CN106647336B - 一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，其特征在于它包括数据处理模块，在线仿真模块，可视化监控模块，它能够实现数据实时采集、实时数据处理、数据驱动在线仿真、飞机装配可视化监控等功能。本发明不仅可以为用户提供对实时装配过程的可视化监控，同时基于实时数据更新，结合智能优化算法及装配知识，实现制造行为预测、异常制造行为辨识、故障分析以及物料状态跟踪等功能，有效提高装配管理效率和装配质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种智能制造技术，尤其是一种可视化装配技术，具体地说是一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统。
背景技术
飞机是一种复杂产品，其具有零部件品种规格多、工艺离散程度高、工艺工序数量多、生产作业周期长、对装配过程的跟踪、协调和控制比较复杂等特点，目前应用于装配过程的监控系统主要基于摄像装置的视频监控，缺少对于装配行为的预测及历史装配数据回溯。这种监控系统大多应用于自动化程度高、流水线扁平化的装配过程，而飞机装配属于离散的复杂产品装配，其涉及的监控对象繁多、自动化程度较低、生产作业周期长，需要监控系统不仅具有实时监控飞机装配线的能力，同时还要能够装配历史数据回溯和装配行为预测。解决这一问题的可行方法之一就是将仿真技术与可视化监控系统相结合，借助在虚拟环境中对飞机装配过程的仿真，实现预测装配过程中可能发生的异常情况及计划调整所带来的装配瓶颈，并回溯历史数据发现问题根源及时解决和预防问题的发生，从而做到提前预防、提前发现和及时解决装配过程中的问题，以实现及时将数据信息反馈至管理层用于全局管控飞机装配过程，同时传递装配相关信息给执行层，便于快速响应调整。
发明内容
本发明的目的是针对现有的飞机装配过程的监控系统主要基于摄像装置的视频监控，缺少对于装配行为的预测及历史装配数据回溯的问题，发明一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，
本发明的技术方案是：
一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，其特征在于它包括：
一数据处理模块1；该数据处理模块用于进行实时数据采集、处理和装配模型数据调用，并对所有数据进行统一数据描述，以便后续数据调用；
一在线仿真模块2；该在线仿真模块主要实现数据驱动建模及仿真、装配仿真分析以及优化，为实时可视化监控模块提供仿真结果；
一可视化监控模块3；该可视化监控模块采用服务器为多种终端提供动态可视化信息，并根据用户的管理层级设置用户权限，同时基于仿真结果对飞机装配线生产情况进行装配行为预测、分析和回溯，从而实现制造行为预测、异常制造行为辨识、瓶颈分析以及物料、待装件状态跟踪的可视化监控。
所述的数据处理模块1是基于RFID/UWB传感器和企业已有的信息系统采集飞机装配现场各类生产要素的实时信息，然后对采集所得信息进行筛选、过滤及统计处理，最后与外部软件集中已有的装配产品、工艺和资源相关数据一同进行统一数据描述。
所述的各类生产要素的实时信息包括工装信息、人员信息、物流信息以及设备信息。
所述的在线仿真模块2中的数据驱动仿真是基于数据处理模块统一描述的实时数据和装配模型数据共同作为仿真参数，实现数据驱动下的飞机实时装配过程仿真；所述的装配仿真分析则是从产线平衡、资源利用率、生产成本、产线瓶颈以及物理干涉方面对仿真结果进行分析，并根据装配计划及装配知识对飞机装配线实时评估；所述的装配仿真优化模块则是根据仿真分析结果，选取合适的优化策略对飞机装配线仿真模型进行仿真优化，从而获取当前飞机装配中各环节的优化方案。
所述的可视化监控模块3是将所述的数据处理模块中实时采集的数据、在线仿真模块获取的仿真数据，结合系统服务器仿真历史数据信息实现装配行为异常辨识及预测、装配实时监控、待装件及物料可视化跟踪、仿真历史数据回溯，并将所得结果以三维可视动画、文本和表格的形式导入到服务器，再由各终端设备提供给不同权限的用户。
本发明的有益效果是：
本发明解决了现有装配过程监控系统大多应用于自动化程度高、流水线扁平化的装配过程，而飞机装配属于离散的复杂产品装配，其涉及的监控对象繁多、自动化程度较低、生产作业周期长，需要监控系统不仅具有实时监控飞机装配线的能力，同时还要能够装配历史数据回溯和装配行为预测的问题，它能够及时辨识异常装配行为，发现和分析装配瓶颈，协调各部门有序进行装配调整，提高装配效率。
