基于PLM的数智化协同工艺开发平台建设研究及实践

       面对汽车行业日益严峻的协同开发挑战，本文提出一种基于PLM的数智化协同工艺平台构建方案。该平台以业务流程为主线，以结构数据为基础，打通工艺开发与上下游产品设计、制造运营的数字链路，赋能工艺开发部门不同角色间的高效、智能协同，并实现工开发业务的闭环管理大幅提升工作效率与工作质量。

1.背景及意义

       汽车制造业是一个技术密集、资本密集、高度复杂的综合性产业。汽车产品由成千上万个零部件组成，其开发过程往往历经多年，期间会涉及成百上千个角色，会产生海量数据。如何使用信息化、数字化、智能化手段，高效紧密协同地完成新产品项目开发一直是各个汽车企业深度探索的课题。

       近年来，受经济环境的变化以及用户消费升级的影响，汽车行业竞争迅速加剧。汽车企业对高效率、高质量协同开发的需求变得更为迫切。工艺开发是汽车开发过程的核心环节，连接了产品设计与最终量产，是产品设计与制造运营的纽带。工艺开发的协同效率、质量直接决定了车型项目开发效率、成本及质量，是汽车企业高效率、高质量协同开发的关键环节。

       1.1 PLM平台在汽车工艺开发应用现状

       工艺开发部门承接产品设计部门输出的3D数据及对应的技术要求，并对其进行分析、转化。工艺开发部门完成产品设计信息的分析转化后，制定制造方案，完成制造方案落地所需的工艺流程设计，生产线建设，作业指导文件编制，最终移交制造部门进入产品的制造运营阶段。大多数汽车企业的工艺开发部门，基于PLM平台自动获取了结构化的产品设计数据（3D数据模型、2D设计图纸）及部分核心技术要求。工艺开发完成后，基于PLM平台自动输出了制造需求结构化的零件投料工位信息。然而，工艺开发部门获取详细产品设计技术要求以及输出工艺设计信息时，更多基于文档形式，信息传递结构化、自动化水平较为落后。

       汽车企业工艺开发部门又分为工艺规划、同步工程、工艺设计、设备管理等多个细分岗位、角色，各个细分岗位、角色之间存在着大量双向信息交换及协同作业。工艺规划工程师基于公司战略需求进行工艺规划时，会结合产品定义输出包含关键工艺约束及关键设备、工具等资源规划的制造策略（方案）文档。在制造策略（方案）文档约束下，同步工程工程师进行产品可制造性分析，工艺工程师进行详细工艺设计，设备工程师进行设备开发，过程中会输出新的信息给工艺规划，最终工艺工程师在PLM系统形成结构化详细工艺设计数据。可见，PLM平台在工艺开发部门内部各角色之间的信息传递更多是文档为主，结构化数据为辅的状态，尚未实现端到端的结构化数据联通。工艺开发过程中，各角色间交互文档的人工摘录、转化过程耗时，且极其容易出现信息遗漏、错误。

       总之，工艺开发部门基于PLM平台与上游的产品设计部门、下游的制造运营部门实现了部分场景的结构化数据级自动协同，但在工艺开发部门内部由于业务流程、标准规范及信息化技术手段等因素，几乎尚停留在文档信息交互、协同水平。

       1.2 基于PLM建设数智化工艺平台的意义

       主流车企的PLM系统管理着产品设计输出的BOM、3D模型、2D图纸、技术要求等核心产品数据信息及其变更，是企业最权威的产品数据管理中心。通过持续推进PLM管理的产品设计信息的标准化、结构化，工艺开发部门可以通过PLM系统及时、准确、自动获取工艺开发所需的产品设计信息，实现与产品设计部门的高效协同。

       PLM系统拥有强大的结构化数据管理、变更管理等基础能力。依托PLM建设数智化协同工艺开发平台可以对工艺开发过程中工厂布局、产线资源设备、工艺流程数据进行结构化管理，并对其进行全生命周期管控，实现工艺开发过程中工艺规划、同步工程、工艺设计、设备管理等角色的在线智能协同作业，避免文档形式协同造成的人工摘录、转化过程。

       PLM系统拥有强大的流程管控功能，大多数汽车企业，已经在PLM系统内嵌了整车开发项目从立项研究到最终量产上市各个阶段的重要流程，如，产品设计任务分配、产品设计任务进度管理、产品设计数据发布、问题管理等。基于PLM建设工艺开发平台，可以在PLM平台内嵌整车产品设计流程基础上快速深化工艺开发流程，实现以业务流程为主线的业务协同，并通过系统功能升级，实现业务的自动化、智能化。在新车型开发过程中，工艺开发平台可以自动抽取各个环节的工艺数据，形成业务运营看板，甚至实现对业务的自动提醒。此外，借助工艺开发平台，对比具体车型业务数据与工艺数据标准，实现技术标准的自动、智能运营。基于业务流程、数据状况及管理需求总结管理标准，通过抽取的业务数据自动进行统计分析，实现工艺开发技术数据到管理数据的转化，实现业务的自动、智能管控。

