飛機(jī)總裝三維資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉其冬，梁 佩，丁 曉，張世炯

（成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091）

0 引言

總裝資源是企業(yè)總體裝配過程中重要的裝配資源，尤其是在飛機(jī)總裝過程中，各種類型、品種及規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)資源并存，資源數(shù)量巨大，資源使用信息繁多，業(yè)務(wù)過程復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)自制及資源共用情況普遍存在，導(dǎo)致資源管理困難。總裝資源的精細(xì)化的管理直接影響生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)的執(zhí)行效率以及產(chǎn)品加工的成本和質(zhì)量[1]。

目前飛機(jī)總裝資源的管理主要依靠線下人工進(jìn)行管理，僅少量資源的部分管理功能采用信息化系統(tǒng)進(jìn)行管理，但管理范圍有限，數(shù)據(jù)共享程度不高?，F(xiàn)有的資源管理方式已經(jīng)出現(xiàn)諸多不適應(yīng)之處，如資源出入庫(kù)信息容易錯(cuò)亂、資源匯總分析費(fèi)時(shí)費(fèi)力且容易出錯(cuò)、資源數(shù)據(jù)無法得到共享、數(shù)據(jù)管理不能滿足精益化生產(chǎn)的要求等。隨著總裝廠的裝配資源管理業(yè)務(wù)的持續(xù)優(yōu)化，提出了對(duì)總裝資源能力評(píng)估、資源價(jià)值管理、等新的需求，由于現(xiàn)有管理方式不能準(zhǔn)確地提供資源的數(shù)據(jù)信息，也不能有效的與其它信息化系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行集成，嚴(yán)重影響了總裝廠裝配業(yè)務(wù)的改進(jìn)和優(yōu)化。隨著航空工業(yè)的多年發(fā)展，飛機(jī)裝配過程的各個(gè)環(huán)節(jié)積淀了大量裝配資源和三維模型，經(jīng)過多年信息系統(tǒng)的建設(shè)和應(yīng)用，部分航空制造企業(yè)根據(jù)自身情況建立了針對(duì)性的裝配資源庫(kù)，但從總體應(yīng)用情況來看，目前總裝資源庫(kù)仍存在諸如裝配資源庫(kù)構(gòu)建不完善，裝配資源分類不全面、無法可視化展示、檢索和使用不便等問題。

目前，針對(duì)資源管理系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)的研究主要集中在資源系統(tǒng)構(gòu)建、資源數(shù)據(jù)表示、資源應(yīng)用等方面。在資源系統(tǒng)構(gòu)建方面，目前主要有基于知識(shí)元和領(lǐng)域本體[2,3]等構(gòu)建方法。在資源數(shù)據(jù)表示方面，目前有基于本體[4]、基于多層流模型[5]、基于概念層次網(wǎng)絡(luò)[6]、可拓規(guī)則[7]、基于直覺模糊Petri網(wǎng)[8]等表示方法。其中，基于本體的資源表示是主流方法。在資源應(yīng)用方面主要有基于抽象關(guān)系、智能算法等的資源管理[9]、資源檢索[10]、資源推送[11]、資源共享[12]等方法。

針對(duì)總裝資源管理存在的問題，總結(jié)和歸納飛機(jī)總裝環(huán)節(jié)所涉及到的各類裝配資源，構(gòu)建三維裝配資源分類描述描述模型，基于本體實(shí)現(xiàn)了對(duì)裝配資源知識(shí)的表示，從而構(gòu)建面向飛機(jī)裝配的三維裝配資源庫(kù)，實(shí)現(xiàn)總裝資源信息的精細(xì)化管理，保障總裝生產(chǎn)的順利進(jìn)行和裝配成本的持續(xù)優(yōu)化。

1 三維資源管理系統(tǒng)框架構(gòu)建

三維裝配資源管理系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)冗余度小。應(yīng)避免部分?jǐn)?shù)據(jù)在多個(gè)子系統(tǒng)中出現(xiàn)，尤其是修改，以保證系統(tǒng)的安全性、可靠性和數(shù)據(jù)一致性；功能劃分應(yīng)能滿足目前和今后管理上的需求，功能應(yīng)齊全，操作要方便且為后續(xù)可擴(kuò)展留有接口，結(jié)合這一需求構(gòu)建的飛機(jī)總裝三維資源管理系統(tǒng)框架如圖1所示。

1）三維裝配資源管理

三維裝配資源是總裝資源管理系統(tǒng)的核心，包括裝配設(shè)備資源管理、檢測(cè)設(shè)備資源管理、物流設(shè)備資源管理，以及測(cè)試設(shè)備資源管理四個(gè)模塊。各類資源又包括多種資源實(shí)例。首先需要對(duì)三維裝配資源進(jìn)行分類建模，并對(duì)各類進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述，接著基于本體表示方法，對(duì)資源對(duì)象的屬性進(jìn)行表示與存儲(chǔ)。另外，資源管理系統(tǒng)同時(shí)對(duì)資源的三維模型進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

