黎小華，江海凡，許艾明，周敬堯，孫 云，黃 偉

（1. 航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092；2. 華中科技大學(xué)，武漢 430074）

裝配決定了產(chǎn)品的最終精度與性能，是生產(chǎn)制造的重要環(huán)節(jié)。近年來，隨著航空產(chǎn)品需求的激增，飛機(jī)裝配系統(tǒng)長期承擔(dān)著繁重的生產(chǎn)任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配產(chǎn)線提質(zhì)增效，脈動(dòng)化、準(zhǔn)時(shí)化等精益生產(chǎn)模式逐漸從簡單工業(yè)產(chǎn)品推廣到飛機(jī)制造業(yè)，如波音737客機(jī)的移動(dòng)裝配線以及波音787、F–35的脈動(dòng)生產(chǎn)線。飛機(jī)裝配系統(tǒng)的生產(chǎn)組織模式發(fā)生大幅變化，對(duì)飛機(jī)裝配過程管控提出了更高的要求[1–2]。

現(xiàn)階段我國航空制造企業(yè)對(duì)飛機(jī)裝配過程的管控方法仍然相對(duì)粗放、滯后，管控的有效性和時(shí)效性依賴于管理人員的經(jīng)驗(yàn)水平與統(tǒng)計(jì)分析能力。飛機(jī)裝配系統(tǒng)運(yùn)行過程受到生產(chǎn)訂單、現(xiàn)場(chǎng)資源及物料齊套性以及組織管理方法等諸多因素的影響與制約，隨著系統(tǒng)規(guī)模的增加，嚴(yán)重依賴人工經(jīng)驗(yàn)為主的傳統(tǒng)飛機(jī)裝配過程管控模式，越來越難以滿足脈動(dòng)式批量制造模式下透明化、精準(zhǔn)化、敏捷化的管控需求。

針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配過程動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)可視監(jiān)控需求，莊存波等[3]引入了工作流管理和電子看板技術(shù)，研發(fā)了相應(yīng)的航天產(chǎn)品裝配監(jiān)控系統(tǒng)。陳偉興等[4]建立了制造物聯(lián)車間的生產(chǎn)過程關(guān)鍵事件主動(dòng)感知模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化管理模型。劉明周等[5]提出了一種支持生產(chǎn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的對(duì)象模型，并搭建了某發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車間可視化監(jiān)控平臺(tái)。Li等[6]則設(shè)計(jì)了一個(gè)兩步框架，通過建立系統(tǒng)架構(gòu)和組件選擇標(biāo)準(zhǔn)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)集成起來，以更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)制造環(huán)境的管控。上述研究主要集中于數(shù)據(jù)采集與組織、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)建模和監(jiān)控體系構(gòu)建等，解決了數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)監(jiān)控等問題，但在分布式可視監(jiān)控、虛實(shí)融合交互及異常事件處理等方面還有所欠缺。

相較于傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)，數(shù)字孿生（Digital twin，DT）更加強(qiáng)調(diào)構(gòu)建與物理實(shí)體高度一致、三維可視化效果好、人機(jī)交互便捷的虛擬模型，以及物理實(shí)體與虛擬模型的交互與融合[7]。張新生[8]針對(duì)傳統(tǒng)管控系統(tǒng)的不足，將數(shù)字孿生引入到車間管控中，提出面向微服務(wù)的車間管控系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)管控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。Zhuang等[9]探討了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車間智能管控系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)施案例。趙浩然等[10]則基于數(shù)字孿生理念，從虛擬車間幾何建模、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理、多層次三維可視化監(jiān)控、狀態(tài)看板構(gòu)建4個(gè)方面較為系統(tǒng)地論述了基于實(shí)時(shí)信息的車間三維可視化監(jiān)控方法。上述研究表明，將數(shù)字孿生與傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，可以更好地實(shí)現(xiàn)分布式、透明化、精準(zhǔn)化、敏捷化管控效果。

飛機(jī)總裝以手工裝配為主，長期存在業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成度差、裝配過程不透明、異常處理不及時(shí)等突出問題，給裝配過程管控帶來巨大挑戰(zhàn)?；谏鲜霈F(xiàn)狀與文獻(xiàn)分析，本文通過集成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量、制造執(zhí)行、生產(chǎn)經(jīng)營等多維數(shù)據(jù)，構(gòu)建裝配過程孿生數(shù)據(jù)庫，建立飛機(jī)總裝線數(shù)字孿生模型，基于模型與數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)面向精益生產(chǎn)的多維數(shù)據(jù)綜合分析、現(xiàn)場(chǎng)異常事件預(yù)警與問題追蹤處理，以滿足裝配過程透明、精準(zhǔn)、敏捷管控需求，保障飛機(jī)高效批產(chǎn)與快速交付。

