(中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動機制造有限責(zé)任公司，上海 201306)

0 引言

在民用航空制造領(lǐng)域，由于商用航空發(fā)動機產(chǎn)品對質(zhì)量的高度穩(wěn)定性要求，需要產(chǎn)品研制過程具有嚴(yán)格的系統(tǒng)性和完整性，其研制過程表現(xiàn)出周期長、制造要求高、復(fù)雜程度高的特點，且科研試制到產(chǎn)品批產(chǎn)階段，工藝方法的固定、設(shè)備和工裝及資源的配置需要持續(xù)調(diào)整及完善，導(dǎo)致其工藝變化頻繁、工作量大，在如何實現(xiàn)項目型號研制階段高效率、強柔性，以及項目批產(chǎn)階段的質(zhì)量穩(wěn)定性等方面具有挑戰(zhàn)性。

所謂數(shù)字孿生是針對物理世界的物理過程，創(chuàng)建數(shù)字化模型進行仿真模擬，通過模擬數(shù)據(jù)提前預(yù)測物理過程的未來狀態(tài)，進行仿真模型與物理過程數(shù)據(jù)交互，對物理過程狀態(tài)數(shù)據(jù)分析，進而支持決策優(yōu)化，為物理過程的具體環(huán)節(jié)明確決策參數(shù)。面向復(fù)雜機械產(chǎn)品全生命周期不同過程可分為產(chǎn)品數(shù)字孿生、生產(chǎn)數(shù)字孿生和業(yè)務(wù)管理數(shù)字孿生三類，考慮產(chǎn)品、生產(chǎn)、業(yè)務(wù)管理3個維度涉及的多學(xué)科技術(shù)，并建立物理過程和數(shù)字模型的連接，進而提高產(chǎn)品研制過程質(zhì)量水平及生產(chǎn)效率，是數(shù)字孿生技術(shù)的最終目標(biāo)。

本文針對商用航空發(fā)動機型號研制過程及批量生產(chǎn)階段生產(chǎn)管控的具體需求，研究基于數(shù)字孿生的解決方案和關(guān)鍵技術(shù)，為支持型號研制及產(chǎn)品準(zhǔn)時交付提供支持。

1 數(shù)字孿生技術(shù)在生產(chǎn)過程管控領(lǐng)域的應(yīng)用

1.1 應(yīng)用概述

“數(shù)字孿生”最初由密歇根大學(xué)的Michael Grieves教授2003年在其產(chǎn)品全生命周期管理課程上提出概念雛形。2014年，Michael Grieves教授進一步在其發(fā)布的白皮書中明確了數(shù)字孿生的概念模型，包括現(xiàn)實世界的物理對象、虛擬世界的數(shù)字化模型和連接兩者的信息及數(shù)據(jù)三部分內(nèi)容。

近年來，伴隨著世界各國工業(yè)4.0策略的提出，以德國、美國和中國為代表的工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、中國制造2025發(fā)展計劃的相繼提出，其中數(shù)字孿生技術(shù)逐漸引起了工業(yè)界的關(guān)注及廣泛應(yīng)用探索。商用航空發(fā)動機領(lǐng)域中，由于航空發(fā)動機工作環(huán)境的多樣性及復(fù)雜性，以及適航條件的嚴(yán)格要求，需要對大氣進氣、燃燒、推動過程中高溫高壓條件下的發(fā)動機元器件進行嚴(yán)格監(jiān)控。GE航空通過構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)字孿生模型，測量產(chǎn)品運行中的各項參數(shù)，構(gòu)建針對每臺發(fā)動機的“私人醫(yī)生”信息庫進行實時狀態(tài)數(shù)據(jù)記錄，以確保產(chǎn)品研發(fā)工程師隨時可獲取產(chǎn)品運行過程狀態(tài)參數(shù)，并綜合使用狀態(tài)參數(shù)進行診斷及判斷。RR和普惠也在積極探索數(shù)字孿生技術(shù)，主要針對數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域進行工程技術(shù)研發(fā)及應(yīng)用。

