基于裝配信息物理融合系統(tǒng)的產(chǎn)品裝配閉環(huán)管理模式研究*

中國空空導彈研究院 河南洛陽 471009

1 研究背景

現(xiàn)階段，我國產(chǎn)品裝配車間大多為各部門分工管理，不同部門有不同的管理方式。這種管理模式比較粗放，未形成有效閉環(huán)，使得裝配作業(yè)管理面臨諸多問題。例如，裝配作業(yè)任務(wù)不能及時下達到裝配生產(chǎn)線，對異常情況響應(yīng)滯后，以及現(xiàn)有設(shè)備不具備對裝配過程合理性操作實時監(jiān)控的條件，從而導致裝配作業(yè)管理的盲目和混亂等。產(chǎn)品裝配作為產(chǎn)品制造中重要的一環(huán)，其過程主要特點如下：①產(chǎn)品裝配是一種典型的由客戶訂單驅(qū)動的組裝生產(chǎn)模式，其生產(chǎn)管理是嚴格按批次進行的，這就需要管理部門有一個統(tǒng)一的管理方案；②大多數(shù)機械產(chǎn)品的組成結(jié)構(gòu)比較復雜，零部件種類繁多，而且裝配工藝工序多樣，要求在管理上具有高有序性；③產(chǎn)品裝配大多是流水線作業(yè)，每個環(huán)節(jié)的控制都必須具備高可靠性和一定的靈敏度，只有裝配過程閉環(huán)才能保證生產(chǎn)的連續(xù)性和穩(wěn)定性?？梢?，要保證裝配過程的高效與穩(wěn)定，必須實現(xiàn)裝配過程的閉環(huán)管理。

當前，在產(chǎn)品裝配生產(chǎn)管理方面，一些學者已經(jīng)取得了研究成果。王發(fā)麟等[1]針對復雜機電產(chǎn)品裝配效率低、裝配質(zhì)量不高等問題，提出一種面向復雜機電產(chǎn)品的線纜虛實融合裝配方法。王小巧[2]研究和開發(fā)了一套復雜機械產(chǎn)品裝配過程質(zhì)量自適應(yīng)控制支持系統(tǒng)，可應(yīng)用于機械產(chǎn)品的裝配。常建娥等[3]針對復雜產(chǎn)品的裝配序列規(guī)劃問題，提出了一種基于離散粒子群算法的裝配序列規(guī)劃方法。尹旭悅等[4]針對航天產(chǎn)品多以手工裝配為主，無法滿足質(zhì)量需求的問題，研制了一種包含裝配作業(yè)現(xiàn)場操作指導、關(guān)鍵部件檢驗記錄功能的一體化訓練系統(tǒng)。劉檢華等[5]在裝配車間管理方面提出了一種基于工作流的裝配車間生產(chǎn)管控方法，這一方法將裝配數(shù)據(jù)和裝配過程的管理高度集成在一起，有效描述了數(shù)據(jù)與裝配過程間的動態(tài)交互，同時也實現(xiàn)了裝配數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。曾鵬[6]提出了智能工廠信息物理融合系統(tǒng)（CPS）體系架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)，為產(chǎn)品裝配車間的自動化、集成化管理提供新思路。齊文秀等[7]針對生產(chǎn)線質(zhì)量管理中存在的問題，構(gòu)建了基于CPS的生產(chǎn)線質(zhì)量管理架構(gòu)，從而快速找到質(zhì)量管理的薄弱環(huán)節(jié)。王程安[8]針對倉儲安全中存在的問題，設(shè)計并提出了適用于倉儲行業(yè)的倉儲安全CPS架構(gòu)，實現(xiàn)了倉儲安全的監(jiān)控。雖然國內(nèi)外在產(chǎn)品裝配系統(tǒng)、車間裝配數(shù)據(jù)集成、裝配車間管理等方面進行了大量研究，并且取得了許多有價值的成果，但是將產(chǎn)品裝配的物理過程與網(wǎng)絡(luò)綜合模型融合，實現(xiàn)整個裝配車間制造過程的閉環(huán)控制還處于起步階段。

綜上分析，筆者將CPS應(yīng)用到產(chǎn)品裝配中，提出一種包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、認知層、應(yīng)用層的裝配信息物理融合系統(tǒng)（ACPS）架構(gòu)，通過ACPS架構(gòu)，從底層信息感知到高層信息融合與決策，并將決策結(jié)果反饋給現(xiàn)場，從信息處理的角度將裝配過程抽象為數(shù)據(jù)-模型-應(yīng)用的過程，從而實現(xiàn)對裝配過程的閉環(huán)管理。

