CN115718463B - 一种面向飞机装配的生产车间全要素模型 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种面向飞机装配的生产车间全要素模型，包括物理车间层、要素模型层和模型调用层；要素模型层工艺模型、工装模型、零件几何模型、过程模型、协作行为模型、生产仿真模型、知识模型、决策模型等共12个模型，覆盖了客观实际生产过程的人、机、料、法、环等全要素，涉及从最初工艺设计到最终质量检验阶段各个环节，对飞机装配生产全生命周期进行了全要素反应及为实际生产指导提供了依据。且本发明在所构建全要素模型基础上，将各模型进行集成、融合，并明确了模型之间的交互关系，通过模型将生产过程中的各要素、对象联系起来，能够辅助工作人员进行决策，提高了决策效率和准确性。

Description

一种面向飞机装配的生产车间全要素模型

技术领域

本发明属于智能制造领域，具体涉及一种面向飞机装配的生产车间全要素模型。

背景技术

飞机装配工作在飞机制造中占有极其重要的地位，飞机装配过程是各大飞机制造公司在实现缩短生产周期、降低成本的目标中作为重点关注的问题。现代飞机装配中，低成本飞机制造的最大障碍是劳动密集且耗时耗力的装配工作。在当前飞机装配的生产车间运行中，对现场设备、人员、物料等的实时状态难以全面掌握，车间现场的实时生产数据和问题反馈以及相应的处理不够及时，飞机装配工艺设计、生产过程管理及问题处理决策主要依靠工作人员的经验，这些问题导致飞机装配工作效率不高。

数字孪生技术以物理车间实体为基础，构建可以真实反映物理车间真实状态的虚拟车间，对物理车间生产过程产生的数据进行实时采集，实现由物理车间到虚拟车间的映射，为提高飞机装配车间生产管控水平提供了思路。

现有的数字孪生技术构建包含物理车间所有要素的数字孪生模型，研究主要集中在孪生车间的整体架构层次，对具体的孪生模型构建研究较少；所研究的模型主要为仿真模型，大多是针对某一场景建立仿真模型，模型的要素种类少，无法全面地反映物理车间实际生产过程；现有研究对各模型之间的关系和交互体系设计不明确，不能很好地反映模型间的相互作用。因此，目前的数字孪生模型对物理车间的反馈控制效果有限。

发明内容

针对现有数字孪生技术所存在的不足，本发明提供了一种面向飞机装配的生产车间全要素模型。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案如下：

一种面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特殊之处在于：包括物理车间层、要素模型层和模型调用层；

物理车间层主要用于获取并为要素模型层提供飞机装配的生产要素，包括车间中的人员、设备、物料、工装、工艺规程和现场生产数据；

要素模型层由模型单元和数据处理平台组成；数据处理平台用于对来自物理车间层的数据进行处理后，驱动所述模型单元的构建和优化；模型单元是所述物理车间层的真实映射，模型单元的仿真数据也会反馈给数据处理平台；

所述模型单元包括基础模型、支撑模型和业务模型；

基础模型包括产品信息模型、零件几何模型、资源/组织信息模型；产品信息模型用于实现不同应用系统间相互交换和共享设计的产品数据；零件几何模型用于对零件的设计和制造信息进行描述；资源/组织信息模型用于为实际工作的资源管理和人员安排提供基础；

支撑模型包括知识模型、决策模型、过程模型和协作行为模型；知识模型根据车间现场、工艺文档和工艺技术经验进行构建，用于提供飞机装配过程的工序内容、所用工装、测量及加工设备、操作人员及其之间的相互关系、属性；决策模型根据飞机装配过程中可能的故障种类、内容及其处理方法构建，形成故障诊断知识规则表，用于辅助决策；过程模型采用工作流技术构建，对飞机装配过程中的流程问题建立可视化模型，完成部署定义工作；协作行为模型由所述知识模型驱动构建，对装配现场生产要素进行智能体封装，接收决策指令控制车间设备完成物料运输任务；

业务模型包括工艺模型，工装模型，生产仿真模型，生产组织/调度模型和质量模型；工艺模型根据产品设计模型、产品技术规范和工艺要求进行构建，形成基础信息数据，用于为工艺设计提供支持；工装模型根据工装需求信息进行构建，用于支持工装研制和选择；生产仿真模型由所述知识模型提供的车间设备、物料资源、工艺信息以及车间现场布局驱动构建，用于进行飞机装配脉动生产线规划；生产组织/调度模型用于辅助飞机装配过程中的生产计划安排、人员的组织和设备、物料的调度工作；质量模型用于对飞机装配各环节进行质量控制；

