（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安710072）

飛機(jī)裝配涉及大量的零部件、工裝、工具及人力等資源，具有過程復(fù)雜、工作量大、周期長等特點(diǎn)，是典型的復(fù)雜工作過程[1]。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線使用的資源種類繁多、數(shù)量龐大，對其有效管理和配套是保證生產(chǎn)周期和質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。通過對飛機(jī)裝配資源的有效追蹤能夠及時掌握飛機(jī)裝配過程信息，發(fā)現(xiàn)飛機(jī)裝配過程問題。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配資源管理在裝配現(xiàn)場缺乏先進(jìn)的裝配資源追蹤手段，各類裝配資源的現(xiàn)場位置等信息的獲取和現(xiàn)場管理主要依靠手工方式，難以實(shí)時獲取資源的位置、數(shù)量等信息，容易導(dǎo)致裝配現(xiàn)場資源不準(zhǔn)確、易出錯、可視化程度低等問題。因此，如何結(jié)合飛機(jī)裝配資源的特點(diǎn)，準(zhǔn)確、高效地獲取并利用飛機(jī)裝配過程中的資源現(xiàn)場位置等信息，保證各類裝配資源在正確的時間出現(xiàn)在正確的裝配站位，減少裝配工人工作量、降低錯誤使用裝配資源、提高裝配生產(chǎn)效率等現(xiàn)場問題，是提高飛機(jī)裝配資源現(xiàn)場管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

隨著信息化和智能制造技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者針對制造現(xiàn)場及資源管理進(jìn)行了大量研究[2]。拜明星[3]提出了基于MBD 技術(shù)的三維工藝設(shè)計，生成三維工藝指令并在生產(chǎn)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)可視化。王帥等[4]提出了一種基于移動終端的飛機(jī)裝配現(xiàn)場工藝可視化及信息管理方法。鄭志男等[5]研究了三維可視化在裝配車間現(xiàn)場應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，提出了基于輕量化三維模型的裝配過程管理應(yīng)用解決方案。李章錦等[6]針對復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程可視化程度低、信息傳遞效率低下的問題，提出并建立了面向復(fù)雜產(chǎn)品離散裝配過程的電子看板系統(tǒng)。屈力剛等[7]針對二維工藝文件在裝配現(xiàn)場應(yīng)用的局限性，提出并建立了三維模型的裝配現(xiàn)場可視化系統(tǒng)。近年來，隨著信息物理融合系統(tǒng)（Cyber Physical System,CPS）的技術(shù)在制造業(yè)中得到重視和應(yīng)用，CPS 正在成為飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源追蹤及可視化的使能技術(shù)，可有效支持飛機(jī)裝配現(xiàn)場對各類裝配資源的實(shí)時追蹤，提高飛機(jī)裝配資源現(xiàn)場管理能力[8–9]。

本文針對飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化存在的問題和需求，提出面向CPS 的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化方法，基于獲取的裝配資源位置等信息，對裝配資源進(jìn)行有效追蹤，并通過三維可視化的方式進(jìn)行交互，在動態(tài)變化的裝配車間環(huán)境下能夠及時發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場問題并做出決策，保證裝配任務(wù)按時完成，實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源的有效管理和控制，以提高飛機(jī)裝配車間的響應(yīng)能力和裝配現(xiàn)場資源的精細(xì)化管理。

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化建模

1 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化分析

飛機(jī)裝配現(xiàn)場管理是生產(chǎn)管理的重要環(huán)節(jié)，飛機(jī)裝配現(xiàn)場管理要求及時準(zhǔn)確地掌握飛機(jī)生產(chǎn)的動態(tài)，快速解決生產(chǎn)線問題[10]。飛機(jī)裝配現(xiàn)場管理包括飛機(jī)裝配過程追蹤與信息反饋、裝配質(zhì)量信息管理，以及根據(jù)反饋信息生成制造過程記錄[11]。其中，飛機(jī)裝配過程追蹤與信息反饋是指采集裝配現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，追蹤飛機(jī)裝配過程，及時發(fā)現(xiàn)裝配現(xiàn)場問題并及時反饋。飛機(jī)裝配過程追蹤與信息反饋是提高飛機(jī)裝配現(xiàn)場管理水平的前提和基礎(chǔ)。

