES （Manufacturing Execution System，MES）数据链路，采 用自动化货柜、AGV 等仓储物流装备，以总装工位实 时物料需求拉动线边库在线出库与 AGV 自动配送。 依据计划进度、生产节拍、消耗速度、库存数量及配套 周期，构建数据驱动的安全库存动态预测模型，实时 评估高频消耗物资的库存状态、预警缺料风险、驱动 提前采购备货，卫星总装智能工厂仓储物流管控系统 应用场景如图 7 所示。 2.2.2 人机协同机器人智能辅助装配技术 针对多品种卫星变批量制造过程舱板模块集成、 重载设备及模块总装等多工况高效高精度装配需求， 研究人机协同机器人智能辅助装配技术。针对批产 卫星舱板单机高效自动装星需求，采用基于视觉引导 的机器人自动化装配技术，通过装配目标视觉自动识 别、装配目标位姿精准匹配、末端柔性抓取、视觉引导 设备抓取-移动-精确放置、紧固件自动安装及力矩量 化控制，实现舱板单机设备自动化装配，如图 8