所述过程模型向决策模型发送人员工时信息和历史工作安排；所述知识模型向生产仿真模型提供物料和设备信息，向协作行为模型提供工艺流程文件；过程模型与协作行为模型共同控制车间现场，其中，过程模型驱动装配工序操作，协作行为模型实现飞机装配过程中智能体的协作；所述生产仿真模型和协作行为模型将现场设备状态及生产进度传输至所述过程模型；所述决策模型的知识库由所述知识模型提供，决策模型的相关结果作为新知识补充完善所述知识模型；

所述模型调用层用于根据应用场景从所述要素模型层中调用相应的模型以实现用户需求的功能，所述功能包括装配工艺设计、生产过程仿真预测、知识管理与决策支持、装配过程管控和装配质量检验；

所述装配工艺设计调用所述工艺模型、工装模型和零件几何模型；

所述生产过程仿真预测调用生产仿真模型；

所述知识管理与决策支持调用知识模型、产品信息模型、资源/组织信息模型和决策模型；

所述装配过程管控调用过程模型、协作行为模型、生产组织/调度模型；

所述装配质量检验调用质量模型。

进一步地，所述零件几何模型、产品信息模型、知识模型、工艺模型、工装模型部署在工艺设计室，其余模型部署在生产管控室。

进一步地，零件几何模型和产品信息模型存储在同一服务器；知识模型、工艺模型和工装模型存储在另一服务器，分别应用不同设计场景；协作行为模型、过程模型存储在同一服务器中，对设备和装配人员进行管控；生产组织/调度模型和资源/组织模型存储在一起，安排生产调度工作；质量模型和决策模型存储在一起，对装配生命周期末尾的质量进行管控，并对已完成的生产流程进行优化；生产仿真模型单独存储。

进一步地，所述协作行为模型的构建方法为：对参与装配过程的要素进行分析，明确对象及功能，在装配过程中引入多智能体技术，将任务分配、装配站位、车间资源、数据采集均采用智能体技术封装为智能体，确定智能体的输入输出以及决策过程，构建协作模型；其中，各智能体间采用黑板机制和消息传递的方式进行通信。

进一步地，所述决策模型的构建方法为：

首先，用本体描述语言对故障树领域知识进行形式化描述，形成计算机可以理解的形式，使用protégé工具进行本体构建并对本体进行一致性检验；

然后，通过故障树事件间的逻辑关系构建相应的SWRL规则；

最后，将构建的故障树本体和SWRL规则加载到推理机中进行推理，挖掘出故障树本体中隐含的知识，构建决策模型，作为设备故障诊断的依据。

进一步地，所述工装模型采用MBD技术构建，构建的工装模型包括工装零件MBD模型、工装总装MBD模型和工装组件MBD模型。

进一步地，所述零件几何模型的构建方法为：以特征为操作单元，利用特征技术与参数化设计技术对零件特征信息进行拼接，建模时需调用零件的基本特征，输入需求参数，利用需求参数和约束关系将特征模板实例化，并采用特征拼接技术实现零件特征拼接，完成模型的创建。