飛機(jī)裝配是以裝配大綱（Assembly Order，AO）為單元進(jìn)行的，每一份AO 包含多道裝配指令，每步指令執(zhí)行什么操作，安裝什么零件等都做了詳細(xì)說明，同時對每道指令使用的工具、工裝和物料的種類，以及數(shù)量做了具體的要求[11]。飛機(jī)裝配生產(chǎn)作業(yè)計劃是裝配生產(chǎn)單位依據(jù)工位計劃要求編制的內(nèi)部各工位層面的生產(chǎn)作業(yè)計劃，以裝配工位為單位描述架次飛機(jī)的生產(chǎn)作業(yè)安排，確定了工位上各項(xiàng)作業(yè)的裝配內(nèi)容和順序、開工時間和完工時間。

在飛機(jī)裝配過程中，裝配現(xiàn)場資源種類繁多，主要包括裝配工裝、裝配工具、裝配物料、裝配人員、配送設(shè)備和在裝配件等。飛機(jī)裝配資源的狀態(tài)是指裝配資源的現(xiàn)場位置、數(shù)量和使用情況等信息，反映裝配資源的現(xiàn)場信息是否滿足裝配工藝執(zhí)行的要求，如裝配資源的位置正確或位置錯誤等。各類現(xiàn)場資源根據(jù)作業(yè)計劃在飛機(jī)裝配站位流轉(zhuǎn)，現(xiàn)場調(diào)度人員需要及時準(zhǔn)確地掌握裝配現(xiàn)場資源的位置、數(shù)量等，保證裝配資源在正確的站位進(jìn)行裝配操作，以高效、及時地完成裝配生產(chǎn)任務(wù)。因此，在飛機(jī)裝配過程中實(shí)時追蹤裝配現(xiàn)場資源并及時反饋裝配資源位置等信息是飛機(jī)裝配過程追蹤與信息反饋的重要組成部分。

（1）裝配工裝：是保證飛機(jī)裝配過程順利進(jìn)行的重要資源，如為滿足飛機(jī)裝配的準(zhǔn)確度要求，在飛機(jī)裝配過程中采用大量工裝，保證飛機(jī)裝配部件的裝配定位精度。

（2）裝配工具：是指在裝配過程中工人操作需要使用的裝配工具，如刀具、量具等。這些裝配工具在不同的工位之間流轉(zhuǎn)，用于裝配生產(chǎn)。

（3）裝配人員：是飛機(jī)裝配過程的控制者和操作者，是裝配現(xiàn)場工作的重要組成部分。裝配人員在裝配現(xiàn)場的不同站位上下載裝配生產(chǎn)任務(wù)和對當(dāng)前裝配工序進(jìn)行操作，完成裝配生產(chǎn)任務(wù)。

（4）裝配物料：是指在飛機(jī)裝配過程中所需要的零部件、附件等對象，是飛機(jī)裝配過程中的重要資源。在飛機(jī)裝配過程中，裝配物料通常根據(jù)裝配指令的要求打包，然后配送至各個裝配站位進(jìn)行裝配使用。

（5）配送設(shè)備：是目前飛機(jī)裝配車間廣泛應(yīng)用的物流運(yùn)輸裝備，配送設(shè)備需要及時地將裝配物料、裝配工具、裝配工裝等資源運(yùn)送到指定的站位以滿足裝配生產(chǎn)需求，同時還需要完成在裝配件于不同工位之間運(yùn)轉(zhuǎn)等任務(wù)。

（6）在裝配件：是指在各個裝配站位上正在進(jìn)行裝配任務(wù)的裝配對象。在飛機(jī)裝配過程中，隨著裝配工藝的執(zhí)行，由裝配人員完成在裝配件的裝配工作，保證裝配生產(chǎn)任務(wù)。

