基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的航天產(chǎn)品總裝線建模、仿真與重構技術研究*

周 瑋 李世其 張玉帆 王峻峰

（華中科技大學機械科學與工程學院 武漢 430074）

1 引言

數(shù)字化車間/智能工廠作為中國制造2025戰(zhàn)略重要的建設任務，對于推動重點領域智能轉(zhuǎn)型、樹立智能制造標桿企業(yè)和促進中小企業(yè)智能化改造起到了重要推動作用。大部分的生產(chǎn)制造系統(tǒng)屬于典型的離散事件系統(tǒng)（Discrete Event Dynamic System，DEDS），即系統(tǒng)的狀態(tài)只在離散的時間點上發(fā)生變化。在生產(chǎn)系統(tǒng)改造或規(guī)劃階段，對產(chǎn)線性能進行評估、預測，識別并改善瓶頸，規(guī)避由于隨機性因素帶來的風險是意義重大的。計算機仿真技術作為重要的實驗與驗證技術手段之一，通過抽象化表達現(xiàn)實生產(chǎn)系統(tǒng)、構建虛擬模型，并以低成本、高效率的實驗方法評估與驗證待選方案，能夠為科學決策提供有力的數(shù)據(jù)支持。利用數(shù)學推演方式發(fā)展而成的基于解析的生產(chǎn)線建模方法一度成為研究熱點。然而，對于復雜系統(tǒng)而言，其可重入性、并行機和隨機性因素的疊加效益使得數(shù)學建模的復雜度急劇提升，問題抽象和簡化的過程使得模型與現(xiàn)實系統(tǒng)映射的準確性難以得到有效保證［1］。在此背景下，對于復雜生產(chǎn)系統(tǒng)，離散事件仿真技術（Discrete EventSimulation，DES）獲得了極大的關注度，并成為生產(chǎn)線規(guī)劃、改善與優(yōu)化過程使用最廣泛的技術之一［2］。由于DES面向?qū)ο蟮脑O計理念和圖形化的人機操作界面，使得其在學術科研和實際工程問題中，諸如生產(chǎn)線平衡［3］、設施布局仿真［4］、流程建模與仿真優(yōu)化［5］等方面取得了諸多成功應用實踐。在航天產(chǎn)品中，基于仿真的方法被用來實現(xiàn)資源約束條件下的裝配線的動態(tài)平衡，從而提升裝配線的運作效率［6］。

然而，對于多品種、變需求的產(chǎn)品而言，市場環(huán)境的快速變化加速了產(chǎn)品的更新迭代，隨之而來的是產(chǎn)品型號與工藝流程的快速變更和日益迫切的生產(chǎn)系統(tǒng)快速重組的需求。與此同時傳統(tǒng)建模與仿真方法的局限性與缺陷日益顯現(xiàn)；如建模仿真嚴重依賴專業(yè)仿真技術人員經(jīng)驗，建模效率低、通用性差、模型重用性低等突出問題。Randell教授在仿真國際會議上提出的數(shù)據(jù)庫驅(qū)動工廠仿真的理念，他闡述了在針對整廠大型離散事件仿真模型中，如何利用基于數(shù)據(jù)庫的方法減少建模時間和項目提前期的解決方案［7］；以及Son等［8］在2001年提出的面向?qū)崟r車間控制的仿真模型自動創(chuàng)建技術。數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法催生了快速建模、仿真與重構技術的出現(xiàn)，并成為國內(nèi)外仿真建模技術領域的一大研究熱點方向，2014年，G.Popovics［9］提出了基于PLC和MES數(shù)據(jù)的系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真模型自動建?？蚣?。此外，美國國家標準與技術協(xié)會NIST［10］、核軍工管理局NNSA［11］分別在DES平臺Quest和Flexsim完成了基于數(shù)據(jù)庫的快速建模技術應用。在國內(nèi)，諸多學者聚焦于基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法實現(xiàn)快速建模與仿真的研究；李妍妍等［12］建立了通過模型生成器調(diào)用事先建立的各類模型庫的方法實現(xiàn)了仿真模型的快速構建。任志偉［13］研究了數(shù)據(jù)驅(qū)動關鍵技術中的數(shù)據(jù)預處理方法；王峻峰［14］等通過構建數(shù)據(jù)模型，采用數(shù)據(jù)訪問技術，在成熟的商業(yè)化DES軟件平臺上通過二次開發(fā)實現(xiàn)了模型自動生成與仿真，大大提高了建模效率。楊長祺［6］，姜康［15］等提出基于參數(shù)化思想的裝配單元劃分及三維仿真模型生成方法；建立物流模型參數(shù)化配置系統(tǒng)，實現(xiàn)裝配單元快速劃分下的仿真模型自動生成。王峻峰［16］和王楠［17］等以汽車總裝線為研究對象，提出了基于真實數(shù)據(jù)驅(qū)動的快速建模與仿真技術，并基于Arena平臺構建了仿真模型生成器，提高了建模仿真效率、準確性和模型重用性。王國新［18］和王長偉［19］也基于數(shù)據(jù)驅(qū)動思想研究并實踐了生產(chǎn)系統(tǒng)快速建模技術。

