面向離散型產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)工時全生命周期智能管理研究與探索

崔之超，寇宇路，涂小風(fēng)，李君，同飛龍

（航空工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西西安 710000)

0 引言

隨著離散型產(chǎn)品向信息化、智能化、精益化發(fā)展,產(chǎn)品的性能和復(fù)雜度不斷提高,給產(chǎn)品生產(chǎn)和維護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)[1]。比如生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)中,產(chǎn)品精密化導(dǎo)致裝配工序更加復(fù)雜,需要設(shè)計更加精確的標(biāo)準(zhǔn)工時;產(chǎn)品的快速迭代需要標(biāo)準(zhǔn)工時能夠快速更新;信息化產(chǎn)品在測試調(diào)試中需要考慮軟硬件系統(tǒng)的協(xié)同,也需要合理設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)工時。在維護(hù)保障環(huán)節(jié),精密產(chǎn)品的維修維護(hù)對操作技能要求更高,同樣需要精確的標(biāo)準(zhǔn)工時指導(dǎo)。另外,信息化產(chǎn)品軟硬件故障的定位和處理也要考慮到系統(tǒng)的綜合效應(yīng)[2]。

因此,研究面向離散型產(chǎn)品全生命周期的智能化標(biāo)準(zhǔn)工時方法就顯得非常必要。這需要利用信息化技術(shù)如數(shù)字孿生、虛擬仿真、5G等進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工時的智能化設(shè)計;構(gòu)建支持產(chǎn)品快速迭代的標(biāo)準(zhǔn)工時更新機(jī)制;開發(fā)輔助維修的智能化標(biāo)準(zhǔn)工時系統(tǒng)等。智能化標(biāo)準(zhǔn)工時方法能夠提高離散型產(chǎn)品生產(chǎn)制造和維護(hù)保障的質(zhì)量和效率,對推動離散型產(chǎn)品向信息化、智能化、精益化發(fā)展具有重要支撐作用。對于提升離散型產(chǎn)品的生產(chǎn)制造和維護(hù)保障水平具有重大意義。

針對面向離散型產(chǎn)品全生命周期的研究,利用各種前瞻技術(shù),建立智能化的標(biāo)準(zhǔn)工時管理體系和方法,可以實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品從研制設(shè)計到報廢全過程的標(biāo)準(zhǔn)工時進(jìn)行科學(xué)化管理,使標(biāo)準(zhǔn)工時參數(shù)快速響應(yīng)產(chǎn)品的迭代升級,大大提升標(biāo)準(zhǔn)工時設(shè)計質(zhì)量。同時,實(shí)時的標(biāo)準(zhǔn)工時監(jiān)控和動態(tài)優(yōu)化可以及時反饋生產(chǎn)制造與維護(hù)過程信息,指導(dǎo)連續(xù)改進(jìn)。通過離散型產(chǎn)品的生產(chǎn)制造與保障提供精益化的標(biāo)準(zhǔn)工時支持,具有重要理論價值和實(shí)踐意義。

1 離散型產(chǎn)品&標(biāo)準(zhǔn)工時生命周期階段分析

1.1 離散型產(chǎn)品生命周期階段分析

離散型產(chǎn)品生命周期管理是企業(yè)的關(guān)鍵之一。一般而言,離散型產(chǎn)品從研發(fā)到報廢的整個生命周期可分為研制設(shè)計、生產(chǎn)制造、使用維護(hù)、改造升級和報廢處理5個階段[3]，見圖1。

圖1 離散型產(chǎn)品生命周期管理階段

1.1.1 研制設(shè)計階段

該階段重點(diǎn)是對產(chǎn)品設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化,充分利用虛擬仿真技術(shù)和數(shù)字化工具對產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行多方面分析,選擇更加理想的方案。這需要充分利用數(shù)字化技術(shù)來提升設(shè)計效率。根據(jù)使用需求進(jìn)行方案設(shè)計,通過數(shù)字化手段進(jìn)行虛擬仿真,評估設(shè)計方案的可行性。這是離散型產(chǎn)品生命周期的首要階段,直接關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的性能指標(biāo)和質(zhì)量水平。充分考慮使用環(huán)境和任務(wù)需求,運(yùn)用虛擬仿真等前沿技術(shù)進(jìn)行設(shè)計方案優(yōu)化,對后續(xù)生命周期質(zhì)量具有關(guān)鍵影響。

