毛軼博 張 鑫 方 娟

（1.南京航空航天大學(xué) 南京 210016）（2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所 北京 100076）

1 引言

新一代移動(dòng)計(jì)算和信息技術(shù)（如物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、云計(jì)算、人工智能、混合現(xiàn)實(shí)）的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為“中國(guó)制造 2025”、“工業(yè)4.0”、“智慧工廠和智能制造”等先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略的落地應(yīng)用構(gòu)建了堅(jiān)實(shí)的綜合技術(shù)體系，也為航天裝備制造業(yè)帶來了新的高質(zhì)量發(fā)展契機(jī)［1］。航天制造屬于典型的多品種小批量離散型生產(chǎn)模式，具有“協(xié)作配套關(guān)系復(fù)雜、制造流程長(zhǎng)、工藝環(huán)節(jié)多、配套和外協(xié)進(jìn)度質(zhì)量不均衡以及型號(hào)研制狀態(tài)多變”等特點(diǎn)。傳統(tǒng)航天車間現(xiàn)場(chǎng)管控模式只專注于對(duì)設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、生產(chǎn)制造過程、生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、物流等單一方面管控，車間生產(chǎn)管理基本采用“人海戰(zhàn)術(shù)”，缺乏對(duì)整個(gè)生產(chǎn)車間全局狀況和態(tài)勢(shì)實(shí)施管控；信息手段落后，數(shù)據(jù)傳遞滯后、生產(chǎn)數(shù)據(jù)流通不暢，制造過程信息、質(zhì)量狀態(tài)、生產(chǎn)進(jìn)度信息難以及時(shí)反饋；車間突發(fā)異常事件（機(jī)器故障、操作失誤反饋、物料不合格、工裝報(bào)廢、產(chǎn)品質(zhì)量不合格）難以得到及時(shí)處理。傳統(tǒng)航天制造車間現(xiàn)場(chǎng)管控問題具體表現(xiàn)在如下五個(gè)方面：1）車間現(xiàn)場(chǎng)人員、設(shè)備、物料、工藝和環(huán)境信息得不到有效監(jiān)控和管理；2）生產(chǎn)進(jìn)度信息不能及時(shí)匯總處理和反饋；3）車間現(xiàn)場(chǎng)各類信息采集及分類管理手段落后；4）生產(chǎn)過程突發(fā)異常狀況應(yīng)急處理能力不足；5）產(chǎn)品制造過程質(zhì)量信息難以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管控。同時(shí)航天及其生產(chǎn)工藝過程有嚴(yán)格的安全保密要求，對(duì)通用無線、藍(lán)牙等網(wǎng)絡(luò)接入有各種限制，難以實(shí)現(xiàn)車間各類實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的縱向貫通和快速流轉(zhuǎn)利用，缺乏對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)全過程信息的多角度、多層次實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、反饋和監(jiān)控，導(dǎo)致車間現(xiàn)場(chǎng)不同信息化管理系統(tǒng)之間形成一個(gè)個(gè)“信息孤島”［2］。

面對(duì)航天車間制造過程中存在的多品種、小批量、變工藝、嚴(yán)進(jìn)度、高保密要求等難題，開展基于物聯(lián)網(wǎng)的航天制造車間現(xiàn)場(chǎng)智能化、精細(xì)化綜合管控技術(shù)研究和產(chǎn)品研發(fā)，實(shí)現(xiàn)航天制造車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息和生產(chǎn)進(jìn)度信息透明化監(jiān)控和反饋、突發(fā)異常事件及時(shí)處理、制造過程質(zhì)量精細(xì)化管控、生產(chǎn)效率大幅度提高、綜合生產(chǎn)成本的穩(wěn)步降低，既具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值，同時(shí)實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值也極高。