本发明不仅可以为用户提供对实时装配过程的可视化监控，同时基于实时数据更新，结合智能优化算法及装配知识，实现制造行为预测、异常制造行为辨识、故障分析以及物料状态跟踪等功能，有效提高装配管理效率和装配质量。
附图说明
图1为基于仿真的飞机装配监控系统结构框图。
图2为基于仿真的飞机装配监控系统软硬件结构体系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图1-2所示。
一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，其总体结构如图1所示，其主要由三个模块组成：数据处理模块1、在线仿真模块2和可视化监控模块3，其硬件组成如图2所示。
所述的数据处理模块1，其具体实施如下：利用各类传感器对加工设备、装配设备的加工状态、进度状态信息进行实时采集；运用UWB对物流配送设备、人员、加工设备、工装的位置信息进行实时定位跟踪；运用RFID读写物料的加工计划、固有属性和工艺信息，从而对其进行数据采集。基于企业已有的MES系统采集实时工艺进度信息、生产计划信息、物料库存信息等。然后，将采集到的实时信息数据进行筛选，将其中冗余或者偏离较大的信息删除，并对处理过后的信息进行统计分类，其主要可分为工装信息、人员信息、产品信息、物流信息、工艺信息以及设备信息等。最后将所有获得数据信息以XML数据结构进行统一描述。
所述的在线仿真模块2由数据驱动仿真子模块、仿真验证分析子模块和仿真智能优化子模块组成，数据驱动仿真子模块主要由数据驱动快速建模和数据驱动仿真两部分组成，数据驱动快速建模是预先运用外部软件（如SoildWorks、CATIA、Pro/E等）构建模型（飞机装配线模块、设备、待装件、工装等实体三维模型）存储于装配模型库中，并由数据驱动快速构建飞机装配线仿真物理模型，同时将采集的实时各类制造要素数据设置为相应的仿真输入参数，例如在Plant Simulation软件平台上，将实时采集并处理后的数据经由通讯接口及时修改产品装配、装配设备、运输设备的实时状态，改变仿真时钟，驱动模型运行。在DELMIA软件平台上，利用采集的实时数据输入物料或待装件的定位数据、装配工艺进度、工装设备的使用状态，驱动模型运行仿真。仿真验证分析子模块主要包括：以加工设备、物流配送设备、工具工装、人员等利用率为代表的二维图信息；以车间场景、装配动画、人员等为代表的三维可视化信息。将上述信息上传至图形可视化系统服务器当中，根据生产调度管理员、车间管理员、现场工人不同的访问权限，从管理计算机、移动终端、电子看板获得不同类型的车间实时生产工况。结合DELMIA 和Plantsimualtion的仿真结果，评价飞机装配的质量，辨识及预测装配行为，精准管理装配现场各类要素（物料、待装件、设备、人员等），同时可回溯历史装配过程动画，分析影响装配质量的相关因素。仿真智能优化子模块用于对仿真结果不符合要求，需要进一步优化。构建装配线平衡、最大化设备、工装利用率、人员平滑指数等为优化目标，调用预先保存在优化知识库中的智能算法（采用simtalk语言将遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等元启发式算法集成在Plant Simulation的优化库中），设置算法的参数和初始条件进行算法优化。并基于优化结果实时调整仿真模型中装配工艺序列、生产计划排产、站位负荷等仿真参数，从而为装配现场管控提供参考分析，达到企业的优化目标，同时生成相应的调度策略，有效提高装配现场的装配效率和装配质量。
可视化监控模块3如图2所示。它通过将目前企业数字化设计软件CATIA 、工艺仿真软件DELMIA、物流仿真软件Plant Simulation系统集成，开发构建基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，该系统基于C/S结构模式支持下的网络化系统，通过服务器/客户端的配置实现飞机过程可视化监控系统，并根据不同权限的用户需求提供现场的装配过程监控结果及相关参数。该系统的运行流程是将基于上述实时数据处理模块、在线仿真模块中所获得的实时数据、模型及仿真参数、仿真结果、优化策略等信息数据上传至图形可视化服务器中，动态地更新装配现场飞机的生产进度数据，并采用Web Service（ASP.NET）为客户端提供访问服务，管理者可以通过企业局域网在电脑上实时监控飞机装配现场的生产情况，监控画面包括当前飞机装配进度、在制品的产品列表、待装件数量参装件数量、生产订单、生产节拍、生产计划变更、设备运行情况、设备故障情况等。