基于數(shù)字孿生的總裝產(chǎn)線模型構(gòu)建及仿真技術(shù)研究

黃敏杰，趙佳琪

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

1 引言

機(jī)載武器有利于我國(guó)在軍事戰(zhàn)爭(zhēng)中獲得絕對(duì)空中優(yōu)勢(shì)，壓制空中火力來(lái)提高我國(guó)國(guó)防力量，提升國(guó)際地位發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，必須保證其生產(chǎn)的高效性，可靠性[1]。實(shí)現(xiàn)機(jī)載武器生產(chǎn)的數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化，極大提升軍工企業(yè)的產(chǎn)線設(shè)計(jì)和生產(chǎn)并行的能力，從而使產(chǎn)品定型周期縮短，生產(chǎn)成本降低，提升資源利用率[2]。隨著機(jī)載武器產(chǎn)品的迭代升級(jí)，產(chǎn)線需快速調(diào)整來(lái)滿足訂單需求。傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式是機(jī)載武器研發(fā)定型后開(kāi)始設(shè)計(jì)產(chǎn)線，經(jīng)多輪口頭討論，驗(yàn)證產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案后，才正式建設(shè)產(chǎn)線。產(chǎn)線建設(shè)過(guò)程中才會(huì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，每次優(yōu)化、升級(jí)產(chǎn)線需進(jìn)行拆裝、重組，耗費(fèi)較多時(shí)間和金錢，這樣就會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)，喪失企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，甚至在重要戰(zhàn)爭(zhēng)中延誤戰(zhàn)機(jī)。雖然現(xiàn)有的生產(chǎn)線已經(jīng)擁有了相對(duì)完整的體系架構(gòu)及完備的功能，且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)及智能化管理，但缺少相應(yīng)的仿真分析機(jī)制，不能做到自主決策，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題[3]。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展，可以明顯看出：任何事物都可能有數(shù)字孿生[4]。數(shù)字孿生技術(shù)已廣泛投入應(yīng)用到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)、工業(yè)制造等領(lǐng)域，它所具備的高度保真、實(shí)時(shí)反映、快速判斷和深度分析等特點(diǎn)，將大力促進(jìn)中國(guó)數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和制造產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，積極推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)和實(shí)體企業(yè)的融合發(fā)展[5]?；趯?shí)體設(shè)備及產(chǎn)品，數(shù)字孿生對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行系統(tǒng)描述，通過(guò)將實(shí)體以數(shù)字化形式展現(xiàn)在虛擬的信息空間中，對(duì)實(shí)體設(shè)備及產(chǎn)品在真實(shí)環(huán)境中的形狀、位置、功能信息等加以建模仿真，重構(gòu)物理實(shí)體的關(guān)鍵要素，從而達(dá)成虛擬信息空間和物理真實(shí)環(huán)境之間的互聯(lián)互通[6]。本文針對(duì)機(jī)載武器未來(lái)產(chǎn)品型號(hào)多樣化、批量小、周期短等發(fā)展趨勢(shì)和總裝產(chǎn)線快速調(diào)整以滿足訂單交付的需求，開(kāi)展研究。

2 構(gòu)建產(chǎn)線數(shù)字孿生模型

產(chǎn)線資源的數(shù)字化管理與描述是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，迭代與優(yōu)化的關(guān)鍵。產(chǎn)線仿真模型通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建，并構(gòu)建實(shí)際生產(chǎn)中的各要素互相關(guān)聯(lián)、全流程的虛實(shí)交互，形成仿真模型和實(shí)際生產(chǎn)中裝配設(shè)備、測(cè)試設(shè)備之間的數(shù)據(jù)相互聯(lián)通和實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線、單元和設(shè)備由真實(shí)空間到虛擬空間多維度、多粒度的自動(dòng)映射，以及生產(chǎn)過(guò)程中的模型構(gòu)建、離線和在線仿真，最終用來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)和迭代優(yōu)化產(chǎn)線方案?；跀?shù)字孿生構(gòu)建的產(chǎn)線模型框架如圖1所示。