航天產(chǎn)品總裝線規(guī)劃階段存在對仿真模型進行反復重構與迭代優(yōu)化的需求，與傳統(tǒng)模型重構相比，其重構不僅包含邏輯重構，還有包括車間布局與制造資源數(shù)量等物理結構重構。低可維護度、重用度和移植性的傳統(tǒng)建模仿真方式使得航天產(chǎn)品總裝生產(chǎn)線仿真模型重構變得異常困難。而以往學者研究的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與仿真技術，大多僅僅聚焦于數(shù)據(jù)驅(qū)動的仿真模型邏輯重構，涉及到物理重構的相對較少。本文針對應用對象的裝配過程特征出發(fā)，研究其數(shù)據(jù)驅(qū)動建模方法，并結合層次化建模技術使得建模元素與控制邏輯相對獨立，從而通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式實現(xiàn)裝配線的快速定制化建模、仿真與重構。并針對其對龐雜數(shù)據(jù)有效管理與分系統(tǒng)集成的迫切需求，提高公用數(shù)據(jù)在各個階段的重用性、并減少人為干預等造成的失誤，本文設計并開發(fā)了航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、仿真與優(yōu)化及三維可視化布局數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，簡稱VLMSOS（Visualization Layout，Modeling，Simulation and Optimization System）。

2 數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與模型重構總體框架

某多品種、小批量、變需求的航天復雜產(chǎn)品裝配工藝流程復雜，總裝線規(guī)劃階段存在對仿真模型進行反復重構與迭代優(yōu)化的需求。對于仿真建模技術人員而言，意味著頻繁的數(shù)據(jù)更改甚至模型重建；若采用傳統(tǒng)的人工建模仿真方法，對于非專業(yè)仿真人員而言，調(diào)整難度大，周期長而且容易造成模型失真，最終影響分析結果甚至決策失誤。因此，提供一種快速實現(xiàn)仿真模型各項實體屬性調(diào)整或模型自動建模與重構的解決方案尤為重要。該類問題可以總結為：1）如何充分利用已有的仿真模型，通過包含仿真對象各類實體關鍵屬性及其之間關聯(lián)的數(shù)據(jù)模型實現(xiàn)仿真模型數(shù)據(jù)管理以及快速重構；2）在構建結構相同或相似的新仿真模型時，如何實現(xiàn)仿真模型自動建模與仿真運行。

數(shù)據(jù)驅(qū)動技術為模型快速建模、仿真與重構提供了解決方案。數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與仿真技術，是一種基于事先設計好的數(shù)據(jù)模型，利用模型生成器提取結構化數(shù)據(jù)信息作為輸入，以自動完成仿真模型的構建與仿真過程的方法。本文提出的總裝線數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與重構實現(xiàn)機制如圖1所示，該框架由數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與仿真、仿真模型重構方案設計與總裝車間生產(chǎn)線數(shù)據(jù)三個部分構成。在完成基本對象建模、層次化控制模型與模型庫建模的基礎上。首先，通過ADO、ODBC等數(shù)據(jù)訪問技術讀取數(shù)據(jù)模型中建模數(shù)據(jù)，并通過模型生成器調(diào)用相關的模型庫文件，從而驅(qū)動模型自動生成，并運行仿真。其次，評價當前輸入方案是否滿意，若當前仿真輸出結果不滿意，則重新設計替代方案并重置仿真模型參數(shù)，再次調(diào)用數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與仿真功能。上述過程反復迭代進行，直到評估的仿真結果達到預期要求。在該框架中，既可以提高已有仿真模型的重用性，也可以極大提高相似生產(chǎn)線新建模型建模與仿真效率。