2）系統(tǒng)功能管理

總裝資源管理系統(tǒng)需要具備資源參數(shù)查詢、資源使用頻次統(tǒng)計(jì)、維修保養(yǎng)頻次統(tǒng)計(jì)、完好率統(tǒng)計(jì)、資源能力統(tǒng)計(jì)等功能，滿足飛機(jī)總裝過程對(duì)資源的入庫(kù)和借用管理。同時(shí)具備用戶管理、資源入庫(kù)和應(yīng)用流程管理等功能。

3）資源應(yīng)用與集成管理

圖1 總裝三維資源管理系統(tǒng)框架

圖2 三維裝配資源分類模型

總裝資源三維管理系統(tǒng)需要與企業(yè)ERP系統(tǒng)、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)資源的應(yīng)用和入庫(kù)管理。通過系統(tǒng)集成實(shí)現(xiàn)總裝資源三維管理系統(tǒng)與企業(yè)ERP系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，通過條碼技術(shù)實(shí)現(xiàn)資源入庫(kù)和出庫(kù)的信息交互。

3 三維裝配資源分類建模與描述

3.1 三維裝配資源分類模型構(gòu)建

裝配資源總結(jié)與分類描述過程具有相似性和重復(fù)性，是一項(xiàng)任務(wù)量大、且需要長(zhǎng)期積累的工作。在對(duì)飛機(jī)總裝環(huán)節(jié)各裝配資源分析統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，從裝配資源對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)性與相似性出發(fā)，結(jié)合三維裝配資源特點(diǎn)和成組技術(shù)思想建立分級(jí)、分層的裝配資源分類模型。最終將裝配資源數(shù)據(jù)劃分為第一分類層、第二分類層和裝配資源對(duì)象三個(gè)層次。這種分類模型基本涵蓋了飛機(jī)總裝環(huán)節(jié)中涉及到的主要裝配資源，符合行業(yè)的基本分類習(xí)慣。飛機(jī)總裝三維資源分類模型如圖2所示。

三維裝配資源知識(shí)AK是由裝配設(shè)備、測(cè)試設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備和物流設(shè)備構(gòu)成，可表示為：

式中，AQ表示裝配設(shè)備；HQ表示測(cè)試設(shè)備；MQ表示檢測(cè)設(shè)備；LQ表示物流設(shè)備。

裝配設(shè)備由裝配型架、輔助裝配設(shè)備、輔助支撐設(shè)備、專用裝配工具、二次裝配工具等組成，可以表示為：

式中，AFi表示裝配型架中的第i個(gè)實(shí)例資源知識(shí)，如總裝型架等；AAQi表示輔助裝配設(shè)備中的第i個(gè)實(shí)例資源知識(shí)，如保型架等；ASQi表示輔助支撐設(shè)備中的第i個(gè)實(shí)例資源知識(shí)，如千斤頂?shù)?；SATi表示輔助支撐設(shè)備中的第i個(gè)實(shí)例資源知識(shí)，如擰緊工具等；Seci表示二次裝配工具中的第i個(gè)實(shí)例資源知識(shí)，如沖頭等。

測(cè)試設(shè)備由供電測(cè)試設(shè)備ADQi、機(jī)電測(cè)試設(shè)備RIQi、無線電測(cè)試設(shè)備SMQi、組成，可以表示為：

檢測(cè)設(shè)備由數(shù)字化測(cè)量設(shè)備DMQi、自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備ATQi、檢具CFi組成，可以表示為：

物流設(shè)備由物流運(yùn)輸設(shè)備LTQi、起重設(shè)備LFQi、物料存儲(chǔ)設(shè)備MSQi組成，可以表示為：

在對(duì)飛機(jī)裝配三維資源知識(shí)分類模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，下面進(jìn)一步研究?jī)山o分類層和資源對(duì)象知識(shí)的描述方法。

3.2 三維裝配資源知識(shí)描述

飛機(jī)裝配資源分類層次多，資源眾多且表示多樣，因此知識(shí)工程師需要對(duì)獲取到的資源知識(shí)進(jìn)行描述，以便進(jìn)行分類存儲(chǔ)和管理?；趫D2所述的三維裝配資源的分類模型，對(duì)第一分類層和第二類層次知識(shí)，以及第三層資源對(duì)象知識(shí)的進(jìn)行類描述。