圖1 基于數(shù)字孿生構(gòu)建產(chǎn)線模型的框架

對(duì)實(shí)際生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，不同生產(chǎn)設(shè)備實(shí)體需執(zhí)行不同命令完成不同裝配工藝，最終完成產(chǎn)品總裝；但對(duì)于產(chǎn)線仿真，其忽視了生產(chǎn)裝配動(dòng)作，同種類型的裝配、測(cè)試設(shè)備具有類似屬性信息，且可實(shí)現(xiàn)相同功能。也就是說(shuō)每一類孿生模型都是對(duì)實(shí)現(xiàn)同種功能的物理實(shí)體設(shè)備的抽象化表述。產(chǎn)線仿真層面，構(gòu)建數(shù)字孿生模型的目的是建立一套可重復(fù)使用，且具有通用性的數(shù)字模型，任何孿生模型都是某一類裝配設(shè)備或測(cè)試設(shè)備在虛擬空間的具象化體現(xiàn)?；跀?shù)字孿生的總裝產(chǎn)線模型將具有相似生產(chǎn)行為的設(shè)備進(jìn)行分類分析，將實(shí)體設(shè)備的幾何信息、屬性信息、仿真規(guī)則和裝配信息等在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程用到的各類參數(shù)抽象化，從而構(gòu)建總裝產(chǎn)線的數(shù)字孿生模型（Twin Logical Model，TLM）。因此，總裝產(chǎn)線仿真的數(shù)字孿生模型：TLM = {幾何信息，屬性信息，仿真規(guī)則，裝配信息}。

3 構(gòu)建基于數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)線仿真規(guī)則

虛擬空間中，實(shí)體設(shè)備的孿生模型根據(jù)自身幾何信息、屬性信息和裝配信息，以產(chǎn)線仿真規(guī)則為基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)線運(yùn)轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的預(yù)驗(yàn)證及實(shí)際生產(chǎn)線仿真分析。因此，定義數(shù)字孿生模型的仿真規(guī)則，通過(guò)規(guī)定模型間的生產(chǎn)信息傳遞方法，即同步運(yùn)行機(jī)制和互斥優(yōu)先機(jī)制，利用信號(hào)通道將仿真計(jì)算所產(chǎn)生的信號(hào)傳給有關(guān)模型，進(jìn)而使基于數(shù)字孿生的產(chǎn)線模型具備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，保證邏輯仿真的正確映射。

3.1 生產(chǎn)信息傳遞方法

裝配工序相鄰仿真模型間連接的信息通道，在虛擬空間中是有向連接的。相連的孿生模型間借助信息通道建立前驅(qū)和后繼關(guān)系，基于此通道來(lái)完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。前驅(qū)對(duì)象為當(dāng)前模型中完成前一道裝配工序的模型，后繼對(duì)象為當(dāng)前模型中完成后一道裝配工序的模型。當(dāng)仿真模型的運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)，會(huì)自動(dòng)切換狀態(tài)，并將這一變化以信號(hào)的形式傳送到信息通道，其前驅(qū)對(duì)象和后繼對(duì)象獲取信息通道中的狀態(tài)信號(hào)后做出響應(yīng)，并觸發(fā)生產(chǎn)動(dòng)作來(lái)改變其狀態(tài)。以此類推，整個(gè)仿真模型的信息傳遞工作就完成了。數(shù)字孿生模型間生產(chǎn)信息傳遞方法如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生模型間生產(chǎn)信息傳遞方法

因生產(chǎn)節(jié)拍、設(shè)備臺(tái)套數(shù)、人員配置和物流配送等會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的差異，另外，各個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中的生產(chǎn)資源數(shù)量也不一樣，因此所有仿真模型間的信息交互會(huì)出現(xiàn)兩類不同的情況，分別是一對(duì)一交互模式（單一模型連接），一對(duì)多交互模式（單一模型和多個(gè)模型同時(shí)連接）。一對(duì)一交互模式下通過(guò)同步運(yùn)行機(jī)制實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換，而一對(duì)多交互模式下，狀態(tài)轉(zhuǎn)換則通過(guò)互斥優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行。