       基于PLM的数智化协同工艺开发平台可以将工艺开发输出的工艺流程、零件装配信息、工时、程序以结构化数据形式传输给ERP、MES等下游系统，实现与制造部门的高效协同。此外，下游环节可以依托数智化协同工艺开发平台将数据使用过程中存在的问题反馈至上游，实现从数据产生到数据使用的全生命周期闭环管理，推动工艺开发工作的持续优化。

       总之，基于PLM的数智化协同工艺开发平台为工艺开发各项活动提供了统一的数字化的协作环境，是汽车企业工艺开发中枢神经系统。数智化协同工艺开发平台使得不同角色实现了信号级的并行、协同工作，大幅提升了沟通效率，确保了工艺开发高效率、高质量的交付。

2.数智化协同工艺开发平台建设思路

       该企业以西门子PLM平台Teamcenter为基础，以提高工艺开发效率、强化过程质量管控、实现数字化精细化运营为目标，打造数智化协同工艺开发MPM平台。平台建设时，企业从工艺开发组织及角色入手，以工艺开发业务流程为主线，拆解工艺开发核心角色职责，细化不同角色间信息交互，制定出与业务流程、角色定位匹配的平台架构。在平台架构基础上，细化业务数据管控方案，形成结构化工艺数字模型。企业应用工艺数字模型，使用结构化数据表达工序流程、制造信息和资源要素，实现不同角色从文档协同到结构化数据的跨越。此外，企业总结工艺开发业务数据，建立工艺资源、工艺知识等知识库，在工艺开发流程主线牵引下，借助工艺平台通过逻辑匹配、算法推荐等方式实现基于知识的快速、智能工艺开发。

       2.1 企业组织及流程现状分析

       2.1.1 工艺组织及其角色状况
 
       该企业在工艺开发部门下设冲压、焊装、涂装、总装四大工艺，以及负责业务横向拉通的集成管理部门。四大工艺各专业分为工艺规划、同步工程、工艺设计、设备工程四个角色，这四个角色承担具体车型工艺开发、设计工作。集成管理部门下分为项目集成工程师、数字化集成工程师两个角色，主要承担项目管理、数字化&标准化的横向拉通、运营管理工作。工艺开发部门各角色主要职责如表1。

       2.1.2 工艺开发业务流程状况

       在新车型立项研究启动后，产品设计部门基于公司的经营战略、产品规划战略、产能规划战略、初始产品定义细化产品技术方案，完成TG0至TG2产品数据设计发布。工艺规划工程师完成初始制造策略到制造方案的编制，逐步明确细化工艺规划的产能、节拍、工艺流程、工装设备需求。同步工程工程师进行TG0至TG2数据可制造性分析，输出各阶段工艺流程及特殊工装设备需求。工艺设计工程师及设备工程师，对工艺规划、设备需求进行细化，完成详细工艺设计及设备选型、验证。具体如图1工艺开发业务流程所示。
 
       对业务流程进行分析，发现工艺开发过程中工艺规划工程师、同步工程工程师、工艺设计工程师、设备工程师间存在大量双向信息交互。工艺规划输出的初始工艺流程、设备需求，是同步工程进行产品可制造性分析、工艺设计进行详细设计的输入。同步工程对产品分析输出细化后的工艺流程及特殊工装设备需求是工艺规划、工艺设计迭代、完善的重要依据。工艺设计、设备管理对工艺设计、设备选型进行细化的过程，同样会产生工艺规划、同步工程的新需求。可见，解决工艺开发各个角色间信息的双向交互、引用效率、质量，可大幅提升工艺开发效率及质量。

       2.2 工艺开发平台总体架构

       依据工艺开发业务特点，构建数智化协同工艺开发平台MPM系统架构。汽车企业工艺开发是产品设计与制造运营的中间环节，工艺开发业务又分为多个细分角色，工艺开发过程面临大量物料及技术要求的变更。为此，MPM系统以PDM为上游系统，以MES、ERP为下游系统，以BOM系统、变更系统为周边系统，平台内部划分部门项目管理、车型工艺开发管理、知识标准化管控三大板块。MPM系统通过和周边系统集成，实现自动获取产品设计输出的产品技术信息，实现自动输出工艺设计信息，实现物料、变更信息流的上下贯通。MPM系统通过部门项目管理板块的项目管理、指标管理实现部门及项目管理运营的横向拉通；通过车型工艺开发管理板块的工艺规划、同步工程、工艺设计、设备管理四个子板块管理车型工艺开发设计过程；通过知识标准化管控板块实现数字化技术及标准体系的运营管理。平台总体架构，如图2所示。
 