进一步地，所述过程模型的构建方法为：

首先，确定脉动生产线站位布局、资源分配方式和物流配送方式，分析装配车间信息流；

然后，将飞机装配过程中人员信息的记录、资源状态的验证、物料配送、工艺信息传送、以及实时信息反馈过程流程化，进行可视化流程图设计。

进一步地，所述工艺模型的构建方法为：

1)准备产品设计模型、产品技术规范、工艺要求数据，将三维模型、产品BOM结构数据导入三维工艺规划系统，搭建装配工艺模型构建环境；

2)对装配零部件设计BOM结构进行调整，搭建面向装配过程的装配件BOM结构；

3)对产品装配零部件的装配步骤、装入顺序等装配工艺过程进行分析，完成工序/工步的划分及装配特征的定义；

4)在装配工艺过程结构中，按照装配过程进行装配件模型分配，构建工序/工步模型；

5)在工序/工步模型上进行装配工艺内容的表达，定义产品工艺要求，包括产品装配装入件的装配方向、装配路径、装配基准、装配关键尺寸、配合公差；

6)根据需要，在工序/工步模型创建中添加工艺资源模型，包括设备、工装、工具；

7)在工序/工步节点下添加设备、工装、模具、工时信息，完成工序/工步模型属性信息定义；

8)对装配工艺模型质量进行检查。

进一步地，所述知识模型的构建方法为：

首先，通过现场调研了解飞机装配过程的工序内容、装配现场所使用的设备、操作人员参与哪道工序，作为模型构建来源的结构化、半结构化和非结构化数据；

其次，整理获取到的内容数据，使用protégé工具构建本体知识模型；

最后，将protégé工具中构建生成的本体模型导入数据库，或使用Jena读取本体模型存储到关系型数据库。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明面向飞机装配构建了工艺模型、工装模型、零件几何模型、过程模型、协作行为模型、生产仿真模型、知识模型、决策模型等共12个模型，覆盖了客观实际生产过程的人、机、料、法、环等全要素，涉及从最初工艺设计到最终质量检验阶段各个环节，对飞机装配生产全生命周期进行了全要素反应及为实际生产指导提供了依据。

2、本发明在所构建全要素模型基础上，将各模型进行集成、融合，并明确了各模型之间的交互关系，通过模型将生产过程中的各要素、对象联系起来，能够辅助工作人员进行决策，提高了决策效率和准确性。

3、本发明提出了所构建全要素模型的部署关系，由于构建了12类模型且覆盖飞机装配生产整个生命周期，需要将其进行合适的部署。本发明将零件几何模型、产品信息模型、知识模型、工艺模型、工装模型部署在工艺设计室，其余模型部署在生产管控室。其中，将零件几何模型和产品信息模型存储在同一服务器；将知识模型、工艺模型和工装模型存储在另一服务器，分别应用不同设计场景。在生产管控室中，将协作行为模型、过程模型存储在同一服务器中，对设备和装配人员进行管控；生产组织/调度模型和资源/组织模型存储在一起，安排生产调度工作；质量模型和决策模型存储在一起，对装配生命周期末尾的质量进行管控，并对已完成的生产流程进行优化；生产仿真模型单独存储。与现有数字孪生模型相比，本发明将12类模型分开部署，只针对某一生产场景时不需要调用所有模型，在覆盖整个生命周期的同时提高了各个模型的调用效率。

4、本发明将生产仿真模型的实时性与智能体的自主性相结合，将数据采集装置封装为智能体，智能自主地感知数据，将数据传输到模型，驱动仿真模型实时仿真，在仿真过程中模型通过可视化实时显示装配资源的位置、状态信息，智能体根据仿真结果能够及时自主地控制资源到达指定地点，实现虚拟映射现实、以虚控实的效果。仿真模型结合智能体，与现有仿真模型相比，主动感知现场数据，减少了对数据分类的过程，模型得到的数据更具有时效性，智能体能够直接控制生产现场将仿真结果反馈到生产中。

5.目前在使用故障树时，各知识元素通常是异构的，其相互之间缺乏精确的语义信息，因此在实际应用过程中会给故障分析和系统维护等工作带来困难；且故障树分析法理论性较强，需要人工进行分析，对分析人员的水平和经验要求较高。故本发明构建了决策模型，通过对故障树领域知识进行本体建模，将其转化为故障诊断知识规则表，以供编制知识库和形成推理规则，挖掘出故障树本体中隐含的知识，实现其语义特性，提高对知识的共享和重用效率。

6.工程图纸上的各类信息是散乱的，故难以对其进行形式化表达、共享和重用。因此本发明采用MBD技术构建了工装模型，包括工装零件MBD模型、工装总装MBD模型、工装组件MBD模型，这些工装MBD模型包含了完整的工装研制需求信息，这些信息进行结构化分类和存储，可分为核心信息、协同信息和管理信息，便于被计算机检索、管理。其中，核心信息是指导工装研制的基础，协同信息是工艺制造等部门协同参与的产物，管理信息是工装顺利研制的保障。

7.本发明在构建零件几何模型时，采用基于特征拼接技术的参数化建模方法，当需要修改模型参数，无需考虑零件模型几何特征的联动，只需修改零件的基本特征即可，大大简化了零件模型的创建过程。

附图说明

图1为本发明的模型架构示意图。

图2为本发明的模型运行管控图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明的面向飞机装配的生产车间全要素模型，包括物理车间层、要素模型层和模型调用层。