國內(nèi)，商用航空發(fā)動機領(lǐng)域剛剛起步，王嶺等探索了數(shù)字孿生技術(shù)在商用航空發(fā)動機大部件對接工藝環(huán)節(jié)應(yīng)用的實踐案例。針對數(shù)字化工廠的數(shù)字孿生總體方案及數(shù)據(jù)應(yīng)用方面有部分學(xué)者進行了初步的研究，陶飛等人提出了數(shù)字雙胞胎車間的方案，討論了數(shù)字雙胞胎車間的概念，介紹了其系統(tǒng)組成，闡述了其運行機制，探討了其關(guān)鍵技術(shù)，基本實現(xiàn)了物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成與融合，及生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程控制等的迭代運行，使車間生產(chǎn)和管控最優(yōu)。石菁菁提出了基于數(shù)字化雙胞胎對生產(chǎn)過程進行仿真驗證和信息反饋決策的方法解決生產(chǎn)過程質(zhì)量穩(wěn)定性問題的解決方案。目前數(shù)字孿生技術(shù)主要集中于概念及技術(shù)研究階段。

1.2 生產(chǎn)管控數(shù)字孿生的基本模型

按照產(chǎn)品研制生態(tài)系統(tǒng)基本原理劃分，產(chǎn)品研制系統(tǒng)可分為產(chǎn)品、生產(chǎn)和業(yè)務(wù)3個維度[7]，據(jù)此基于模型的數(shù)字孿生技術(shù)也包括“產(chǎn)品數(shù)字孿生”、“生產(chǎn)數(shù)字孿生”和“業(yè)務(wù)管理數(shù)字孿生”[8]。其中，生產(chǎn)數(shù)字孿生針對生產(chǎn)管控過程，并依據(jù)ISA95標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了生產(chǎn)執(zhí)行、生產(chǎn)物流、設(shè)備資源、生產(chǎn)質(zhì)量4個維度的物理與數(shù)字化閉環(huán)，及時暴露生產(chǎn)過程中的質(zhì)量問題及對生產(chǎn)成本浪費情況進行反饋等方面的內(nèi)容。其基本模型依據(jù)、場景及要求如圖1所示。

圖1 生產(chǎn)系統(tǒng)管控信息模型

1.2.1 生產(chǎn)運營管理數(shù)字孿生

生產(chǎn)運營管理的核心是生產(chǎn)調(diào)度，生產(chǎn)調(diào)度是生產(chǎn)系統(tǒng)決策優(yōu)化、過程管控和性能提升的基礎(chǔ)輸入。從生產(chǎn)系統(tǒng)管控信息模型定義生產(chǎn)調(diào)度孿生，通過準(zhǔn)確獲取需求、性能指標(biāo)、基礎(chǔ)定義及產(chǎn)能信息，建立虛實映射和交互融合的調(diào)度數(shù)字孿生模型，實現(xiàn)“任務(wù)需求-資源物料質(zhì)量約束-績效目標(biāo)”調(diào)度要素協(xié)同與持續(xù)優(yōu)化。

調(diào)度數(shù)字孿生的核心目標(biāo)是響應(yīng)動態(tài)變化，物理車間中的任務(wù)、設(shè)備資源、檢查能力及物料庫存信息變化情況實時傳輸至數(shù)字孿生信息模型中，數(shù)字孿生模型通過自組織、自學(xué)習(xí)進行調(diào)度狀態(tài)解析及調(diào)度方案調(diào)整，快速形成應(yīng)對調(diào)度決策評估，支持生產(chǎn)系統(tǒng)管理人員快速確定異常范圍，敏捷響應(yīng)，形成更好的擾動響應(yīng)能力和異常解決能力。

數(shù)字孿生驅(qū)動的調(diào)度模式是調(diào)度優(yōu)化與過程管控以呈現(xiàn)出新的轉(zhuǎn)變，即形成了數(shù)據(jù)驅(qū)動模式，調(diào)度要素由實體互聯(lián)向虛擬映射轉(zhuǎn)變，響應(yīng)方式由被動響應(yīng)向主動應(yīng)對轉(zhuǎn)變，過程控制由粗放控制向精確控制轉(zhuǎn)變，管理形式由層級結(jié)構(gòu)向扁平化結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。