3.数智化协同工艺开发平台建设方案

       3.1 在线协同方案整体概况

       工艺开发结果以制造过程中的产品形态、产线设备、工艺过程为载体呈现，且产品形态、产线设备依托工艺过程存在。工艺数据的结构化可以大幅提升数据复用率，减少数据的重复摘抄、搬运过程，进而提升工艺开发过程的效率、质量。为此，数智化协同工艺开发平台采用以树状结构组织的PBOM（Planning Bill of Material，规划BOM）、BOE（Bill of Equipment，设备清单）、BOP（Bill of Process，工艺清单）结构化数据为载体，以BOP为主线，定义工艺开发过程中产品形态、产线设备、工艺过程信息的解决方案，如图3所示。
 
       总结工艺开发活动中上下游业务间协同的工作流程形成系统数据流转流程。对工艺开发各个环节的工作进行标准化、规范化，形成上下游业务统一的技术标准，抽象技术标准形成系统结构化数据标准。依据结构化数据标准建立对象化、结构化的三维工艺资源库、工艺知识库。在工艺开发中借助系统功能，实现多角色间基于PBOM、BOE、BOP结构化数据的在线数智化、协同开发。依据工艺开发业务流程，抽取车型工艺开发过程中产生的结构化数据，形成部门管理层、项目管理人员需求的管理信息、指标信息，完成技术数据到管理数据的抽取，实现部门管理、项目管理的数字化管控。

       3.2 在线协同详细技术方案

       拆解工艺开发过程中工艺规划、同步工程、工艺设计、产线开发四个角色的工作输入、输出及工作完成标准，细化PBOM、BOE、BOP数据结构及属性，并通过系统功能完成结构及属性的提示、预警、引用、同步，实现不同业务角色在数智化协同工艺开发平台的在线协同作业。

       3.2.1 在线协同数据结构定义

       基于企业业务特点及不同业务角色需求，定义PBOM、BOE、BOP数据结构，明确PBOM、BOE、BOP各层数据层级管理关键属性、信息及其填写规范，明确在线协同数据结构及属性定义是实现在线协同的基础。

       PBOM（Planning Bill of Material，规划BOM）承接产品设计信息，管理工艺过程中产品形态。BOE（Bill of Equipment，设备清单）管理工艺开发输出的车间产线布局及资源信息。BOP（Bill of Process，工艺清单）管理着工艺过程，即，产品制造所在的空间位置，使用的工具、设备等制造资源，该工艺步骤开始前、结束后的产品形态以及该工艺环节的具体详细步骤及其对应的要求。工艺规划、同步工程、工艺设计、设备管理四个角色在线协同完成工艺开发的本质就是四个角色在线共创形成PBOM、BOE、BOP数据结构的过程。企业PBOM、BOE、BOP均采用结构树形式进行搭建，并通过结构树对应节点的版本属性及BOM属性管理工艺开发的关键相关信息。结合企业现状及数据管理颗粒度要求PBOM、BOE、BOP均分为结构树顶层、工艺规划层、工艺/产线设计层、详细工艺/设备层。鉴于在工艺开发过程中工艺工程师、设备工程师分别从工艺、设备维度细化工艺，在BOP结构上设置并行的工艺设计节点及产线设备设计节点，BOP数据结构如图4所示。
 
       3.2.2 在线协同数据流程定义

       在明确的BOE、PBOM、BOP数据结构及属性定义基础上，依托PLM平台强大的数据状态、版本管控、数据权限管理以及系统流程功能，实现对工艺开发业务活动阶段的管理，实现不同角色在工艺开发业务活动中的数据协同。

       依据整车工艺开发流程阶段，定义工艺数据阶段状态，实现工艺开发活动阶段管理。工艺开发流程中，在产品设计工程师发布PreTG0到TG2四版产品数据以及从G4-G1的八个阶段，均有大量的工艺开发业务活动。为此，为PBOM、BOE、BOP三个数据结构中的工艺对象定义S0、S1、A、B、PPV、PP、P、SOP八个阶段状态。在相应工艺开发阶段完成PBOM、BOE、BOP中工艺数据定义后，选择对应阶段的发布流程，发布数据。数据发布后，系统赋予数据对应的阶段性状态。

