基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線關(guān)鍵數(shù)字化技術(shù)研究

（航空工業(yè)信息技術(shù)中心（金航數(shù)碼），北京 100028）

當(dāng)今航空工業(yè)迅猛發(fā)展，飛機(jī)的研制任務(wù)日益增多，航空運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展帶來新型飛機(jī)需求量的急劇增長，傳統(tǒng)的機(jī)庫式飛機(jī)裝配模式，各個(gè)工序之間相互影響、互相牽制，直接影響物料、人員、設(shè)備、工具等的高效使用，導(dǎo)致現(xiàn)場問題反饋和處理緩慢、裝配周期長，這樣的裝配模式已無法適應(yīng)現(xiàn)代飛機(jī)快速研制的要求。為滿足新的業(yè)務(wù)需求和挑戰(zhàn)，一種基于精益制造的先進(jìn)航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線應(yīng)運(yùn)而生。航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線可以將整個(gè)生產(chǎn)線按照站位劃成幾個(gè)單元，每個(gè)單元有其固定的設(shè)備、人員、工具、物料和工藝等，各個(gè)站位可以相互獨(dú)立工作。這樣可以合理分配利用資源，并大大減少問題反饋周期，可以極大提高整體裝配效能。國際上，如波音787、空客A320、洛馬F–35 飛機(jī)都在用脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行飛機(jī)裝配，并取得了顯著成效[1]。國內(nèi)主要飛機(jī)總裝廠已經(jīng)建造有飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線，并開始飛機(jī)脈動(dòng)裝配，極大提高了飛機(jī)裝配效能和質(zhì)量[2]。然而，傳統(tǒng)的飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線是基于圖紙的產(chǎn)品研制模式，紙質(zhì)的工卡、物料清單、問題報(bào)告等，不便于文件存儲(chǔ)和管理，不便于信息的查找、瀏覽和理解，難于實(shí)現(xiàn)信息的完整定義、連續(xù)傳遞和關(guān)聯(lián)變化，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足飛機(jī)數(shù)字化協(xié)同研制的要求，因此基于模型的航空脈動(dòng)生產(chǎn)線成為現(xiàn)代飛機(jī)研制必要的新模式。

基于模型的智能化航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線是借助數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)，通過集成、仿真、分析、控制等手段，實(shí)現(xiàn)航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的動(dòng)態(tài)感知、實(shí)時(shí)分析、自主決策和精準(zhǔn)執(zhí)行[3]。本文從基于模型的系統(tǒng)工程和智能制造出發(fā)，結(jié)合某飛機(jī)總裝廠總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線項(xiàng)目實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，綜合國內(nèi)外航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線研究成果，開展基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)研究。

1 基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用綜述

圖1 基于模型的系統(tǒng)工程整體架構(gòu)Fig.1 System engineering architecture based on model

圖1是基于模型的系統(tǒng)工程整體架構(gòu)，通過構(gòu)建數(shù)字系統(tǒng)模型框架，將模型貫穿于產(chǎn)品研制的整個(gè)過程，包括：需求工程、設(shè)計(jì)工程、制造工程、試驗(yàn)工程和轉(zhuǎn)移與確認(rèn)等，通過建立有體系架構(gòu)模型、任務(wù)架構(gòu)模型、需求模型、功能模型、邏輯模型、物理模型、仿真模型、制造模型、試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃瓦\(yùn)行模型等，實(shí)現(xiàn)模型連續(xù)傳遞與持續(xù)驗(yàn)證。在數(shù)字化虛擬環(huán)境中，解決傳統(tǒng)飛機(jī)研制在物理環(huán)境下的試驗(yàn)驗(yàn)證和更改改進(jìn)，減少設(shè)計(jì)制造迭代，確保產(chǎn)品研制一次成功。

圖2為基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造領(lǐng)域所涉及的內(nèi)容?；谀Ｐ偷暮娇彰}動(dòng)裝配生產(chǎn)線，將模型應(yīng)用于制造工程環(huán)節(jié)，數(shù)字化模型貫穿于工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工藝分析仿真和驗(yàn)證、車間生產(chǎn)線布局設(shè)計(jì)、物流仿真和驗(yàn)證、設(shè)備運(yùn)行模擬仿真、質(zhì)量分析和控制等制造工程的各個(gè)過程，實(shí)現(xiàn)航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線快速設(shè)計(jì)、正常運(yùn)轉(zhuǎn)和不斷改進(jìn)優(yōu)化。