2 CPS概述

CPS是通信、計算和物理過程高度融合的系統(tǒng)，通過實時感知外部環(huán)境的信息，將數(shù)據(jù)融合處理并自主做出決策，再借助反饋機制反饋給物理設(shè)備，實現(xiàn)對物理過程的閉環(huán)控制管理[9]?？梢钥闯觯珻PS在信息管理上具有以下優(yōu)勢：一是實現(xiàn)信息的實時感知，能及時掌握裝配過程中動態(tài)變化的裝配信息；二是能夠?qū)?shù)據(jù)進行融合，可以對采集到的裝配數(shù)據(jù)做出正確的分析處理；三是實現(xiàn)信息的自主決策，通過對裝配過程信息的優(yōu)化，高效自主地做出正確決策；四是具有及時反饋機制，能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)空間的決策信息及時反饋給外部設(shè)備，實現(xiàn)裝配過程的閉環(huán)管理。應(yīng)用CPS，體現(xiàn)了從信息感知到信息認知，從信息認知到知識決策，再從知識決策到?jīng)Q策反饋的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化與決策過程，實現(xiàn)了完整的信息閉環(huán)管理。

可見，CPS能夠?qū)崿F(xiàn)實體空間和網(wǎng)絡(luò)空間的實時交互，將實體環(huán)境中采集到的物理信息通過網(wǎng)絡(luò)空間進行融合、分析和決策，再將生成的決策信息自主地反饋給實體環(huán)境中的物理對象，從而形成一個閉環(huán)回路。根據(jù)這一特性，將CPS應(yīng)用到產(chǎn)品裝配車間，可以實現(xiàn)產(chǎn)品裝配過程的閉環(huán)管理。筆者由此提出一種基于ACPS的產(chǎn)品裝配閉環(huán)管理模式。

3 ACPS架構(gòu)

針對產(chǎn)品裝配過程中涉及的零部件數(shù)量較多、設(shè)備及人機交互復雜、部件及相關(guān)配套調(diào)整要求多，以及相關(guān)系統(tǒng)之間的動態(tài)協(xié)調(diào)、信息交換頻繁等特點，在文獻[10]的基礎(chǔ)上提出面向產(chǎn)品裝配的ACPS架構(gòu)，主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、認知層、應(yīng)用層，如圖1所示。

3.1 感知層

感知層直接與產(chǎn)品實際裝配的物理過程交互，包含各類制造要素，如人員、設(shè)備、工具、物料、在制品及各類物理傳感器、控制器、驅(qū)動器等。感知層可以感知裝配過程中裝配扭矩和軸承裝配間隙等物理參數(shù)，以及零件質(zhì)量、生產(chǎn)環(huán)境、車間工況等信息，這一過程主要采用的技術(shù)有采集、定位、監(jiān)控等信息技術(shù)，利用分布檢測與融合技術(shù)對實時數(shù)據(jù)信息進行預處理，并將預處理后的數(shù)據(jù)信息傳輸給網(wǎng)絡(luò)層。感知層可以實時、全面、準確地反映裝配現(xiàn)場的產(chǎn)品、設(shè)備及人員之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，提高數(shù)據(jù)處理的效率和準確率。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

▲圖1 ACPS架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)層作為CPS運行的中間樞紐，將感知層提供的數(shù)據(jù)進行持續(xù)存儲和實時交互，為認知層各類集群分析和數(shù)據(jù)挖掘等能力提供支持。CPS的感知層實現(xiàn)了單個設(shè)備數(shù)據(jù)信息化的功能，網(wǎng)絡(luò)層則實時對獲取的感知數(shù)據(jù)進行融合處理，并對信息進行持續(xù)存儲、關(guān)聯(lián)分析、層次化聚類分析。根據(jù)產(chǎn)品裝配件不同階段、不同環(huán)境的狀態(tài)信息記錄需求，首先采用本體技術(shù)建立基于語義的記錄模型及記錄之間的語義關(guān)聯(lián)關(guān)系，其次采用網(wǎng)格技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)處理和存儲，最后采用面向網(wǎng)格服務(wù)的語義檢索技術(shù)，面向不同的信息檢索需求以服務(wù)化檢索的方式實現(xiàn)信息過濾與聚集。網(wǎng)絡(luò)層可以自適應(yīng)完成裝配資源的注冊、查找、發(fā)現(xiàn)、選擇、匹配成組、驗證等管理，為實現(xiàn)更敏捷的裝配資源共享追蹤與協(xié)同提供支撐，從而進行有效裝配資源服務(wù)，提高裝配資源管理的實時性、準確性和可靠性。

3.3 認知層

認知層在對裝配數(shù)據(jù)分析處理的基礎(chǔ)上加入了人的因素，核心是幫助裝配車間管理者制訂最優(yōu)的決策。認知層通過對裝配數(shù)據(jù)計算、分析，以可視化的展示方式顯示裝配進度及異常狀況，如裝配夾緊力不當、裝配工具出現(xiàn)錯誤等，以便裝配人員能夠快速、及時地對異常狀況進行總結(jié)，做出最優(yōu)的決策。認知層還可以基于具體的裝配任務(wù)對配套零部件進行合法性驗證，使裝配過程更加合法合理，滿足質(zhì)量保證體系的要求。