1.2.2 資源維護運營管理數(shù)字孿生

生產(chǎn)系統(tǒng)中的資源具體包括生產(chǎn)設(shè)備、工裝工具、技能人員等，生產(chǎn)資源的功能穩(wěn)定性是生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的關(guān)鍵保障。生產(chǎn)資源數(shù)字孿生中通過各種傳感器對資源狀態(tài)進行監(jiān)控及評估，并預(yù)測資源故障及剩余壽命，從而實現(xiàn)將傳統(tǒng)的事后維護轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑熬S護。

生產(chǎn)資源數(shù)字孿生模型中，物理資源實時感知運行狀態(tài)及環(huán)境數(shù)據(jù)，虛擬資源在數(shù)字孿生模型中通過物理資源數(shù)據(jù)進行同步運行，在此基礎(chǔ)上對資源狀態(tài)進行評估，制定維護策略，并提前進行維護相關(guān)的數(shù)據(jù)論證及驗證，實現(xiàn)資源按要求運行。

生產(chǎn)資源數(shù)字孿生中，資源的狀態(tài)數(shù)據(jù)實時性更強，在對生產(chǎn)資源的物理狀態(tài)數(shù)據(jù)實時全方位狀態(tài)對比過程中，對于維修策略和故障分析方式有了新的變化，要求維護方式由事后處理向事前服務(wù)方式轉(zhuǎn)變。事前服務(wù)策略及相關(guān)的數(shù)據(jù)通過數(shù)字孿生進行事前模擬驗證，預(yù)測生產(chǎn)資源故障及剩余壽命，支持生產(chǎn)過程穩(wěn)定運行。

1.2.3 質(zhì)量運營管理數(shù)字孿生

質(zhì)量運營管理的目標(biāo)是實現(xiàn)產(chǎn)品的功能和性能滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求，其是影響復(fù)雜產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量和使用性能的重要因素。

質(zhì)量運營管理數(shù)字孿生通過各種檢測資源、設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)化工作手段，通過與數(shù)字孿生模型中的數(shù)據(jù)分析及工具，實現(xiàn)零部件生產(chǎn)、裝配、試驗過程的精準(zhǔn)控制，對復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行統(tǒng)一高效管控，達成產(chǎn)品生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的要求。

在進行質(zhì)量運營數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建過程中，需要對產(chǎn)品工藝的質(zhì)量要求與生產(chǎn)過程的物理實際數(shù)據(jù)進行融合，建立質(zhì)量精度預(yù)測方法。通過對質(zhì)量要求響應(yīng)，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝的動態(tài)調(diào)整與實時優(yōu)化。

1.2.4 庫存及物流運營管理數(shù)字孿生

庫存及物流運營管理數(shù)字孿生主要是對物料準(zhǔn)備及物料流動過程進行準(zhǔn)確的跟蹤、分析，及提供對于庫存、物料資源相關(guān)的準(zhǔn)確備貨及配送。

庫存及物流運營管理數(shù)字孿生，在數(shù)字模型層面，可以利用生產(chǎn)系統(tǒng)仿真技術(shù)，對生產(chǎn)制造工藝路徑、物流進行預(yù)規(guī)劃、仿真，并在仿真模型預(yù)演基礎(chǔ)上進行分析、評估，實現(xiàn)原材料、半成品、在制品、返修品、合格品、報廢品的流轉(zhuǎn)過程仿真。在物料備貨庫存管理方面，優(yōu)化庫存及資金利用率，避免冗余，降低庫存并減少在制品數(shù)量。在生產(chǎn)過程物流配送方面，通過對物料運輸?shù)慕?jīng)濟性、時效性，及流動路線的優(yōu)化，縮短搬運時間，減少路徑干涉等問題。

2 商用航空發(fā)動機產(chǎn)品生產(chǎn)管控的特點及需求

商用航空發(fā)動機研制過程采用型號項目研制和批量生產(chǎn)相結(jié)合的模式。考慮商用航空發(fā)動機產(chǎn)品安全性、可靠性要求極高的特點，產(chǎn)品研制初期采用型號研制模式，根據(jù)相關(guān)上級單位論證的項目需求，針對性地研究和制造并形成全新的設(shè)計、制造及應(yīng)用過程。其生產(chǎn)過程具有如下特點：