第一分類層和第二類層屬于資源知識(shí)類，可用分類名稱、分類編號(hào)和分類屬性來進(jìn)行描述。每個(gè)類的可表示為：

式中，Classi表示第i個(gè)類；Namei，Numi，Rai表示第i個(gè)類對(duì)應(yīng)的名稱，編號(hào)和屬性。

第三層屬于資源對(duì)象知識(shí)，可用資源對(duì)象的名稱、資源對(duì)象的編號(hào)、資源對(duì)象的屬性、資源對(duì)象的三維模型進(jìn)行描述。每個(gè)資源對(duì)象可描述為：

式中，Objectj表示第j個(gè)資源對(duì)象；ObNamej，ObNumj，ObRaj，ObModelj表示第j個(gè)資源對(duì)象的名稱，編號(hào)、屬性和對(duì)應(yīng)的三維模型信息。

其中，資源對(duì)象的名稱、編號(hào)、屬性和三維模型信息的具體定義如下：

1）裝配資源名稱定義

裝配資源的名稱應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、軍用標(biāo)準(zhǔn)等的相關(guān)規(guī)定或符合當(dāng)前的使用習(xí)慣，同一類裝配資源對(duì)象不允許有兩種及以上的名稱表達(dá)，為避免歧義不同類裝配資源對(duì)象的名稱也必須不同。

2）裝配資源編號(hào)定義

裝配資源編號(hào)作為其唯一識(shí)別信息，在生產(chǎn)過程中唯一標(biāo)識(shí)，根據(jù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)確定代號(hào)的命名規(guī)則，在整理裝配資源時(shí)要確保當(dāng)前對(duì)象的代號(hào)準(zhǔn)確無誤且處于使用狀態(tài)。

3）裝配資源屬性定義

裝配資源的屬性指其特有的、與其他對(duì)象不同的性質(zhì)，同類型裝配資源的屬性具有相似性和繼承性，而不同類型裝配資源的屬性差別可能很大，在總結(jié)裝配資源數(shù)據(jù)時(shí)要注意歸納和區(qū)分各類裝配資源的屬性，如裝配型架的尺寸、精度等。描述AGV運(yùn)輸車的屬性有外形尺寸（長(zhǎng)×寬×高）、額定負(fù)載、轉(zhuǎn)彎半徑、運(yùn)行速度等。

4）裝配資源三維模型

三維裝配資源庫(kù)的主要特點(diǎn)是包含了裝配資源的三維模型，能夠在資源出入庫(kù)或資源查詢時(shí)提供形象、直觀的模型展示，大多裝配資源如裝配型架等工藝裝備都應(yīng)具有三維模型，部分刀具、夾具等裝配資源，以及自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備、系統(tǒng)測(cè)試等設(shè)備可不需要三維模型。

4 基于本體的三維裝配資源知識(shí)表示

三維裝配資源知識(shí)獲取主要是從書籍手冊(cè)、設(shè)備手冊(cè)等獲取各裝配資源的參數(shù)數(shù)據(jù)；從其它信息化系統(tǒng)獲取裝配資源三維模型；從專家處獲取當(dāng)前常用的裝配資源信息?？紤]到當(dāng)前飛機(jī)總裝企業(yè)的實(shí)際情況，采用被動(dòng)式的資源知識(shí)獲取方式，即由知識(shí)工程師通過查詢現(xiàn)場(chǎng)裝配資源、標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)及咨詢專家等方式獲取和總結(jié)裝配資源知識(shí)。裝配資源知識(shí)獲取的過程如圖3所示。

圖3 三維裝配資源知識(shí)的獲取過程

在三維裝配資源分類描述的基礎(chǔ)上將三維裝配資源知識(shí)本體化，形成三維裝配資源本體，并將其抽象為概念、關(guān)系、屬性、個(gè)體等信息的集合，建立三維裝配資源本體類層次結(jié)構(gòu)。通過定義類的屬性來表達(dá)各個(gè)類的內(nèi)部關(guān)系，對(duì)領(lǐng)域本體所包含的概念、關(guān)系、屬性等進(jìn)行規(guī)范化表示。

針對(duì)三維裝配資源知識(shí)概括性高、易于結(jié)構(gòu)化、不含過程性數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用框架表示法表示三維裝配資源本體，建立基于本體的三維裝配資源知識(shí)表示模型，如圖4所示。三維裝配資源數(shù)據(jù)主要包含了裝配資源名稱、裝配資源編號(hào)、三維模型、屬性等內(nèi)容。屬性包含了描述對(duì)象來源、歸屬、備注等的一般屬性，描述對(duì)象材料、重量、尺寸等的物理屬性，描述對(duì)象運(yùn)行速度、負(fù)載能力、定位精度等的性能屬性。因此應(yīng)將裝配資源名稱作為框架名，而裝配資源編號(hào)、三維模型、資源屬性分別作為槽，資源屬性包含多個(gè)不同的具體屬性側(cè)面。此外所有裝配資源對(duì)象應(yīng)能夠繼承上級(jí)資源的具體屬性，最終可得到描述某類或某個(gè)具體裝配資源知識(shí)的通用框架。

