數(shù)字孿生與設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)及應(yīng)用*

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

隨著中國(guó)制造2025的推動(dòng)，以及工業(yè)4.0、智能制造的持續(xù)發(fā)展，飛機(jī)裝配生產(chǎn)線正朝著智能化、信息化的制造模式不斷轉(zhuǎn)型[1]。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線作為飛機(jī)制造系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是保證飛機(jī)制造高質(zhì)量、高效率的重要保障。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)周期、目標(biāo)成本等為主要依據(jù)，基于飛機(jī)裝配流程和生產(chǎn)組織，通過(guò)分析與計(jì)算，合理劃分工藝分離面，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配工藝流程、站位布局、工藝裝備、人員配置及生產(chǎn)作業(yè)形式等的規(guī)劃設(shè)計(jì)[2]。在設(shè)計(jì)新的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線或?qū)ΜF(xiàn)有飛機(jī)裝配生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整時(shí)，僅依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、技能和定性分析，通常難以識(shí)別和解決設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的缺陷或瓶頸，從而導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案不完善、定量準(zhǔn)確性差，需要在方案實(shí)施中進(jìn)行補(bǔ)充修訂以適應(yīng)實(shí)際運(yùn)行[3]。因此，先進(jìn)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方式對(duì)于提高飛機(jī)裝配效率，快速適應(yīng)市場(chǎng)需求，降低飛機(jī)裝配成本等具有重要的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。

隨著新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，以及基于模型定義（MBD）等數(shù)據(jù)表達(dá)技術(shù)的日趨成熟，為數(shù)字孿生技術(shù)提供了有效的基礎(chǔ)支撐?；贛BD技術(shù)是將產(chǎn)品的所有相關(guān)設(shè)計(jì)定義、工藝描述、屬性和管理等信息都附著在產(chǎn)品三維模型中先進(jìn)的數(shù)字化定義方法。數(shù)字孿生作為MBD的擴(kuò)展和延伸，使數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的階段。近年來(lái)，數(shù)字孿生成為智能制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)智能工廠的新手段和重要技術(shù)支撐[4–5]。數(shù)字孿生的概念最早由Michael Grieves教授于2003年提出，近年在數(shù)字車(chē)間的應(yīng)用和構(gòu)建中得到了很多研究，如陶飛等[6]提出數(shù)字孿生車(chē)間的概念和參考系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)物理實(shí)體和虛擬模型的結(jié)合，突破物理空間和信息空間之間的瓶頸。Zhuang 等[7]提出了基于數(shù)字孿生的復(fù)雜產(chǎn)品裝配車(chē)間智能生產(chǎn)管理和控制方法框架，并在衛(wèi)星裝配車(chē)間進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于數(shù)字孿生在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，西門(mén)子公司認(rèn)為數(shù)字孿生可以在物理原型和投資之前模擬、預(yù)測(cè)和優(yōu)化產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。莊存波等[9]認(rèn)為產(chǎn)品數(shù)字孿生支持在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就通過(guò)建模、仿真及優(yōu)化手段來(lái)分析產(chǎn)品的可制造性，同時(shí)還支持產(chǎn)品性能和產(chǎn)品功能的測(cè)試與驗(yàn)證。趙敏等[10]認(rèn)為數(shù)字孿生模型可以與實(shí)物模型高度相像，而不是簡(jiǎn)單的一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可能存在“零對(duì)一”等多種對(duì)應(yīng)關(guān)系，即人類(lèi)憑想象和創(chuàng)意在數(shù)字空間創(chuàng)造的“數(shù)字虛體”，現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有與其對(duì)應(yīng)的“物理實(shí)體”（如數(shù)字創(chuàng)意中的各種形象）。Guo 等[11]認(rèn)為數(shù)字孿生可以建立虛擬的數(shù)字化生產(chǎn)線、機(jī)床、機(jī)器手等生產(chǎn)環(huán)境，由此發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中隱藏的缺陷，并提出了解決方案。