1.1.2 生產(chǎn)制造階段

該階段是確保產(chǎn)品質(zhì)量的重要一環(huán)。通過工藝流程認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)工時規(guī)范來控制產(chǎn)品質(zhì)量。同時，根據(jù)設(shè)計結(jié)果,進(jìn)行產(chǎn)品的加工制造和裝配。這一階段要嚴(yán)格控制工藝流程,確保產(chǎn)品質(zhì)量符合設(shè)計要求。同時需要實(shí)時監(jiān)控生產(chǎn)過程,跟蹤標(biāo)準(zhǔn)工時執(zhí)行情況,發(fā)現(xiàn)問題及早優(yōu)化。充分應(yīng)用信息化、數(shù)字化等手段進(jìn)行智能化生產(chǎn)。

1.1.3 使用維護(hù)階段

產(chǎn)品投入使用后,對產(chǎn)品狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與分析,進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)來延長產(chǎn)品使用壽命。根據(jù)使用情況和環(huán)境,對產(chǎn)品進(jìn)行定期維護(hù)與保養(yǎng)。這一階段要監(jiān)控產(chǎn)品的使用狀態(tài),做好預(yù)防性維護(hù)保養(yǎng)工作,確保產(chǎn)品處于最佳狀態(tài)。及時總結(jié)使用維護(hù)數(shù)據(jù),反饋產(chǎn)品改進(jìn)信息。

1.1.4 改造升級階段

隨著任務(wù)環(huán)境變化,對產(chǎn)品性能進(jìn)行改造升級。這需要根據(jù)新任務(wù)需求及時優(yōu)化和迭代產(chǎn)品,延長其使用壽命。

1.1.5 報廢處理階段

需要采取合適的方法進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)資源最大化的利用。當(dāng)產(chǎn)品達(dá)到預(yù)定使用壽命后,按規(guī)程進(jìn)行報廢處理。合理處置報廢產(chǎn)品,最大限度回收再利用。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)工時在不同階段的作用

標(biāo)準(zhǔn)工時貫穿離散型產(chǎn)品的整個生命周期,在不同階段發(fā)揮著不同作用。

1.2.1 設(shè)計階段

標(biāo)準(zhǔn)工時可以驗證不同設(shè)計方案的生產(chǎn)制造時間,評估產(chǎn)品設(shè)計的合理性。在設(shè)計階段,可以利用標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù),建立產(chǎn)品數(shù)字化樣機(jī),進(jìn)行裝配過程的虛擬仿真,評估不同設(shè)計方案的裝配效率和生產(chǎn)周期。比較不同方案的標(biāo)準(zhǔn)工時情景模擬結(jié)果,選擇生產(chǎn)時間最優(yōu)的設(shè)計方案。標(biāo)準(zhǔn)工時的設(shè)計驗證,可以避免不合理的設(shè)計帶來后續(xù)的生產(chǎn)裝配問題。

1.2.2 制造階段

標(biāo)準(zhǔn)工時可以指導(dǎo)生產(chǎn)活動的時間安排,評估生產(chǎn)進(jìn)度。在生產(chǎn)制造階段,標(biāo)準(zhǔn)工時是測量生產(chǎn)過程效率的重要依據(jù)。將標(biāo)準(zhǔn)工時分解到各個工序,生成生產(chǎn)計劃,指導(dǎo)生產(chǎn)活動的時間控制。同時,通過與實(shí)際生產(chǎn)消耗時間的對比,可以發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中存在的問題,調(diào)整優(yōu)化生產(chǎn)流程,實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)。

1.2.3 使用維護(hù)階段

標(biāo)準(zhǔn)工時可以用于維修保養(yǎng)的時間預(yù)測和成本核算。在使用維護(hù)階段,標(biāo)準(zhǔn)工時可以準(zhǔn)確預(yù)測產(chǎn)品的維修保養(yǎng)時間,提前做好人員和資源的準(zhǔn)備。同時精確的標(biāo)準(zhǔn)工時可以進(jìn)行維修成本的核算,為后期維修保障提供數(shù)據(jù)支持。

1.2.4 改造和報廢階段

標(biāo)準(zhǔn)工時提供歷史數(shù)據(jù)支持,預(yù)測產(chǎn)品改造和報廢所需時間。在產(chǎn)品改造和報廢階段,可以利用過去的標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù),評估改造所需要增加的工時或報廢的拆解時間,做好計劃安排。

1.3 生命周期標(biāo)準(zhǔn)工時管理體系框架

基于上述分析,構(gòu)建如圖2 所示離散型產(chǎn)品生命周期標(biāo)準(zhǔn)工時管理方案。該方案通過全生命周期數(shù)據(jù)集成和應(yīng)用實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)工時的協(xié)同管理,提供智能決策支持。