一、物理车间层

物理车间层主要用于获取并为要素模型层提供飞机装配的生产要素，包括车间中的人员、设备、物料、工装、工艺规程和现场生产数据。

其中，人员包括管理人员、工艺人员和装配人员等；设备包括柔性对接平台、激光追踪仪、自动钻铆设备和AGV小车等；物料包括连接件、壁板、蒙皮和隔框等；工装包括装配型架和装配夹具等；工艺规程包括装配大纲文件和工艺文档等。现场生产数据通过在物理车间中配置传感器、RFID、工控机、PLC等数据采集设备，采集物理车间的现场生产数据，包括设备数据、人员信息、环境数据等。

二、要素模型层

要素模型层由模型单元和数据处理平台组成，模型单元是物理车间层的真实映射，从物理车间采集来的数据经过数据处理平台处理后，可驱动模型单元的构建和优化，模型单元的仿真数据反馈给数据处理平台。

模型单元包括基础模型、支撑模型和业务模型，覆盖生产中的人机料法环，如零件、部件、设备、工装、资源、布局、物流、车间、工厂、环境等。

基础模型包括产品信息模型、零件几何模型、资源/组织信息模型；

支撑模型包括知识模型、决策模型、过程模型和协作行为模型；

业务模型包括工艺模型，工装模型，生产仿真模型，生产组织/调度模型和质量模型。

(一)各模型的构建方法：

1.产品信息模型建模：

基于本体方法构建产品信息模型，消除语义上的误解和分歧，避免产品数据的不一致现象，使得不同应用系统之间可以在统一的产品信息模型下相互交换和共享设计的产品数据。

2.零件几何模型建模：

零件几何模型包含丰富的工程语义，对零件的设计和制造信息进行丰富描述。

采用基于特征的参数化建模方法。广义上的特征是包含设计信息和制造信息的集合，在工程应用中比较倾向于将特征定义为零件属性的描述，特征是零件形状、材料、精度或其他属性的“信息集合”，这些几何和非几何地信息是产品生命周期中各阶段如设计、分析和制造所必须的。由于从不同的应用角度研究特征，必然引起特征定义的不统一。根据产品生产过程阶段不同而将特征区分为：设计特征、制造特征、检验特征、装配特征等，而装配特征又包括位置关系，配合约束关系，连接关系，运动关系等等。根据描述信息内容不同而将特征区分为：形状特征、精度特征、材料特征、技术特征等。在针对面向装配过程的使用孪生模型方法建模时，也借鉴这样的思想，使用实际几何特征来描述装配过程中产品或工装的几何精度来反映装配质量。

其具体建模方法为：

在基于特征的参数化建模过程中，以特征为操作单元，利用特征技术与参数化设计技术对零件特征信息进行拼接，建模时需调用零件的基本特征，输入需求参数，利用需求参数和约束关系将特征模板实例化，并采用特征拼接技术实现零件特征拼接，完成模型的创建。采用特征拼接技术进行零件模型创建时，要修改模型参数，无需考虑零件模型几何特征的联动，只需修改零件的基本特征即可，这就大大简化了零件模型的创建过程。

3.资源/组织信息模型建模：

针对车间分布分工、设备、物料、工艺装备、人员工种、技能水平，构建资源/组织信息模型，为实际工作的资源管理、人员安排提供基础；资源/组织信息模型的构建方法为现有已公开的成熟技术。

4.知识模型建模：

针对飞机装配生产过程，主要建模内容为飞机装配过程的工序内容、所用工装、测量及加工设备、操作人员及其之间的相互关系、属性，根据车间现场、工艺文档和工艺技术经验进行构建。具体可使用protégé工具，构建其本体知识模型。

首先，通过现场调研了解飞机装配过程的工序内容、装配现场所使用的设备、操作人员参与哪道工序，作为模型构建来源的结构化、半结构化和非结构化数据；

其次，整理获取到的内容数据，使用protégé工具构建本体知识模型；

最后，将protégé工具中构建生成的本体模型(OWL文件)导入数据库(图数据库Neo4j)，或使用Jena读取本体模型存储到关系型数据库。编制装配工艺(相关场景的工序)时，可以在知识模型中实现高效检索，对某些知识有疑问或需要知识的传递、重用时可通过本体知识模型解决。