在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)中引入數(shù)字孿生技術(shù)可以有效幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題，并建立飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與運(yùn)行的交互環(huán)境和載體，對(duì)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的工作流程、信息流和物流進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的仿真分析，從而提高飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的質(zhì)量和性能。因此，本文面向數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與應(yīng)用，首先對(duì)當(dāng)前飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，結(jié)合先進(jìn)總結(jié)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的特點(diǎn)與需求，提出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法，并以設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)支撐數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的建模和仿真分析，以提高數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模的效率；最后以某飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)為例進(jìn)行驗(yàn)證，提高了設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量和性能。

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程分析

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線是飛機(jī)制造系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的合理性直接決定生產(chǎn)物流是否流暢、成本是否合理、生產(chǎn)節(jié)拍是否滿足要求以及企業(yè)能否獲得最大的效益等[12]。由于飛機(jī)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝類(lèi)型復(fù)雜，在裝配過(guò)程所需物料及相應(yīng)的工具、量具、工裝種類(lèi)繁多、數(shù)量巨大、裝配周期耗時(shí)久[13]。因此，飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)需要考慮的因素眾多，如何得到合理優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案是核心難題。傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)通過(guò)接收客戶需求，依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)直接在二維平面進(jìn)行規(guī)劃，并通過(guò)主觀經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和改進(jìn)，如圖1所示。設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量主要取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技能水平，通常難以定量準(zhǔn)確、可視化地進(jìn)行飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的運(yùn)行過(guò)程分析。因此，在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中主要存在以下挑戰(zhàn)[14]：一是如何在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)階段能夠直觀表達(dá)設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)結(jié)果，并且能夠定量考慮整個(gè)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的合理性；二是如何利用先進(jìn)技術(shù)（如數(shù)字孿生等）以及設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確、高效建模；三是如何幫助設(shè)計(jì)人員對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行可視化的定量仿真驗(yàn)證，來(lái)不斷優(yōu)化飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方案，以提高飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

數(shù)字孿生技術(shù)將帶有三維數(shù)字模型的信息拓展到整個(gè)生命周期的技術(shù)，能夠幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中仿真和測(cè)試，在生產(chǎn)過(guò)程中也可同步監(jiān)控和控制整個(gè)生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)。在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中，虛擬飛機(jī)裝配生產(chǎn)線和設(shè)計(jì)需求形成一對(duì)虛實(shí)孿生體[15]。通過(guò)離散系統(tǒng)仿真對(duì)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的工作流程、信息流和物流進(jìn)行精確的仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性，進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)的質(zhì)量和性能，縮短設(shè)計(jì)周期。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)內(nèi)容：（1）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模。MBD技術(shù)為數(shù)字孿生建模提供了完善的信息載體。依靠MBD技術(shù)，使用數(shù)字化手段構(gòu)建滿足客戶需求和功能需求的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，可以精確地記錄飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的各種屬性參數(shù)，并以可視化的方式展示出來(lái)。（2）數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線仿真與驗(yàn)證，在實(shí)際生產(chǎn)裝配線投產(chǎn)之前，通過(guò)一系列可重復(fù)、可變參數(shù)、可加速的仿真試驗(yàn)，幫助設(shè)計(jì)人員盡可能了解飛機(jī)裝配生產(chǎn)線在實(shí)際運(yùn)行中的狀態(tài)、性能等，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供可靠的參考數(shù)據(jù)[16]。此外，在飛機(jī)裝配生產(chǎn)線運(yùn)行中，可以通過(guò)設(shè)計(jì)階段構(gòu)建的數(shù)字孿生模型對(duì)物理飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備、物流設(shè)備、產(chǎn)線的運(yùn)行狀態(tài)與績(jī)效進(jìn)行可視化，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行同步分析和優(yōu)化，從而不斷幫助裝配生產(chǎn)線提高產(chǎn)能、提升質(zhì)量、降低能耗，同時(shí)可以將運(yùn)行結(jié)果反饋給設(shè)計(jì)階段，用于裝配生產(chǎn)線和工藝的持續(xù)改進(jìn)，最終形成閉環(huán)數(shù)字孿生。

圖1 傳統(tǒng)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)Fig.1 Design and planning process of traditional aircraft assembly line