基于獲取的飛機(jī)裝配資源的實(shí)時動態(tài)信息，結(jié)合飛機(jī)裝配車間三維環(huán)境，可實(shí)現(xiàn)基于飛機(jī)裝配資源的三維模型可視化，以可視化的方式及時地展示飛機(jī)裝配資源狀態(tài)變化信息，可保證管理人員能夠及時發(fā)現(xiàn)問題并做出決策。解決管理人員難以全面地把握裝配車間內(nèi)資源實(shí)際情況的問題，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配資源的現(xiàn)場有效管理和控制，提高裝配資源現(xiàn)場管理能力。

2 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化數(shù)據(jù)模型

基于對飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源追蹤及可視化的分析，本文建立了包含裝配資源時空數(shù)據(jù)和裝配資源幾何模型數(shù)據(jù)的飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源追蹤及可視化數(shù)據(jù)模型，如圖1所示。其中，裝配資源時空數(shù)據(jù)是各類裝配資源的現(xiàn)場位置隨著裝配操作的執(zhí)行不斷移動而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，由時間數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)3 個要素組成。屬性數(shù)據(jù)是裝配資源的特有信息，如資源ID、資源名稱等；時間數(shù)據(jù)表示裝配資源執(zhí)行裝配操作時的時間數(shù)據(jù)；位置數(shù)據(jù)表示裝配資源執(zhí)行裝配操作時的位置坐標(biāo)。裝配資源幾何模型數(shù)據(jù)表達(dá)了裝配資源的幾何外形，包括幾何數(shù)據(jù)和模型屬性數(shù)據(jù)。模型幾何數(shù)據(jù)包括組成模型的點(diǎn)、線、面以及它們之間的約束關(guān)系等；模型屬性數(shù)據(jù)是指模型的特有信息，如模型ID、模型材料等。裝配資源的屬性數(shù)據(jù)和幾何模型的屬性數(shù)據(jù)是一一對應(yīng)的關(guān)系，通過這種關(guān)系將裝配資源和三維模型進(jìn)行綁定，從而建立飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源追蹤及可視化數(shù)據(jù)模型。

飛機(jī)裝配資源時空數(shù)據(jù)是指具有時間元素并隨著時間變化而變化的空間數(shù)據(jù)。在該數(shù)據(jù)模型中通過引入時間信息，不僅可以表示對象的位置信息，還能夠表示對象的空間變化信息。在飛機(jī)裝配過程中，通過時空數(shù)據(jù)去描述裝配資源的位置、時間和屬性之間的關(guān)系。如圖2所示，以裝配工具為例，表達(dá)了裝配資源時空數(shù)據(jù)的內(nèi)涵。

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化系統(tǒng)框架

1 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化系統(tǒng)

圖1 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化數(shù)據(jù)模型Fig.1 Resource tracking and visualization data model of aircraft assembly line

飛機(jī)裝配過程是一個復(fù)雜多變的過程，各類裝配資源根據(jù)裝配工藝執(zhí)行的要求在裝配車間內(nèi)不斷流轉(zhuǎn)。飛機(jī)裝配資源的追蹤是指在飛機(jī)裝配過程中，及時獲取資源狀態(tài)，對資源的位置及狀態(tài)等做出判斷并及時反饋，以最小的延遲對飛機(jī)裝配過程中發(fā)生的現(xiàn)場問題做出決策。

面向CPS 的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化框架主要包括飛機(jī)裝配資源實(shí)時信息獲取層、裝配資源實(shí)時信息處理層、裝配資源時空數(shù)據(jù)模型建立層、裝配資源可視化層，如圖3所示。