1)產(chǎn)品任務(wù)：品種多、數(shù)量少、未定型；設(shè)計不成熟的情況普遍存在，導(dǎo)致設(shè)計變化頻繁；標(biāo)準(zhǔn)化程度低、通用性低。

2)資源設(shè)備：部分加工工藝采用通用工具執(zhí)行，以提高其適應(yīng)性；工裝設(shè)備對設(shè)計變更缺乏足夠的適應(yīng)性，造成由于設(shè)計變更難以及時到位；裝備故障概率高，產(chǎn)品質(zhì)量/廢品率存在不穩(wěn)定性；要求技能人員具有較高的技術(shù)水平和豐富的實際經(jīng)驗。優(yōu)化資源配置是生產(chǎn)管控過程的主要難題。

3)質(zhì)量管理：產(chǎn)品樣本數(shù)量少，質(zhì)量業(yè)務(wù)工作量大、效率低、成本高。

4)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)形式：供應(yīng)商-庫房-車間-作業(yè)單元-班組，作業(yè)期間生產(chǎn)現(xiàn)場要同設(shè)計部門、工藝部門、工裝部門、庫房等多個單位一起協(xié)同作業(yè)，這種開環(huán)、縱向和橫向嚴(yán)格分工的生產(chǎn)管理模式，信息傳遞的層次和環(huán)節(jié)多，導(dǎo)致發(fā)動機科研試制階段生產(chǎn)管理極其復(fù)雜和困難。

5)生產(chǎn)管控：工序時間不確定，資源不可控因素較多，經(jīng)常出現(xiàn)更改、變動、返修等情況，導(dǎo)致生產(chǎn)計劃缺乏準(zhǔn)確性，需依靠成熟的技術(shù)人員通過經(jīng)驗安排來推動生產(chǎn)的運行。

6)成本：由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r性較差，對于各種變化情況主要依靠人工進行響應(yīng)，響應(yīng)過程慢且周期長，導(dǎo)致成本不隨產(chǎn)量增加而下降。

在型號研制階段具備明確的設(shè)計定型、制造工藝定型后，轉(zhuǎn)入規(guī)模化批量生產(chǎn)階段。規(guī)?；可a(chǎn)模式具有一定的穩(wěn)定性和重復(fù)性?？紤]商用航空發(fā)動機產(chǎn)品型號研制及規(guī)?；a(chǎn)過程轉(zhuǎn)化的長周期性和靈活變動性，特別是型號研制階段的定制化生產(chǎn)特點，決定了生產(chǎn)系統(tǒng)必須同時適應(yīng)型號研制和規(guī)?；可a(chǎn)，達成生產(chǎn)定制化與規(guī)模化的有機統(tǒng)一，滿足產(chǎn)品不同階段交付要求。

借鑒國外航空發(fā)動機產(chǎn)品研制的經(jīng)驗及優(yōu)勢，綜合運用國內(nèi)外先進的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化技術(shù)進行升級改造，在全過程可交互的環(huán)境中構(gòu)建商用航空發(fā)動機產(chǎn)品生產(chǎn)的核心要素及數(shù)字化支撐技術(shù)，改善傳統(tǒng)依靠人工紙質(zhì)進行信息傳輸，導(dǎo)致過程緩慢及效率低下的特點，通過數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)物理車間、虛擬車間、車間服務(wù)系統(tǒng)的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集成與融合，和生產(chǎn)要素管理、生產(chǎn)活動計劃、生產(chǎn)過程管控之間的迭代運行，通過深刻認(rèn)識生產(chǎn)運行規(guī)律，緊密結(jié)合企業(yè)實際情況完善生產(chǎn)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，使車間生產(chǎn)和管控最優(yōu)。

3 商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)管控數(shù)字孿生技術(shù)總體架構(gòu)

商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)是產(chǎn)品功能和性能實現(xiàn)的最終階段和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，生產(chǎn)質(zhì)量在很大程度上決定了產(chǎn)品的最終質(zhì)量，對生產(chǎn)系統(tǒng)進行有效的數(shù)字化管控，對于實現(xiàn)商用航空發(fā)動機產(chǎn)品自組織、自適應(yīng)及面對擾動及時響應(yīng)具有重要作用。