5.决策模型建模：

梳理飞机装配过程中可能的故障种类、内容及其处理方法，建立故障树，然后进一步转化成故障诊断知识规则表，以供编制知识库和形成推理规则，构建决策模型辅助决策。

首先，用本体描述语言(OWL)对故障树领域知识进行形式化描述，形成计算机可以理解的形式，使用protégé工具进行本体构建并对本体进行一致性检验；

然后，通过故障树事件间的逻辑关系(与门、或门、非门等)构建相应的SWRL(语义网规则语言)规则；

最后，将构建的故障树本体和SWRL规则加载到推理机中进行推理，挖掘出故障树本体中隐含的知识，作为设备故障诊断的依据。

决策模型构建数据来源于相关场景的故障文档、故障历史，梳理故障现象、造成故障的原因、解决方式以及不同故障间的耦合关系。当操作场景中出现故障时，在决策模型中输入故障现象，模型将给出故障的可能成因和处理方法，方便问题快速解决，提高工作效率。

6.过程模型建模：

飞机装配的过程模型包含产品、工装、工具、人员、设备等信息，管控飞机脉动生产线对接过程，解决运行过程中资源调度与物料配送问题。采用工作流技术，对飞机装配过程中人员信息的记录、资源状态的验证、物料配送、工艺信息传送、以及实时信息反馈等装配中的流程问题建立可视化模型，完成部署定义工作。将飞机装配过程的任务流程通过基于工作流的建模方法建立过程模型，实现车间业务流程的标准化、可视化，应用于装配管控的过程中，提高车间效率。飞机装配过程中人工操作多，人员分工复杂，通过建立过程模型，使复杂的对接过程准确化、流程化。管理员通过过程模型发布装配任务信息，现场装配人员及物料管理人员查询到自己的任务完成并提交完成信息，同时数据库自动记录任务信息与完成情况，实现对装配过程的管控。基于SOA架构与Web Service技术实现车间现有MES系统与过程模型和协作行为模型的集成。基于Web Service构建过程模型管理系统，用户可以在MES系统中通过Web网页对过程模型进行访问或调用，查看任务信息执行装配任务然后反馈装配信息。

基于工作流建模方法，建立飞机装配过程模型的具体方法为：

首先，确定脉动生产线站位布局、资源分配方式和物流配送方式，分析装配车间信息流。

然后，将飞机装配过程中人员信息的记录、资源状态的验证、物料配送、工艺信息传送、以及实时信息反馈过程流程化，进行可视化流程图设计。为实现在线流程图的设计，采用当前被广泛接受的业务流程图建模标记语BPMN 2.0标准。使用IDEA软件，导入Activit7.0插件进行流程建模，在Windows10系统上搭建JDK建模环境。完成部署定义工作，将可视化流程图以及XML文件导入数据库中。发布任务信息，人员根据部署的流程接收并完成任务，同时将过程信息存入数据库。

7.协作行为模型建模：

协作行为模型由知识模型驱动构建，对装配现场生产要素进行智能体封装，接收决策指令控制车间设备完成物料运输任务。

针对飞机装配，对参与装配过程的要素进行分析，明确对象及功能，在装配过程中引入多智能体技术，将任务分配、装配站位、车间资源、数据采集等采用智能体技术封装为智能体，确定智能体的输入输出以及决策过程，构建协作模型。智能体间采用黑板机制和消息传递的方式进行通信，实现飞机装配过程中智能体的协作，采用TCP/IP网络协议、KQML语言实现消息传递，并使用XML技术对KQML消息进行封装。具体地，将车间生产要素封装为任务管理智能体、任务智能体、资源智能体和装配站位智能体四类。任务管理智能体是车间任务的管理者，负责任务接收、任务审核、任务分解与分配；将各独立装配工艺对应的装配作业封装为任务智能体，负责该任务的管理和执行；将设备、工装、物料封装为资源智能体，负责管理装配资源并派送资源到所需位置；装配站位智能体是装配单元的管理者，每个装配站位都是一个独立的装配站位智能体，它负责接收装配任务，监控站位的运行情况，处理站位上出现的突发事件。

构建好的协作模型与MES系统采用中间文件的接口集成方式。双方约定好接口数据格式，协作行为模型生成中间文件，由MES系统读取。

8.工艺模型建模：

装配工艺模型是设计与装配制造的桥梁，能完整地对产品装配信息进行描述和表达，规划后的工艺能指导现场生产。产品结构信息是装配工艺模型的主要组成内容，产品结构信息主要包括飞机结构零部件三维模型、零部件之间的层次关系、装配关系等。飞机结构零部件三维模型为设计部分发放的三维MBD模型。进行三维装配工艺设计时首先需构建三维装配工艺模型，以表达从首个装配件模型到产品装配成品的每个工序/工步的装配工艺过程，装配工序/工步模型包含装配基准、装配方向、装配路径、装配尺寸、配合公差等工艺要求。