建立基于模型的數(shù)字化航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線，基于前端的設(shè)計(jì)模型、工藝模型和生產(chǎn)線模型，進(jìn)行脈動(dòng)裝配生產(chǎn)過程模擬仿真。通過設(shè)備互聯(lián)、安燈系統(tǒng)和ERP/MES/MDC的集成，實(shí)時(shí)獲得現(xiàn)場作業(yè)信息。建立數(shù)字化設(shè)備模型、生產(chǎn)作業(yè)模型，通過數(shù)字化模型仿真了解生產(chǎn)過程。根據(jù)產(chǎn)品的變化對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行重組，并模擬生產(chǎn)運(yùn)行情況，對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行優(yōu)化。使脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線在投入運(yùn)行前就了解其使用情況，分析其可靠性、經(jīng)濟(jì)性、質(zhì)量、工期等，為生產(chǎn)過程優(yōu)化和智能制造提供支持。

從數(shù)字化、模型化、智能化范疇而言，基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的技術(shù)應(yīng)用主要有以下幾點(diǎn)：

（1）基于三維模型的數(shù)字化協(xié)同研制。

數(shù)字化協(xié)同產(chǎn)品研制環(huán)境，確保三維模型從產(chǎn)品研制的上游暢通地向下游傳遞，解決了基于三維模型的設(shè)計(jì)工藝協(xié)同工作問題，解決了基于三維設(shè)計(jì)模型的工藝制造應(yīng)用問題，解決了生產(chǎn)現(xiàn)場無紙化環(huán)境下基于模型的產(chǎn)品加工、裝配、檢測等問題，為基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，為數(shù)字化、模型化、智能化產(chǎn)品研制奠定基礎(chǔ)。

（2）基于虛擬仿真技術(shù)的飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線模擬。

數(shù)字化模擬工廠是將數(shù)字化技術(shù)在航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線制造規(guī)劃層的一個(gè)應(yīng)用?；跀?shù)字化技術(shù)建立數(shù)字化工廠模型，基于虛擬仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化工廠模擬仿真，包括工藝方案和工藝路線規(guī)劃仿真和優(yōu)化、工藝設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化、工裝設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化、制造過程設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化等，在數(shù)字化世界確保飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的正常運(yùn)作和智能運(yùn)行，為真實(shí)生產(chǎn)提供科學(xué)的保障依據(jù)。

（3）基于制造過程管控實(shí)現(xiàn)飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的優(yōu)化。

通過設(shè)備互聯(lián)互通、安燈系統(tǒng)和ERP/MES/MDC系統(tǒng)集成等應(yīng)用，可獲得制造過程產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行問題快速反饋和處理，形成現(xiàn)場問題快速處理閉環(huán)[4]。利用這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，建立數(shù)字化分析仿真模型，基于大數(shù)據(jù)模型進(jìn)行生產(chǎn)過程分析仿真和預(yù)測分析[5]，從質(zhì)量趨勢、物流瓶頸、計(jì)劃執(zhí)行情況、設(shè)備運(yùn)行情況等方面找出影響生產(chǎn)過程的規(guī)律，為生產(chǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而提升飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的預(yù)知、響應(yīng)和判斷能力，實(shí)現(xiàn)智能化決策。

2 智能化航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線關(guān)鍵技術(shù)

圖3是基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線包含的內(nèi)容，主要包括4 大部分：基于模型的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和管理、基于模型的工藝設(shè)計(jì)和管理、脈動(dòng)線生產(chǎn)執(zhí)行過程管理、基于模型的健康監(jiān)測和智能決策等。

針對(duì)航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的研制特點(diǎn)，基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線從基于模型的系統(tǒng)工程理論出發(fā)，通過數(shù)字化、模型化、智能化技術(shù)應(yīng)用，在數(shù)字化環(huán)境將模型貫穿應(yīng)用于設(shè)計(jì)與生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)，基于生產(chǎn)狀態(tài)的信息進(jìn)行航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線實(shí)時(shí)分析和智能決策。