圖2 生命周期標(biāo)準(zhǔn)工時管理方案

2 設(shè)計階段的標(biāo)準(zhǔn)工時智能模擬

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)介紹

數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)成為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)制造領(lǐng)域的一股浪潮。數(shù)字孿生通過在虛擬空間中構(gòu)建產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型和數(shù)字描述,可強(qiáng)效地輔助離散型產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)[4]。

2.1.1 建模仿真

數(shù)字孿生模型涉及完整復(fù)雜的物理場和物理效應(yīng)的聯(lián)合仿真。建立一個精確的數(shù)字孿生模型需要考慮產(chǎn)品的各個方面,包括結(jié)構(gòu)、機(jī)械、熱力學(xué)、電磁、流體力學(xué)等多種物理效應(yīng)。這需要采用多物理場聯(lián)合仿真技術(shù)。

2.1.2 虛實(shí)交互

數(shù)字孿生模型與實(shí)體產(chǎn)品通過傳感器等設(shè)備進(jìn)行連接,構(gòu)建起虛實(shí)交互。產(chǎn)品在設(shè)計和生產(chǎn)過程中生產(chǎn)的數(shù)據(jù)會實(shí)時導(dǎo)入模型,反過來數(shù)字孿生模型也可分析優(yōu)化產(chǎn)品。此外,數(shù)字孿生能根據(jù)大數(shù)據(jù)分析中提取的規(guī)律進(jìn)行自我更新。

2.1.3 大數(shù)據(jù)分析

數(shù)字孿生技術(shù)通過AI 等手段能自動發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計中可能存在的缺陷,并提供虛擬設(shè)計方案以供參考。在生產(chǎn)制造過程中,數(shù)字孿生也可監(jiān)測和預(yù)測設(shè)備的狀態(tài)與可靠性。

2.2 基于數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)工時建模方法

利用數(shù)字孿生技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)計方案的標(biāo)準(zhǔn)工時進(jìn)行預(yù)估。其基本思路如圖3。

圖3 基于數(shù)字孿生的標(biāo)準(zhǔn)工時建模方法

圖4 面向增強(qiáng)維修的標(biāo)準(zhǔn)工時優(yōu)化方法

2.2.1 構(gòu)建數(shù)字化離散型產(chǎn)品設(shè)計模型

需要建立產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計模型。這包括產(chǎn)品的3D數(shù)字模型以及各部件的形狀、結(jié)構(gòu)等參數(shù)。

2.2.2 設(shè)置裝配過程的工藝規(guī)則

包括了各部件間的裝配類型和順序、需要的工具和設(shè)備等。

2.2.3 計算裝配路徑并確定裝配順序

依據(jù)設(shè)計模型和工藝規(guī)則,可計算出產(chǎn)品的整體裝配路徑和裝配順序。運(yùn)行模擬程序,確定部件間的具體裝配方式和路徑。

2.2.4 建立標(biāo)準(zhǔn)工時計算模型

基于裝配路徑和方式,建立標(biāo)準(zhǔn)工時計算模型。這個模型需要考慮人員的動作、姿勢以及操作速度等因素。

2.2.5 運(yùn)行裝配仿真,獲得裝配標(biāo)準(zhǔn)工時

運(yùn)行設(shè)計好的裝配仿真模擬產(chǎn)品的具體裝配過程。系統(tǒng)可以通過人工智能檢測裝配時存在的潛在問題。

2.3 設(shè)計方案標(biāo)準(zhǔn)工時智能模擬實(shí)例

某型號電子產(chǎn)品設(shè)計數(shù)字孿生模型包含300余個零部件。設(shè)置裝配工藝規(guī)則數(shù)據(jù)庫后,進(jìn)行智能裝配路徑規(guī)劃,得到最優(yōu)裝配序列。以模塊裝配為例,整個裝配過程時間約27min,較專家經(jīng)驗值32min更優(yōu)。測試其他關(guān)鍵部件,仿真精度在±5%之內(nèi)。

相比傳統(tǒng)經(jīng)驗依賴的標(biāo)準(zhǔn)工時設(shè)定方法,該數(shù)字孿生模擬技術(shù)提高了設(shè)計階段標(biāo)準(zhǔn)工時的科學(xué)性和準(zhǔn)確性,為設(shè)計評估提供了有力支持。

3 制造階段的標(biāo)準(zhǔn)工時實(shí)時監(jiān)控

3.1 5G和移動測量技術(shù)概述

5G 是新一代移動通信技術(shù)，面向離散型產(chǎn)品,具有高速率、大連接、低時延等特點(diǎn)[5]。移動測量集成了傳感器、定位等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對物體運(yùn)動的實(shí)時測量,是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。將5G和移動測量技術(shù)應(yīng)用于制造過程,可以實(shí)現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)工時的實(shí)時監(jiān)控。