（1）裝配生產(chǎn)線資源實(shí)時信息獲取層：采集裝配人員、裝配物料、裝配工裝、裝配工具、配送設(shè)備和在裝配件等各類裝配資源的現(xiàn)場信息。在飛機(jī)裝配現(xiàn)場部署RFID 讀寫器和用于定位對象的RFID 參考標(biāo)簽，完成對裝配車間各類裝配資源的實(shí)時信息采集，為裝配資源實(shí)時信息處理層提供有效信息集。

圖2 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源的時空數(shù)據(jù)模型Fig.2 Spatio-temporal data model of aircraft assembly line resources

圖3 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化系統(tǒng)Fig.3 Resource tracking and visualization system for aircraft assembly line

（2）裝配生產(chǎn)線資源實(shí)時信息處理層：對獲取的裝配資源的實(shí)時信息進(jìn)行過濾和處理。本層的核心內(nèi)容是通過對實(shí)時信息的分析與處理，獲得裝配資源的實(shí)時位置信息和狀態(tài)信息。文中首先對裝配資源進(jìn)行定位以獲取裝配資源實(shí)時位置，然后通過建立的資源狀態(tài)追蹤模型對位置信息進(jìn)行條件判斷，以獲得裝配資源的狀態(tài)信息，最后將獲得的裝配資源位置信息和狀態(tài)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，為裝配資源時空數(shù)據(jù)模型的建立提供數(shù)據(jù)支持。

（3）裝配生產(chǎn)線資源時空數(shù)據(jù)模型建立層：對上層處理后的裝配資源數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，建立飛機(jī)裝配資源時空數(shù)據(jù)模型。本文采用的時空數(shù)據(jù)模型是基于裝配資源靜態(tài)數(shù)據(jù)和裝配資源動態(tài)數(shù)據(jù)兩方面對每一類資源進(jìn)行描述，最終形成裝配資源時空數(shù)據(jù)模型，為功能應(yīng)用層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（4）裝配生產(chǎn)線資源可視化層：以飛機(jī)三維模型可視化的方式展示飛機(jī)裝配過程中資源位置和資源狀態(tài)追蹤信息。其中資源狀態(tài)追蹤是本層的核心內(nèi)容，目的是實(shí)現(xiàn)自主地對裝配資源位置正確進(jìn)行判斷和反饋?；谔峁┑难b配資源時空數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過程資源位置追蹤和資源狀態(tài)追蹤兩種功能，然后基于可視化技術(shù)，實(shí)時展示裝配資源位置與狀態(tài)變化，保證車間管理人員全面掌握裝配車間運(yùn)轉(zhuǎn)情況，及時發(fā)現(xiàn)資源位置異常并做出調(diào)整，提高車間可視化管理水平和裝配資源現(xiàn)場管理能力。

2 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化流程

面向CPS 的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤涉及不同的功能模塊和裝配過程信息，各個功能模塊之間包含數(shù)據(jù)交換以及信息傳遞的過程，其運(yùn)行中主要包含以下信息：

（1）產(chǎn)品數(shù)模及裝配工藝信息：從企業(yè)信息管理系統(tǒng)，如PDM（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)中獲得。

（2）裝配車間作業(yè)計劃信息：從車間執(zhí)行層的管理系統(tǒng)，如MES（Manufacturing Execution System）系統(tǒng)中獲得。

（3）裝配過程資源實(shí)時信息：從裝配車間實(shí)時獲得，主要包括各類資源的屬性信息、位置信息、狀態(tài)信息等。

基于飛機(jī)裝配過程的進(jìn)展，現(xiàn)場裝配資源在車間的位置等信息不斷發(fā)生變化，面向CPS 的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化流程如圖4所示，首先基于裝配資源的時空數(shù)據(jù)模型，對飛機(jī)裝配車間AGV、裝配工具、裝配工裝、裝配物料、裝配人員和在裝配件等現(xiàn)場資源的位置、數(shù)量等信息進(jìn)行采集，對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，獲得裝配資源的實(shí)時位置等信息，再通過裝配資源追蹤模型分析各類資源的狀態(tài)變化，獲得裝配資源狀態(tài)信息，最后根據(jù)獲得的所有裝配資源信息進(jìn)行基于三維模型的位置和狀態(tài)更新，實(shí)現(xiàn)以三維模型的方式展示裝配過程資源可視化。隨著裝配資源位置的不斷變化，裝配資源的狀態(tài)也會不斷轉(zhuǎn)移，一旦裝配資源的現(xiàn)場位置不正確，則立即作出反饋。裝配車間班組長和調(diào)度員根據(jù)可視化界面提供的信息及時掌握裝配資源動態(tài)，快速解決裝配資源位置不正確的現(xiàn)場問題，提高裝配資源現(xiàn)場管理能力。

