生產(chǎn)線仿真技術(shù)發(fā)展及在航空制造中的應(yīng)用

（沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實驗室，沈陽 110136）

數(shù)字化工廠是利用一系列數(shù)字化制造技術(shù)及計算機(jī)仿真技術(shù)，在虛擬環(huán)境中對制造各環(huán)節(jié)進(jìn)行仿真分析的一種現(xiàn)代制造模式。數(shù)字化工廠技術(shù)主要包括虛擬裝配仿真、生產(chǎn)仿真、工藝設(shè)計仿真、人機(jī)工程仿真、工程布局仿真等，而生產(chǎn)線仿真技術(shù)作為實現(xiàn)數(shù)字化工廠的一項關(guān)鍵支撐技術(shù)，將是生產(chǎn)制造業(yè)的研究重點(diǎn)。

生產(chǎn)線作為復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)，是典型的離散事件系統(tǒng)，即生產(chǎn)線仿真屬于離散事件系統(tǒng)仿真。生產(chǎn)線仿真主要是指生產(chǎn)物流仿真,它是以計算機(jī)仿真技術(shù)為前提，結(jié)合產(chǎn)品工藝流程、工廠制造資源等信息，對整個生產(chǎn)系統(tǒng)的各個元素和生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，然后對生產(chǎn)線整體布局及物流系統(tǒng)進(jìn)行仿真。其目的主要是在生產(chǎn)線投入使用前，預(yù)先對生產(chǎn)制造過程進(jìn)行評估，驗證工藝路線及設(shè)備布局的合理性，優(yōu)化資源配置和物流管理，分析生產(chǎn)線的產(chǎn)能及設(shè)備利用率，找到瓶頸工序并優(yōu)化，為生產(chǎn)線正式運(yùn)行提供依據(jù)[1-3]。

隨著制造業(yè)市場需求的變化，生產(chǎn)方式向多品種、小批量、訂單式方向轉(zhuǎn)變。由于生產(chǎn)線具有多變性、隨機(jī)性、復(fù)雜性及動態(tài)性等特點(diǎn)，依靠設(shè)計人員經(jīng)驗的傳統(tǒng)的生產(chǎn)線設(shè)計方法理念已不能滿足要求；在生產(chǎn)線投產(chǎn)之前，難以對設(shè)備利用率、產(chǎn)能等性能進(jìn)行評估，并且出現(xiàn)設(shè)備故障等突發(fā)事件，無法及時在人員配置等方面做出合理的調(diào)整；數(shù)學(xué)解析方法已無法對復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行研究[4]。因此，生產(chǎn)制造業(yè)對生產(chǎn)線仿真技術(shù)的引進(jìn)迫在眉睫。這一趨勢同樣影響著航空制造業(yè)，飛機(jī)正朝著高可靠、高性能、長壽命、低成本的方向不斷發(fā)展，其材料種類多，零部件數(shù)量巨大，裝配過程生產(chǎn)周期長、響應(yīng)速度慢，企業(yè)需要花費(fèi)大量的資金和引進(jìn)最新的技術(shù)，對現(xiàn)有生產(chǎn)線進(jìn)行改制。生產(chǎn)線仿真技術(shù)作為現(xiàn)代制造業(yè)的先進(jìn)制造技術(shù)，是優(yōu)化生產(chǎn)線、縮短生產(chǎn)周期、提高生產(chǎn)效率及資源利用率的必然選擇，對生產(chǎn)的快速重組和提高企業(yè)的快速響應(yīng)均具有十分重要的意義。

本文簡要回顧生產(chǎn)線仿真技術(shù)的發(fā)展歷程，通過對生產(chǎn)線仿真技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行梳理與分析，指出生產(chǎn)線仿真技術(shù)在航空制造領(lǐng)域進(jìn)一步推廣需要解決的問題。