2 總體設(shè)計(jì)與系統(tǒng)組成

航天制造車間智能管控系統(tǒng)的建設(shè)涉及到企業(yè)制造車間生產(chǎn)活動(dòng)所使用的各種設(shè)備和資源，用于滿足以“協(xié)作配套關(guān)系復(fù)雜、制造流程長(zhǎng)、工藝環(huán)節(jié)多、配套和外協(xié)進(jìn)度質(zhì)量不均衡以及型號(hào)研制狀態(tài)多變”為特點(diǎn)的航天制造企業(yè)，產(chǎn)品生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)和制造過程信息感知、識(shí)別、采集、傳輸、清洗、融合、統(tǒng)計(jì)和顯示［3］。依據(jù)車間現(xiàn)場(chǎng)管理對(duì)象和功能范疇不同，可分為生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管控、物料運(yùn)行管控、質(zhì)量運(yùn)行管控、數(shù)字化制造與輔助要素資源管控等不同業(yè)務(wù)領(lǐng)域［4］。對(duì)標(biāo)傳統(tǒng)航天制造車間現(xiàn)場(chǎng)管控現(xiàn)狀與存在問題，航天制造車間智能管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路：1）改變車間現(xiàn)場(chǎng)傳統(tǒng)管理模式，提升車間全要素、全級(jí)次、全流程狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)采集處理數(shù)字化和智能化水平；2）增加對(duì)車間設(shè)備、物料、人員、工具工裝等生產(chǎn)要素對(duì)象實(shí)時(shí)監(jiān)控和決策支持能力，實(shí)現(xiàn)車間制造過程的透明化；3）強(qiáng)化對(duì)生產(chǎn)過程質(zhì)量的檢測(cè)和追蹤能力；4）加強(qiáng)對(duì)車間運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)的管理，提高產(chǎn)品各類數(shù)據(jù)的追溯能力；5）加強(qiáng)車間現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警和異常事件的風(fēng)險(xiǎn)管控，提升車間現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置能力；6）實(shí)現(xiàn)與車間其他信息管理系統(tǒng)的集成，消除“信息孤島”的存在。

航天制造車間智能管控系統(tǒng)主要由車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸與處理、車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、工藝過程管控、物料和質(zhì)量信息管控、車間綜合管控可視化、系統(tǒng)集成接口、系統(tǒng)管理等功能模塊構(gòu)成，基于物聯(lián)網(wǎng)的航天制造車間智能管控系統(tǒng)功能組成如圖1所示。

車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集模塊用于感知和采集車間現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員、物料、工藝、生產(chǎn)環(huán)境、報(bào)警和突發(fā)事件等實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)輸數(shù)據(jù)；車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸與處理模塊用于將采集到的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，并經(jīng)數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)融合后形成與生產(chǎn)要素統(tǒng)一狀態(tài)信息模型相對(duì)應(yīng)的規(guī)范化數(shù)據(jù)集；車間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析模塊用于計(jì)算處理和生成特定時(shí)間范圍一個(gè)或多個(gè)監(jiān)測(cè)對(duì)象的效能、績(jī)效、季度、質(zhì)量、生產(chǎn)率等統(tǒng)計(jì)信息；工藝過程管控模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流程、加工過程、機(jī)床聯(lián)網(wǎng)通信、數(shù)控程序指派和執(zhí)行狀態(tài)監(jiān)控管理；物料和質(zhì)量信息管控模塊實(shí)現(xiàn)物料庫(kù)存、物料流轉(zhuǎn)、物料加工狀態(tài)、原材料質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)、在制品過程質(zhì)量檢測(cè)信息、成品質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合管理；車間綜合管控可視化模塊為各級(jí)車間主管人員和領(lǐng)導(dǎo)提供可視化運(yùn)行駕駛艙，全局掌控車間現(xiàn)場(chǎng)各類人員、任務(wù)、資源、態(tài)勢(shì)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息，并通過反饋渠道，對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)各生產(chǎn)要素對(duì)象的狀態(tài)和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)適應(yīng)性調(diào)整，實(shí)現(xiàn)車間現(xiàn)場(chǎng)的穩(wěn)定、高效、安全運(yùn)轉(zhuǎn)［5］；系統(tǒng)集成接口是與車間其他管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流和系統(tǒng)集成的通道。

3 關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.1 車間多源異構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與處理