工艺模型根据产品设计模型、产品技术规范和工艺要求进行构建，形成基础信息数据，为工艺设计提供支持。装配工艺模型构建具体包括以下步骤：

1)准备产品设计模型、产品技术规范、工艺要求数据，将三维模型、产品BOM结构数据导入三维工艺规划系统，搭建装配工艺模型构建环境；

2)对装配零部件设计BOM结构进行调整，搭建面向装配过程的装配件BOM结构；

3)对产品装配零部件的装配步骤、装入顺序等装配工艺过程进行分析，完成工序/工步的划分及装配特征的定义；

4)在装配工艺过程结构中，按照装配过程进行装配件模型分配，构建工序/工步模型；

5)在工序/工步模型上进行装配工艺内容的表达，定义产品装配装入件的装配方向、装配路径、装配基准、装配关键尺寸、配合公差等工艺要求；

6)根据需要，在工序/工步模型创建中添加设备、工装、工具等工艺资源模型，并装配在工序/工步模型中用于装配仿真验证、三维可视化等业务需求；

7)在工序/工步节点下添加设备、工装、模具、工时等信息，完成工序/工步模型属性信息定义；

8)对装配工艺模型质量进行检查。

9.工装模型建模：

工装模型包括工装零件MBD模型、工装总装MBD模型、工装组件MBD模型，根据工装需求信息进行构建，支持工装研制和选择。

工装零件MBD模型是零件制造的依据，采用几何元素形象描述零件三维造型，标注详细反映了零件的制造要求，特性进一步说明了零件制造管理要求。零件MBD特性共有几何图形集和零件属性两种定义方式，用于组织管理不同类别特性信息。

工装总装MBD模型是一套完整工装的整体呈现，总装几何是各工装零件装配后整个形态的体现，标注只需注释出与总装有关的尺寸、粗糙度。对工装总装相关管理信息本文主要采用总装特性来加以组织。

工装组件MBD模型由多个工装零件MBD模型组成，通过组件可将总装系统地分成多个有机单元。零件和总装可看成是特殊的组件，因此组件的MBD定义均适用于零件总装，但反之零件总装的MBD规范却不一定适用于组件。

10.生产仿真模型建模：

生产仿真模型由知识模型提供的车间设备、物料资源、工艺信息以及车间现场布局驱动构建。

基于三维可视化仿真软件，建立包括人员、设备、工装、资源、布局、物流、车间、工厂、环境的数据(信息)模型，以及设置各类模型属性，根据工艺流程规划进行仿真，研究飞机装配脉动生产线规划。在生产线运行过程中，在车间实时装配数据的支撑下实时仿真，不断优化站位布局与资源调度问题。

生产仿真模型建模过程如下：

1)明确仿真目标以及评价标准：

以飞机对接脉动生产线为仿真对象，研究其生产线规划与资源调度方案；

2)飞机生产线调研：

收集飞机对接脉动生产线中人员、设备、工装、物料、产品等实体要素的信息，获取环境信息以及装配工艺文件信息；

3)建立仿真模型：

按照上一步骤得到的数据，建立人员、设备、工装、物料、产品等实体模型，设置属性、规则，进而得到三维可视化生产线仿真模型；

4)仿真模型运行：

运行已建立的仿真模型，观察模型在运行过程中的实际效果；

5)仿真结果分析：

仿真软件以图形、表格、报告的方式提供仿真结果，通过分析模拟生产结果，判定模拟获得的数据结果是否满足目标，从而全面评估车间的性能；

6)基于仿真结果分析修改模型参数(包括车间站位布局、工序节拍等)，不断迭代优化获取最佳的生产规划方案。

11.生产组织/调度模型建模：

针对飞机装配过程中的生产计划安排、人员的组织和设备、物料的调度工作，构建生产组织/调度模型进行辅助；生产组织/调度模型的构建方法为现有已公开的成熟技术。

12.质量模型建模：

针对飞机装配过程，构建质量模型，从而对飞机装配各环节进行质量控制，对实际生产过程中采集的数据，通过质量模型检验数据是否符合要求，质量能否达到检验标准，保证装配质量；质量模型的构建方法为现有已公开的成熟技术。