1 飛機(jī)總裝線分層透明管控需求分析

針對(duì)飛機(jī)總裝過程中存在的業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成度差、裝配過程不透明、異常事件處理不及時(shí)等問題，基于數(shù)字孿生“以虛映實(shí)、虛實(shí)融合、以虛控實(shí)”理念，從面向多維數(shù)據(jù)集成的孿生數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、面向透明可視的總裝線數(shù)字孿生建模、面向現(xiàn)場(chǎng)異常處理的融合式分層管控3方面入手，剖析飛機(jī)總裝線過程管控需求。

1.1 面向多維數(shù)據(jù)集成的孿生數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

當(dāng)前，飛機(jī)裝配過程物料信息、產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進(jìn)度數(shù)據(jù)、裝配過程技術(shù)狀態(tài)和集成測(cè)試數(shù)據(jù)等，分散在企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise resource planning，ERP）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（Product data management，PDM）、計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer aided process planning，CAPP）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing execution system，MES）及集成測(cè)試系統(tǒng)等各異構(gòu)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫各異，制約了不同階段、不同維度數(shù)據(jù)的融合分析與應(yīng)用。例如，工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、裝配過程技術(shù)狀態(tài)與集成測(cè)試數(shù)據(jù)缺乏有效集成，測(cè)試數(shù)據(jù)不能有效反饋到裝配過程對(duì)裝配技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化；裝配過程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也難以敏捷反饋到生產(chǎn)調(diào)度與工藝設(shè)計(jì)部門對(duì)裝配任務(wù)調(diào)度與裝配指令（Assembly order，AO）編制進(jìn)行輔助。

因此，需要打通園區(qū)網(wǎng)環(huán)境下的ERP、PDM、CAPP、MES以及工控網(wǎng)環(huán)境下的數(shù)控設(shè)備、集成測(cè)試系統(tǒng)等異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取和傳輸通道，構(gòu)建面向多維數(shù)據(jù)集成的孿生數(shù)據(jù)庫，支撐后續(xù)生產(chǎn)運(yùn)營管理、產(chǎn)品質(zhì)量、裝配過程、設(shè)備狀態(tài)與異常等多維數(shù)據(jù)的綜合分析與融合應(yīng)用。

1.2 面向透明可視的總裝線數(shù)字孿生建模

傳統(tǒng)的管控系統(tǒng)多基于二維圖表的電子看板形式為現(xiàn)場(chǎng)裝配人員提供物料、AO、班組等信息，信息密度低，數(shù)據(jù)時(shí)效性差，且缺乏現(xiàn)場(chǎng)裝配人員與系統(tǒng)間的有效交互手段；另一方面，傳統(tǒng)管控系統(tǒng)多為集中式架構(gòu)，缺乏面向不同系統(tǒng)層級(jí)、不同用戶角色、不同數(shù)據(jù)維度的系統(tǒng)操作與綜合分析的考慮與設(shè)計(jì)，在分布性、實(shí)時(shí)性和互動(dòng)性上較弱，導(dǎo)致裝配過程不夠清晰透明，同時(shí)也缺乏必要的數(shù)據(jù)分析手段輔助裝配過程調(diào)控與生產(chǎn)決策。

因此，需要在數(shù)據(jù)集成的基礎(chǔ)上，融合產(chǎn)品、裝配設(shè)備、裝配環(huán)境的三維數(shù)字模型，依次構(gòu)建站位、生產(chǎn)線孿生應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)裝配場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)；通過生產(chǎn)設(shè)備、人員作業(yè)、物料流轉(zhuǎn)、在制品狀態(tài)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與其對(duì)應(yīng)三維數(shù)模的動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的裝配過程三維可視監(jiān)控；通過構(gòu)建裝配進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量、工藝數(shù)據(jù)、人員班組、產(chǎn)能等指標(biāo)體系，形成面向調(diào)度人員、操作人員和管理人員等不同角色的分層精益看板。

1.3 面向現(xiàn)場(chǎng)異常處理的融合式分層管控

由于缺乏標(biāo)準(zhǔn)的、固化的異常上報(bào)與處理流程以及相應(yīng)的用戶操作系統(tǒng)支撐，當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)異常上報(bào)與處理需要在多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中頻繁切換，導(dǎo)致車間現(xiàn)場(chǎng)信息傳遞不及時(shí)、信息流不暢通。而在發(fā)生異常問題時(shí)，各工段之間、工序之間的相互協(xié)調(diào)和平衡，依靠車間現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度人員依據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)度和經(jīng)驗(yàn)來臨時(shí)決定并口頭轉(zhuǎn)達(dá)，具有較大的臨時(shí)性和隨意性。

