導讀

機載武器是提升國家軍事力量的重要武器裝備，其生產(chǎn)過程中必須考慮其制造精度和生產(chǎn)效率。針對未來產(chǎn)品型號多樣化、批量小、周期短等發(fā)展趨勢，總裝產(chǎn)線需快速調(diào)整以滿足訂單交付的需求。本研究開展了基于數(shù)字孿生的總裝產(chǎn)線模型構(gòu)建和仿真研究，突破了生產(chǎn)線建模，數(shù)字孿生模型仿真規(guī)則、虛實產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互規(guī)則等技術(shù)。最終， 解決了總裝產(chǎn)線設計定型周期長，產(chǎn)線布局合理性論證困難，訂單變化引起的生產(chǎn)計劃改變，資源利用率不足等問題，為目前的總裝產(chǎn)線建設起到正面、積極的推動作用。

01

引言

機載武器有利于我國在軍事戰(zhàn)爭中獲得絕對空中優(yōu)勢，壓制空中火力來提高我國國防力量，提升國際地位發(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。實現(xiàn)機載武器生產(chǎn)的數(shù)字化、自動化、智能化， 極大提升軍工企業(yè)的產(chǎn)線設計和生產(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。隨著機載武器產(chǎn)品的迭代升級，產(chǎn)線需快速調(diào)整來滿足訂單需求。傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式是機載武器研發(fā)定型后開始設計產(chǎn)線，經(jīng)多輪口頭討論，驗證產(chǎn)線設計方案后，才正式建設產(chǎn)線。產(chǎn)線建設過程中才會發(fā)現(xiàn)問題，每次優(yōu)化、升級產(chǎn)線需進行拆裝、重組，耗費較多時間和金錢， 這樣就會導致產(chǎn)品生產(chǎn)周期過長，喪失企業(yè)競爭優(yōu)勢， 甚至在重要戰(zhàn)爭中延誤戰(zhàn)機。雖然現(xiàn)有的生產(chǎn)線已經(jīng)擁有了相對完整的體系架構(gòu)及完備的功能，且可以實現(xiàn)自動化生產(chǎn)及智能化管理，但缺少相應的仿真分析機制， 不能做到自主決策，及時發(fā)現(xiàn)問題。

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。數(shù)字孿生技術(shù)已廣泛投入應用到產(chǎn)品研發(fā)設計、工業(yè)制造等領(lǐng)域，它所具備的高度保真、實時反映、快速判斷和深度分析等特點，將大力促進中國數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和制造產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的發(fā)展，積極推動數(shù)字經(jīng)濟和實體企業(yè)的融合發(fā)展。基于實體設備及產(chǎn)品，數(shù)字孿生對整個生產(chǎn)線進行系統(tǒng)描述，通過將實體以數(shù)字化形式展現(xiàn)在虛擬的信息空間中，對實體設備及產(chǎn)品在真實環(huán)境中的形狀、位置、功能信息等加以建模仿真，重構(gòu)物理實體的關(guān)鍵要素，從而達成虛擬信息空間和物理真實環(huán)境之間的互聯(lián)互通。本文針對機載武器未來產(chǎn)品型號多樣化、批量小、周期短等發(fā)展趨勢和總裝產(chǎn)線快速調(diào)整以滿足訂單交付的需求，開展研究。

02

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現(xiàn)生產(chǎn)線設計， 迭代與優(yōu)化的關(guān)鍵。產(chǎn)線仿真模型通過數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建，并構(gòu)建實際生產(chǎn)中的各要素互相關(guān)聯(lián)、全流程的虛實交互，形成仿真模型和實際生產(chǎn)中裝配設備、測試設備之間的數(shù)據(jù)相互聯(lián)通和實時交互，實現(xiàn)生產(chǎn)線、單元和設備由真實空間到虛擬空間多維度、多粒度的自動映射，以及生產(chǎn)過程中的模型構(gòu)建、離線和在線仿真，最終用來指導設計和迭代優(yōu)化產(chǎn)線方案。基于數(shù)字孿生構(gòu)建的產(chǎn)線模型框架如圖1 所示。