3.2 基于5G的制造過程標(biāo)準(zhǔn)工時監(jiān)控系統(tǒng)

該系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集終端、通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)處理平臺三部分。數(shù)據(jù)采集終端整合MEMS傳感器、UWB等,采集人員和設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)。5G網(wǎng)絡(luò)承載移動測量數(shù)據(jù),確保毫秒級延時。數(shù)據(jù)處理平臺利用AI算法分析各工序時間數(shù)據(jù),與標(biāo)準(zhǔn)工時模型對比,實(shí)現(xiàn)制造過程的標(biāo)準(zhǔn)工時監(jiān)控。

3.3 實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)例

某型號電子產(chǎn)品生產(chǎn)線進(jìn)行改造后,首次生產(chǎn)時安裝了該實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),后蓋板裝配實(shí)際時間比原標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)超出20%以上,定位為后蓋板對正過程中存在問題?，F(xiàn)場技術(shù)人員驗證后,調(diào)整裝配工藝,問題得到解決,裝配時間降至標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)。該案例驗證了實(shí)時監(jiān)控對制造過程標(biāo)準(zhǔn)工時的控制效果。

4 使用維護(hù)階段的標(biāo)準(zhǔn)工時優(yōu)化

4.1 增強(qiáng)維修技術(shù)簡介

增強(qiáng)維修技術(shù)通過在維修人員佩戴的AR設(shè)備上相關(guān)信息,實(shí)現(xiàn)對維修過程的信息化增強(qiáng),具有作業(yè)指導(dǎo)、狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄等功能[6]。增強(qiáng)維修技術(shù)的應(yīng)用可以提高維護(hù)保障的質(zhì)量和效率。

4.2 面向增強(qiáng)維修的標(biāo)準(zhǔn)工時動態(tài)調(diào)整方法

該方法包含雙閉環(huán)機(jī)制:內(nèi)環(huán)是維修過程數(shù)據(jù)的實(shí)時采集、分析和反饋;外環(huán)則利用長期數(shù)據(jù)積累進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)工時模型調(diào)整和優(yōu)化。內(nèi)環(huán)可以實(shí)現(xiàn)維修標(biāo)準(zhǔn)工時的動態(tài)調(diào)整,外環(huán)則持續(xù)改進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)庫。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)工時優(yōu)化應(yīng)用案例

某型電子產(chǎn)品進(jìn)行定期維護(hù)時,DL算法分析歷史數(shù)據(jù),預(yù)測維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)工時應(yīng)調(diào)整為45min。過程數(shù)據(jù)反饋實(shí)際總時間為43min。將數(shù)據(jù)存入平臺后,該電子產(chǎn)品維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)工時自動更新為新的經(jīng)驗值。該案例顯示該方法可以持續(xù)優(yōu)化產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)維修時間。

5 全生命周期標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用

5.1 標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)積累與反饋方法

在面向生命周期的標(biāo)準(zhǔn)工時管理框架中,實(shí)現(xiàn)全生命周期標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)的有效積累與反饋應(yīng)用是關(guān)鍵[7]。各生命周期階段的標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)均集中存儲在標(biāo)準(zhǔn)工時知識庫,與設(shè)備模型和BOM 相連接,形成產(chǎn)品信息閉環(huán)[8]。同時,構(gòu)建學(xué)習(xí)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)工時不斷優(yōu)化。

5.2 數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)例

某電子產(chǎn)品在設(shè)計階段的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)與生產(chǎn)過程監(jiān)測數(shù)據(jù)存在偏差。經(jīng)反饋優(yōu)化后,新設(shè)計方案的標(biāo)準(zhǔn)工時模擬結(jié)果提高了準(zhǔn)確度。該產(chǎn)品的維護(hù)保障時長也降低了8%。這表明生命周期數(shù)據(jù)管理可以推動標(biāo)準(zhǔn)工時的持續(xù)改進(jìn)。

6 總結(jié)

文章針對離散型產(chǎn)品生命周期的特點(diǎn),設(shè)計了一整套面向全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)工時智能化管理方法。設(shè)計階段采用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)工時智能模擬;制造階段設(shè)計基于5G的標(biāo)準(zhǔn)工時實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng);使用維護(hù)階段提出面向增強(qiáng)維修的標(biāo)準(zhǔn)工時動態(tài)優(yōu)化方法;構(gòu)建全生命周期標(biāo)準(zhǔn)工時數(shù)據(jù)積累與反饋應(yīng)用機(jī)制。研究表明該方法可以有效提高離散型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)工時管理的智能化水平。