因此，需要基于站位級(jí)、產(chǎn)線級(jí)不同層級(jí)的孿生平臺(tái)，建立現(xiàn)場(chǎng)異常事件預(yù)警與問題追蹤機(jī)制。在整合安燈系統(tǒng)、異常事件預(yù)警系統(tǒng)、ERP、MES等相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上，封裝后臺(tái)業(yè)務(wù)流程與數(shù)據(jù)處理邏輯，并通過飛機(jī)總裝數(shù)字孿生環(huán)境為用戶提供統(tǒng)一入口與便捷操作界面，借助平板電腦、觸摸屏、智能語音輸入等人機(jī)交互方式，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)物料齊套異常、生產(chǎn)進(jìn)度異常、產(chǎn)品質(zhì)量異常、設(shè)備狀態(tài)異常等異常事件的匯總、預(yù)警、上報(bào)、處置、跟蹤等一體化操作。

2 飛機(jī)總裝線數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)

基于系統(tǒng)需求分析，提出飛機(jī)總裝線數(shù)字孿生系統(tǒng)4層架構(gòu)，包括物理層、孿生數(shù)據(jù)層、孿生模型層和應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 飛機(jī)總裝線數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Digital twin system framework of aircraft assembly line

物理層包括裝配站位、集成測(cè)試島等硬件資源以及ERP、PDM、CAPP、MES等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。其中，硬件資源部署在車間工控網(wǎng)環(huán)境下，業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署在車間園區(qū)網(wǎng)環(huán)境下，兩者通過單向網(wǎng)閘進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

孿生數(shù)據(jù)層對(duì)物理層的硬件資源、業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、傳輸、處理、存儲(chǔ)和應(yīng)用，建立起物理層與孿生模型層的雙向數(shù)據(jù)通信頻道。孿生數(shù)據(jù)包括位于工控網(wǎng)的裝配站位實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、測(cè)試站位的整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)和位于園區(qū)網(wǎng)的運(yùn)營管理數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)中臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成與融合應(yīng)用。（1）實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包括人員實(shí)時(shí)位置信息、裝配站位實(shí)時(shí)狀態(tài)信息、物料實(shí)時(shí)位置信息及環(huán)境溫濕度信息等，通過工業(yè)攝像頭、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)、可編程邏輯控制器（PLC）、安燈系統(tǒng)和溫濕度傳感器等獲取。除實(shí)時(shí)監(jiān)控視頻與環(huán)境數(shù)據(jù)僅用于實(shí)時(shí)顯示外，其他數(shù)據(jù)生成時(shí)序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。此外，可以通過抓取實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面，基于圖像識(shí)別算法開展操作人員行為識(shí)別、物料實(shí)時(shí)位置跟蹤等應(yīng)用。（2）整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)包括單臺(tái)設(shè)備/部件測(cè)試數(shù)據(jù)、機(jī)載設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)、飛控系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)等，通過集成測(cè)試平臺(tái)獲取。測(cè)試數(shù)據(jù)多為文本數(shù)據(jù)，通過文件系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一檢索與管理。（3）運(yùn)營管理數(shù)據(jù)包括訂單、生產(chǎn)計(jì)劃、裝配工藝、執(zhí)行進(jìn)度、產(chǎn)品質(zhì)量和班組等信息，通過ERP、PDM、CAPP、MES等業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫接口獲取。運(yùn)營管理數(shù)據(jù)多為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，按照不同主題進(jìn)行分類存儲(chǔ)。

孿生模型層包括數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建、業(yè)務(wù)流程邏輯建模、模型業(yè)務(wù)融合應(yīng)用3個(gè)模塊。（1）數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建模塊包括資源/環(huán)境建模、分層場(chǎng)景設(shè)計(jì)、三維情景漫游與人機(jī)交互設(shè)計(jì)等功能，通過產(chǎn)品、設(shè)備、環(huán)境的三維重建、模型輕量化處理、模型組裝與動(dòng)畫編排，構(gòu)建起站位、裝配線分層三維可視化人機(jī)交互環(huán)境。（2）業(yè)務(wù)流程邏輯建模模塊基于離散事件系統(tǒng)建模仿真方法構(gòu)建裝配線和站位的邏輯模型，融合孿生場(chǎng)景，在生產(chǎn)訂單和AO序列驅(qū)動(dòng)下，模擬物料流動(dòng)、AO執(zhí)行、資源占用過程，得到不同配置參數(shù)下的仿真結(jié)果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車間產(chǎn)能分析和站位AO計(jì)劃排產(chǎn)。（3）模型業(yè)務(wù)融合模塊則融合孿生環(huán)境、孿生數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)邏輯模型等，構(gòu)建多級(jí)精益看板，包括產(chǎn)線精益看板、站位精益看板、裝配過程同步和設(shè)備狀態(tài)同步。

