基于數(shù)字孿生的空空導(dǎo)彈總裝車間管控方法研究

白萌，李昭，劉佳

（中國航空規(guī)劃設(shè)計研究總院有限公司，北京 100120）

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能制造成為制造業(yè)的主攻方向。在“中國2025”行動綱領(lǐng)的指導(dǎo)下，國內(nèi)制造企業(yè)逐漸向智能工廠方向探索，實現(xiàn)生產(chǎn)過程中的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。近年來，日益復(fù)雜的國際大環(huán)境對武器的研制周期提出了更加苛刻的要求。作為奪取制空權(quán)的重要精密武器，空空導(dǎo)彈具有“多品種、小批量”的特點，屬于典型的離散型生產(chǎn)模式。在混線生產(chǎn)實際運營過程中，生產(chǎn)過程信息無法實時采集、生產(chǎn)資源狀態(tài)無法實時感知，造成研制資源短時沖突、計劃協(xié)同性差等問題。因此，提高產(chǎn)線自適應(yīng)能力，快速響應(yīng)并完成資源再分配，進一步提升產(chǎn)品制造效能，成為空空導(dǎo)彈制造亟需解決的問題。

本文為提高空空導(dǎo)彈總裝車間裝配效率、動態(tài)響應(yīng)等能力，開展了基于數(shù)字孿生的空空導(dǎo)彈總裝生產(chǎn)線管控方法的研究，設(shè)計了跨網(wǎng)段信息異步交互的孿生車間架構(gòu)，根據(jù)數(shù)字孿生五維模型理論提出了總裝數(shù)字車間的組成，闡述了數(shù)字孿生車間的分層管控模式，介紹了數(shù)字孿生的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。通過構(gòu)建數(shù)字孿生總裝車間，提高了裝配的數(shù)字化和智能化水平，縮短了裝配測試周期，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

1 數(shù)字孿生車間架構(gòu)設(shè)計

由于在空空導(dǎo)彈研制過程中對安全保密方面的考慮，信息技術(shù)和操作技術(shù)一般是物理隔離的，這給導(dǎo)彈總裝車間的智能管控帶來了困難。本文根據(jù)數(shù)字孿生車間系統(tǒng)架構(gòu)DTS（Digital Twin Shop-floor），結(jié)合總裝車間安全保密要求，提出了導(dǎo)彈總裝車間管控總體架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 空空導(dǎo)彈總裝車間數(shù)字孿生架構(gòu)

總裝數(shù)字孿生車間架構(gòu)分為五層，分別為物理層、模型層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。

物理層和模型層分別是物理車間實體和虛擬數(shù)字鏡像，數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層在工控網(wǎng)端和涉密網(wǎng)端形成了兩套獨立的系統(tǒng)：數(shù)據(jù)層包含實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫，其中，實時數(shù)據(jù)庫來源于工控網(wǎng)對車間設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，歷史數(shù)據(jù)庫為涉密網(wǎng)面向車間的MES、質(zhì)量管控等信息系統(tǒng)；服務(wù)層在工控網(wǎng)端提供設(shè)備管理、故障分析、環(huán)境管控等相關(guān)基礎(chǔ)服務(wù)，在涉密網(wǎng)端提供計劃排產(chǎn)、生產(chǎn)調(diào)度、質(zhì)量管理等與作業(yè)相關(guān)的管控服務(wù)；應(yīng)用層在工控網(wǎng)端提供設(shè)備監(jiān)控、故障診斷等針對車間硬件資源的服務(wù)，涉密網(wǎng)端提供生產(chǎn)調(diào)度和集中顯示的服務(wù)，有利于生產(chǎn)管理的透明化和智能化。

2 數(shù)字孿生總裝車間組成

數(shù)字孿生五維模型包括物理實體、虛擬實體、服務(wù)、孿生數(shù)據(jù)以及各組成部分間的連接5 個部分。

如圖2 所示，物理實體是構(gòu)成數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)，是客觀存在的實體集合；虛擬實體是物理實體的數(shù)字化鏡像，是與物理實體具有時空一致性的三維渲染模型；服務(wù)是數(shù)字孿生應(yīng)用的體現(xiàn)，包括滿足功能運行的功能性服務(wù)和面向用戶使用的業(yè)務(wù)性服務(wù)；孿生數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)孿生的驅(qū)動，主要包括物理實體數(shù)據(jù)、虛擬實體數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、知識數(shù)據(jù)及融合衍生數(shù)據(jù)；連接是數(shù)字孿生的動脈，能夠?qū)崿F(xiàn)各組成部分的互通互聯(lián)。

圖2 空空導(dǎo)彈數(shù)字孿生總裝車間組成

3 數(shù)字孿生總裝車間的管控模式

如圖3 所示，數(shù)字孿生總裝車間采用“設(shè)備-過程-車間”三個層級的管控模式，通過構(gòu)建生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)設(shè)施、輔助設(shè)備等單元級的數(shù)字孿生，并形成總裝生產(chǎn)線、檢驗測試等系統(tǒng)級的數(shù)字孿生，進而與信息化系統(tǒng)共同構(gòu)成復(fù)雜系統(tǒng)級的數(shù)字孿生總裝車間。數(shù)字孿生驅(qū)動的車間管控能夠在生產(chǎn)設(shè)備、裝配過程以及車間運行中實現(xiàn)動態(tài)感知、實時分析、自主決策和精準執(zhí)行，提高管控的透明度和智能化，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置。

4 數(shù)字孿生總裝車間關(guān)鍵技術(shù)

（1）物理車間的資源互聯(lián)技術(shù)。數(shù)據(jù)采集及協(xié)議解析技術(shù)、數(shù)據(jù)融合和封裝技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)、異構(gòu)資源分布式系統(tǒng)控制技術(shù)、物理車間實時智能監(jiān)測技術(shù)、物理車間優(yōu)化控制技術(shù)等。

（2）虛擬車間的建模仿真技術(shù)。虛擬車間全要素建模技術(shù)、模型集成和仿真技術(shù)、模型輕量化技術(shù)、虛擬車間運行機理和故障機理研究、過程仿真驗證技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術(shù)等。

（3）孿生數(shù)據(jù)的管理技術(shù)。多類型數(shù)據(jù)清洗技術(shù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)、虛實雙向映射技術(shù)、虛實融合與數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲技術(shù)、車間大數(shù)據(jù)技術(shù)等。

（4）精準服務(wù)應(yīng)用技術(shù)。設(shè)備故障預(yù)測與健康管理技術(shù)、質(zhì)量控制和分析技術(shù)、物料跟蹤和配給技術(shù)、能耗優(yōu)化及預(yù)測技術(shù)、動態(tài)生產(chǎn)調(diào)度技術(shù)、運行過程控制優(yōu)化技術(shù)等。

圖3 數(shù)字孿生車間三層管控模式

5 結(jié)語

通過數(shù)字孿生總裝車間的建設(shè)，能夠?qū)囬g的生產(chǎn)線數(shù)據(jù)、產(chǎn)品配套數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、環(huán)境等各個維度的數(shù)據(jù)進行全面采集，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實時處理，進行生產(chǎn)過程智能化決策、產(chǎn)品質(zhì)量實時預(yù)警與產(chǎn)線運行健康狀態(tài)監(jiān)測，有效提升車間過程透明化管控水平和資源優(yōu)化配置能力。目前，航空兵器產(chǎn)品裝配的數(shù)字孿生車間管控應(yīng)用尚處于探索階段，其管控方式仍需深入探討和研究。