圖1 總裝線數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與重構實現(xiàn)機制

3 總裝生產(chǎn)線數(shù)據(jù)模型建模

3.1 裝配生產(chǎn)線仿真模型數(shù)據(jù)分類

從離散事件仿真系統(tǒng)運行本質(zhì)的角度來看，仿真模型由系列相互作用的實體構成，而實體的屬性標識了各個實體的本質(zhì)特征；仿真模型的變化主要取決于底層數(shù)據(jù)或結構的更改，從而導致了仿真結果的變化。因此構建一種數(shù)據(jù)模型用來抽象表達仿真模型是實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、仿真與重構的核心。因此，為了建立數(shù)據(jù)模型以準確定義總裝線各類數(shù)據(jù)并結構化表述各類數(shù)據(jù)的關聯(lián)，對生產(chǎn)線建模仿真需要的數(shù)據(jù)進行分類整理是必要的。

總裝生產(chǎn)線建模仿真過程可以概括為建模、仿真實驗、仿真運行和仿真數(shù)據(jù)分析等階段。本文將裝配線仿真模型的數(shù)據(jù)歸納為產(chǎn)品工藝數(shù)據(jù)、制造資源數(shù)據(jù)、仿真實驗數(shù)據(jù)、控制參數(shù)數(shù)據(jù)和仿真統(tǒng)計數(shù)據(jù)六類，各項數(shù)據(jù)類型包含的信息如圖2所示。

圖2 航天產(chǎn)品總裝線建模仿真數(shù)據(jù)分類

3.2 基于IDEF1X的數(shù)據(jù)模型構建

裝配生產(chǎn)線孤立的分類數(shù)據(jù)無法直接應用于數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與仿真，因為只有通過數(shù)據(jù)模型明確數(shù)據(jù)定義及其之間關聯(lián)，才可以在數(shù)據(jù)驅(qū)動建模和仿真過程識別并利用這些數(shù)據(jù)。IDEF1X是IDEF1的擴展版本，實體、聯(lián)系和屬性和關鍵字構成了其基本要素；作為概念設計模型最常用到的方法，其具有清晰表達復雜數(shù)據(jù)及業(yè)務關系的優(yōu)勢，相較于E-R圖，有著更強的數(shù)據(jù)一致性和規(guī)范性，且更加有利于定義的邏輯模型轉(zhuǎn)換為物理模型［20］。利用IDEF1X基本要素可以定義仿真所需信息的數(shù)據(jù)結構以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，并且可以作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計和管理的基礎。

本文設計的航天產(chǎn)品總裝線IDEF1X數(shù)據(jù)模型如圖3所示，展現(xiàn)了上述總裝車間6類建模仿真數(shù)據(jù)的關系與組織結構，以及各個實體、屬性及實體間的聯(lián)系。圖中ID標識了實體的主關鍵字；FK（Foreign Key）標識了外來鍵。

圖3 航天產(chǎn)品總裝線IDEF1X數(shù)據(jù)模型圖

4 裝配線典型生產(chǎn)對象模型庫建模

4.1 虛擬生產(chǎn)對象類定義

生產(chǎn)線虛擬制造技術是以面向?qū)ο蠹夹g為基礎設計的一種建模方法。面向?qū)ο蠹夹g對實體、屬性和關系的定義，以及抽象、封裝、繼承和多態(tài)的特性為人類高效、自然地描繪客觀世界及系統(tǒng)提供了一種很好的方法論。如圖4所示，為了便于仿真邏輯集成與調(diào)用機制的設置，本文將虛擬生產(chǎn)對象類分為：產(chǎn)品類、工位設備類和輔助設施類。