應(yīng)用層則在孿生數(shù)據(jù)與孿生模型基礎(chǔ)上，構(gòu)建面向操作者、管理者和決策者的分層管控應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)進(jìn)度等異常進(jìn)行反饋與處理，最終以設(shè)備操作指令、AO變更、計(jì)劃調(diào)節(jié)等形式作用于物理產(chǎn)線，形成控制閉環(huán)。

3 主要功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

基于系統(tǒng)4層架構(gòu)，對(duì)系統(tǒng)核心功能模塊進(jìn)行業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)，主要包括面向多維數(shù)據(jù)集成的孿生數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、面向透明可視的總裝線數(shù)字孿生建模、面向現(xiàn)場(chǎng)異常處理的融合式分層管控3個(gè)子系統(tǒng)。

3.1 面向多維數(shù)據(jù)集成的孿生數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

如圖2所示，面向多維數(shù)據(jù)集成的孿生數(shù)據(jù)庫構(gòu)建子系統(tǒng)包括實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成、整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)集成、運(yùn)營管理數(shù)據(jù)集成3個(gè)主要子模塊。其中，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)均為站位級(jí)數(shù)據(jù)且位于工控網(wǎng)，在裝配/測(cè)試站位看板實(shí)時(shí)刷新并按照一定頻次通過單向網(wǎng)匣將數(shù)據(jù)批量寫入園區(qū)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中臺(tái)；而運(yùn)營管理數(shù)據(jù)為生產(chǎn)線級(jí)數(shù)據(jù)且位于園區(qū)網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)庫接口按數(shù)據(jù)主題提取到數(shù)據(jù)中臺(tái)。另一方面，通過打通工控網(wǎng)和園區(qū)網(wǎng)以及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)上述3類數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中臺(tái)的匯聚，形成以飛機(jī)批架次為索引的飛機(jī)裝配過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、運(yùn)營管理數(shù)據(jù)的數(shù)字檔案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、過程復(fù)現(xiàn)、數(shù)據(jù)追溯/主題分析/關(guān)聯(lián)性分析等數(shù)據(jù)集成應(yīng)用。

圖2 面向多維數(shù)據(jù)集成的孿生數(shù)據(jù)庫構(gòu)建主要功能和業(yè)務(wù)流圖Fig.2 Key functions and business flow of twin database construction for multi-dimensional data integration

實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)集成。實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)主要集中在工控網(wǎng)，涉及裝配設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前AO執(zhí)行進(jìn)度、環(huán)境數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)等。此類數(shù)據(jù)具有時(shí)序性強(qiáng)、頻率高、數(shù)據(jù)規(guī)模增長快等特點(diǎn)。一方面，在站位上，即邊緣側(cè)，部署站位級(jí)精益看板，動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場(chǎng)操作人員及時(shí)觀測(cè)設(shè)備狀態(tài)；另一方面，按照時(shí)間序列將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以分鐘級(jí)的頻次批量寫入園區(qū)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái)，形成歷史數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)規(guī)律分析與潛在價(jià)值挖掘。

整機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)集成。整機(jī)測(cè)試站位有獨(dú)立的測(cè)試平臺(tái)，即測(cè)試島，對(duì)裝配好的飛機(jī)進(jìn)行單臺(tái)設(shè)備、機(jī)載設(shè)備、飛控設(shè)備的功能和性能測(cè)試。測(cè)試數(shù)據(jù)多為Excel表格這類半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，存在單元格合并、拆分等情況，既不便于統(tǒng)一管理文件，也無法對(duì)特定字段進(jìn)行高效檢索。此類數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出刷新頻率低、數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)。針對(duì)此類數(shù)據(jù)，首先，建立機(jī)型/批次/架次/正常（異常）/科目的分層文件存儲(chǔ)路徑，并支持路徑的配置，以便于文件的統(tǒng)一管理、快速檢索與批量下載；然后，對(duì)數(shù)據(jù)表格中的單元格合并、拆分等進(jìn)行算法批量處理，為每條數(shù)據(jù)創(chuàng)建唯一標(biāo)識(shí)，生成符合數(shù)據(jù)庫第一范式和第二范式的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以便于字段級(jí)數(shù)據(jù)的高效檢索；最后，將結(jié)構(gòu)化后的數(shù)據(jù)表文件存儲(chǔ)到測(cè)試島本地，對(duì)質(zhì)量異常做上報(bào)處理，并按照小時(shí)級(jí)的頻次將測(cè)試文件批量寫入園區(qū)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái)。