智能總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)有：面向航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的基于模型的設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃技術(shù)、基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)、基于模型的智能設(shè)備信息采集和處理技術(shù)、基于模型的現(xiàn)場作業(yè)信息快速反饋和處理技術(shù)、基于模型的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與優(yōu)化分析技術(shù)等。

2.1 面向航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的基于模型的設(shè)計(jì)和工藝規(guī)劃技術(shù)

以MBD 技術(shù)為核心的基于模型的數(shù)字化協(xié)同產(chǎn)品研發(fā)，實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心的數(shù)字樣機(jī)管理，通過EBOM可視化重構(gòu)PBOM。PBOM的重構(gòu)是以脈動(dòng)生產(chǎn)模式為依據(jù)，基于總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的節(jié)拍和站位進(jìn)行PBOM的重構(gòu)，以滿足脈動(dòng)生產(chǎn)的要求。工藝總方案和工藝分工路線的制定是基于總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的生產(chǎn)模式，根據(jù)脈動(dòng)節(jié)拍進(jìn)行工藝分離面劃分的。

圖2 基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線Fig.2 Aircraft pulsation assembly production line based on model

圖3 基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線包括內(nèi)容Fig.3 Contents of aircraft pulsation assembly production line based on model

飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的每一站位是以生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)圖來描述的，生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)圖體現(xiàn)了飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線每一站位某一天的所有工作任務(wù)、專業(yè)內(nèi)部及跨專業(yè)間的串并行工序作業(yè)關(guān)系、裝配指令的關(guān)鍵工序信息、開工時(shí)間完成周期及操作者。通過可視化的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配單元的串并行關(guān)系、關(guān)鍵路徑、父子隸屬關(guān)系、架次有效性的定義，以及站位信息、加工周期、加工工種、加工工人及脈動(dòng)節(jié)拍的定義。

某飛機(jī)總裝廠脈動(dòng)生產(chǎn)線項(xiàng)目中，通過生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)圖的構(gòu)建方式，業(yè)務(wù)人員可以依據(jù)工藝成組方法，并考慮到應(yīng)用的便捷性，對(duì)裝配單元或AO 進(jìn)行分組打包定義。在生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)圖調(diào)整時(shí)可直接對(duì)分組圖進(jìn)行調(diào)整，分組內(nèi)的裝配單元或AO 調(diào)整時(shí)并不會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)流程標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)圖的結(jié)構(gòu)關(guān)系，形成相互獨(dú)立的工藝單元，進(jìn)行相互獨(dú)立的快速設(shè)計(jì)和變更，以滿足脈動(dòng)生產(chǎn)的業(yè)務(wù)需求。

2.2 基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與仿真技術(shù)

通過數(shù)字化技術(shù)對(duì)制造系統(tǒng)中的各個(gè)制造要素和過程進(jìn)行數(shù)字化建模，形成和物理環(huán)境相似的數(shù)字化模型。通過數(shù)字化仿真技術(shù)模擬仿真生產(chǎn)線過程，在數(shù)字世界中完成航空脈動(dòng)裝配線模擬仿真，實(shí)現(xiàn)航空脈動(dòng)裝配線上每個(gè)站位裝配過程的模擬，并按照脈動(dòng)站位特點(diǎn)對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)流程和制造資源進(jìn)行優(yōu)化配置，主要包含車間層、生產(chǎn)線層、單元層以及操作層的規(guī)劃和仿真等。如基于脈動(dòng)站位進(jìn)行各站位物料配送模擬仿真，實(shí)現(xiàn)物流效率分析、物流設(shè)施容量計(jì)算、物流路徑規(guī)劃等，支持基于脈動(dòng)節(jié)拍實(shí)現(xiàn)實(shí)際業(yè)務(wù)流程和制造資源的優(yōu)化配置。如基于每個(gè)站位個(gè)人的工作任務(wù)完成節(jié)拍，實(shí)現(xiàn)工序時(shí)間的分析和優(yōu)化，合理定義每個(gè)站位每道工序需要的工時(shí)，優(yōu)化人力資源分配和生產(chǎn)進(jìn)度節(jié)拍，達(dá)到優(yōu)化航空脈動(dòng)裝配線和高效生產(chǎn)的目的。