同時，由于商用航空發(fā)動機產(chǎn)品對安全性及穩(wěn)定性的要求，需要通過數(shù)字孿生獲得數(shù)字化模型支持企業(yè)進行涵蓋其整個價值鏈的整合，實現(xiàn)從需求分析、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)規(guī)劃、生產(chǎn)工程、生產(chǎn)實施直至產(chǎn)品維護服務(wù)各個環(huán)節(jié)，構(gòu)建一致的、無縫的數(shù)據(jù)平臺，形成基于模型的虛擬產(chǎn)品全生命周期和基于傳感器技術(shù)的現(xiàn)實產(chǎn)品全生命周期鏡像。

商用航空發(fā)動機產(chǎn)品生產(chǎn)系統(tǒng)建立數(shù)字孿生系統(tǒng)是產(chǎn)品全生命周期中實現(xiàn)數(shù)字與實物有效關(guān)聯(lián)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，這一過程將產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字模型轉(zhuǎn)化為實物產(chǎn)品，并在此過程中對實際的材料屬性、加工精度、裝配精度及測試數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化的注釋記錄。同時，利用數(shù)字化模型具有模塊化、自治性和連接性的特點，可以從測試、開發(fā)、工藝及運維等角度，打破現(xiàn)實與虛擬之間的藩籬，實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期內(nèi)生產(chǎn)、管理、連接的高度數(shù)字化及模塊化，可快速有效尋找車間、控制層、數(shù)據(jù)層及應(yīng)用層的短板，進行優(yōu)化。

考慮商用航空發(fā)動機對穩(wěn)定性、可靠性的要求，生產(chǎn)系統(tǒng)為提高各環(huán)節(jié)的質(zhì)量管控水平以滿足適航質(zhì)量體系要求，建設(shè)生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)字孿生，要求達到如下目標(biāo)：

1)互聯(lián)。生產(chǎn)系統(tǒng)實物模型與數(shù)據(jù)模型互聯(lián)，實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計輸入接收到工藝、生產(chǎn)準(zhǔn)備、物流、生產(chǎn)、設(shè)備維護全過程的實物與數(shù)據(jù)模型互聯(lián)。

2)集成。實現(xiàn)從產(chǎn)品設(shè)計輸入接收到工藝、生產(chǎn)準(zhǔn)備、物流、裝配生產(chǎn)過程橫向業(yè)務(wù)集成；實現(xiàn)人機料法環(huán)測與控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)縱向信息集成。

3)數(shù)據(jù)源統(tǒng)一。發(fā)動機生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運營過程數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)統(tǒng)一。

圖2 商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)

搭建商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生模型總體架構(gòu)如圖2所示，其中應(yīng)具有如下特征：

1)從商用航空發(fā)動機產(chǎn)品數(shù)字模型到產(chǎn)品實物模型構(gòu)建基于模型的全數(shù)字記錄。針對商用航空發(fā)動機適航取證過程對產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的可追溯性要求，以及產(chǎn)品生產(chǎn)過程中成本控制等運營管理要求，構(gòu)建生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生，對生產(chǎn)執(zhí)行、物流、設(shè)備、質(zhì)量活動進行數(shù)據(jù)獲取。

2)針對商用航空發(fā)動機產(chǎn)品生產(chǎn)的全過程數(shù)據(jù)閉環(huán)。形成生產(chǎn)成本、物流管控、設(shè)備穩(wěn)定性及質(zhì)量一致性管理的數(shù)據(jù)處理、使用，關(guān)鍵績效指標(biāo)計算、分析過程閉環(huán)。即能快速通過商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)字孿生獲取的實時數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確計算相關(guān)績效指標(biāo)參數(shù)，并形成績效指標(biāo)參數(shù)與過程參數(shù)的直接映射對應(yīng)關(guān)系。

3)針對商用航空發(fā)動機產(chǎn)品生產(chǎn)的自組織優(yōu)化。通過對商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，及決策知識的積累，逐漸形成基于數(shù)據(jù)的自組織優(yōu)化能力，在不同層次、不同環(huán)節(jié)構(gòu)建自主判斷能力。