運(yùn)營管理數(shù)據(jù)集成。運(yùn)營管理數(shù)據(jù)主要分散在各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，且均位于園區(qū)網(wǎng)環(huán)境下，具有結(jié)構(gòu)化、數(shù)據(jù)規(guī)模適中、時(shí)序性弱，關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過建立數(shù)據(jù)庫視圖，從各數(shù)據(jù)庫中抽取裝配工藝、裝配計(jì)劃、產(chǎn)品質(zhì)量、物料庫存與人力資源等不同主題數(shù)據(jù)，便于開展數(shù)據(jù)可視化分析、主題分析及關(guān)聯(lián)性分析等數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3.2 面向透明可視的總裝線數(shù)字孿生建模

如圖3所示，面向透明可視的總裝線數(shù)字孿生建模子系統(tǒng)包括數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建、業(yè)務(wù)流程邏輯建模、模型業(yè)務(wù)融合應(yīng)用3個(gè)主要子模塊，分別實(shí)現(xiàn)為裝配過程管控提供所見即所得的孿生操作環(huán)境、基于離散事件系統(tǒng)建模仿真理論的裝配過程模擬與分析手段優(yōu)化、輔助決策人員和管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控與研判車間實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的精益看板構(gòu)建。

圖3 面向透明可視的總裝線數(shù)字孿生建模主要功能和業(yè)務(wù)流圖Fig.3 Key functions and business flow of final assembly lines digital twin modeling for transparency and visualization

數(shù)字孿生環(huán)境構(gòu)建。首先，對(duì)三維數(shù)模進(jìn)行輕量化處理，包括外形抽殼、不可見部分刪除、三角面片合并、紋理貼圖、動(dòng)作封裝等，建立人員、設(shè)備、產(chǎn)品及其主要部件、廠房、設(shè)施、工裝工具等輕量化模型，并編輯模型名稱、編號(hào)、功能描述、所屬站位、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)項(xiàng)等屬性參數(shù)，建立三維模型與物理實(shí)體一一對(duì)應(yīng)關(guān)系和數(shù)據(jù)連接關(guān)系。然后，構(gòu)建模型樹狀層次組織結(jié)構(gòu)和三維圖形渲染場(chǎng)景，提供燈光/紋理設(shè)置、模型拾取/平移/旋轉(zhuǎn)/縮放、視角切換、三維情景漫游、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型同步、抬頭顯示等功能，使管理人員可對(duì)廠房內(nèi)的任意地方進(jìn)行虛擬巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)廠房內(nèi)的異常問題并進(jìn)行干預(yù)處理。此外，以站位為單位統(tǒng)一管理模型，配置站位各對(duì)象交互動(dòng)畫，并預(yù)留可擴(kuò)展接口，便于模型調(diào)整和新模型擴(kuò)充。

業(yè)務(wù)流程邏輯建模?；谒鶚?gòu)建的虛擬車間場(chǎng)景，構(gòu)建產(chǎn)線/車間、站位兩級(jí)仿真模型。產(chǎn)線/車間級(jí)仿真模型以站位為基本仿真單元，將裝配線分解為由多個(gè)串/并聯(lián)站位組成的離散系統(tǒng)，從ERP獲取各站位裝配耗時(shí)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，開展車間布局優(yōu)化、產(chǎn)能分析、物流瓶頸分析等應(yīng)用。站位級(jí)仿真模型以AO為基本仿真單元，將某站位的裝配任務(wù)分解為由多個(gè)串/并聯(lián)AO組成的離散系統(tǒng)，利用預(yù)先定義的AO緊前緊后關(guān)系，動(dòng)態(tài)、參數(shù)化生成仿真邏輯模型，從ERP獲取各AO執(zhí)行耗時(shí)的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，開展裝配序列優(yōu)化、AO計(jì)劃排產(chǎn)等應(yīng)用。