應(yīng)用驗(yàn)證

1 驗(yàn)證背景

本文以某型飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線為應(yīng)用驗(yàn)證背景，該裝配車間為了提高裝配生產(chǎn)現(xiàn)場的管控能力，需要對中機(jī)身裝配過程實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)計劃安排到生產(chǎn)過程控制的全過程控制和管理。其中，及時獲取裝配現(xiàn)場問題是實(shí)現(xiàn)該過程管控的重要組成部分。中機(jī)身裝配車間資源位置的實(shí)時獲取與狀態(tài)追蹤，旨在改進(jìn)傳統(tǒng)裝配現(xiàn)場資源追蹤模式，為裝配現(xiàn)場管理提供決策支持，提高裝配生產(chǎn)線現(xiàn)場可視化水平和裝配生產(chǎn)線管控能力。

圖4 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化流程Fig.4 Resource tracking and visualization flow of aircraft assembly line

飛機(jī)中機(jī)身裝配工藝流程如圖5所示，根據(jù)飛機(jī)中機(jī)身裝配工藝流程該飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線布局如圖6所示，主要包括地板總裝站位、氣密地板裝配站位、左右側(cè)底壁板裝配站位、左右側(cè)壁板裝配站位、頂壁板裝配站位、氣密地板裝配站位、應(yīng)急門框裝配站位、機(jī)身框裝配站位、龍骨梁盒體裝配站位、龍骨梁壁板裝配站位、龍骨梁總裝站位、中機(jī)身總裝站位等。每一個裝配站位內(nèi)都規(guī)劃了裝配資源的定制區(qū)域，用于存放裝配資源。每一個裝配站位區(qū)域設(shè)置有裝配操作準(zhǔn)備區(qū)域（SA）、裝配操作執(zhí)行區(qū)域（SB）、資源等待送回區(qū)域（SC）。裝配操作準(zhǔn)備區(qū)域用于存放即將開始中機(jī)身裝配任務(wù)的各類裝配資源；裝配操作執(zhí)行區(qū)域用于執(zhí)行中機(jī)身裝配任務(wù)；資源等待送回區(qū)域用于存放已經(jīng)使用且在等待被送回庫房的裝配資源。各類裝配資源按照要求位于裝配站位不同的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行裝配生產(chǎn)，同時隨著裝配任務(wù)的進(jìn)行，不斷地變換位置。根據(jù)車間布局的RFID 環(huán)境部署如圖7所示。

2 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源

該飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源主要包括裝配工具、裝配工裝、裝配物料、裝配人員、在裝配件和配送設(shè)備等，如表1所示。裝配工裝主要包括壁板類裝配型架、地板類裝配型架、組合夾具、鉆孔樣板等。裝配工具主要包括風(fēng)動工具、鉚槍、刀具、量具等。裝配人員主要包括裝配工人與車間班組長，裝配工人負(fù)責(zé)在裝配站位執(zhí)行裝配操作；班組長負(fù)責(zé)裝配現(xiàn)場的管理，包括生產(chǎn)派工、解決現(xiàn)場問題等。裝配物料主要包括執(zhí)行裝配工藝所需的組部件、標(biāo)準(zhǔn)件和輔助材料，其中組部件是指裝配工藝執(zhí)行所需的半成品件；標(biāo)準(zhǔn)件是指裝配過程所需的標(biāo)準(zhǔn)零件，如螺栓、螺母、鉚釘?shù)?；輔助材料包括漆、膠和清理工具，如丙酮、揩布、硬毛刷等。配送設(shè)備主要包括AGV 運(yùn)輸車、叉車等。在裝配件是指位于裝配操作執(zhí)行區(qū)域內(nèi)正在執(zhí)行裝配任務(wù)的組部件，主要包括壁板、龍骨梁、地板和中機(jī)身總裝部件等。