對實際生產(chǎn)來說，不同生產(chǎn)設備實體需執(zhí)行不同命令完成不同裝配工藝，最終完成產(chǎn)品總裝；但對于產(chǎn)線仿真，其忽視了生產(chǎn)裝配動作，同種類型的裝配、測試設備具有類似屬性信息，且可實現(xiàn)相同功能。也就是說每一類孿生模型都是對實現(xiàn)同種功能的物理實體設備的抽象化表述。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備或測試設備在虛擬空間的具象化體現(xiàn)。基于數(shù)字孿生的總裝產(chǎn)線模型將具有相似生產(chǎn)行為的設備進行分類分析，將實體設備的幾何信息、屬性信息、仿真規(guī)則和裝配信息等在實際生產(chǎn)過程用到的各類參數(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}。

03

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

虛擬空間中，實體設備的孿生模型根據(jù)自身幾何信息、屬性信息和裝配信息，以產(chǎn)線仿真規(guī)則為基礎驅(qū)動產(chǎn)線運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)產(chǎn)線設計方案的預驗證及實際生產(chǎn)線仿真分析。因此，定義數(shù)字孿生模型的仿真規(guī)則，通過規(guī)定模型間的生產(chǎn)信息傳遞方法，即同步運行機制和互斥優(yōu)先機制，利用信號通道將仿真計算所產(chǎn)生的信號傳給有關(guān)模型，進而使基于數(shù)字孿生的產(chǎn)線模型具備正常運轉(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，基于此通道來完成數(shù)據(jù)的實時交互。前驅(qū)對象為當前模型中完成前一道裝配工序的模型， 后繼對象為當前模型中完成后一道裝配工序的模型。當仿真模型的運行狀態(tài)改變時，會自動切換狀態(tài)，并將這一變化以信號的形式傳送到信息通道，其前驅(qū)對象和后繼對象獲取信息通道中的狀態(tài)信號后做出響應，并觸發(fā)生產(chǎn)動作來改變其狀態(tài)。以此類推，整個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。

因生產(chǎn)節(jié)拍、設備臺套數(shù)、人員配置和物流配送等會產(chǎn)生相應的差異，另外，各個生產(chǎn)過程中的生產(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出現(xiàn)兩類不同的情況，分別是一對一交互模式（單一模型連接），一對多交互模式（單一模型和多個模型同時連接）。一對一交互模式下通過同步運行機制實現(xiàn)狀態(tài)切換，而一對多交互模式下，狀態(tài)轉(zhuǎn)換則通過互斥優(yōu)先機制進行。

3.2 同步運行機制

數(shù)字孿生模型在一對一交互模式下，模型運行狀態(tài)切換與仿真規(guī)則、相連模型傳輸?shù)臓顟B(tài)信號有關(guān)。兩個相連的孿生模型，前驅(qū)生產(chǎn)對象只需關(guān)注能否發(fā)出物料， 不用關(guān)注后繼對象；后繼生產(chǎn)對象同樣只需關(guān)注能否接收物料并進行加工，無需關(guān)注前驅(qū)對象。仿真過程中， 如果前驅(qū)對象沒有傳入狀態(tài)信號，那么后驅(qū)對象則無法解析信號；另外，如果后繼對象沒有完成前一個信號解析時，前驅(qū)對象則沒有辦法完成下一個信號的傳入，也就是在一對一交互模式下，信息的傳輸、解析具有一定的先后次序，而實際裝配設備、測試設備的生產(chǎn)節(jié)拍往往會影響這種順序。

在實際總體裝配過程中，會存在三種生產(chǎn)情況：前驅(qū)生產(chǎn)對象生產(chǎn)時間小于、等于或大于后繼生產(chǎn)對象的生產(chǎn)時間。根據(jù)生產(chǎn)模型存在正常作業(yè)、空閑待機和阻塞等待三種運行狀態(tài)的切換過程，建立前驅(qū)、后繼生產(chǎn)對象運行狀態(tài)切換的時間關(guān)系。前驅(qū)生產(chǎn)對象生產(chǎn)時間小于后繼生產(chǎn)對象生產(chǎn)時間（不存在待機時間）：