模型業(yè)務(wù)融合應(yīng)用?；谒鶚?gòu)建的孿生數(shù)據(jù)庫、三維虛擬場(chǎng)景和過程邏輯模型，從數(shù)據(jù)、模型以及兩者的融合應(yīng)用3個(gè)維度構(gòu)建產(chǎn)線/車間、站位兩級(jí)應(yīng)用平臺(tái)。（1）產(chǎn)線/車間級(jí)：在數(shù)據(jù)維，從生產(chǎn)、質(zhì)量、成本、人員等不同維度選取關(guān)鍵指標(biāo)，構(gòu)建面向生產(chǎn)決策與管理者的產(chǎn)線/車間級(jí)精益看板；在模型維，通過調(diào)用建立好的產(chǎn)線/車間級(jí)仿真模型，開展瓶頸分析、產(chǎn)能評(píng)估與節(jié)拍優(yōu)化；在融合應(yīng)用維，在孿生數(shù)據(jù)、三維數(shù)模與邏輯模型共同驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)物流過程虛實(shí)同步，完整再現(xiàn)飛機(jī)各大部件在不同站位間的流轉(zhuǎn)、對(duì)合、檢測(cè)過程。（2）站位級(jí)：在數(shù)據(jù)維，從設(shè)備狀態(tài)、AO執(zhí)行情況、物料齊套情況、異常情況等構(gòu)建面向現(xiàn)場(chǎng)操作者的站位級(jí)精益看板；在模型維，通過調(diào)用建立好的站位級(jí)仿真模型，開展站位級(jí)AO計(jì)劃排產(chǎn)與裝配序列優(yōu)化；在融合應(yīng)用維，將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、技術(shù)狀態(tài)與異常事件同步至對(duì)應(yīng)三維模型，實(shí)現(xiàn)站位設(shè)備狀態(tài)虛實(shí)同步；同時(shí)，將實(shí)際AO執(zhí)行順序與工時(shí)信息反饋回仿真模型，修正與優(yōu)化仿真模型以提高仿真精度。

3.3 面向現(xiàn)場(chǎng)異常處理的融合式分層管控

如圖4所示，面向現(xiàn)場(chǎng)異常處理的融合式分層管控子系統(tǒng)包括異常事件處理流程配置、異常事件反饋、異常事件處理與跟蹤3個(gè)主要子模塊；基于3.2節(jié)所構(gòu)建的多級(jí)數(shù)字孿生管控平臺(tái)為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供統(tǒng)一操作入口，避免在不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間反復(fù)跳轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)物料齊套異常、生產(chǎn)進(jìn)度異常、設(shè)備狀態(tài)異常、人員安全異常等異常事件的預(yù)警、匯總、分發(fā)推送、處置及跟蹤等操作。

圖4 面向現(xiàn)場(chǎng)異常處理的融合式分層管控主要功能和業(yè)務(wù)流圖Fig.4 Key functions and business flow of integrated hierarchical supervisory control for on-site exception handling

異常事件處理流程配置。異常事件處理流程包括處理流程配置、處理權(quán)限配置、異常預(yù)警配置、問題看板配置4個(gè)主要步驟。首先，配置處理流程，將事件分為工藝類、生產(chǎn)類、質(zhì)量類、信息化類、綜合類5種基本事件類型，并指定不同事件類型的流程節(jié)點(diǎn)及流轉(zhuǎn)方向；然后，配置處理權(quán)限，定義不同的角色，并根據(jù)事件類型建立事件與角色的關(guān)聯(lián)關(guān)系，將不同類型事件推送到對(duì)應(yīng)角色；再次，配置異常預(yù)警，建立異常事件與三維數(shù)模的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過三維場(chǎng)景軟安燈、模型高亮等形式快速發(fā)起和反饋異常，便于處理人員快速定位；最后，配置問題看板，將異常事件信息、當(dāng)前處理流程等動(dòng)態(tài)顯示到站位和產(chǎn)線看板。

異常事件反饋。在完成基本控制流程配置后，異常事件反饋模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別異常事件反饋和人工異常事件反饋。（1）系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別異常包括人員安全環(huán)保預(yù)警、機(jī)床設(shè)備故障預(yù)警、物料安全庫存預(yù)警和生產(chǎn)物料缺件預(yù)警，并與定義的5類基本問題自動(dòng)匹配，自動(dòng)將異常事件推送到處理小組，觸發(fā)異常問題處理流程進(jìn)行控制。人員安全環(huán)保預(yù)警，基于現(xiàn)場(chǎng)視頻流圖像識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別人員未佩戴安全帽、未在指定區(qū)域等情況，推送預(yù)警信息；機(jī)床設(shè)備故障預(yù)警，通過接口獲取設(shè)備編號(hào)、設(shè)備名稱、當(dāng)前狀態(tài)、站位、機(jī)型、批次和架次信息，對(duì)設(shè)備整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，針對(duì)異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警，并將異常信息分發(fā)至工藝和生產(chǎn)小組；物料安全庫存預(yù)警，依據(jù)ERP的物料管理系統(tǒng)將低于安全庫存的信息推送給生產(chǎn)小組；生產(chǎn)物料缺件預(yù)警，通過接口獲取AO編號(hào)、物料圖號(hào)、機(jī)型、批次、架次、站位和需求時(shí)間等信息，針對(duì)未接收或未配送物料信息，系統(tǒng)自動(dòng)推送生產(chǎn)小組。（2）人工手動(dòng)反饋則通過孿生平臺(tái)的軟安燈實(shí)現(xiàn)異常事件手動(dòng)反饋，軟安燈與設(shè)備安燈系統(tǒng)建立互操作通道，現(xiàn)場(chǎng)操作人員通過站位端孿生系統(tǒng)軟安燈快速發(fā)起異常上報(bào)流程，通過配置三維模型與物理安燈的I/O接口，自動(dòng)匹配機(jī)型、批次、架次及站位信息，實(shí)現(xiàn)基于三維虛擬場(chǎng)景的現(xiàn)場(chǎng)異常事件問題的一鍵推送。