(二)模型之间的集成融合和交互(参照图2)：

1.过程模型和知识模型支撑、辅助所述决策模型；过程模型向决策模型发送人员工时信息和历史工作安排；知识模型向生产仿真模型提供物料和设备信息，向协作行为模型提供工艺流程文件；过程模型与协作行为模型共同控制车间现场，其中，过程模型驱动装配工序操作，协作行为模型实现飞机装配过程中智能体的协作。生产仿真模型和协作行为模型将现场设备状态及生产进度传输至过程模型。

2.决策模型的知识库可由知识模型来提供，决策模型的相关结果可作为新知识补充完善知识模型。在protégé中构建本体模型后，protégé工具可导出RDF和XML等格式的文件供平台直接使用。同时，可以使用Jena对构建的本体模型数据进行操作如从特定本体中提取信息；实现本体向关系数据库的存储。以此利用数据库作为集成枢纽，实现知识模型和决策模型向已有平台的封装。而对于图数据库Neo4j，开发平台通过引入相应的驱动程序包，即可对Neo4j进行数据操作。实现模型与平台集成后，在平台界面中添加功能按钮对模型进行调用。

3.通过多智能体封装实现对现有决策模型和过程模型的封装，基于PDM平台开发集成接口，实现过程模型与MES系统相结合。采集的多源异构数据通过UDP协议、TCP协议、ModBus协议封装，支持生产仿真模型实时仿真；构建智能体外部接口，实现协作行为模型与过程模型的融合交互；过程模型通过文件调用与数据接口获取仿真结果，将决策指令发送给智能体。

4.生产仿真模型调用车间数据库中的装配数据进行仿真，完成生产线规划，将结果反馈给数据库供MES系统调用。Simio仿真软件基于Microsoft.NET开发技术，提供了一个开放式的架构，允许用户在系统中增加新的步骤和元素，步骤和元素可以使用任何.NET语言(VB、C#等)编写，用户只需添加动态链接库dll文件到Simio的UserExtensions文件夹中。通过上述方式，生产仿真模型可以通过DbRead步骤从数据库读取数据进行仿真，并通过DbWrite步骤将数据写入数据库。

(三)各模型布局

零件几何模型、产品信息模型、知识模型、工艺模型、工装模型部署在工艺设计室，其余模型部署在生产管控室。

在工艺设计室中：

零件几何模型和产品信息模型存储在同一服务器；

知识模型、工艺模型和工装模型存储在另一服务器，分别应用不同设计场景。

在生产管控室中：

协作行为模型、过程模型存储在同一服务器中，对设备和装配人员进行管控；

生产组织/调度模型和资源/组织模型存储在一起，安排生产调度工作；

质量模型和决策模型存储在一起，对装配生命周期末尾的质量进行管控，并对已完成的生产流程进行优化；

生产仿真模型单独存储。

三、模型调用层

模型调用层用于根据应用场景从所述要素模型层中调用相应的模型以实现用户需求的功能，所述功能包括装配工艺设计、生产过程仿真预测、知识管理与决策支持、装配过程管控和装配质量检验。

各模型根据使用场景具体调用规则如下：

1)装配工艺设计

使用工艺模型、工装模型和零件几何模型；

零件几何模型包含零件的各种特征信息，工艺模型完整地描述了产品装配及结构信息，工装模型对工艺装备系统地表达和管理。

2)生产过程仿真预测

使用生产仿真模型；

生产仿真模型根据工艺流程规划进行仿真和脉动生产线规划，预测车间产能，对车间站位布局及工序节拍进行优化。

3)知识管理与决策支持

使用知识模型、产品信息模型、资源/组织信息模型、决策模型；

对飞机装配过程中的装配工序、工艺文档、产品、资源组织等信息进行管理；决策模型对装配过程中遇到的问题提供决策支持。

4)装配过程管控

使用过程模型、协作行为模型、生产组织/调度模型；

过程模型驱动装配工序操作；协作行为模型实现飞机装配过程中智能体的协作；生产组织/调度模型辅助生产计划安排、人员组织和物料调度等工作。

5)装配质量检验

使用质量模型

质量模型辅助对飞机装配过程的质量检测和对装配完成的产品进行质量检验。

Claims (10)

1.一种面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：包括物理车间层、要素模型层和模型调用层；

物理车间层主要用于获取并为要素模型层提供飞机装配的生产要素，包括车间中的人员、设备、物料、工装、工艺规程和现场生产数据；

要素模型层由模型单元和数据处理平台组成；数据处理平台用于对来自物理车间层的数据进行处理后，驱动所述模型单元的构建和优化；模型单元是所述物理车间层的真实映射，模型单元的仿真数据也会反馈给数据处理平台；