2.3 基于模型的智能設(shè)備信息采集和處理技術(shù)

智能設(shè)備是智能制造的物理實(shí)現(xiàn)載體，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，連接現(xiàn)場作業(yè)的設(shè)備、工裝、工具、物料等，了解物（Thing）的具體位置和運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)物（Thing）信息的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)挖掘、分析和展示，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和健康預(yù)測管理，提高設(shè)備的工作效率和使用壽命。

圖4是某飛機(jī)總裝廠脈動(dòng)生產(chǎn)線項(xiàng)目中智能設(shè)備信息采集和處理系統(tǒng)，由物理層、控制層和決策層構(gòu)成，物理層指設(shè)備的執(zhí)行單元、傳動(dòng)單元、感知單元和測量單元等物理結(jié)構(gòu)；控制層指具備自適應(yīng)控制和一定自主決策能力的控制系統(tǒng)；決策層指基于工件狀態(tài)在線感知測量的加工編程和優(yōu)化修正系統(tǒng)。

智能設(shè)備信息采集和處理系統(tǒng)架構(gòu)中有兩個(gè)智能閉環(huán)控制環(huán)路：由控制層和物理層構(gòu)成的控制系統(tǒng)閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)動(dòng)過程的自主和自適應(yīng)控制；由決策層、控制層和物理層共同構(gòu)成的生產(chǎn)決策閉環(huán)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)狀態(tài)的在線預(yù)測和智能優(yōu)化等。

通過設(shè)備互聯(lián)，實(shí)時(shí)采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)設(shè)備運(yùn)行過程中的關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)，基于模板輸出設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果。建立設(shè)備數(shù)字化模型，針對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，分析設(shè)備中關(guān)鍵數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，以及其變化趨勢，對(duì)設(shè)備進(jìn)行健康預(yù)測，為設(shè)備維修維護(hù)、備品備件的提前采購提供科學(xué)依據(jù)。

2.4 基于模型的現(xiàn)場作業(yè)信息快速反饋和處理技術(shù)

圖4 智能設(shè)備信息采集和處理Fig.4 Intelligent device information collection and processing

在航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，如何及時(shí)獲得現(xiàn)場作業(yè)信息，如何抽取現(xiàn)場反饋的問題，如何根據(jù)問題的輕重緩急將問題反饋給相關(guān)人員，如何實(shí)現(xiàn)問題的快速處理，將極大影響脈動(dòng)生產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)情況。圖5描述了基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線在生產(chǎn)現(xiàn)場健康與監(jiān)視管理過程，基于模型的現(xiàn)場作業(yè)信息快速反饋和處理技術(shù)通過現(xiàn)場作業(yè)問題的獲取、分類、傳遞和反饋，形成現(xiàn)場問題快速處理的閉環(huán)，滿足航空脈動(dòng)裝配線生產(chǎn)線高效運(yùn)行要求。

故障種類有：設(shè)備故障應(yīng)急、消防應(yīng)急、質(zhì)量應(yīng)急、物料缺失、工具缺失、生產(chǎn)指令出錯(cuò)、工藝中斷、成品問題、人員操作錯(cuò)誤以及其他突發(fā)事件等。某飛機(jī)總裝廠脈動(dòng)生產(chǎn)線項(xiàng)目中，為了脈動(dòng)線健康與監(jiān)視管理系統(tǒng)警情的醒目、簡潔，將問題報(bào)警歸類為5大類，并在懸掛的安燈看板上重點(diǎn)顯示脈動(dòng)站位各種信息，包含：人員、缺件、設(shè)備、質(zhì)量、消防安全。該項(xiàng)目中，根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場問題詳細(xì)分類，設(shè)定三級(jí)報(bào)警級(jí)別與三級(jí)責(zé)任人與部門，實(shí)現(xiàn)問題的逐層上報(bào)和處理。三級(jí)報(bào)警級(jí)別：第1級(jí)，物料缺失、人員少量缺失、工藝超時(shí)、質(zhì)量；第2級(jí)，站位裝配成品損壞、拖期、設(shè)備和工具損壞或缺失，影響工藝?yán)^續(xù)的質(zhì)量問題，工藝流程中斷（允許時(shí)間內(nèi)）；第3級(jí)，生產(chǎn)節(jié)拍中斷（嚴(yán)重滯后），人員傷亡等重大事故等。