3.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層在認知層的基礎(chǔ)上加入了管理和控制的功能，包括裝配過程仿真優(yōu)化、生產(chǎn)過程實時監(jiān)控、物料配送管理、產(chǎn)品裝配質(zhì)量管理等。針對裝配過程的實時生產(chǎn)決策需求，建立面向裝配過程的過程語義模型與決策約束規(guī)則，結(jié)合裝配過程感知信息的實時融合與處理結(jié)果，建立面向裝配過程實時信息的種子模型，采用種子擴散的算法實現(xiàn)分析與挖掘。在此基礎(chǔ)上，采用可信區(qū)間估計算法實現(xiàn)基于實時數(shù)據(jù)的裝配狀態(tài)預判，再基于CPS的資源優(yōu)化算法實現(xiàn)實時裝配資源沖突消解與優(yōu)化調(diào)度，并通過服務(wù)的方式反饋給車間監(jiān)控執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)作業(yè)計劃調(diào)度與協(xié)調(diào)控制。

▲圖2 基于ACPS的產(chǎn)品裝配閉環(huán)管理模式

綜上所述，在裝配車間管理中應(yīng)用ACPS架構(gòu)，通過裝配信息感知、裝配信息融合、裝配過程信息決策、裝配決策信息反饋給裝配現(xiàn)場的過程，一方面能夠?qū)?shù)據(jù)進行實時處理，合理安排裝配資源，提高數(shù)據(jù)處理的效率和裝配資源管理的準確性，另一方面能夠?qū)ρb配任務(wù)進行決策和驗證，提高裝配的效率和可靠性，從而使整個產(chǎn)品裝配過程閉環(huán)、高效、有序進行。

4 裝配質(zhì)量管理分析

以某紅外產(chǎn)品舵機艙段為例，基于ACPS的產(chǎn)品裝配閉環(huán)管理模式如圖2所示。感知層所采集的數(shù)據(jù)包括裝配過程中的物理參數(shù)、零件質(zhì)量、生產(chǎn)環(huán)境、車間工況等信息，針對這些多采樣率的感知信息，先采用基于廣義S維分配的多目標跟蹤融合算法，實現(xiàn)感知信息的時空校準與位置融合，再采用基于支持向量機和隱馬爾可夫模型的混合分類器，實現(xiàn)感知信息的語義融合。網(wǎng)絡(luò)層將預處理后的數(shù)據(jù)根據(jù)狀態(tài)參數(shù)的相似性進行聚類分析，一方面對相同時間和相同裝配環(huán)境下的裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)進行比較，快速識別出相同集群中裝配質(zhì)量的差異性，并迅速判斷不合格產(chǎn)品，另一方面以時間為軸量化當前質(zhì)量數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)之間的差異，并分析、預測和評估裝配質(zhì)量。認知層以可視化的形式呈現(xiàn)裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)的變化波動性，并標注出影響裝配質(zhì)量的關(guān)鍵工序，生產(chǎn)管理者再對問題工序及時做出優(yōu)化。這樣，產(chǎn)品裝配質(zhì)量管理就形成了一個閉環(huán)控制機制，實現(xiàn)了產(chǎn)品裝配質(zhì)量的閉環(huán)與精細化管理。

在產(chǎn)品裝配質(zhì)量管理過程中，對采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行實時分析處理，挖掘出數(shù)據(jù)潛藏的隱含信息，實現(xiàn)對各配件產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中的加工工藝參數(shù)、生產(chǎn)質(zhì)量數(shù)據(jù)及加工人員信息進行質(zhì)量追溯與可視化查詢，從而有利于生產(chǎn)管理者對產(chǎn)品裝配過程的發(fā)展趨勢做出科學準確的預測，并及時采取合理有效的方式控制裝配過程中產(chǎn)生的問題?？梢?，應(yīng)用基于ACPS的產(chǎn)品裝配閉環(huán)管理模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對整個裝配車間實時動態(tài)化的閉環(huán)管理。

5 結(jié)束語

筆者針對產(chǎn)品裝配過程中信息交互不及時，管理模式開環(huán)導致裝配混亂、裝配過程不穩(wěn)定、質(zhì)量不可靠的問題，提出了基于ACPS的產(chǎn)品裝配閉環(huán)管理模式。在分析了國內(nèi)外產(chǎn)品裝配管理研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建面向產(chǎn)品裝配閉環(huán)管理的ACPS架構(gòu)，實現(xiàn)裝配信息感知、裝配信息融合、裝配過程信息決策、裝配決策信息反饋給裝配現(xiàn)場整個過程。這一管理模式將CPS融入到產(chǎn)品裝配過程的各個環(huán)節(jié)中，感知層和網(wǎng)絡(luò)層在提升裝配制造環(huán)境感知能力的同時，改變了裝配制造的物理環(huán)境結(jié)構(gòu)和信息反饋機制，實現(xiàn)了裝配資源的服務(wù)化自適應(yīng)管理。認知層與應(yīng)用層加強裝配過程的及時控制能力，實現(xiàn)敏捷的裝配規(guī)劃與計劃調(diào)整，從而提高裝配效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，促進裝配活動合理化和閉環(huán)化控制，實現(xiàn)裝配過程的穩(wěn)定、有序進行。通過裝配質(zhì)量指標分析驗證了所提出管理模式的有效性。