數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法

1 設(shè)計(jì)流程

面向飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，本文在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上提出一種數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建符合實(shí)際生產(chǎn)中各類(lèi)狀況的數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線模型，利用飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)支持?jǐn)?shù)字孿生的建模過(guò)程和仿真以提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)人員的工作量。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線可以提前對(duì)裝配線性能進(jìn)行仿真和驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)果中存在的缺陷。數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程主要包括3個(gè)階段：客戶需求與工藝分析、數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模、數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模仿真驗(yàn)證，如圖2所示。

（1）客戶需求與工藝分析?？蛻粜枨笈c工藝分析是飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)第1階段。根據(jù)客戶需求，設(shè)計(jì)人員需要收集企業(yè)愿景、明確客戶需求、確定目標(biāo)計(jì)劃、初步擬定設(shè)計(jì)方案，包括生產(chǎn)線產(chǎn)量、車(chē)間布局信息、建設(shè)成本和產(chǎn)品質(zhì)量等，數(shù)字孿生技術(shù)能夠集成這些數(shù)據(jù)并可視化地表現(xiàn)出來(lái)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)考慮相似的案例來(lái)計(jì)算建設(shè)成本和產(chǎn)量等，驗(yàn)證是否滿足客戶需求，使客戶與設(shè)計(jì)人員之間的交流更加透明、快捷，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)理念。

圖2 基于數(shù)字孿生飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法Fig.2 Digital twin-based aircraft assembly line design method

（2）構(gòu)建數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，這一階段設(shè)計(jì)人員完成數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的構(gòu)建。設(shè)計(jì)人員在前一階段的基礎(chǔ)上，通過(guò)設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)完成飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的初步規(guī)劃方案，根據(jù)規(guī)劃方案需要進(jìn)一步細(xì)化虛擬飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，包括人員行為、設(shè)備操作、物流配送等邏輯參數(shù)。由于飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的動(dòng)態(tài)變化，這些邏輯參數(shù)很難計(jì)算。研究人員通過(guò)利用設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中的相似案例來(lái)查詢這些邏輯參數(shù)，通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，可以對(duì)邏輯參數(shù)的各種組合進(jìn)行驗(yàn)證和選擇，可以為設(shè)計(jì)人員提供更合理的邏輯參數(shù)組合，幫助設(shè)計(jì)人員做出更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)決策。

（3）仿真與驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證是為了減少實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與預(yù)期的運(yùn)行狀態(tài)之間的不一致性，使飛機(jī)裝配生產(chǎn)線投產(chǎn)運(yùn)行后盡可能與預(yù)期運(yùn)行一致[17]。通過(guò)上一階段構(gòu)建的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線可以模擬裝配線運(yùn)行過(guò)程和物流控制策略，設(shè)計(jì)人員能夠得到符合實(shí)際裝配運(yùn)行的裝配線產(chǎn)能、站位的工作能力、物流存儲(chǔ)運(yùn)輸?shù)葦?shù)據(jù)，結(jié)合設(shè)計(jì)知識(shí)判斷生產(chǎn)線平衡性、裝配站位的瓶頸、設(shè)備利用率等指標(biāo)。由于數(shù)字孿生技術(shù)的高保真性和靈活性，不僅可以得到傳統(tǒng)的仿真結(jié)果，還可以確認(rèn)設(shè)備之間是否存在空間干涉，物料運(yùn)輸路線是否合理。最終促進(jìn)設(shè)計(jì)方案的迭代優(yōu)化，滿足設(shè)備利用率、物流順暢等多方面要求。

在數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)方案會(huì)不斷改進(jìn)和細(xì)化，因此數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線也會(huì)隨著設(shè)計(jì)方案的變化而變化。為了保證數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的高保真性，需要建立復(fù)雜的數(shù)字孿生模型（如設(shè)備、人員）模型，導(dǎo)致建模時(shí)間長(zhǎng)和工作量大。此外，為了確保數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線盡可能符合真實(shí)的環(huán)境，需要真實(shí)的運(yùn)行參數(shù)來(lái)對(duì)數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的仿真邏輯進(jìn)行構(gòu)建。為了解決上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)歷史案例、模型等數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，構(gòu)建飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，以便能夠支持?jǐn)?shù)字孿生的構(gòu)建和應(yīng)用。

