基于數(shù)字孿生的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線管控實(shí)踐

徐 磊 林曉青 劉金山 王黎黎 臧伊辰

北京衛(wèi)星制造廠有限公司

由于衛(wèi)星產(chǎn)品變批量、多品種、更新?lián)Q代快，其制造過程具有研制與批產(chǎn)并存、單件與組批并行、技術(shù)狀態(tài)多變、多制造專業(yè)協(xié)同、多型號交叉并行生產(chǎn)、任務(wù)量大但不均衡等特點(diǎn)，使得衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品生產(chǎn)線制造過程計(jì)劃調(diào)度、過程管控和整體優(yōu)化的難度較大，制造全過程的產(chǎn)品質(zhì)量可追溯性需要花費(fèi)大量的人力物力。隨著衛(wèi)星研制任務(wù)的持續(xù)增長，當(dāng)前的生產(chǎn)線管控方式已難以滿足未來發(fā)展需要，嚴(yán)重制約了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線制造效率和質(zhì)量穩(wěn)定性的進(jìn)一步提高，也在一定程度上阻礙了航天制造體系數(shù)字化、智能化升級的步伐。

數(shù)字孿生技術(shù)融合了計(jì)算機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)等前沿技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對實(shí)體生產(chǎn)線的關(guān)鍵要素建模、現(xiàn)場狀態(tài)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速處理及大量運(yùn)行歷史記錄預(yù)測分析，是面向生產(chǎn)線全局的多工況復(fù)雜仿真過程，實(shí)現(xiàn)任意目標(biāo)空間的虛—實(shí)數(shù)字化映射和任意情境下的生產(chǎn)線狀態(tài)運(yùn)行仿真和優(yōu)化預(yù)測。基于數(shù)字孿生技術(shù)，生產(chǎn)線關(guān)鍵要素可以及時(shí)響應(yīng)需求變換，迅速形成符合新限制條件的數(shù)字映射，為管控衛(wèi)星生產(chǎn)線提供了絕佳的解決方案，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)快速處理、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的高效交互。未來，數(shù)字孿生將是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，助力衛(wèi)星制造企業(yè)的智能化升級，為我國實(shí)現(xiàn)“航天強(qiáng)國”建設(shè)目標(biāo)提供有力支撐。

一、靜態(tài)環(huán)境中衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線的三維建模

靜態(tài)環(huán)境中衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線的三維建模是對生產(chǎn)線各制造資源信息的整合，其架構(gòu)如圖1 所示，通過生產(chǎn)線實(shí)景調(diào)研、分層次建模、紋理貼圖、資源重組、生產(chǎn)線布局、燈光渲染等步驟，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生生產(chǎn)線靜態(tài)建模。首先將生產(chǎn)系統(tǒng)分為生產(chǎn)線層、工位層、設(shè)備層、物料層等，將各層的模型對象分為加工裝備類、物流裝備類、人員類、產(chǎn)品類等類別；然后根據(jù)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金屬機(jī)械加工生產(chǎn)線對不同類別要素在不同控制層級的需求，創(chuàng)建與實(shí)際衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金屬機(jī)加生產(chǎn)線視覺效果逼真的靜態(tài)三維模型。根據(jù)管理者需要，對虛擬生產(chǎn)線分場景構(gòu)建虛擬生產(chǎn)線仿真監(jiān)控界面，可使衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金屬機(jī)械加工生產(chǎn)線具有完整準(zhǔn)確的物理與虛擬的靜態(tài)映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生建模的第一步。

圖1 靜態(tài)環(huán)境中衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線的三維建模架構(gòu)

基于第一步，使用三維專業(yè)建模軟件，建立衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金屬機(jī)加生產(chǎn)線布局和各類制造資源模型（包括制造裝備、上下料機(jī)器人、工作人員、物流配送裝備、在制品等對象），對各模型對象進(jìn)行組合與布局，以特定的連接關(guān)系將其組合、連接、布局。對于實(shí)際場景中加工裝備的主體、工位、貨架等靜止的制造資源，其靜態(tài)模型可相互固定組合在一起。為了減少數(shù)字孿生仿真引擎的運(yùn)行負(fù)荷，對三維模型做進(jìn)一步優(yōu)化，在不影響孿生模型外觀的情況下，降低美工效果的精細(xì)化程度，以每個(gè)模型文件的識別標(biāo)識為索引，形成虛實(shí)一一對應(yīng)的參數(shù)映射，在仿真引擎對象數(shù)據(jù)庫中存儲各個(gè)靜態(tài)模型。依據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)線現(xiàn)場環(huán)境，對環(huán)境燈光配置、紋理貼圖配置等進(jìn)行優(yōu)化，使模型具有層級、位置、方向、燈光、貼圖等屬性，逐步建模得到符合生產(chǎn)線實(shí)際環(huán)境的逼真場景。