圖4 基于本體的三維裝配資源知識(shí)表示

通過上述本體方法來表示裝配資源知識(shí)，既可以完全表示裝配資源知識(shí)所包含的內(nèi)容，又能夠通過框架的繼承，使得下層框架從上層框架繼承資源屬性和值，減少了數(shù)據(jù)冗余，同時(shí)體現(xiàn)了對(duì)象之間的層級(jí)關(guān)系，表達(dá)清晰、符合需求。

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

基于某飛機(jī)總裝對(duì)裝配資源管理系統(tǒng)的需求，以及本文研究的裝配資源知識(shí)分類描述模型及本體表示方法，采用SSM框架的B/S結(jié)構(gòu)構(gòu)建了總裝三維裝配資源管理系統(tǒng)。總裝三維裝配資源管理系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、界面顯示層，系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 總裝三維裝配資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）數(shù)據(jù)訪問層：為業(yè)務(wù)邏輯層或界面顯示層提供數(shù)據(jù)服務(wù)，它的各個(gè)函數(shù)主要完成各個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)文件的操作，專門跟數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互，執(zhí)行數(shù)據(jù)的新增、修改、刪除和查詢等。本系統(tǒng)采用Mybatis框架（JDBC驅(qū)動(dòng)）技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，它包含一組與數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換的類。

2）業(yè)務(wù)邏輯層：包含滿足業(yè)務(wù)邏輯約束的程序邏輯，主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)訪問層的操作，把一些數(shù)據(jù)訪問層的操作進(jìn)行組合，包括保障資源的物料編碼、到貨接收入庫(kù)、借用/領(lǐng)用出庫(kù)、資源歸還入庫(kù)、維修保養(yǎng)、資源返修、資源丟失、資源報(bào)廢、資源預(yù)警、資源位置等業(yè)務(wù)功能；

3）界面顯示層：與用戶進(jìn)行交互，為終端用戶提供用戶界面。用于數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)顯示等。用戶應(yīng)用層根據(jù)用戶的不同角色和權(quán)限，顯示不同的界面，使用戶只能根據(jù)其權(quán)限執(zhí)行相應(yīng)的功能。

5.2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

開發(fā)的飛機(jī)總裝三維裝配資源管理系統(tǒng)功能較多，下面以資源查詢?yōu)槔榻B系統(tǒng)功能的應(yīng)用過程。

資源查詢信息包括資源物料的編碼信息、基本信息，以及其他信息。其中基本信息區(qū)域又分為編碼信息，物料信息，工具信息3個(gè)子區(qū)域。這三大區(qū)域及基本信息子區(qū)域均可通過點(diǎn)擊區(qū)域右上方藍(lán)色展開按鈕展開或折疊，如圖6所示。

圖6 資源查詢功能

展開資源物流編碼如圖7所示。該區(qū)域左側(cè)為物料分類樹，用于選擇物料編碼所屬分類。選擇分類后會(huì)在右下方物料編碼區(qū)域列出所選分類下所有物料編碼。右側(cè)上方為編碼篩選條件區(qū)域。上方為物料編碼通用屬性篩選條件區(qū)域，可選擇物料編碼通用屬性，可多選，不選則不作為篩選條件。下方為物料屬性參數(shù)篩選條件區(qū)域，列出所選物料分類所有參數(shù)屬性，選擇/填寫對(duì)應(yīng)屬性后，點(diǎn)擊右上角篩選按鈕，可對(duì)分類下物料編碼進(jìn)一步篩選。在物料編碼區(qū)域表格中選取要查詢的編碼，點(diǎn)擊物料編碼區(qū)域右上角確定，則選中編碼將被填寫至基本信息區(qū)域物料編碼中，實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的編碼。

圖7 資源編碼功能

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)飛機(jī)總裝資源管理存在的數(shù)據(jù)共享困難，資源出入庫(kù)管理混亂等問題，研究了飛機(jī)總裝三維資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。構(gòu)建的飛機(jī)總裝三維資源管理系統(tǒng)對(duì)大量的總裝資源進(jìn)行了存儲(chǔ)和管理，滿足了總裝作業(yè)過程對(duì)裝配資源出入庫(kù)、資源能力統(tǒng)計(jì)、裝配資源查詢等業(yè)務(wù)的需求，提高了總裝資源的利用率和企業(yè)資源的精益化管理水平。