       依据工艺开发各个角色负责的业务，定义工艺数据管理权限，实现协同模式下结构化工艺数据的在线编辑。对工艺开发流程中各角色负责的业务活动进行分析、拆解。依据各角色工作输出内容及其展示形式、展示颗粒，选择PBOM、BOE、BOP上对应的工艺数据层级节点作为工艺开发信息的承载体。工艺规划工程师主要负责车间、产线、工位布局、工位的核心设备需求及产线装配（或制造）的主要部件规划。为此，工艺规划工程师负责BOE顶层、工艺规划层全生命周期管理、规划阶段BOE产线设备设计层下设备的管理和早期设备的初选，以及PBOM规划级管理。同步工程工程师负责依据产线布局及设备状况分析产品的可制造性，细化工艺规划流程、设备需求及早期工艺设计。为此，同步工程工程师负责产品数据可制造性分析阶段PBOM工艺设计层管理，BOP工艺规划层2、早期工艺设计层1及BOP中该阶段与产品数据强相关的特殊设备需求管理。工艺工程师负责依据工艺规划及产品制造顺序约束下细化工艺过程及设备需求。为此，确定工艺工程师负责TG2产品数据发布后BOP及PBOM工位级管理以及BOP工序下级的定义。设备工程师负责依据工艺设计进行设备最终选型。为此，设备工程师负责TG2产品数据发布后工位下设备参数状态的管理。车型工艺开发过程各阶段数据负责角色如表2。
 
       工艺开发过程中，不同业务角色间使用数据发布流程进行双向信息交互及赋权，实现结构化数据的交互应用。下游业务环节依据上游环节的数据发布流程获取上游工作输出，获取工作细化的指令及数据编辑权限。上游业务环节依据下游环节的数据发布流程获取下游工作反馈，迭代完善数据，优化下一轮工作。如，在G5同步工程工程师完成TG2数据的可制造性分析后，发起G5阶段B状态BOP发布流程，在BOP完成审批后，系统将BOP工位、工序节点标识为B状态，并调用权限修改程序，将原归属同步工程师的工位节点的编辑权限修改为对应的工艺工程师。系统实现逻辑如图5。
 
       在工艺开发过程中，使用人按照使用需求使用系统设置不同的版本规则，显示、查阅PBOM、BOE、BOP数据状态，依据需要输出分析报告，辅助进行变更差异识别。

       3.3 数智化功能整体概况

       数智化协同工艺开发平台MPM系统以工艺规划、同步工程、工艺设计、设备管理四个角色在工艺开发业务流程中通过协同模式逐步完成PBOM、BOE、BOP数据创建为目的，以自动、智能应用知识提升效率、质量为目标，围绕整车工艺开发业务高频场景进行功能打造。平台最终实现了基于知识的PBOM、BOE、BOP智能创建以及一键创建BOP架构、自动分配工序、自动分配物料、PFMEA&CP智能辅助分析、工艺/设备参数智能推荐、同平台共线车、量产车型转产等多个场景自动化、数智化。依据工艺开发业务流程，抽取车型工艺开发过程中产生的结构化数据，形成部门管理层、项目集成、数字化集成管理人员需求的管理信息、指标信息，完成技术数据到管理数据的抽取，实现部门管理、项目管理、数字化运营的智能化闭环管控。系统数智化功能，具体如图6所示。
 
       3.4 数智化详细技术方案

       工艺数智化协同平台MPM系统主要通过工艺数据的自动、智能创建，项目及标准体系的自动、智能运营实现数智化工艺开发管理。挖掘已有车型业务数据，构建BOE、PBOM、BOP对应的企业级结构化知识库，利用平台功能实现PBOM、BOP、BOE的智能创建。MPM系统自动抽取PBOM、BOP、BOE阶段性结构化数据与标准业务（项目）管控流程中数据标准进行比对，给出项目提示、预警信息，实现业务（项目）的智能化运营管理。此外，MPM系统自动抽取PBOM、BOP、BOE终版结构化数据与知识库结构化数据进行比对，给出知识库迭代优化指示，实现标准体系及数字化平台的智能化运营管理。