異常事件處理與跟蹤。在發(fā)起異常事件反饋流程后，異常事件處理與跟蹤模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)與手動(dòng)反饋問題的分發(fā)、推送至相應(yīng)處理小組，并跟蹤異常問題處理流程節(jié)點(diǎn)。為加快異常事件處理效率，系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)上報(bào)的異常事件以及已接收的異常處理的時(shí)間進(jìn)行流程監(jiān)控，對(duì)于超時(shí)的異常事件依據(jù)等級(jí)自動(dòng)提報(bào)科室主任或升級(jí)給分廠領(lǐng)導(dǎo)，并且在對(duì)應(yīng)管理大屏上進(jìn)行顯性提示。模塊通過實(shí)時(shí)同步業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)中的異常事件數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)庫存安全預(yù)警、AO缺料和危險(xiǎn)作業(yè)等生產(chǎn)異常事件的自動(dòng)感知。同時(shí)，車間管理人可通過裝配車間孿生同步及可視化看板展示的預(yù)警提示，發(fā)現(xiàn)工藝文件執(zhí)行異常、機(jī)上故障事件、信息安全事件及安全環(huán)保事件等生產(chǎn)異常事件。生產(chǎn)異常事件依據(jù)預(yù)先配置的信息推送到各科室負(fù)責(zé)人，若處理時(shí)間超時(shí)，事件將自動(dòng)升級(jí)并推送到分廠領(lǐng)導(dǎo)處。事件處理人在處理反饋意見后，系統(tǒng)自動(dòng)將處理信息同步到MES、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）等生產(chǎn)系統(tǒng)中，對(duì)生產(chǎn)異常事件進(jìn)行處理。

4 應(yīng)用實(shí)例

某型號(hào)飛機(jī)總裝裝配車間探索脈動(dòng)式裝配模式，建設(shè)有串行和并行站位，負(fù)責(zé)線、管、計(jì)算機(jī)成品、起落架、鴨翼、垂尾、機(jī)翼等裝配以及整機(jī)測(cè)試。基于業(yè)務(wù)和功能需求分析，為集成業(yè)務(wù)系統(tǒng)、裝配過程和整機(jī)測(cè)試過程數(shù)據(jù)，提高現(xiàn)場(chǎng)透明管理水平和異常響應(yīng)速度，在現(xiàn)場(chǎng)部署并應(yīng)用了面向分層透明管控的飛機(jī)總裝線數(shù)字孿生系統(tǒng)。

基于本文所提出的系統(tǒng)架構(gòu)，系統(tǒng)以及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)均部署在廠內(nèi)私有云上，系統(tǒng)間通過園區(qū)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，接口按照Restful風(fēng)格進(jìn)行管理，定義WebAPI接收來自數(shù)據(jù)層的HTTP請(qǐng)求，打通了裝配站位、集成測(cè)試島及業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口。系統(tǒng)后端按照功能域拆分為數(shù)據(jù)管理、孿生建模、分層管控3個(gè)服務(wù)，并基于容器技術(shù)Docker部署在私有云服務(wù)器中。采用分布式B/S架構(gòu)，在車間、各站位分別建設(shè)管控中心和工控機(jī)，支持分層級(jí)多角色管控。系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)行環(huán)境如表1所示。

表1 系統(tǒng)開發(fā)與運(yùn)行參數(shù)Table 1 System development and operating parameters