生產(chǎn)線仿真的主要內(nèi)容

生產(chǎn)線仿真的主要內(nèi)容包括生產(chǎn)工藝規(guī)劃設(shè)計、生產(chǎn)線建模及仿真優(yōu)化3個方面。生產(chǎn)線仿真技術(shù)架構(gòu)體系如圖1所示。

（1）生產(chǎn)工藝規(guī)劃設(shè)計。

生產(chǎn)工藝規(guī)劃主要是確定生產(chǎn)工藝流程、生產(chǎn)系統(tǒng)的規(guī)模、構(gòu)成和布局，包括加工設(shè)備的類型及數(shù)量選擇與布局、物流系統(tǒng)的選擇與設(shè)計、有關(guān)輔助設(shè)備的確定等，以便對整個生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行合理的配置[5]。

（2）生產(chǎn)線建模。

仿真模型是對實際生產(chǎn)系統(tǒng)的一種抽象描述，并能反映實際生產(chǎn)系統(tǒng)的本質(zhì)屬性。仿真模型建立的準(zhǔn)確度直接影響著仿真的最終結(jié)果，是生產(chǎn)線仿真的關(guān)鍵。生產(chǎn)線仿真建模包括幾何建模、邏輯建模。幾何建模是指對生產(chǎn)線上的所有設(shè)備（加工設(shè)備、物流設(shè)備、檢測輔助設(shè)備）進(jìn)行三維實體建模。邏輯是指實際生產(chǎn)系統(tǒng)中各制造資源發(fā)生的決策活動。邏輯控制實現(xiàn)對生產(chǎn)資源的選擇，用邏輯控制類抽象描述發(fā)生在特定時間不同資源對象交互活動的決策行為[6-7]。

目前，現(xiàn)代制造系統(tǒng)的建模方法有排隊論、Markov（馬爾可夫）鏈模型、數(shù)學(xué)規(guī)劃、Petri網(wǎng)等。在生產(chǎn)系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的建模方法有基于框圖的系統(tǒng)邏輯建模方法（如實體流圖法、活動循環(huán)圖法）；基于Petri網(wǎng)技術(shù)的系統(tǒng)建模；基于面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)建模方法。其中，Petri網(wǎng)建模方法的特點(diǎn)：Petri網(wǎng)采用圖形建模方法，可以清晰地描述系統(tǒng)內(nèi)部的相互作用。模型直觀，易于理解；采用自頂向下的方法分層次建立系統(tǒng)的Petri網(wǎng)模型；具有良好的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和語法，便于模型的形式化描述。

（3）仿真優(yōu)化。

仿真優(yōu)化是指在仿真結(jié)果分析的基礎(chǔ)上找出生產(chǎn)線的瓶頸并進(jìn)行改善，如設(shè)備的利用率、設(shè)備緩存區(qū)的制品數(shù)量、工序加工能力等。仿真優(yōu)化方法包括精確算法、啟發(fā)式算法和工作研究法等。啟發(fā)式算法是基于直觀或經(jīng)驗構(gòu)造的算法，對于現(xiàn)代生產(chǎn)物流系統(tǒng)的復(fù)雜性，通常采用啟發(fā)式算法進(jìn)行生產(chǎn)線優(yōu)化，現(xiàn)主要采用現(xiàn)代啟發(fā)式算法（如禁忌搜索算法、遺傳算法）。如20世紀(jì)90年代，Biegel等[8]利用遺傳算法，研究了車間調(diào)度問題；Bowden等[9]提出了總體仿真框架的理論，并結(jié)合工程實例，將仿真模型與優(yōu)化算法集成研究；Yow等[10]利用遺傳算法對混流裝配線排序問題進(jìn)行了研究。2005年，Ana等[11]采取啟發(fā)式算法和仿真模型相結(jié)合的方法對照相機(jī)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行了平衡優(yōu)化。