前驅(qū)生產(chǎn)對象生產(chǎn)時間等于后繼生產(chǎn)對象生產(chǎn)時間（不存在待機和阻塞時間）：

前驅(qū)生產(chǎn)對象生產(chǎn)時間大于后繼生產(chǎn)對象生產(chǎn)時間（不存在阻塞時間）：

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

3.3 互斥優(yōu)先機制

由于單位生產(chǎn)時間內(nèi)，一個前驅(qū)對象僅能產(chǎn)生一個物料，同時該物料只能被一個后繼對象作用。所以在一對多交互模式下，多個前驅(qū)對象間及多個后繼對象間均存在競爭關(guān)系。由此需建立互斥優(yōu)先機制來實現(xiàn)一對多交互模式中多個孿生模型間的物料傳遞、信息交互。一對多交互模式如圖3a 所示，單一前驅(qū)對象與多個后繼對象相連時，前驅(qū)對象將作業(yè)完成的狀態(tài)信號傳遞給生產(chǎn)狀態(tài)處于優(yōu)先級最高，且當前為空閑待機狀態(tài)的后繼對象；如果前驅(qū)對象已完成該狀態(tài)信號傳輸，其余后繼對象則無法再次獲得該狀態(tài)信號，最終達成了狀態(tài)信號的互斥解析。多對一交互模式如圖3b 所示，多個前驅(qū)對象與單一后繼對象相連時，當所有前驅(qū)對象在同一時間完成作業(yè)并在信息通道中傳入信號時，后繼對象通過獲取其前驅(qū)對象的生產(chǎn)狀態(tài)，從處于優(yōu)先級最高的前驅(qū)對象中獲取狀態(tài)信號，并進行解析；而其余前驅(qū)對象的生產(chǎn)狀態(tài)信號則繼續(xù)保留在其相應的信息通道中，由此完成了狀態(tài)信號的優(yōu)先傳遞。

04

虛實產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互機制

傳統(tǒng)的工業(yè)級產(chǎn)線仿真往往僅根據(jù)產(chǎn)線結(jié)構(gòu)、運行機理或者某一生產(chǎn)因素完成建模仿真，此種方法得到的仿真效果較差。現(xiàn)場產(chǎn)線的狀態(tài)會因訂單變動、設備故障等發(fā)生不可預估的變動，離線進行的產(chǎn)線仿真模型難以及時、準確地反映裝配產(chǎn)線的現(xiàn)場生產(chǎn)狀態(tài)。由此建立虛實產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互機制，從而達到物理產(chǎn)線和數(shù)字產(chǎn)線虛實融合的目的，采集物理實體生產(chǎn)數(shù)據(jù)更新仿真模型，使模擬結(jié)果更符合生產(chǎn)實際狀態(tài)；同時， 仿真模型結(jié)果分析又可用于指導產(chǎn)線調(diào)整，提升設備利用率，保證產(chǎn)品交付，如圖4 所示。

利用歷史數(shù)據(jù)完成模型訓練，并對模型進行綜合評估、篩選和優(yōu)化。在客戶端，將現(xiàn)場裝配設備、測試設備的PC 工控機軟件的端口號和IP 地址與工控機的軟件建立連接，啟動數(shù)據(jù)采集來獲取設備的工作數(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)線模型中來驅(qū)動仿真。在神經(jīng)網(wǎng)絡和多目標遺傳算法的基礎上， 對生產(chǎn)過程中的各類生產(chǎn)資源參數(shù)進行動態(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，以實現(xiàn)對總裝產(chǎn)線的控制。同時，將問題發(fā)現(xiàn)后才開始被動解決轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃诱{(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。

05

結(jié)束語

基于目前機載武器總裝產(chǎn)線建設存在的問題，本文進行了總裝產(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、虛實產(chǎn)線數(shù)據(jù)互聯(lián)和雙向交互規(guī)則，建設了一條數(shù)字化產(chǎn)線。目前正在投入應用，實現(xiàn)了產(chǎn)線設計方案的預驗證，有效縮短了總裝產(chǎn)線設計定型周期，為目前的總裝產(chǎn)線建設起到正面、積極的推動作用。同時，為該機載武器企業(yè)的其他產(chǎn)線建設起到示范作用，推動企業(yè)朝著智能制造方向快速轉(zhuǎn)型升級。