三級(jí)責(zé)任人與部門：第1級(jí)：工人、工段長、調(diào)度、工藝、檢驗(yàn)、庫房、設(shè)備管理員；第2級(jí)：工藝室、調(diào)度室、檢驗(yàn)室、設(shè)備室主任；第3級(jí)：總裝廠長/副廠長、制造部長、質(zhì)量部長、工程技術(shù)部長。

在某飛機(jī)總裝廠脈動(dòng)生產(chǎn)線項(xiàng)目中建立有現(xiàn)場問題快速響應(yīng)的安燈系統(tǒng)，安燈系統(tǒng)通過站位的現(xiàn)場終端實(shí)時(shí)收集脈動(dòng)線上物料、人員、設(shè)備、質(zhì)量、工具等問題信息，將這些問題及時(shí)反饋到車間脈動(dòng)線的安燈看板、廣播報(bào)警設(shè)備、燈光報(bào)警設(shè)備、現(xiàn)場和責(zé)任部門可視化終端等，讓相關(guān)部門的相關(guān)角色及時(shí)獲得現(xiàn)場作業(yè)信息，及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整各站位的人員、缺件、設(shè)備等問題，并根據(jù)各站位的作業(yè)情況，及時(shí)解決質(zhì)量安全和消防問題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)脈動(dòng)生產(chǎn)過程的透明化，實(shí)現(xiàn)問題閉環(huán)的快速處理，讓整個(gè)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線的資源最大利用，提高整個(gè)總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線效能。

2.5 基于模型的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控與優(yōu)化分析技術(shù)

隨著智能裝備的大規(guī)模應(yīng)用及PLM/ERP/MES 等軟件的應(yīng)用推廣，制造企業(yè)已積累了大量的與制造有關(guān)的各種數(shù)據(jù)，如工藝規(guī)劃、工藝規(guī)程、生產(chǎn)計(jì)劃、不合格品/超差處理記錄、生產(chǎn)節(jié)拍、質(zhì)量狀態(tài)、成本定額、人力資源、供應(yīng)鏈信息等?；谀Ｐ偷暮娇彰}動(dòng)裝配生產(chǎn)線可基于角色和站位需要收集各種數(shù)據(jù)，建立大數(shù)據(jù)分析仿真模型實(shí)現(xiàn)航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線分析仿真和驗(yàn)證，通過生產(chǎn)線平衡技術(shù)的應(yīng)用[6]，從中找出改善未來總裝脈動(dòng)生產(chǎn)線業(yè)務(wù)的依據(jù)，從質(zhì)量趨勢、物流瓶頸、計(jì)劃執(zhí)行情況、設(shè)備運(yùn)行歷史、成本定額、供應(yīng)鏈信息等數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)可能影響未來生產(chǎn)過程的規(guī)律，以指導(dǎo)飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)決策。

圖5 脈動(dòng)線健康與監(jiān)視管理Fig.5 Pulsation line health and surveillance management

基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線支持航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)在線及離線分析。在線分析通過對(duì)物料、工序進(jìn)度、工序完成情況等信息的統(tǒng)計(jì)，可以基于數(shù)字化模型對(duì)脈動(dòng)線節(jié)拍的準(zhǔn)時(shí)性進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線分析。計(jì)劃員針對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備的產(chǎn)能進(jìn)行計(jì)劃優(yōu)化分析；工藝員針對(duì)現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)及指標(biāo)優(yōu)化，對(duì)工時(shí)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；工人在現(xiàn)場作業(yè)時(shí)，系統(tǒng)對(duì)頻發(fā)性的質(zhì)量問題點(diǎn)進(jìn)行提醒；質(zhì)檢員從事后質(zhì)量轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑百|(zhì)量的預(yù)測和監(jiān)控；系統(tǒng)針對(duì)設(shè)備維修和保養(yǎng)及備件的采購提醒設(shè)備管理員。