生產(chǎn)線仿真技術(shù)的發(fā)展

生產(chǎn)線仿真技術(shù)的發(fā)展可劃分為3個階段：通用計算機(jī)程序語言、仿真語言及仿真軟件[12]。各階段特點(diǎn)如表1所示。

20世紀(jì)40年代，隨著計算機(jī)的誕生及應(yīng)用，從20世紀(jì)60年代初，歐美發(fā)達(dá)國家開始使用專用計算機(jī)編程語言（如FORTRAN、Basic）進(jìn)行系統(tǒng)仿真[13]。隨后，英國Tocker等開發(fā)了第一個離散系統(tǒng)仿真語言GSP；美國也相繼開發(fā)了 GASP II、SLAM、Q-GERT 及 SIMSCRIPT等仿真語言。1965～1966年，美國又相繼推出了仿真語言MMIC、DSL/90。此程序語言耗時長并且無法對復(fù)雜系統(tǒng)模擬。20世紀(jì)80 年代以后，隨著圖形技術(shù)的發(fā)展，仿真語言增加了以窗口形式、圖形建模及動畫、統(tǒng)計圖示功能，國際上相繼推出了各種仿真語言，如 FORSSIGHT、HOCUS、SEEWHY 及 SIMAN 等[14-15]。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，在仿真語言的基礎(chǔ)上，國外各軟件廠商推出一系列仿真軟件[16]（如通用系統(tǒng)仿真軟件Arena、Extend、Simul8等）；面向生產(chǎn)系統(tǒng)的專用仿真軟件 Witness、AutoMod、eM_Plant、Flexsim、Delmia/Quest、Plant Simulation等。與仿真語言相比，仿真軟件有更好的人機(jī)交互性能、動畫顯示功能、集成化的建模功能[14]。常用的仿真軟件性能特點(diǎn)如表2所示。隨著計算機(jī)仿真技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，利用商用化的離散事件系統(tǒng)仿真軟件對生產(chǎn)制造系統(tǒng)進(jìn)行仿真，將成為一個必然趨勢。

圖1 生產(chǎn)線仿真技術(shù)架構(gòu)體系Fig.1 Frame system of production line simulation technology

表1 生產(chǎn)線仿真發(fā)展階段

表2 仿真軟件性能特點(diǎn)

國內(nèi)在生產(chǎn)線仿真方面的研究起步較晚，從20世紀(jì)70 年代后期開始從國外引進(jìn)仿真語言。至20世紀(jì)80年代，航天部二院和國防科技大學(xué)分別研制出了ICSL仿真語言和高級仿真語言 YFMPSS、YHSIM[14]。隨著生產(chǎn)制造業(yè)的需求，我國開始研究和開發(fā)面向離散生產(chǎn)系統(tǒng)的仿真工具。例如，清華大學(xué)、華中科技大學(xué)及上海交通大學(xué)分別研制出了集成制造系統(tǒng)IMSS、InteVss和動態(tài)仿真系統(tǒng)DEDS SIM[6,17]。

生產(chǎn)線仿真技術(shù)在航空制造中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著商用化的離散制造仿真軟件的出現(xiàn)，歐美等發(fā)達(dá)國家將生產(chǎn)線仿真軟件廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、鋼鐵、造船等行業(yè)。在航空領(lǐng)域，以波音、空客為代表的航空公司對生產(chǎn)線仿真技術(shù)的研究及應(yīng)用已發(fā)展成熟。20世紀(jì)波音公司就對生產(chǎn)線建模仿真進(jìn)行了大量的研究，并得到成功應(yīng)用。1994年，Harold[18]對飛機(jī)裝配過程建立了模型，仿真優(yōu)化了人員配置等問題；隨后在2000年，波音公司 Heike等[19]對飛機(jī)混合裝配過程進(jìn)行了建模仿真，分析了裝配工作站的工作循環(huán)時間與現(xiàn)場資源、成本的關(guān)系。空客公司為了評估車間的產(chǎn)能，對 A340-600、A340及A330飛機(jī)機(jī)翼裝配線的工藝流程進(jìn)行了仿真優(yōu)化[20]。2007年，空客公司在A380的研制過程中，對其飛機(jī)機(jī)翼翼盒結(jié)構(gòu)第一階段裝配進(jìn)行了工藝流程仿真分析，并找出了物流系統(tǒng)及裝配工藝流程的瓶頸問題。此外，羅·羅公司在航空發(fā)動機(jī)裝配線方面，利用生產(chǎn)線仿真技術(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化[13]。