1）產(chǎn)品類：包括主要的裝配零部件類，不同裝配階段的產(chǎn)品類對象；

2）工位設備類：裝配線中的工位和設施，分別為人工工位類、裝配設備類、輔助設備類、物流運輸類和倉儲緩存類；

3）輔助設施類：主要指裝配線中各類靜態(tài)的設施，不直接參與裝配過程，但是共同構成了整個裝配環(huán)境，如廠房建筑類等。

圖4 虛擬模型庫基本對象分類

各虛擬生產(chǎn)對象類，擁有相應的對象類屬性。

1）幾何物理屬性：對象物理尺寸、外表形狀、位姿等信息；

2）工藝操作屬性：裝配工藝信息、設備運行邏輯或物流路由邏輯等；

3）運動學屬性：可運動部件及其運行動畫信息。

對象類庫可以將相應的幾何物理屬性、工藝操作屬性和運動學屬性封裝至各個基本對象類中。在實例化對象創(chuàng)建時，通過繼承各個類的屬性從而快速完成虛擬制造環(huán)境下的仿真對象快速實例化。

4.2 虛擬模型庫建立

根據(jù)實際裝配生產(chǎn)線需求建立虛擬對象類庫，從而在自動建模時模型生成器能夠快速調(diào)用的模型庫。其建模流程如圖5所示。首先，為了能夠獲得虛擬對象類庫的可視化虛擬制造資源，需要通過三維造型工具如UG、Creo、SolidWorks和CATIA等完成三維外觀造型設計，然后導入到虛擬仿真環(huán)境如Plant Simulation等進行對象類定義、輕量化處理和幾何外觀造型設計。其次，添加必要的工藝操作屬性，如當前對象的工藝流程、物流路由邏輯或定制化邏輯等工藝操作屬性。最后，根據(jù)實際的應用場景可以選擇添加自定義的運動學屬性，如運動部件和坐標系定義、動畫腳本制作等。

圖5 虛擬模型庫建模過程圖

5 應用實例

在航天產(chǎn)品總裝線規(guī)劃過程中，建模、仿真與優(yōu)化等反復迭代過程涉及到大量數(shù)據(jù)交互，凸顯了對龐雜數(shù)據(jù)有效管理與分系統(tǒng)集成的迫切需求。因此本文基于Plant Simulation用戶接口類User Interface的對話框類Dialog開發(fā)了VLMSOS系統(tǒng)，以提高公用數(shù)據(jù)在各個階段的重用性、并減少人為干預等造成的失誤。該系統(tǒng)集成了四大功能模塊，即：1）車間可視化布局參數(shù)管理模塊；2）數(shù)據(jù)驅(qū)動建模，仿真與重構模塊；3）仿真模型運行結果數(shù)據(jù)管理模塊；4）生產(chǎn)制造資源仿真優(yōu)化模塊。系統(tǒng)的執(zhí)行過程與數(shù)據(jù)流的動態(tài)關系如圖6所示。

VLMSOS系統(tǒng)四大功能模塊集成封裝于VLMSOS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主界面，通過該集成界面即VLMSOS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主界面（如圖7所示），進入選定的功能模塊以實現(xiàn)指定的功能，在模塊內(nèi)部可以相互切換到其他模塊。車間可視化布局參數(shù)管理模塊生成基于模型庫的三維可視化仿真布局模型，為數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、仿真與重構模塊提供虛擬模型庫管理及仿真布局功能，并在此基礎上實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模仿真等過程；生產(chǎn)制造資源仿真優(yōu)化模塊通過仿真優(yōu)化的反復迭代得到優(yōu)化后的資源配置方案；仿真模型運行結果數(shù)據(jù)管理模塊，通過對重構的仿真模型與優(yōu)化后的資源配置方案進行仿真結果分析與驗證。各個模塊間的數(shù)據(jù)流動均由底層數(shù)據(jù)支撐層提供。

圖6 軟件單元間的執(zhí)行流程與動態(tài)關系圖

圖7 VLMSOS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主界面

5.1 車間可視化布局參數(shù)管理

該模塊主要的功能為在Plant Simulation環(huán)境中實現(xiàn)基于模型庫的三維可視化布局模型。在該模塊中集成了車間布局方案導入與參數(shù)管理、工位設備布局參數(shù)管理、虛擬模型庫數(shù)據(jù)管理功能，其界面設計效果如圖8所示。