脈動(dòng)線運(yùn)行狀態(tài)離線分析的周期可靈活進(jìn)行設(shè)置，例如以月、季度、年為時(shí)間周期。通過一段時(shí)間運(yùn)行，以人員、物料、設(shè)備、工序、質(zhì)量、工裝、工具等信息為輸入，基于大數(shù)據(jù)模型對(duì)人員加工熟練度、物料配套準(zhǔn)確率、設(shè)備故障率、工序質(zhì)量不合格率、工裝工具維修率等因素進(jìn)行分析，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)，如：基于產(chǎn)線平衡的產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)、物流配送優(yōu)化設(shè)計(jì)、設(shè)備健康預(yù)測、設(shè)備科學(xué)維修維護(hù)、生產(chǎn)計(jì)劃及工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)、各站位資源的優(yōu)化設(shè)計(jì)等，為智能決策提供科學(xué)依據(jù)。

3 基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線應(yīng)用場景描述

3.1 生產(chǎn)線優(yōu)化設(shè)計(jì)

脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線運(yùn)行過程中，生產(chǎn)線的負(fù)載率經(jīng)常在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)負(fù)載率進(jìn)行分析，有利于宏觀把握脈動(dòng)線生產(chǎn)效率以及減少資源的浪費(fèi)。脈動(dòng)線的載荷是反映脈動(dòng)線加工能力的技術(shù)參數(shù)，在脈動(dòng)線運(yùn)行良好的情況下，載荷在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)，對(duì)脈動(dòng)線載荷進(jìn)行預(yù)測，有助于提高脈動(dòng)線產(chǎn)能。脈動(dòng)線運(yùn)行狀態(tài)是判定是否需要停工檢修的依據(jù)。將脈動(dòng)線運(yùn)行狀態(tài)分為良好、較差兩類，處于良好狀態(tài)時(shí)不需要停工檢修，較差狀態(tài)時(shí)需要停工檢修。

脈動(dòng)線健康狀態(tài)離線分析見圖6。影響脈動(dòng)線運(yùn)行狀態(tài)的因素包括人員、物料、設(shè)備、工序質(zhì)量、工具等。不同的操作人員因知識(shí)背景、累計(jì)經(jīng)驗(yàn)、身體條件等條件的差異，相同工藝操作技術(shù)、速率等可能會(huì)有所不同，從而使時(shí)間產(chǎn)生差異；物料配套的準(zhǔn)確率以及物料是否按時(shí)配送等也會(huì)造成停工等待；在生產(chǎn)過程中，由于設(shè)備發(fā)生故障也會(huì)造成脈動(dòng)線的停產(chǎn)；工序質(zhì)量不合格、工具維修換新等行為也會(huì)對(duì)脈動(dòng)線效率有影響。

以上述5個(gè)因素作為馬爾科夫模型輸入因素，以兩年作為一個(gè)周期，模型的輸入為可觀測序列，可觀測序列包括人員、物料、設(shè)備、工序質(zhì)量、工具。人員包括掌握不同技術(shù)程度的人員百分比，人員對(duì)技術(shù)的掌握程度分為了解一點(diǎn)、基本掌握、掌握很好3 種程度；物料包括物料配送的延時(shí)率以及物料配套準(zhǔn)確率；設(shè)備包括設(shè)備故障率；工具包括工具故障率；工序準(zhǔn)時(shí)完工率、工序質(zhì)量合格率作為模型的輸入；輸出因素為脈動(dòng)線負(fù)載率、載荷、健康狀況及是否停工檢修等內(nèi)容。基于這些輸出內(nèi)容進(jìn)行脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線調(diào)整和設(shè)備維修維護(hù)等，實(shí)現(xiàn)科學(xué)依據(jù)指導(dǎo)下的智能生產(chǎn)決策。