       总结各车型平台对应的PBOM知识库，明确在特定工厂条件划分的工艺规划层、工艺设计层包含的零部件种类、工艺合件种类、工艺合件包含的零部件种类及各自对应的识别符，如VPPS。新车型工艺规划启动后，工艺规划工程师运行PBOM智能生成功能，MPM平台将抓取产品设计输出的结构化产品定义、项目集成工程师输出的结构化产能规划信息，与PBOM知识库运算后生成PBOM规划草案，具体如图7所示。工艺规划工程师结合项目状况对PBOM层级、各层级引用的零件信息进行完善。此后，运行全新车型PBOM创建功能，MPM系统从整车VAS数据结构中抓取对应零件分配至PBOM工艺规划或工艺设计层下级，零件分配实现逻辑如图8所示。对于未分配的部件系统会给出提示，工程师可以依据需要选择导出产品设计的零件分配状态报告。对于未分配的零件系统支持选择依据特定属性进行某种规则的模糊分配分析，如，空间位置，零件类别近似度、历史车型图形相似度等。此外，工程师也可以通过可视化零件分配窗口对未分配的部件进行可视化分配。
 
       总结高、中、低不同级别产能节拍、自动化水平下的BOE知识库，如图9所示。BOE知识库明确典型工况下BOE包含的车间、线体、工位，工位下的典型设备资源以及工位下需要完成的标准工序。新车型工艺规划启动后，工艺规划工程师运行BOE智能规划功能。MPM平台抓取项目集成管理工程师输入的产能节拍规划、自动化水平、投资强度信息以及PBOM承载的产品设计信息与BOE知识库、典型工艺方案运算生成BOE规划草案，实现逻辑如图10所示。此后，工艺规划工程师介入，结合项目、设备选型知识等对BOE线体、工位、工位下的典型设备资源类别进行完善，并依据工厂计划生产的产品定义完善各工位需要完成的标准工序。在完善工位典型设备资源及布局时，平台支持使用3D模式进行设备资源的选型、布局。
     
       总结标准工艺知识库，形成典型部件的标准工艺知识库；总结典型工厂布局，典型产线方案形成工艺流程知识库。在工艺规划工程师完成初版PBOM、BOE创建后，同步工程工程师运行BOP智能生成功能。MPM平台抓取PBOM承载的结构化产品设计信息、BOE承载的结构化工厂信息与工艺知识库、工艺流程知识库进行运算，生成初版BOP，系统实现逻辑如图11所示。同步工程工程师对初版BOP进行审核后，运行制造需求自动分配功能，MPM系统依据各个线体、工位、工序、资源状况生成需要进行可制造性分析的条目。此后，同步工程工程师以BOP为主线对产品的可制造性进行分析。同步工程工程师可制造性分析过程中，遇到产品设计问题，点击产品设计问题反馈按钮，MPM自动将ECR问题单推送给该部件的产品设计工程师。同步工程工程师可制造性分析过程中，遇到车型项目特点造成的工艺流程先后调整需求，可直接修改BOP中工序所处工位先后顺序。同步工程工程师可制造性分析发现制造过程中发现对传统设备需要进行特殊设备资源需求，可直接修改BOP中工序所处工位先后顺序。MPM统触发与标准工艺流程强制约束、标准工艺资源的校验，在识别到冲突时，会自动创建同步、工艺、设备、规划工程工程师参与的工艺协同。

       在完成PBOM、BOE、BOP创建及首轮的工艺规划、同步工程分析后，工艺规划工程师、同步工程工程师选择对应阶段在线协同流程进行数据的发布。数据发布后，MPM平台自动抽取PBOM、BOP、BOE阶段性结构化数据，形成不同维度的运营看板，如部门整体业务状态看板，各个板块工作负荷、进度、质量看板。此外，平台抽取结构化数据和标准业务（项目）管控流程中数据标准比对，给出项目提示、预警信息（如基于指标数据的风险预警），实现业务（项目）的智能化运营管理。MPM平台自动抽取PBOM、BOP、BOE终版结构化数据和知识库结构化数据比对，给出知识库迭代优化指示，实现标准体系及数字化平台的智能化运营管理。
 
4.总结及展望

       企业数智化协同工艺开发平台MPM系统历经4期7年建设，已覆盖工艺开发核心业务，赋能工艺开发业务。经过多年系统建设以及业务数据沉淀，全部车型、全部工厂、全部专业的工艺数据均已实现结构化，对象化，三维轻量化在线管理，形成500百万+高质量结构化数据。通过抽取系统结构化数据形成近20万份工艺文档。通过健全业务流程，完善技术标准，规范作业规程搭建在线协同工作流程50+。依托智能化协同工艺开发平台MPM系统实现工艺开发与业务数据级信息交互，工艺开发效率、质量得以大幅提升，车型项目开发周期得以大幅压缩。相信不久的将来，依托大量的高质量结构化数据及自动化、数智化工艺开发功能实践，在大数据、知识图谱、AI技术加持下工艺开发的数智化水平会得以大幅提升，甚至会产生颠覆性变革。