圖8 車間可視化布局參數(shù)管理模塊界面

通過切換不同的標簽頁選擇查看不同的表格數(shù)據(jù)，并且在參數(shù)修改區(qū)域管理有調(diào)整需求的參數(shù)值并保存，實現(xiàn)布局參數(shù)管理；最終調(diào)用可視化自動布局模型，即可以按照給定參數(shù)自動生成三維可視化仿真布局模型。典型對象三維虛擬模型類庫如圖9所示。

圖9 典型對象三維虛擬模型類庫圖

5.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、仿真與重構

本模塊主要的功能模型重構、仿真運行和重構數(shù)據(jù)管理部分。在該部分，根據(jù)建模與重構需求將該模塊的數(shù)據(jù)總結為工藝流程、工位邏輯、工位設備數(shù)量和操作人員屬性幾個類型；通過交互界面修改上述幾類重構數(shù)據(jù)參數(shù)后，即可啟動模型重構程序，完成仿真模型的邏輯重構與物理重構。在仿真運行部分，設置仿真運行參數(shù)后即可運行仿真模型并輸出結果數(shù)據(jù)。航天產(chǎn)品總裝車間三維仿真模型重構前后效果俯視圖如圖10所示。

5.3 仿真模型運行結果數(shù)據(jù)管理

由于大型模型中涵蓋對象多，數(shù)據(jù)量大，且由于模型復雜使得許多數(shù)據(jù)需要加工處理形成可用于特定對象分析的數(shù)據(jù)。為了便于在仿真后快速進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，本模塊定義了在仿真運行結果分析中需要使用的數(shù)據(jù)，包含了工位設備利用率、操作人員利用率和工位占用率及在制品數(shù)據(jù)的分類展示與管理。

5.4 生產(chǎn)制造資源仿真優(yōu)化

圖10 仿真模型物理重構前后效果圖

本模塊作為仿真優(yōu)化C/S架構的客戶端程序，完成遺傳算法基本參數(shù)、決策變量上下限約束、變量組合優(yōu)化約束條件等參數(shù)的配置；在確認保存參數(shù)修改后可以啟動服務器Socket端口，與預先開啟的服務器端口建立連接開啟優(yōu)化進程；最后，可以在優(yōu)化結果查看列表視圖中查看仿真優(yōu)化迭代過程的數(shù)據(jù)與結果，并退出當前模塊。

通過利用本文的數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、仿真與重構方法，得到了該航天產(chǎn)品總裝線最佳制造資源與參數(shù)配置方案，其最終的單季度平均產(chǎn)出為471，較原始方案提升了21.21%。實踐表明該方法大大提高了建模與數(shù)據(jù)交互效率，降低了操作的復雜度，存在一定推廣應用價值。

6 結語

鑒于航天產(chǎn)品總裝線規(guī)劃階段建模復雜、調(diào)整難度大、效率低等問題，在現(xiàn)有基礎上提出了適用于航天產(chǎn)品總裝線的基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模、仿真與重構技術框架；總結了生產(chǎn)線仿真數(shù)據(jù)分類，并通過IDEF1X建立了總裝線建模數(shù)據(jù)模型；完成了數(shù)據(jù)驅(qū)動建模的底層數(shù)據(jù)結構建模；以典型航天產(chǎn)品總裝線為對象，基于虛擬生產(chǎn)對象模型類庫實現(xiàn)了總裝線數(shù)據(jù)驅(qū)動建模、仿真與重構。采用Plant Simulation Dialog集成了上述虛擬車間快速可視化布局、數(shù)據(jù)驅(qū)動建模仿真與重構、仿真優(yōu)化等功能模塊，并設計了便捷的人機交互界面，提高了上述功能的集成度與可用度，大大提高了人機交互的效率并降低了失誤可能性；與此同時，通過航天產(chǎn)品總裝線的實例驗證了該系統(tǒng)的可行性。但由于時間有限，本文的部分研究工作如數(shù)據(jù)驅(qū)動的底層數(shù)據(jù)結構均依賴于仿真軟件數(shù)據(jù)表格實現(xiàn)，考慮到多品種、變批量等生產(chǎn)趨勢與模型的進一步擴充需求，存在研究通過數(shù)據(jù)庫的形式組織數(shù)據(jù)存儲與處理功能的必要。