航天制造車間智能管控系統(tǒng)通過使用智能傳感設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)，并借助大數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，進(jìn)行制造車間人員、設(shè)備、物料、工具工裝、加工工藝、生產(chǎn)環(huán)境、加工進(jìn)度、生產(chǎn)過程質(zhì)量等生產(chǎn)要素實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)行信息的智能感知和分類采集，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素對(duì)象的智能識(shí)別、人員設(shè)備物料的跟蹤定位、生產(chǎn)進(jìn)度及環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)報(bào)警和突發(fā)異常時(shí)間等多源異構(gòu)信息實(shí)時(shí)監(jiān)控、綜合分析和反饋調(diào)節(jié)［5］。車間單個(gè)生產(chǎn)要素對(duì)象（如車間機(jī)床設(shè)備）狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，依據(jù)其來源和形態(tài)不同大體上可分為靜態(tài)配置信息集、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)信息集和統(tǒng)計(jì)分析信息集三種類型［6］，每種信息集包括多個(gè)代表機(jī)床設(shè)備不同屬性和狀態(tài)信息的特征項(xiàng)，這些信息集和特征項(xiàng)共同構(gòu)成了機(jī)床設(shè)備的統(tǒng)一狀態(tài)信息模型，車間機(jī)床設(shè)備統(tǒng)一狀態(tài)信息模型如圖2所示。

圖2 車間機(jī)床設(shè)備統(tǒng)一狀態(tài)信息模型

車間現(xiàn)場(chǎng)制造實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)來源廣、類型多樣、形式異構(gòu)，開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量和脈沖量信號(hào)數(shù)據(jù)均有涉及，再加上車間不同生產(chǎn)要素自帶不同類型和接口的數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換設(shè)備，有必要按照不同車間生產(chǎn)要素的自身特點(diǎn)，采用不同的數(shù)據(jù)采集手段、網(wǎng)絡(luò)傳輸方式對(duì)車間制造過程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理［13］。車間多源異構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑如圖3所示。

圖3 車間多源異構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)及運(yùn)行數(shù)據(jù)采集與處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)途徑

各類設(shè)備（車、銑、刨、磨、鉗、鏜、電火花加工設(shè)備、線切割設(shè)備機(jī)器人、AVG小車等）、工藝流程等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用DNC設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行感知和采集，采用車間現(xiàn)場(chǎng)485等總線和以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸；人員、物料、工具工裝（刀具、夾具、模具、檢具、工具等）等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采用RFID標(biāo)簽讀寫系統(tǒng)、二維、三維條形碼系統(tǒng)進(jìn)行感知和采集，采用加密ZigBee、藍(lán)牙、WIFI、5G、衛(wèi)星通信等無線傳感物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定安全傳輸［11～12］；車間環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、粉塵、氣體煙霧、噪音等）采用對(duì)應(yīng)智能傳感器進(jìn)行感知和采集，采用采用加密ZigBee、藍(lán)牙、WIFI、5G、衛(wèi)星通信等無線傳感物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)穩(wěn)定安全傳輸，所有實(shí)時(shí)狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)均被并轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為能被識(shí)別的不同采樣頻率的數(shù)值形式，通過分布在車間不同區(qū)域的數(shù)據(jù)處理終端進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗（基于滑動(dòng)窗口模型和卡爾曼濾波模型）和數(shù)據(jù)融合（分簇?cái)?shù)據(jù)融合、基于概率的數(shù)據(jù)融合）操作后，最后分類匯聚到車間實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中，供整個(gè)航天制造車間智能管控系統(tǒng)進(jìn)行使用。

3.2 基于本體和Web服務(wù)的航天制造車間異構(gòu)系統(tǒng)集成

隨著航天制造車間數(shù)字化建設(shè)的不斷推進(jìn)，車間各種信息應(yīng)用系統(tǒng)也越來越多，如ERP、MES、SCADA、DNC、CAPP、CRM、WMS系統(tǒng)等［8］。要實(shí)現(xiàn)對(duì)車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控和綜合管控，貫通使用制造車間微系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備信息、產(chǎn)品信息、工藝信息、庫(kù)存信息和物流信息等數(shù)據(jù)流和信息流，需要通過系統(tǒng)集成的方式實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)現(xiàn)有各類信息管理系統(tǒng)系統(tǒng)互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)和信息集成應(yīng)用［9～10］。航天制造車間智能管控系統(tǒng)通過本體和Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)與ERP、MES、SCADA、DNC、CAPP、WMS、CRM等系統(tǒng)集成和數(shù)據(jù)交換共享，與ERP系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃執(zhí)行信息、庫(kù)存信息獲取和結(jié)果反饋，與MES系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)在制品信息、生產(chǎn)進(jìn)度信息和制造過程質(zhì)量信息的獲取和結(jié)構(gòu)反饋，與SCADA和DNC系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、人員狀態(tài)信息的評(píng)估和分析，與CAPP系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)工藝文檔、工藝流程和NC代碼信息的獲取和執(zhí)行結(jié)果反饋，與WMS系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)物流信息的獲取，與CRM系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)訂單信息的獲取及進(jìn)度結(jié)果反饋?；诒倔w和Web服務(wù)的航天制造車間信息應(yīng)用系統(tǒng)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 基本體和Web服務(wù)的航天制造車間信息應(yīng)用系統(tǒng)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)