二、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線制造設(shè)備的動(dòng)態(tài)鏡像映射

設(shè)備動(dòng)態(tài)鏡像映射是設(shè)備層面的數(shù)字孿生，在虛擬空間中復(fù)現(xiàn)生產(chǎn)線制造設(shè)備行為，如圖2 所示。將設(shè)備行為實(shí)時(shí)更新到虛擬空間，使監(jiān)控更為直觀，有助于管理者和決策者對生產(chǎn)線進(jìn)行有效管控。設(shè)備動(dòng)態(tài)鏡像映射主要包括設(shè)備準(zhǔn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏡像和設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)鏡像。

圖2 衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線制造設(shè)備動(dòng)態(tài)鏡像映射

準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型采用FBX 格式進(jìn)行存儲。每個(gè)虛擬設(shè)備都具有“場景”源節(jié)點(diǎn)，場景下包含準(zhǔn)動(dòng)態(tài)模型的三大部分：全局?jǐn)?shù)據(jù)、模型組件根節(jié)點(diǎn)和動(dòng)畫求值程序。全局?jǐn)?shù)據(jù)包括其類型、標(biāo)簽、燈光、貼圖、父子節(jié)點(diǎn)、層級、是否靜態(tài)、是否渲染等信息；模型組件根節(jié)點(diǎn)是靜態(tài)模型的主體節(jié)點(diǎn)；當(dāng)新的驅(qū)動(dòng)信息輸入時(shí)，動(dòng)畫求值程序按照運(yùn)動(dòng)學(xué)約束進(jìn)行動(dòng)畫求值，驅(qū)動(dòng)設(shè)備狀態(tài)機(jī)狀態(tài)的變遷。模型根節(jié)點(diǎn)包括構(gòu)成設(shè)備靜態(tài)模型的所有子模型，每個(gè)模型具有模型網(wǎng)格與變換矩陣。模型網(wǎng)格包括控制點(diǎn)、多邊形和圖層等信息，如法向向量、貼圖、材質(zhì)等；變換矩陣則描述了模型的位置、角度、比例等。設(shè)備動(dòng)態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取依賴動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的采集與通信。傳感器等數(shù)據(jù)獲取設(shè)備獲得的數(shù)據(jù)需實(shí)時(shí)更新并存入數(shù)據(jù)庫，數(shù)字孿生系統(tǒng)的虛擬設(shè)備將實(shí)時(shí)訪問數(shù)據(jù)庫中的最新數(shù)據(jù)，以此來跟蹤和復(fù)現(xiàn)物理設(shè)備的狀態(tài)。

三、基于實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線可視化監(jiān)控

生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)運(yùn)行信息的可視化監(jiān)控主要是系統(tǒng)可視化面板的開發(fā)，如圖3 所示，同步建模用于透明直觀地監(jiān)控生產(chǎn)線生產(chǎn)狀態(tài)，而可視化面板主要是以二維可視化技術(shù)的方式展示生產(chǎn)線信息和控制信息，以量化的數(shù)據(jù)二維展示和描述生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對大數(shù)據(jù)平臺上數(shù)據(jù)分析決策結(jié)論和知識推送消息的信息展示，能更方便地輔助監(jiān)控和決策。生產(chǎn)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行信息的可視化監(jiān)控技術(shù)主要分為可視化監(jiān)控面板設(shè)計(jì)與制作和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的消息處理機(jī)制。

圖3 基于實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線可視化監(jiān)控

可視化監(jiān)控面板設(shè)計(jì)與制作：根據(jù)對場景中不同設(shè)備實(shí)時(shí)管理的需求，設(shè)計(jì)可視化用戶界面布局，依照布局制作面板及各類控件，將控件進(jìn)行分類，對不同類別的控件設(shè)計(jì)信息可視化方法，控制數(shù)據(jù)來源及可視化展示形式，使用貼圖美化窗口界面，完成可視化面板框架搭建。

動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的消息處理機(jī)制：通過建立仿真平臺與大數(shù)據(jù)平臺之間的通信機(jī)制，實(shí)時(shí)接收大數(shù)據(jù)平臺的消息推送，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線監(jiān)控信息、數(shù)據(jù)分析決策結(jié)論及知識推送消息的動(dòng)態(tài)接收，對提取的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理，得到用于可視化的關(guān)鍵數(shù)據(jù)；通過事件觸發(fā)的方式，對不同消息進(jìn)行不同的處理，包括狀態(tài)信息改變、故障消息彈窗及異常原因提示等?；诮换ナ襟w驗(yàn)設(shè)計(jì)按鍵操作，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)控區(qū)域的切換，通過信息集成面板實(shí)現(xiàn)對不同層級子單元的展示信息集成。結(jié)合數(shù)控加工生產(chǎn)線中數(shù)控機(jī)床的重要性，對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)另設(shè)面板監(jiān)控其狀態(tài)信息，并對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。