同时还动态地显示飞机装配任务执行情况。另外装配现场的监控显示器也同步地更新飞机装配的动态，并将这些动态信息提供给现场的员工，供员工实时了解生产情况。因此管理人员、调度人员、现场作业人员可通过不同的终端（PC电脑、触摸屏终端机、移动终端等）实时访问相关信息，实现飞机装配过程历史数据可视化查询、装配排产优化、装配行为预测、异常行为（瓶颈、故障、缺料等）辨识、物料、待装件状态跟踪等功能。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，其特征在于它包括：
一数据处理模块（1）；该数据处理模块用于进行实时数据采集、处理和装配模型数据调用，并对所有数据进行统一数据描述，以便后续数据调用；
一在线仿真模块（2）；该在线仿真模块主要实现数据驱动建模及仿真、装配仿真分析以及优化，为实时可视化监控模块提供仿真结果；
一可视化监控模块（3）；该可视化监控模块采用服务器为多种终端提供动态可视化信息，并根据用户的管理层级设置用户权限，同时基于仿真结果对飞机装配线生产情况进行装配行为预测、分析和回溯，从而实现制造行为预测、异常制造行为辨识、瓶颈分析以及物料、待装件状态跟踪的可视化监控；
所述的数据处理模块（1）是基于传感器和企业已有的信息系统采集飞机装配现场各类生产要素的实时信息，然后对采集所得信息进行筛选、过滤及统计处理，最后与外部软件集中已有的装配产品、工艺和资源相关数据一同进行统一数据描述；
所述的在线仿真模块是基于数据处理模块统一描述的实时数据和装配模型数据共同作为仿真参数，实现数据驱动下的飞机实时装配过程仿真；
所述的在线仿真模块由数据驱动仿真子模块、仿真验证分析子模块和仿真智能优化子模块组成，数据驱动仿真子模块主要由数据驱动快速建模和数据驱动仿真两部分组成，数据驱动快速建模是预先运用外部软件构建模型存储于装配模型库中，并由数据驱动快速构建飞机装配线仿真物理模型，同时将采集的实时各类制造要素数据设置为相应的仿真输入参数，将实时采集并处理后的数据经由通讯接口及时修改产品装配、装配设备、运输设备的实时状态，改变仿真时钟，驱动模型运行；在DELMIA软件平台上，利用采集的实时数据输入物料或待装件的定位数据、装配工艺进度、工装设备的使用状态，驱动模型运行仿真；仿真验证分析子模块主要包括：以加工设备、物流配送设备、工具工装、人员利用率为代表的二维图信息；以车间场景、装配动画、人员为代表的三维可视化信息；将上述信息上传至图形可视化系统服务器当中，根据生产调度管理员、车间管理员、现场工人不同的访问权限，从管理计算机、移动终端、电子看板获得不同类型的车间实时生产工况；结合DELMIA 和Plantsimualtion的仿真结果，评价飞机装配的质量，辨识及预测装配行为，精准管理装配现场各类要素，同时可回溯历史装配过程动画，分析影响装配质量的相关因素；仿真智能优化子模块用于对仿真结果不符合要求，进一步优化，构建装配线平衡、最大化设备、工装利用率、人员平滑指数为优化目标，调用预先保存在优化知识库中的智能算法，设置算法的参数和初始条件进行算法优化，并基于优化结果实时调整仿真模型中装配工艺序列、生产计划排产、站位负荷的仿真参数，从而为装配现场管控提供参考分析，达到企业的优化目标，同时生成相应的调度策略，有效提高装配现场的装配效率和装配质量；
所述的可视化监控模块（3）是将所述的数据处理模块中实时采集的数据、在线仿真模块获取的仿真数据，结合系统服务器仿真历史数据信息实现装配行为异常辨识及预测、装配实时监控、待装件及物料可视化跟踪、仿真历史数据回溯，并将所得结果以三维可视动画、文本和表格的形式导入到服务器，再由各终端设备提供给不同权限的用户。
2.如权利要求1所述的基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，其特征在于所述的各类生产要素的实时信息包括工装信息、人员信息、物流信息以及设备信息。
3.如权利要求1所述的基于仿真的飞机装配过程智能监控系统，其特征在于所述的智能算法是采用simtalk语言将遗传算法、粒子群算法、蚁群算法集成在Plant Simulation的优化库中。
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