生產(chǎn)線仿真技術(shù)自提出以來，一直得到我國航空工業(yè)部門的高度重視，隨著生產(chǎn)線仿真技術(shù)的發(fā)展及在其他制造業(yè)的應(yīng)用，也越來越多地應(yīng)用在我國航空制造業(yè)。文獻(xiàn)調(diào)研表明：在航空制造業(yè)中，生產(chǎn)線仿真主要對機(jī)加生產(chǎn)線仿真、裝配生產(chǎn)線仿真及鈑金生產(chǎn)線仿真。由于飛機(jī)裝配是飛機(jī)制造中最為重要的環(huán)節(jié)，對裝配線建模比較困難。因此，許多科研院校對裝配生產(chǎn)線建模仿真的研究較為集中，開展研究的單位主要包括西北工業(yè)大學(xué)和南京航空航天大學(xué)。西北工業(yè)大學(xué)先后研究出了以裝配作業(yè)單元分解為基礎(chǔ)的模塊化建模方法與基于層次時間Petri網(wǎng)的飛機(jī)大部件裝配工藝流程建模方法；南京航空航天大學(xué)利用eM_Plant及Quest，對機(jī)翼裝配線、客機(jī)裝配線進(jìn)行了建模仿真優(yōu)化[7,21-23]。

綜上所述，國外生產(chǎn)線仿真技術(shù)應(yīng)用案例相當(dāng)普遍，在縮短產(chǎn)品研制周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面取得了良好的效益，同時為我國生產(chǎn)線仿真技術(shù)應(yīng)用提供了示范作用。

目前，我國生產(chǎn)線仿真技術(shù)已從理論研究進(jìn)入到了應(yīng)用階段，但仿真軟件應(yīng)用于復(fù)雜生產(chǎn)系統(tǒng)的理論和方法還不系統(tǒng)。與國外相比，主要存在以下問題：

（1）生產(chǎn)線仿真運(yùn)行環(huán)境的缺失與薄弱；

（2）生產(chǎn)線仿真技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系不完善；

（3）技術(shù)基礎(chǔ)較薄弱。

由于航空制造業(yè)零部件種類繁多，工藝方法多，裝配復(fù)雜，故生產(chǎn)線仿真技術(shù)實施面臨更大的挑戰(zhàn)，主要表現(xiàn)在：

（1）裝配線建模困難、模型大；

（2）缺少集成化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境；

（3）缺少相應(yīng)的專業(yè)人才。現(xiàn)以某通用飛機(jī)總裝配生產(chǎn)線建模仿真為例說明生產(chǎn)線仿真技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的具體應(yīng)用[24]。首先確定飛機(jī)總裝工藝內(nèi)容與流程，對總裝車間進(jìn)行設(shè)施規(guī)劃布局；然后利用QUEST對總裝生產(chǎn)線進(jìn)行物理建模與邏輯建模，總裝生產(chǎn)線仿真模型如圖2所示；最后進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果數(shù)據(jù)如表3所示，各工作站利用率如圖3所示。

圖2 總裝生產(chǎn)線仿真模型Fig.2 Simulation model of final assembly line

從表3中可以發(fā)現(xiàn)總裝過程中的瓶頸問題：安裝起落架、安裝垂尾、安裝平尾工作站，閑置時間均較長，且安裝垂尾、平尾工作站利用率均未達(dá)到30%；安裝發(fā)動機(jī)工作站有阻塞現(xiàn)象。針對上述瓶頸問題，對生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，得出仿真數(shù)據(jù)如表4所示，各工作站利用率如圖4所示。從優(yōu)化后的仿真結(jié)果數(shù)據(jù)及直方圖可以看出，各工作站利用率明顯提高，閑置時間有所減少。通過對總裝生產(chǎn)線的仿真，找出了其瓶頸問題，經(jīng)優(yōu)化改進(jìn)后，總裝生產(chǎn)線達(dá)到了較理想的運(yùn)行狀態(tài)，為以后的實際應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。