2 設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)構(gòu)建

飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)僅僅依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和手工演算，難以全面保證設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，且缺乏相關(guān)科學(xué)的依據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)支撐。通過(guò)總結(jié)和整理已有的設(shè)計(jì)案例、MBD 資源模型等數(shù)據(jù)，形成可參考的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，為數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)提供了有力的支持，大大提高數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線建模和仿真分析的效率，從而提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量。

圖3 飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)Fig.3 Aircraft assembly line design knowledge library structure

為了實(shí)現(xiàn)知識(shí)的重用，需要建立飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)。通過(guò)對(duì)已有設(shè)計(jì)案例進(jìn)行分析，將相應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行分類(lèi)，構(gòu)建設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行知識(shí)的標(biāo)準(zhǔn)化。通過(guò)分析，將飛機(jī)裝配裝生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下劃分，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)主要包括3類(lèi)：仿真邏輯、MBD設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)實(shí)例，知識(shí)庫(kù)為飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)全周期提供支持。設(shè)計(jì)人員利用知識(shí)庫(kù)查詢相關(guān)設(shè)計(jì)知識(shí)，在這些參考知識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可以盡量避免裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)過(guò)程中的缺陷，提高構(gòu)建數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的效率。

3 基于知識(shí)庫(kù)的建模與驗(yàn)證

根據(jù)客戶的需求和對(duì)產(chǎn)品工藝的分析，確定需要查詢的內(nèi)容，在知識(shí)庫(kù)中進(jìn)行查詢，相同的幾何模型可以直接重用，相似的模型則需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整應(yīng)用，幾何模型主要包括建筑模型、設(shè)備模型、工裝模型、物料模型、人員模型等實(shí)體模型。然而，基于幾何模型對(duì)實(shí)際的裝配生產(chǎn)線運(yùn)行缺乏行為、規(guī)則等進(jìn)一步刻畫(huà)，因此需要構(gòu)建邏輯模型以確保數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線能夠符合實(shí)際生產(chǎn)中的人員操作情況、設(shè)備運(yùn)行狀況等各類(lèi)情況。最后，將幾何模型和邏輯模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)、組合與集成，從而形成高保真的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，如圖4所示。在數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)人員可以選擇不同的知識(shí)，分析仿真結(jié)果?；谙嚓P(guān)知識(shí)，可以挖掘隱藏于數(shù)據(jù)中的瓶頸問(wèn)題，這樣能夠使設(shè)計(jì)人員更及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并利用推薦的相關(guān)知識(shí)幫助完成驗(yàn)證和優(yōu)化，節(jié)約設(shè)計(jì)的時(shí)間和工作量。

應(yīng)用驗(yàn)證

本文針對(duì)某飛機(jī)主機(jī)制造企業(yè)承擔(dān)的某型飛機(jī)中機(jī)身部件裝配任務(wù)，面向中機(jī)身部件裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)需求，以Teamcenter 軟件和Tecnomatix 軟件為工具，建立了相關(guān)的設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，構(gòu)建數(shù)字孿生中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，并通過(guò)仿真驗(yàn)證分析提前發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，有效節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間及成本，在飛機(jī)中機(jī)身裝配線建成運(yùn)行后，基于數(shù)字孿生中機(jī)身裝配生產(chǎn)線模型可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線實(shí)際運(yùn)行過(guò)程的分析優(yōu)化，驗(yàn)證了數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 應(yīng)用背景

隨著民用客機(jī)市場(chǎng)需求的不斷升級(jí)，某飛機(jī)主機(jī)制造企業(yè)面向新承擔(dān)的型號(hào)任務(wù)，原有裝配生產(chǎn)線產(chǎn)能已不能滿足制造需求。因此，需要設(shè)計(jì)建立全新的某型飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，并滿足生產(chǎn)高效率、低生產(chǎn)成本等要求，以提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。中機(jī)身是某型飛機(jī)的重要組成部分，處于機(jī)身中部與機(jī)翼交匯處，是飛機(jī)重要的受力部件。在中機(jī)身裝配生產(chǎn)線中包括中機(jī)身頂部壁板、左右側(cè)壁板（含應(yīng)急門(mén)框）、左右側(cè)下壁板、機(jī)身36框、客艙地板、龍骨梁等部件的裝配。通過(guò)對(duì)以上部件的工藝分析，將中機(jī)身裝配生產(chǎn)線劃分為9個(gè)裝配站位，分別是底壁板裝配站、側(cè)壁板裝配站、頂壁板裝配站、龍骨梁裝配站、地板裝配站、機(jī)身框裝配站、應(yīng)急門(mén)框裝配站、中機(jī)身總裝站、中機(jī)身架外裝配站[18]，中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的裝配站位分配如圖5所示。