基于本體和Web服務(wù)技術(shù)，航天制造車間智能管控系統(tǒng)獲取MES系統(tǒng)的生產(chǎn)進(jìn)度實(shí)現(xiàn)流程可描述如下：MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）將生產(chǎn)進(jìn)度查詢封裝為Web服務(wù)，并在航天制造車間集成平臺(tái)上發(fā)布生產(chǎn)進(jìn)度查詢服務(wù)，航天制造車間智能管控系統(tǒng)通過企業(yè)服務(wù)注冊(cè)中心服務(wù)器查找并綁定MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）發(fā)布的生產(chǎn)進(jìn)度查詢服務(wù)，然后經(jīng)過本體映射與轉(zhuǎn)換后航天制造車間智能管控系統(tǒng)發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求（服務(wù)請(qǐng)求Soap），MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）處理服務(wù)請(qǐng)求并經(jīng)本體映射與轉(zhuǎn)換后響應(yīng)服務(wù)請(qǐng)求，并將服務(wù)響應(yīng)Soap返回給航天制造車間智能管控系統(tǒng)，通過本體和Web Services最終實(shí)現(xiàn)了航天制造車間智能管控系統(tǒng)和MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）間的信息集成。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)例驗(yàn)證

參照航天制造車間智能管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想與功能結(jié)構(gòu)規(guī)劃內(nèi)容，采用可有效減少對(duì)象之間的依賴性與耦合性的MVC設(shè)計(jì)模式，開發(fā)了航天制造車間智能管控原型系統(tǒng)，并將其成功應(yīng)用到某航天機(jī)加車間的現(xiàn)場(chǎng)綜合管控中。系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)和信息集成等技術(shù)對(duì)實(shí)際車間生產(chǎn)要素?cái)?shù)據(jù)、生產(chǎn)活動(dòng)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)生產(chǎn)過程計(jì)劃、質(zhì)量、人員、現(xiàn)場(chǎng)，穩(wěn)定了車間生產(chǎn)秩序，提高了車間資源利用率，提升了車間整體生產(chǎn)效率，保證了產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，為車間管理者提供可靠的決策支持?jǐn)?shù)據(jù)，有效提升了車間的管理水準(zhǔn)及企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，圖5和圖6分別為航天制造車間智能管控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)例驗(yàn)證界面。

圖5 車間生產(chǎn)電子看板

圖6 設(shè)備實(shí)時(shí)信息監(jiān)控及運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)語

針對(duì)航天制造車間現(xiàn)場(chǎng)存在的管控對(duì)象多樣、生產(chǎn)信息分散、設(shè)備效能不高、進(jìn)度統(tǒng)計(jì)展示不透明、變更動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢等難題，以航天制造車間生產(chǎn)要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、制造過程質(zhì)量控制、生產(chǎn)進(jìn)度及時(shí)統(tǒng)計(jì)展示為對(duì)象，開展物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的車間現(xiàn)場(chǎng)綜合管控技術(shù)和應(yīng)用研究。本文梳理了傳統(tǒng)航天制造車間現(xiàn)場(chǎng)管控現(xiàn)狀與存在問題，構(gòu)建了航天制造車間智能管控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與功能結(jié)構(gòu)，詳述了航天制造車間智能管控系統(tǒng)關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)，給出了航天制造車間智能管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用實(shí)例。航天制造車間智能管控系統(tǒng)的研制和應(yīng)用，有效提升了航天制造車間生產(chǎn)要素實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)手段、生產(chǎn)過程透明化管控水平和制造資源優(yōu)化配置能力，拓寬和深化了物聯(lián)網(wǎng)等新一代前沿信息技術(shù)在航天制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。