4 基于數(shù)字孿生的商用航空發(fā)動機總裝車間生產(chǎn)管控實踐

總裝裝配是商用航空發(fā)動機制造的最后環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品的質(zhì)量、綜合性能及可靠性等有著決定性影響。針對裝配車間，進行基于數(shù)字孿生技術(shù)的生產(chǎn)管控實踐過程中，首先建立起商用航空發(fā)動機裝配車間的數(shù)字孿生模型，在此基礎(chǔ)上，通過多傳感器技術(shù)建立數(shù)字孿生模型與實際生產(chǎn)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)連接，在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建自適應(yīng)同步生產(chǎn)管控機制，實現(xiàn)基于數(shù)字孿生的商用航空發(fā)動機裝配生產(chǎn)過程的自適應(yīng)管控，研究其對生產(chǎn)過程穩(wěn)定性及對干擾響應(yīng)的具體提升作用。

4.1 航空發(fā)動機總裝車間生產(chǎn)系統(tǒng)建模與仿真

數(shù)字孿生的基礎(chǔ)是采用數(shù)字化的形式對物理實體的行為和流程進行動態(tài)呈現(xiàn)。在進行數(shù)字孿生實踐過程中，首先對商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)進行建模，對生產(chǎn)系統(tǒng)的人機料法環(huán)測要素及其生產(chǎn)活動進行數(shù)字化呈現(xiàn)。具體包括圖1中三類信息，具體說明如下：

1)基礎(chǔ)信息：裝配車間布局、設(shè)備清單及設(shè)備產(chǎn)能、線邊倉對應(yīng)零部件或半成品數(shù)量、產(chǎn)品模型、工藝說明書、工藝布局圖、工時定額、物料基礎(chǔ)信息、質(zhì)量基礎(chǔ)要求。

2)需求信息：商用航空發(fā)動機產(chǎn)品及其型號研制數(shù)量信息。

3)能力信息：包括設(shè)備資源產(chǎn)能信息、人力資源信息、物料資源等。

數(shù)字孿生建模過程的基本邏輯如圖3所示。通過建模與仿真，構(gòu)建基于模型的商用航空發(fā)動機生產(chǎn)系統(tǒng)，對模型進行可視化展示，針對具體產(chǎn)品模擬商用航空發(fā)動機總裝車間的各項生產(chǎn)執(zhí)行活動，并對模擬過程中的數(shù)據(jù)進行展示，管理人員事前確定是否滿足預(yù)定要求，如有偏離，需要進一步調(diào)整資源配置相關(guān)情況。

圖3 商用航空發(fā)動機總裝車間數(shù)字孿生建模及可視化的基本業(yè)務(wù)邏輯

圖4 商用航空發(fā)動機總裝車間數(shù)字孿生建模及可視化案例

如圖4所示，以商用航空發(fā)動機總裝車間某對接裝配工序為例，進行建模仿真及可視化介紹，該工序要求對接精度高，需要事前對零部件進行選配，以避免重復(fù)工作浪費資源。通過獲得零部件的加工精度數(shù)據(jù)，對零部件建模及對接過程進行仿真，對裝配誤差進行評估及選配，可以在裝配前對對接的軸和孔的匹配情況進行仿真及可視化展示，滿足裝配條件的情況下，進行物流安排及工作安排，開展生產(chǎn)活動。

4.2 虛實數(shù)據(jù)互聯(lián)集成

有效采集、組織和管理裝配車間產(chǎn)生的各類要素數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生仿真模型能執(zhí)行有效調(diào)整的基礎(chǔ)。隨著物聯(lián)網(wǎng)、傳感器以及無線技術(shù)的不斷發(fā)展，以RFID為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟，在信息采集、處理速度、使用便捷性、抗干擾、適應(yīng)環(huán)境方面表現(xiàn)出極強的適應(yīng)性。

商用航空發(fā)動機裝配車間中的各類數(shù)據(jù)信息獲取及傳輸?shù)那廊缦拢?/p>

1)基礎(chǔ)信息獲取方式：通過數(shù)字孿生系統(tǒng)建立初期，在數(shù)字化信息系統(tǒng)中進行完整的設(shè)置獲得；

2)需求信息獲取方式：通過數(shù)字孿生系統(tǒng)運行過程中，不同階段的錄入輸入獲得；

3)能力信息獲取方式：能力信息考慮其隨時間的變化特性，且實時影響參數(shù)數(shù)據(jù)配置及最終的決策，需要對各類資源，包括設(shè)備、物料、人力資源、在制品的質(zhì)量狀態(tài)等信息進行實時數(shù)據(jù)獲取。考慮RFID技術(shù)的成熟度，商用航空發(fā)動機總裝車間采用RFID技術(shù)進行相關(guān)數(shù)據(jù)獲取。