圖4 基于設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)Fig.4 Design knowledge library-based digital aircraft assembly line design

2 基于客戶需求分析的初始設(shè)計(jì)方案

通過(guò)對(duì)客戶需求和產(chǎn)品工藝進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)人員按照每個(gè)裝配站位部件選擇所需的工裝和設(shè)備，并且對(duì)每個(gè)站位之間的物流關(guān)系進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)。利用飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)中相關(guān)知識(shí)，借助數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)站位布局、緩存區(qū)布局、設(shè)備需求、生產(chǎn)節(jié)拍和在制品成本等參數(shù)的快速規(guī)劃，部分初始設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

3 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線建模與仿真

基于初始設(shè)計(jì)結(jié)果建立數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，利用知識(shí)庫(kù)中已有的資源模型直接重用，對(duì)缺少的資源模型使用NX和Tecnomatix 軟件完成建模，所得到的全部資源模型再按照模塊組合規(guī)則形成中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的幾何模型。獲得中機(jī)身裝配生產(chǎn)線幾何模型后，設(shè)計(jì)人員會(huì)根據(jù)需求將運(yùn)行所需的邏輯設(shè)置到幾何模型中，本文主要從以下方面定義運(yùn)行邏輯：對(duì)于虛擬化的人員，從操作層面對(duì)人的動(dòng)作進(jìn)行規(guī)范，如在某個(gè)站位的某個(gè)設(shè)備處，采用某種姿勢(shì)裝配某個(gè)部件。對(duì)于固定設(shè)備，則通過(guò)根據(jù)廠家提供的操作說(shuō)明對(duì)其操作、狀態(tài)進(jìn)行總結(jié)分類(lèi)，建立運(yùn)行規(guī)則，同時(shí)還要考慮到設(shè)備的故障、維護(hù)等特殊情況。對(duì)于物流設(shè)備，主要體現(xiàn)在各個(gè)站位模型之間的物流關(guān)系，吊車(chē)、小車(chē)的工作路徑及運(yùn)行方式。數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線流程和界面如圖7所示。在數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的基礎(chǔ)上，可得到裝配生產(chǎn)線中各個(gè)裝配站位的工作數(shù)據(jù)，整個(gè)裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能、物料的流動(dòng)情況等數(shù)據(jù)。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)相關(guān)知識(shí)分析可以得到設(shè)備利用情況是否合理、裝配線產(chǎn)能是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)等問(wèn)題，從而對(duì)發(fā)現(xiàn)的瓶頸進(jìn)行分析和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)方案更為可靠。

圖5 某型飛機(jī)中機(jī)身裝配工藝流程Fig.5 Middle fuselage assembly process

圖6 基于客戶需求和工藝分析的初始設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.6 Initial design result based on customer demand and process analysis

4 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)分析

利用數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，可以對(duì)生產(chǎn)線產(chǎn)能、裝配站位利用率、裝配生產(chǎn)線瓶頸等進(jìn)行量化的仿真分析，如圖8顯示了裝配站位利用率。其中圖8（a）表示了優(yōu)化前的站位利用率。這些站位的最低利用率是34.52%，最高利用率為68.59%，平均利用率為47.46%，如表1所示。從數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程來(lái)看，9個(gè)站位使用初期的利用率不是很低，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的模擬，站位利用率逐漸減少，造成了嚴(yán)重的堵塞，其中利用率最高的站位（站位8）會(huì)成為瓶頸點(diǎn)。

圖7 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線建模與仿真Fig.7 Digital twin-driven middle fuselage assembly line modeling and simulation

圖8 優(yōu)化前和優(yōu)化后的站位利用率對(duì)比Fig.8 Comparison of station utilization before and after optimization

圖9 數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線運(yùn)行Fig.9 Digital twin-driven operation of the middle fuselage assembly line