3.2 同步運(yùn)行機(jī)制

數(shù)字孿生模型在一對(duì)一交互模式下，模型運(yùn)行狀態(tài)切換與仿真規(guī)則、相連模型傳輸?shù)臓顟B(tài)信號(hào)有關(guān)。兩個(gè)相連的孿生模型，前驅(qū)生產(chǎn)對(duì)象只需關(guān)注能否發(fā)出物料，不用關(guān)注后繼對(duì)象；后繼生產(chǎn)對(duì)象同樣只需關(guān)注能否接收物料并進(jìn)行加工，無(wú)需關(guān)注前驅(qū)對(duì)象。仿真過(guò)程中，如果前驅(qū)對(duì)象沒(méi)有傳入狀態(tài)信號(hào)，那么后驅(qū)對(duì)象則無(wú)法解析信號(hào)；另外，如果后繼對(duì)象沒(méi)有完成前一個(gè)信號(hào)解析時(shí)，前驅(qū)對(duì)象則沒(méi)有辦法完成下一個(gè)信號(hào)的傳入，也就是在一對(duì)一交互模式下，信息的傳輸、解析具有一定的先后次序，而實(shí)際裝配設(shè)備、測(cè)試設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍往往會(huì)影響這種順序。

在實(shí)際總體裝配過(guò)程中，會(huì)存在三種生產(chǎn)情況：前驅(qū)生產(chǎn)對(duì)象生產(chǎn)時(shí)間小于、等于或大于后繼生產(chǎn)對(duì)象的生產(chǎn)時(shí)間。根據(jù)生產(chǎn)模型存在正常作業(yè)、空閑待機(jī)和阻塞等待三種運(yùn)行狀態(tài)的切換過(guò)程，建立前驅(qū)、后繼生產(chǎn)對(duì)象運(yùn)行狀態(tài)切換的時(shí)間關(guān)系。前驅(qū)生產(chǎn)對(duì)象生產(chǎn)時(shí)間小于后繼生產(chǎn)對(duì)象生產(chǎn)時(shí)間（不存在待機(jī)時(shí)間）：

前驅(qū)生產(chǎn)對(duì)象生產(chǎn)時(shí)間等于后繼生產(chǎn)對(duì)象生產(chǎn)時(shí)間（不存在待機(jī)和阻塞時(shí)間）：

前驅(qū)生產(chǎn)對(duì)象生產(chǎn)時(shí)間大于后繼生產(chǎn)對(duì)象生產(chǎn)時(shí)間（不存在阻塞時(shí)間）：

式中，Tpw，Tpe，Tpb分別為前驅(qū)生產(chǎn)對(duì)象正常作業(yè)、空閑待機(jī)和阻塞等待時(shí)間；Tsw，Tse，Tsb分別為后繼生產(chǎn)對(duì)象正常作業(yè)、空閑待機(jī)和阻塞等待時(shí)間。同時(shí)，依據(jù)前述三種運(yùn)行狀態(tài)切換的時(shí)間關(guān)系，采用同步運(yùn)行機(jī)制實(shí)現(xiàn)狀態(tài)信號(hào)的傳輸與解析。

3.3 互斥優(yōu)先機(jī)制

由于單位生產(chǎn)時(shí)間內(nèi)，一個(gè)前驅(qū)對(duì)象僅能產(chǎn)生一個(gè)物料，同時(shí)該物料只能被一個(gè)后繼對(duì)象作用。所以在一對(duì)多交互模式下，多個(gè)前驅(qū)對(duì)象間及多個(gè)后繼對(duì)象間均存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。由此需建立互斥優(yōu)先機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多交互模式中多個(gè)孿生模型間的物料傳遞、信息交互。一對(duì)多交互模式如圖3a所示，單一前驅(qū)對(duì)象與多個(gè)后繼對(duì)象相連時(shí)，前驅(qū)對(duì)象將作業(yè)完成的狀態(tài)信號(hào)傳遞給生產(chǎn)狀態(tài)處于優(yōu)先級(jí)最高，且當(dāng)前為空閑待機(jī)狀態(tài)的后繼對(duì)象；如果前驅(qū)對(duì)象已完成該狀態(tài)信號(hào)傳輸，其余后繼對(duì)象則無(wú)法再次獲得該狀態(tài)信號(hào)，最終達(dá)成了狀態(tài)信號(hào)的互斥解析。多對(duì)一交互模式如圖3b所示，多個(gè)前驅(qū)對(duì)象與單一后繼對(duì)象相連時(shí)，當(dāng)所有前驅(qū)對(duì)象在同一時(shí)間完成作業(yè)并在信息通道中傳入信號(hào)時(shí)，后繼對(duì)象通過(guò)獲取其前驅(qū)對(duì)象的生產(chǎn)狀態(tài)，從處于優(yōu)先級(jí)最高的前驅(qū)對(duì)象中獲取狀態(tài)信號(hào)，并進(jìn)行解析；而其余前驅(qū)對(duì)象的生產(chǎn)狀態(tài)信號(hào)則繼續(xù)保留在其相應(yīng)的信息通道中，由此完成了狀態(tài)信號(hào)的優(yōu)先傳遞。