圖6 脈動(dòng)線健康狀態(tài)離線分析Fig.6 Offline analysis of pulsation line health

3.2 裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

基于模型的脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線對(duì)可實(shí)現(xiàn)裝配工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)?；谀Ｐ偷拿}動(dòng)裝配生產(chǎn)線具有對(duì)工序計(jì)時(shí)與統(tǒng)計(jì)功能，即對(duì)生產(chǎn)的每架次飛機(jī)記錄每道工序的開始時(shí)間、完工移交時(shí)間、計(jì)劃完工移交時(shí)間，同時(shí)計(jì)算出工序的實(shí)際工時(shí)、延誤時(shí)間，并判斷出工序是否按時(shí)完工；進(jìn)行工序檢驗(yàn)時(shí)，記錄存儲(chǔ)工序檢驗(yàn)的結(jié)果。脈動(dòng)線運(yùn)行一段時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)分別統(tǒng)計(jì)出各道工序的完工率、交檢率和質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)間。依據(jù)3個(gè)指標(biāo)，在不同的情況下給出不同的工藝優(yōu)化指令，如圖7所示。

工序完成情況包括提前完工、按時(shí)完工、延遲完工，其中提前或延遲完工頻率較高（如超過70%的情況提前或延時(shí)，由專業(yè)工藝員規(guī)定）的工序，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)推送消息至指定專業(yè)工藝人員，以便工藝員審查和調(diào)整該工序的工藝和工時(shí)分配合理性。提前完工率較高的工序，可以通過工序合并或其他方法減少工序時(shí)間，延時(shí)完工率高的工序要從工藝方法、工序安排或者操作人員自身技能等方面進(jìn)行優(yōu)化。

同樣，系統(tǒng)也需要對(duì)交檢合格率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行反饋。交檢率一直保持較高水平的工序（如連續(xù)10次交檢合格率100%，由專業(yè)工藝員規(guī)定）可以縮短質(zhì)檢時(shí)間或者免去質(zhì)檢環(huán)節(jié)。而交檢率過低的工序，要從工序方法、工序安排以及操作人員水平等方面對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，從而提高質(zhì)量。質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)間從一定程度能反映出工序的復(fù)雜程度以及質(zhì)檢方法是否有待優(yōu)化，對(duì)于質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)間長的工序可以從質(zhì)量檢驗(yàn)方法以及工序方法等方面對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化，如圖8所示。

圖7 脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線裝配工藝優(yōu)化Fig.7 Optimization of assembly process of pulsation assembly line

工序方法、工序規(guī)劃的優(yōu)化指令需依靠問題管理中對(duì)反饋問題中關(guān)于工序方法、工序規(guī)劃部分，在問題處理閉環(huán)的流程中，對(duì)工藝類問題進(jìn)行詳細(xì)描述并反饋，如在工序方法問題封閉時(shí)需記錄解決問題的工序方法，系統(tǒng)根據(jù)此類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、類比，在提出工序方法優(yōu)化指令時(shí)，給出解決此類問題常用的新工序方法。

綜上所述，基于模型的脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線會(huì)根據(jù)對(duì)各站位裝配現(xiàn)場人員、工時(shí)、質(zhì)量等因素的信息采集，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，從而提出對(duì)部分工序工藝優(yōu)化的建議，供工藝人員進(jìn)行工藝的具體優(yōu)化實(shí)現(xiàn)。對(duì)飛機(jī)總裝脈動(dòng)線運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行不斷改善，有助于提高生產(chǎn)效率，為實(shí)現(xiàn)縮短生產(chǎn)節(jié)拍、提高產(chǎn)品產(chǎn)能提供必要的支持。

圖8 脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.8 Optimization design of pulsation assembly production line

4 結(jié)論

本文從基于模型的系統(tǒng)工程和智能制造視角出發(fā)，結(jié)合某飛機(jī)總裝廠脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線應(yīng)用，描述了基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的基本概念，論述了基于模型的航空脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線的關(guān)鍵技術(shù)?；谀Ｐ偷暮娇彰}動(dòng)裝配生產(chǎn)線的建設(shè)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)工程，其在構(gòu)建過程中和驗(yàn)證過程中需要參考系統(tǒng)工程和智能制造實(shí)施方法論。因此，系統(tǒng)工程和智能制造是未來飛機(jī)脈動(dòng)裝配生產(chǎn)線需要加大研究的方向。