基于數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的仿真分析，可以發(fā)現(xiàn)堵塞原因是站位1～7的裝配周期與站位8和9的裝配周期相差較大；站位1～7的固定工裝數(shù)量較少；站位1～7的物流配送量遠(yuǎn)小于站位8的物流配送量，需要對(duì)站位8進(jìn)行提前配送。這就導(dǎo)致在有限的緩沖區(qū)容量下，會(huì)造成裝配周期短的站位產(chǎn)能過(guò)剩，存在過(guò)多的阻塞時(shí)間。根據(jù)上述分析結(jié)果，設(shè)計(jì)人員對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整（如調(diào)整生產(chǎn)班次制度、優(yōu)化物料配送方案），對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后結(jié)果如表1所示，中機(jī)身年產(chǎn)量在優(yōu)化后由24架/年增加到26架/年，裝配生產(chǎn)線平衡率提升了6.63%；優(yōu)化后的站位平均利用率為54.42%，比優(yōu)化前的站位平均利用率增加了6.96%，每個(gè)站位之間的利用率變得更加均衡；優(yōu)化后的物流運(yùn)轉(zhuǎn)總時(shí)間更低，表明阻塞率變低，阻塞時(shí)間大幅度減少。因此，數(shù)字孿生技術(shù)幫助設(shè)計(jì)人員可以發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的隱藏問(wèn)題，提前找到合適的優(yōu)化方案，并且有效提升了裝配生產(chǎn)線的性能。

表1 中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)優(yōu)化前后性能指標(biāo)對(duì)比Table1 Comparison of performance indicators before and after optimization of mid-airframe assembly line design

目前，該中機(jī)身裝配生產(chǎn)線處于設(shè)計(jì)階段，主要是將客戶設(shè)計(jì)需求通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)以虛擬化的方式表現(xiàn)出來(lái)，幫助企業(yè)在實(shí)際投入生產(chǎn)之前即能在虛擬環(huán)境中優(yōu)化、仿真和測(cè)試所設(shè)計(jì)的中機(jī)身裝配生產(chǎn)線。在未來(lái)的裝配生產(chǎn)線生產(chǎn)運(yùn)行階段，根據(jù)設(shè)計(jì)階段產(chǎn)生的數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線，將數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線與物理中機(jī)身裝配生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過(guò)對(duì)物理中機(jī)身裝配生產(chǎn)線運(yùn)行的不斷擬合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的實(shí)時(shí)、精確模擬。基于物理中機(jī)身裝配生產(chǎn)線采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的仿真模型對(duì)物理飛機(jī)裝配生產(chǎn)線未來(lái)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)生產(chǎn)線現(xiàn)場(chǎng)的資源配置、物流調(diào)度、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)等提供動(dòng)態(tài)的優(yōu)化決策，如圖9所示，并且在設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)的支持下，能夠更加靈活地利用已有知識(shí)構(gòu)建和調(diào)整數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線，可以減少大量的模型開(kāi)發(fā)時(shí)間，使數(shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線能夠更靈活地響應(yīng)物理飛機(jī)裝配生產(chǎn)線。

結(jié)論

傳統(tǒng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)主要取決于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和技能水平，通常難以定量準(zhǔn)確、可視化地進(jìn)行飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)分析。引入數(shù)字孿生技術(shù)可以有效幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的潛在問(wèn)題，并建立飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)與運(yùn)行的交互環(huán)境和載體，對(duì)飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的工作流程、信息流和物流進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的仿真分析，從而提高飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)的質(zhì)量和性能。本文通過(guò)分析飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，提出數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)以支持?jǐn)?shù)字飛機(jī)裝配生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)，可以有效節(jié)約設(shè)計(jì)周期和工作量。通過(guò)將數(shù)字孿生驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)方法在某型飛機(jī)中機(jī)身裝配生產(chǎn)線設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中工作流程、物流及布局等方面存在的問(wèn)題，并依據(jù)數(shù)字中機(jī)身裝配生產(chǎn)線的產(chǎn)能、站位利用率、裝配生產(chǎn)線瓶頸等定量仿真分析，進(jìn)行了生產(chǎn)線的優(yōu)化，提高了設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量和性能。