圖3 數(shù)字孿生模型間的互斥優(yōu)先機(jī)制

4 虛實(shí)產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互機(jī)制

傳統(tǒng)的工業(yè)級(jí)產(chǎn)線仿真往往僅根據(jù)產(chǎn)線結(jié)構(gòu)、運(yùn)行機(jī)理或者某一生產(chǎn)因素完成建模仿真，此種方法得到的仿真效果較差?，F(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)線的狀態(tài)會(huì)因訂單變動(dòng)、設(shè)備故障等發(fā)生不可預(yù)估的變動(dòng)，離線進(jìn)行的產(chǎn)線仿真模型難以及時(shí)、準(zhǔn)確地反映裝配產(chǎn)線的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)[7]。由此建立虛實(shí)產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互機(jī)制，從而達(dá)到物理產(chǎn)線和數(shù)字產(chǎn)線虛實(shí)融合的目的，采集物理實(shí)體生產(chǎn)數(shù)據(jù)更新仿真模型，使模擬結(jié)果更符合生產(chǎn)實(shí)際狀態(tài)；同時(shí)，仿真模型結(jié)果分析又可用于指導(dǎo)產(chǎn)線調(diào)整，提升設(shè)備利用率，保證產(chǎn)品交付，如圖4所示。

圖4 虛實(shí)產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互機(jī)制

利用歷史數(shù)據(jù)完成模型訓(xùn)練，并對(duì)模型進(jìn)行綜合評(píng)估、篩選和優(yōu)化。在客戶端，將現(xiàn)場(chǎng)裝配設(shè)備、測(cè)試設(shè)備的PC工控機(jī)軟件的端口號(hào)和IP地址與工控機(jī)的軟件建立連接，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集來(lái)獲取設(shè)備的工作數(shù)據(jù)，傳送到客戶端完成數(shù)據(jù)解析后，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)輸入到產(chǎn)線模型中來(lái)驅(qū)動(dòng)仿真。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和多目標(biāo)遺傳算法的基礎(chǔ)上，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的各類生產(chǎn)資源參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，獲得生產(chǎn)控制的最優(yōu)解，最終反饋到管理系統(tǒng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)總裝產(chǎn)線的控制。同時(shí)，將問(wèn)題發(fā)現(xiàn)后才開(kāi)始被動(dòng)解決轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)調(diào)整產(chǎn)線參數(shù)，為總裝產(chǎn)線優(yōu)化、自主決策提供可能。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于目前機(jī)載武器總裝產(chǎn)線建設(shè)存在的問(wèn)題，本文進(jìn)行了總裝產(chǎn)線的數(shù)字孿生產(chǎn)線模型構(gòu)建和仿真理論研究，構(gòu)建了生產(chǎn)線建模、數(shù)字孿生模型仿真規(guī)則、虛實(shí)產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互規(guī)則，建設(shè)了一條數(shù)字化產(chǎn)線。目前正在投入應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案的預(yù)驗(yàn)證，有效縮短了總裝產(chǎn)線設(shè)計(jì)定型周期，為目前的總裝產(chǎn)線建設(shè)起到正面、積極的推動(dòng)作用。同時(shí)，為該機(jī)載武器企業(yè)的其他產(chǎn)線建設(shè)起到示范作用，推動(dòng)企業(yè)朝著智能制造方向快速轉(zhuǎn)型升級(jí)。