白萌，李昭，劉佳

（中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100120）

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能制造成為制造業(yè)的主攻方向。在“中國(guó)2025”行動(dòng)綱領(lǐng)的指導(dǎo)下，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)逐漸向智能工廠方向探索，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。近年來，日益復(fù)雜的國(guó)際大環(huán)境對(duì)武器的研制周期提出了更加苛刻的要求。作為奪取制空權(quán)的重要精密武器，空空導(dǎo)彈具有“多品種、小批量”的特點(diǎn)，屬于典型的離散型生產(chǎn)模式。在混線生產(chǎn)實(shí)際運(yùn)營(yíng)過程中，生產(chǎn)過程信息無法實(shí)時(shí)采集、生產(chǎn)資源狀態(tài)無法實(shí)時(shí)感知，造成研制資源短時(shí)沖突、計(jì)劃協(xié)同性差等問題。因此，提高產(chǎn)線自適應(yīng)能力，快速響應(yīng)并完成資源再分配，進(jìn)一步提升產(chǎn)品制造效能，成為空空導(dǎo)彈制造亟需解決的問題。

本文為提高空空導(dǎo)彈總裝車間裝配效率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等能力，開展了基于數(shù)字孿生的空空導(dǎo)彈總裝生產(chǎn)線管控方法的研究，設(shè)計(jì)了跨網(wǎng)段信息異步交互的孿生車間架構(gòu)，根據(jù)數(shù)字孿生五維模型理論提出了總裝數(shù)字車間的組成，闡述了數(shù)字孿生車間的分層管控模式，介紹了數(shù)字孿生的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。通過構(gòu)建數(shù)字孿生總裝車間，提高了裝配的數(shù)字化和智能化水平，縮短了裝配測(cè)試周期，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 數(shù)字孿生車間架構(gòu)設(shè)計(jì)

由于在空空導(dǎo)彈研制過程中對(duì)安全保密方面的考慮，信息技術(shù)和操作技術(shù)一般是物理隔離的，這給導(dǎo)彈總裝車間的智能管控帶來了困難。本文根據(jù)數(shù)字孿生車間系統(tǒng)架構(gòu)DTS（Digital Twin Shop-floor），結(jié)合總裝車間安全保密要求，提出了導(dǎo)彈總裝車間管控總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 空空導(dǎo)彈總裝車間數(shù)字孿生架構(gòu)

總裝數(shù)字孿生車間架構(gòu)分為五層，分別為物理層、模型層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

物理層和模型層分別是物理車間實(shí)體和虛擬數(shù)字鏡像，數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層在工控網(wǎng)端和涉密網(wǎng)端形成了兩套獨(dú)立的系統(tǒng)：數(shù)據(jù)層包含實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，其中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫來源于工控網(wǎng)對(duì)車間設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，歷史數(shù)據(jù)庫為涉密網(wǎng)面向車間的MES、質(zhì)量管控等信息系統(tǒng)；服務(wù)層在工控網(wǎng)端提供設(shè)備管理、故障分析、環(huán)境管控等相關(guān)基礎(chǔ)服務(wù)，在涉密網(wǎng)端提供計(jì)劃排產(chǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量管理等與作業(yè)相關(guān)的管控服務(wù)；應(yīng)用層在工控網(wǎng)端提供設(shè)備監(jiān)控、故障診斷等針對(duì)車間硬件資源的服務(wù)，涉密網(wǎng)端提供生產(chǎn)調(diào)度和集中顯示的服務(wù)，有利于生產(chǎn)管理的透明化和智能化。

2 數(shù)字孿生總裝車間組成

數(shù)字孿生五維模型包括物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及各組成部分間的連接5 個(gè)部分。

如圖2 所示，物理實(shí)體是構(gòu)成數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)，是客觀存在的實(shí)體集合；虛擬實(shí)體是物理實(shí)體的數(shù)字化鏡像，是與物理實(shí)體具有時(shí)空一致性的三維渲染模型；服務(wù)是數(shù)字孿生應(yīng)用的體現(xiàn)，包括滿足功能運(yùn)行的功能性服務(wù)和面向用戶使用的業(yè)務(wù)性服務(wù)；孿生數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)孿生的驅(qū)動(dòng)，主要包括物理實(shí)體數(shù)據(jù)、虛擬實(shí)體數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)及融合衍生數(shù)據(jù)；連接是數(shù)字孿生的動(dòng)脈，能夠?qū)崿F(xiàn)各組成部分的互通互聯(lián)。

圖2 空空導(dǎo)彈數(shù)字孿生總裝車間組成

3 數(shù)字孿生總裝車間的管控模式

如圖3 所示，數(shù)字孿生總裝車間采用“設(shè)備-過程-車間”三個(gè)層級(jí)的管控模式，通過構(gòu)建生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施、輔助設(shè)備等單元級(jí)的數(shù)字孿生，并形成總裝生產(chǎn)線、檢驗(yàn)測(cè)試等系統(tǒng)級(jí)的數(shù)字孿生，進(jìn)而與信息化系統(tǒng)共同構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)的數(shù)字孿生總裝車間。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的車間管控能夠在生產(chǎn)設(shè)備、裝配過程以及車間運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行，提高管控的透明度和智能化，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

4 數(shù)字孿生總裝車間關(guān)鍵技術(shù)

（1）物理車間的資源互聯(lián)技術(shù)。數(shù)據(jù)采集及協(xié)議解析技術(shù)、數(shù)據(jù)融合和封裝技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、異構(gòu)資源分布式系統(tǒng)控制技術(shù)、物理車間實(shí)時(shí)智能監(jiān)測(cè)技術(shù)、物理車間優(yōu)化控制技術(shù)等。

（2）虛擬車間的建模仿真技術(shù)。虛擬車間全要素建模技術(shù)、模型集成和仿真技術(shù)、模型輕量化技術(shù)、虛擬車間運(yùn)行機(jī)理和故障機(jī)理研究、過程仿真驗(yàn)證技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等。

（3）孿生數(shù)據(jù)的管理技術(shù)。多類型數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、虛實(shí)雙向映射技術(shù)、虛實(shí)融合與數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)技術(shù)、車間大數(shù)據(jù)技術(shù)等。

（4）精準(zhǔn)服務(wù)應(yīng)用技術(shù)。設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)、質(zhì)量控制和分析技術(shù)、物料跟蹤和配給技術(shù)、能耗優(yōu)化及預(yù)測(cè)技術(shù)、動(dòng)態(tài)生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)、運(yùn)行過程控制優(yōu)化技術(shù)等。

圖3 數(shù)字孿生車間三層管控模式

5 結(jié)語

通過數(shù)字孿生總裝車間的建設(shè)，能夠?qū)囬g的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)、產(chǎn)品配套數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、環(huán)境等各個(gè)維度的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)時(shí)處理，進(jìn)行生產(chǎn)過程智能化決策、產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)警與產(chǎn)線運(yùn)行健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)，有效提升車間過程透明化管控水平和資源優(yōu)化配置能力。目前，航空兵器產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生車間管控應(yīng)用尚處于探索階段，其管控方式仍需深入探討和研究。