基于第3節(jié)所述的功能模塊，系統(tǒng)功能和應(yīng)用界面分為7部分：標(biāo)題框、虛擬裝配產(chǎn)線三維場(chǎng)景、生產(chǎn)看板、人員/安全/保密/6S看板、經(jīng)營看板、質(zhì)量看板和虛擬站位三維場(chǎng)景，如圖5所示。其中，車間管控中心支持從產(chǎn)線三維全貌和各業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)看板快速了解生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)，并通過模型拾取快速跳轉(zhuǎn)到對(duì)應(yīng)站位或設(shè)備，查看其實(shí)時(shí)狀態(tài)和進(jìn)展；站位工控機(jī)則支持對(duì)應(yīng)站位的設(shè)備狀態(tài)、執(zhí)行進(jìn)度、AO等的實(shí)時(shí)瀏覽，并可以通過語音、觸摸屏等融合式地發(fā)起進(jìn)度反饋、異常反饋、信息查詢等功能。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用界面設(shè)計(jì)圖Fig.5 System application interface design diagram

系統(tǒng)上線以來，在功能、性能和生產(chǎn)效益上均取得了較好的應(yīng)用效果。在功能上，集成了裝配過程數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)事件信息等異構(gòu)數(shù)據(jù)；建立了廠房、產(chǎn)品、裝配/測(cè)試站位、工裝等生產(chǎn)線要素的虛擬模型，通過系統(tǒng)集成的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型動(dòng)態(tài)變化達(dá)到虛實(shí)映射；構(gòu)建了生產(chǎn)、質(zhì)量、技術(shù)和運(yùn)營等業(yè)務(wù)域管理指標(biāo)體系，表征了生產(chǎn)線的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)；形成了危險(xiǎn)操作、AO缺料、設(shè)備故障等異常事件的自動(dòng)感知及處理追蹤機(jī)制，為裝配過程敏捷管控提供了有效途徑。在性能上，滿足現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互體驗(yàn)、數(shù)據(jù)交互、問題響應(yīng)需求，主要性能指標(biāo)如表2所示。在生產(chǎn)效益上，通過構(gòu)建孿生數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了裝配過程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)/測(cè)試數(shù)據(jù)/運(yùn)營數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)與有效集成，為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘分析積累了寶貴數(shù)據(jù)資產(chǎn)；通過虛實(shí)融合的站位/產(chǎn)線級(jí)看板有效提升了裝配過程透明化程度和現(xiàn)場(chǎng)管控效率，可減少現(xiàn)場(chǎng)管控人員1～2人；通過現(xiàn)場(chǎng)異常反饋業(yè)務(wù)集成與流程優(yōu)化，異常處理更為敏捷高效，裝配質(zhì)量趨于穩(wěn)定，裝配周期較系統(tǒng)上線前有所縮短。

表2 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indicators of the system

5 結(jié)論

本文提出了面向分層透明管控的飛機(jī)總裝線數(shù)字孿生系統(tǒng)，以解決飛機(jī)總裝過程中存在的業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成度差、裝配過程不透明、異常處理不及時(shí)等問題。針對(duì)業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成度差，通過與總裝測(cè)試中心進(jìn)行集成，打通數(shù)字化集成測(cè)試數(shù)據(jù)的獲取和傳遞通道，集成生產(chǎn)運(yùn)營、工藝設(shè)計(jì)、制造執(zhí)行和質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建了孿生數(shù)據(jù)庫；針對(duì)裝配過程不透明，形成一套數(shù)字化裝配與集成測(cè)試生產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型，實(shí)現(xiàn)裝配過程場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)、仿真分析與虛實(shí)同步監(jiān)控；針對(duì)異常處理不及時(shí)，融合三維場(chǎng)景、業(yè)務(wù)系統(tǒng)與物理設(shè)備，構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)異常事件預(yù)警與追蹤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)異常事件快速反饋、預(yù)警與追蹤。通過在某重點(diǎn)型號(hào)飛機(jī)總裝車間實(shí)際應(yīng)用，有效提升了飛機(jī)裝配過程的數(shù)字化、透明化、敏捷化水平，有力保障了飛機(jī)的高效批產(chǎn)與快速交付。

系統(tǒng)的持續(xù)上線運(yùn)行積累了大量的裝配過程數(shù)據(jù)資產(chǎn)。下一步將基于人工智能技術(shù)、仿真技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，充分利用上述數(shù)據(jù)資產(chǎn)深化數(shù)字孿生應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的目標(biāo)。一方面，構(gòu)建裝配完工時(shí)間預(yù)測(cè)、裝配設(shè)備故障預(yù)警與性能預(yù)測(cè)、物料齊套性預(yù)測(cè)等模型與算法，實(shí)現(xiàn)孿生驅(qū)動(dòng)的裝配過程動(dòng)態(tài)調(diào)度；另一方面，構(gòu)建飛機(jī)裝配過程數(shù)據(jù)履歷，建立產(chǎn)品質(zhì)量與裝配工藝、裝配過程技術(shù)狀態(tài)等的關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品質(zhì)量問題溯源與工藝參數(shù)優(yōu)化。