圖5為基于模型的商用航空發(fā)動機總裝車間某廠房生產(chǎn)系統(tǒng)信息集成中展示頁面中的總體信息集成頁面，基于數(shù)字孿生的商用航空發(fā)動機總裝車間生產(chǎn)管控執(zhí)行過程中，依據(jù)生產(chǎn)系統(tǒng)管理的基本要求，在相關(guān)資源中添加RFID標(biāo)識及傳感器，建模，通過數(shù)據(jù)集成，可進行可視化組態(tài)配置，將數(shù)據(jù)存儲到綜合數(shù)字孿生環(huán)境數(shù)據(jù)庫中，以圖形化的方式對信息進行綜合展示，例如針對車間顯示如下綜合信息：

1)工作中心信息：工作中心的總體數(shù)量和工作中心基本數(shù)據(jù)；

2)班組信息：展示班組的總體數(shù)量和班組的列表；

3)人員信息：展示人員總體數(shù)量和人員列表的展示；

4)設(shè)備信息：展示位于當(dāng)前廠房的設(shè)備總數(shù)和和設(shè)備列表；

5)訂單信息：展示當(dāng)前廠區(qū)正在生產(chǎn)的發(fā)動機型號和臺份以及其所有訂單的數(shù)量；

6)訂單類型：展出當(dāng)前生產(chǎn)發(fā)動機型號數(shù)量和訂單數(shù)量以及訂單的列表；

7)環(huán)境數(shù)據(jù)：展示廠房的溫度、濕度、噪音、氣壓、光源、PM2.5等環(huán)境數(shù)據(jù)。

圖5 商用航空發(fā)動機總裝車間數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成環(huán)境

4.3 基于數(shù)字孿生的自適應(yīng)同步生產(chǎn)管控

圖6展示了商用航空發(fā)動機總裝車間生產(chǎn)管控過程中進行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理自適應(yīng)管控的業(yè)務(wù)邏輯。生產(chǎn)系統(tǒng)在運行初期通過大量的數(shù)據(jù)實踐，總結(jié)并形成決策優(yōu)化規(guī)則及知識庫。在批量生產(chǎn)規(guī)?；\行過程中，通過生產(chǎn)系統(tǒng)仿真預(yù)測生產(chǎn)系統(tǒng)的參數(shù)變化趨勢，并與物理生產(chǎn)系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)進行匹配，由執(zhí)行器及推理器獲得知識及規(guī)則輸入，通過數(shù)據(jù)優(yōu)化算法計算，支持系統(tǒng)進行決策參數(shù)調(diào)整。具體執(zhí)行過程中，通過有效前置輸入數(shù)據(jù)，管理人員可以對監(jiān)控參數(shù)進行編輯或調(diào)整。以滿足既定的目標(biāo)要求。

圖6 基于數(shù)字孿生的商用航空發(fā)動機總裝車間自適應(yīng)生產(chǎn)控制業(yè)務(wù)邏輯

5 結(jié)語

商用航空發(fā)動機因其產(chǎn)品的特殊性，生產(chǎn)過程由科研試制型號研制向規(guī)?；可a(chǎn)階段轉(zhuǎn)變的時間周期長、復(fù)雜度高，隨著新一代數(shù)字技術(shù)的不斷推進，本文探索并建設(shè)基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)管控系統(tǒng)，同時適應(yīng)并構(gòu)建響應(yīng)型號研制和規(guī)?；可a(chǎn)中的各種擾動的響應(yīng)機制，并應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、傳感器及數(shù)據(jù)分析技術(shù)，達成生產(chǎn)定制化與規(guī)?；挠袡C統(tǒng)一，滿足產(chǎn)品不同階段交付要求，并在此過程中提高商用航空發(fā)動機生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性和效率。