四、基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)仿真評估

基于實(shí)時(shí)信息的生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)仿真評估主要根據(jù)生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，從多維度反映生產(chǎn)線的實(shí)際工況，在質(zhì)量問題（產(chǎn)品維度）及狀態(tài)運(yùn)維（設(shè)備維度）之外，基于離散事件仿真過程數(shù)據(jù)對生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)（系統(tǒng)維度）進(jìn)行評價(jià)，從而找出生產(chǎn)線存在的薄弱環(huán)節(jié)和潛在問題，如圖4 所示。

圖4 基于數(shù)字孿生的生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)仿真評估

通過大數(shù)據(jù)平臺提取相關(guān)數(shù)據(jù)，基于生產(chǎn)線狀態(tài)數(shù)據(jù)可視化監(jiān)控技術(shù)，統(tǒng)計(jì)分析離散事件仿真數(shù)據(jù)，建立三級遞接結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析法、歸納演繹法、德爾菲（Delphi）法等指標(biāo)體系構(gòu)建方法，針對生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力、管理能力、服務(wù)能力等構(gòu)建多方面、多層次、多時(shí)域的仿真評估體系，既能夠直接反映現(xiàn)場底層信息，又能夠基于歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行深層次的統(tǒng)計(jì)分析，確定生產(chǎn)瓶頸環(huán)節(jié)，進(jìn)而提出優(yōu)化處理措施、平衡生產(chǎn)線，提升生產(chǎn)線運(yùn)行效率。

五、數(shù)字孿生在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線管控中的實(shí)踐效果

北京衛(wèi)星制造廠有限公司通過開展基于數(shù)字孿生的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線管控實(shí)踐，完成了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)數(shù)控加工生產(chǎn)線的三維靜態(tài)環(huán)境構(gòu)建、制造設(shè)備動(dòng)態(tài)鏡像映射、基于實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)的生產(chǎn)線可視化監(jiān)控、基于實(shí)時(shí)信息的生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)仿真評估等技術(shù)研究，建成衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品金屬機(jī)加生產(chǎn)線的數(shù)字孿生系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了面向衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工的操作人員狀態(tài)、加工設(shè)備工作狀態(tài)、產(chǎn)品狀態(tài)、物料物流狀態(tài)、物流裝備狀態(tài)、工藝制造階段過程狀態(tài)、生產(chǎn)線環(huán)境狀態(tài)等對象在數(shù)字世界的孿生鏡像，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星結(jié)構(gòu)產(chǎn)品金屬機(jī)加生產(chǎn)線與數(shù)字虛擬生產(chǎn)線之間的信息實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)映射、生產(chǎn)線狀態(tài)信息的多層級與多維度可視化展示和運(yùn)行狀態(tài)的仿真評估和預(yù)測，滿足衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金屬機(jī)加生產(chǎn)線實(shí)時(shí)管控需求，支撐了生產(chǎn)線資源配置優(yōu)化與生產(chǎn)線管控能力提升。

六、結(jié)束語

本文基于數(shù)字孿生技術(shù)提出一種新型的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金屬機(jī)加生產(chǎn)線管控方法，面向人員、機(jī)器、原料、方法、環(huán)境等要素，通過構(gòu)建操作人員、制造設(shè)備、工藝過程、衛(wèi)星在制品、生產(chǎn)線現(xiàn)場環(huán)境等數(shù)字孿生體，采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析優(yōu)化，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)同步驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)線數(shù)字孿生體快速運(yùn)行，在數(shù)字世界里實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)金屬機(jī)加生產(chǎn)線的虛擬動(dòng)態(tài)映射，為實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線由人工實(shí)地巡查的局部低效管理模式向基于數(shù)字孿生生產(chǎn)線虛擬漫游的制造全過程管控模式轉(zhuǎn)變提供支撐，進(jìn)一步提升衛(wèi)星結(jié)構(gòu)生產(chǎn)線制造全過程實(shí)時(shí)監(jiān)控和快速響應(yīng)能力。本文的實(shí)踐方法和經(jīng)驗(yàn)，有利于數(shù)字孿生相關(guān)技術(shù)在航天、航空、機(jī)械等復(fù)雜裝備制造領(lǐng)域進(jìn)行深入研究和推廣應(yīng)用，并提供些許參考和借鑒。