圖3 各工種站利用率Fig.3 Utilization rate of workstation

表3 仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

表4 優(yōu)化后仿真結(jié)果數(shù)據(jù)

生產(chǎn)線仿真技術(shù)的應(yīng)用展望

德國“工業(yè) 4.0”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”及“中國制造 2025”的提出，表明全球進(jìn)入了新一輪的產(chǎn)業(yè)變革。在新常態(tài)、新戰(zhàn)略、新信息技術(shù)的大背景下，面對與國外的差距，我們必須將生產(chǎn)線仿真技術(shù)在航空制造業(yè)進(jìn)一步推廣。在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，生產(chǎn)線仿真技術(shù)將持續(xù)成為國內(nèi)航空制造技術(shù)領(lǐng)域研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。近年來，雖然生產(chǎn)線仿真技術(shù)在國內(nèi)航空制造領(lǐng)域得到了初步應(yīng)用，也取得了一定的成效，但與波音、空客等國外先進(jìn)企業(yè)相比，尚未形成規(guī)模。綜合而言，生產(chǎn)線仿真技術(shù)在國內(nèi)航空制造領(lǐng)域全面推廣還需解決以下幾方面的問題：

（1）抓好生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)平臺的理論研究及仿真軟件的應(yīng)用。

各科研機(jī)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，重視核心技術(shù)突破，更好地完善數(shù)字化工廠建設(shè)。此外，隨著生產(chǎn)制造系統(tǒng)仿真軟件的發(fā)展，應(yīng)特別重視仿真軟件優(yōu)化模塊。

（2）充分消化、借鑒其他行業(yè)的應(yīng)用成果。

目前，國內(nèi)外生產(chǎn)線仿真技術(shù)在汽車行業(yè)發(fā)展較成熟，我們應(yīng)針對航空產(chǎn)品的特點(diǎn)，進(jìn)行不同程度的應(yīng)用。

（3）重視生產(chǎn)仿真技術(shù)的集成應(yīng)用。

由于飛機(jī)零部件數(shù)量較多，材料種類多，工藝方法多，裝配生產(chǎn)線不確定因素多，故應(yīng)形成一個集成化的計算機(jī)仿真環(huán)境，更應(yīng)重視建模與生產(chǎn)線仿真系統(tǒng)的集成，以達(dá)到智能化。

（4）加強(qiáng)生產(chǎn)線仿真技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建設(shè)。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是生產(chǎn)線仿真技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，在研究與應(yīng)用過程中，需逐步完善標(biāo)準(zhǔn)體系，建立適合企業(yè)生產(chǎn)狀況的技術(shù)規(guī)范。

（5）重視專業(yè)人才培養(yǎng)。

需對相關(guān)技術(shù)人才進(jìn)行專業(yè)知識培訓(xùn)，加強(qiáng)對先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用的意識轉(zhuǎn)變。

結(jié)束語

總體而言，我國生產(chǎn)線仿真技術(shù)發(fā)展日趨成熟，并在生產(chǎn)制造業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

航空工業(yè)作為高端裝備制造業(yè)，面對當(dāng)前航空制造業(yè)的迫切需求，生產(chǎn)線仿真技術(shù)是縮短飛機(jī)研制周期、提升航空產(chǎn)品質(zhì)量的必然選擇。展望未來，隨著“中國制造2025”的逐步發(fā)展，生產(chǎn)線仿真技術(shù)作為實現(xiàn)數(shù)字化工廠的一個關(guān)鍵支撐技術(shù)，必將步入一個新的發(fā)展期。

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