圖5 飛機(jī)中機(jī)身裝配工藝流程Fig.5 Aircraft fuselage assembly process flow

圖6 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線布局Fig.6 Layout of aircraft fuselage assembly line

飛機(jī)中機(jī)身裝配車間的裝配工裝、裝配工具分類存放在倉庫內(nèi)，在裝配作業(yè)計劃下達(dá)后，管理人員根據(jù)裝配生產(chǎn)作業(yè)計劃對工裝、裝配工具需求進(jìn)行配套，然后由裝配工人領(lǐng)取到指定的裝配站位。在裝配過程中，要求裝配工人負(fù)責(zé)各自領(lǐng)取的裝配工裝、裝配工具，保證不出現(xiàn)丟失、亂放等問題，同時在裝配作業(yè)完成后，將裝配工裝、工具送回工裝、工具管理處。裝配物料是裝配所需的必需品，主要包括標(biāo)準(zhǔn)件、零部件和半成品。根據(jù)飛機(jī)裝配作業(yè)計劃，物料倉庫的保管人員按照配套表進(jìn)行物料配套出庫，由配送設(shè)備配送到現(xiàn)場。在裝配過程中，需要裝配人員核對裝配物料或裝在物料的托盤上標(biāo)明的物料名稱、物料數(shù)量和特殊標(biāo)識等信息，來保證裝配物料在正確的裝配站位上使用。裝配人員是裝配作業(yè)能夠執(zhí)行的保證。目前的飛機(jī)裝配實(shí)行單架次派工管理，每架飛機(jī)的裝配開始之前，車間管理員將裝配生產(chǎn)作業(yè)計劃下發(fā)給工段，工段派發(fā)給班組，班組再分配裝配人員，由此實(shí)現(xiàn)裝配人員的派工管理。

3 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化應(yīng)用

針對上述對飛機(jī)中機(jī)身裝配資源追蹤及可視化應(yīng)用的分析，本文基于Teamcenter 和MES 應(yīng)用系統(tǒng)，并以Unity 3D 作為開發(fā)工具，開發(fā)了飛機(jī)中機(jī)身裝配資源追蹤及可視化應(yīng)用系統(tǒng)，如圖8所示。Unity 3D 主要完成基于3D 模型的現(xiàn)場資源可視化交互開發(fā)，對場景中的模型、圖片等資源進(jìn)行可視化處理。

表1 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源Table 1 Resources of aircraft fuselage assembly line

圖7 RFID環(huán)境部署Fig.7 RFID environment deployment

圖8 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化應(yīng)用系統(tǒng)Fig.8 Aircraft fuselage assembly line resource tracking and visualization application system

飛機(jī)中機(jī)身裝配資源追蹤及可視化應(yīng)用的過程主要包括：首先，對飛機(jī)中機(jī)身裝配車間及其內(nèi)部資源進(jìn)行三維建模，構(gòu)建中機(jī)身部件裝配車間三維環(huán)境，在飛機(jī)裝配車間三維模型環(huán)境內(nèi)，完成各類資源三維模型的布置；其次，建立飛機(jī)裝配資源時空數(shù)據(jù)模型，如圖9所示；最后，基于實(shí)時獲得的現(xiàn)場裝配資源的位置等信息和MES 系統(tǒng)提供的現(xiàn)場資源的使用狀態(tài)信息，如使用、空閑等，在Unity3D 開發(fā)的飛機(jī)中機(jī)身裝配資源可視化界面中以中機(jī)身裝配車間三維模型的可視化方式展示飛機(jī)裝配資源的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場資源的追蹤及可視化展示。

圖10所示是飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源信息列表，主要包含某一時刻中機(jī)身裝配車間內(nèi)所有的裝配資源屬性信息、位置信息、狀態(tài)信息，以及裝配資源所對應(yīng)的裝配指令基本信息。車間管理人員能夠獲得中機(jī)身裝配車間中裝配資源的名稱、種類等信息，以及裝配資源在中機(jī)身車間的具體位置信息和裝配資源在某一時刻的狀態(tài)信息等。圖11所示是飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源屬性界面，包含詳細(xì)記錄單個裝配資源的基本屬性、資源來源信息和使用記錄?；谫Y源屬性信息車間管理員可以詳細(xì)了解當(dāng)前資源的名稱、編號、規(guī)格和三維模型等信息，以及該資源在某一時間段內(nèi)的使用次數(shù)。圖12所示是飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源追蹤界面，它基于飛機(jī)中機(jī)身裝配車間的三維布局模型可以直觀、有效地描述所有裝配資源的在車間的位置，并且通過裝配資源三維模型的顏色和注釋的顯示、更新可以反映裝配資源的當(dāng)前狀態(tài)。如果裝配資源的現(xiàn)場位置與裝配工藝執(zhí)行要求出現(xiàn)矛盾時，車間管理人員可以在裝配資源狀態(tài)可視化界面上及時發(fā)現(xiàn)并迅速解決，管理人員也能夠及時發(fā)現(xiàn)裝配現(xiàn)場問題并做出調(diào)度，提高裝配車間資源的現(xiàn)場管理能力。

圖9 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源時空數(shù)據(jù)模型Fig.9 Spatial-temporal data model of aircraft fuselage assembly line resources

在圖12所示，飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源追蹤的可視化界面中，系統(tǒng)以不同顏色和注釋的標(biāo)識方式及時反饋裝配資源的狀態(tài)信息，保證車間管理人員能夠及時地獲取資源狀態(tài)信息。飛機(jī)裝配資源生產(chǎn)線資源可視化系統(tǒng)中定義的三維模型顏色含義如表2所示。

結(jié)論

針對飛機(jī)裝配生產(chǎn)線現(xiàn)場資源不準(zhǔn)確、易出錯、可視化程度低等問題，本文結(jié)合CPS 和三維可視化建模技術(shù)，提出了一種面向CPS 的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源追蹤及可視化方法和系統(tǒng)框架，可以基于實(shí)時獲取的飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源的位置等信息，為飛機(jī)裝配資源精細(xì)化管理提供支持。建立了包括時空數(shù)據(jù)和3D 模型數(shù)據(jù)的飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源追蹤及可視化數(shù)據(jù)模型，能夠?qū)崿F(xiàn)飛機(jī)裝配現(xiàn)場資源從物理環(huán)境到三維可視化環(huán)境的全面映射；結(jié)合CPS 技術(shù)建立了飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源現(xiàn)場追蹤的系統(tǒng)；以某飛機(jī)中機(jī)身裝配車間為應(yīng)用背景，結(jié)合飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線現(xiàn)場的實(shí)際環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)和方法的應(yīng)用驗(yàn)證，可實(shí)現(xiàn)對飛機(jī)裝配生產(chǎn)線現(xiàn)場資源的有效管理和控制，提高飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的響應(yīng)能力和裝配現(xiàn)場資源的精細(xì)化管理。

圖10 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源信息列表Fig.10 Resource information of aircraft fuselage assembly line

圖11 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源屬性Fig.11 Resource attributes of aircraft fuselage assembly line

圖12 飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線資源追蹤可視化Fig.12 Visualization of resource tracking in aircraft fuselage assembly line

表2 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線資源可視化系統(tǒng)中定義的三維模型顏色含義Table 2 Three-dimensional model color definition in aircraft assembly line resource visualization system