所述模型单元包括基础模型、支撑模型和业务模型；

基础模型包括产品信息模型、零件几何模型、资源/组织信息模型；产品信息模型用于实现不同应用系统间相互交换和共享设计的产品数据；零件几何模型用于对零件的设计和制造信息进行描述；资源/组织信息模型用于为实际工作的资源管理和人员安排提供基础；

支撑模型包括知识模型、决策模型、过程模型和协作行为模型；知识模型根据车间现场、工艺文档和工艺技术经验进行构建，用于提供飞机装配过程的工序内容、所用工装、测量及加工设备、操作人员及其之间的相互关系、属性；决策模型根据飞机装配过程中可能的故障种类、内容及其处理方法构建，形成故障诊断知识规则表，用于辅助决策；过程模型采用工作流技术构建，对飞机装配过程中的流程问题建立可视化模型，完成部署定义工作；协作行为模型由所述知识模型驱动构建，对装配现场生产要素进行智能体封装，接收决策指令控制车间设备完成物料运输任务；

业务模型包括工艺模型，工装模型，生产仿真模型，生产组织/调度模型和质量模型；工艺模型根据产品设计模型、产品技术规范和工艺要求进行构建，形成基础信息数据，用于为工艺设计提供支持；工装模型根据工装需求信息进行构建，用于支持工装研制和选择；生产仿真模型由所述知识模型提供的车间设备、物料资源、工艺信息以及车间现场布局驱动构建，用于进行飞机装配脉动生产线规划；生产组织/调度模型用于辅助飞机装配过程中的生产计划安排、人员的组织和设备、物料的调度工作；质量模型用于对飞机装配各环节进行质量控制；

所述过程模型向决策模型发送人员工时信息和历史工作安排；所述知识模型向生产仿真模型提供物料和设备信息，向协作行为模型提供工艺流程文件；过程模型与协作行为模型共同控制车间现场，其中，过程模型驱动装配工序操作，协作行为模型实现飞机装配过程中智能体的协作；所述生产仿真模型和协作行为模型将现场设备状态及生产进度传输至所述过程模型；所述决策模型的知识库由所述知识模型提供，决策模型的相关结果作为新知识补充完善所述知识模型；

所述模型调用层用于根据应用场景从所述要素模型层中调用相应的模型以实现用户需求的功能，所述功能包括装配工艺设计、生产过程仿真预测、知识管理与决策支持、装配过程管控和装配质量检验；

所述装配工艺设计调用所述工艺模型、工装模型和零件几何模型；

所述生产过程仿真预测调用生产仿真模型；

所述知识管理与决策支持调用知识模型、产品信息模型、资源/组织信息模型和决策模型；

所述装配过程管控调用过程模型、协作行为模型、生产组织/调度模型；

所述装配质量检验调用质量模型。

2.根据权利要求1所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述零件几何模型、产品信息模型、知识模型、工艺模型、工装模型部署在工艺设计室，其余模型部署在生产管控室。

3.根据权利要求2所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：零件几何模型和产品信息模型存储在同一服务器；知识模型、工艺模型和工装模型存储在另一服务器，分别应用不同设计场景；协作行为模型、过程模型存储在同一服务器中，对设备和装配人员进行管控；生产组织/调度模型和资源/组织模型存储在一起，安排生产调度工作；质量模型和决策模型存储在一起，对装配生命周期末尾的质量进行管控，并对已完成的生产流程进行优化；生产仿真模型单独存储。

4.根据权利要求1-3任一所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述协作行为模型的构建方法为：对参与装配过程的要素进行分析，明确对象及功能，在装配过程中引入多智能体技术，将任务分配、装配站位、车间资源、数据采集均采用智能体技术封装为智能体，确定智能体的输入输出以及决策过程，构建协作模型；其中，各智能体间采用黑板机制和消息传递的方式进行通信。

5.根据权利要求1-3任一所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述决策模型的构建方法为：

首先，用本体描述语言对故障树领域知识进行形式化描述，形成计算机可以理解的形式，使用protégé工具进行本体构建并对本体进行一致性检验；

然后，通过故障树事件间的逻辑关系构建相应的SWRL规则；

最后，将构建的故障树本体和SWRL规则加载到推理机中进行推理，挖掘出故障树本体中隐含的知识，构建决策模型，作为设备故障诊断的依据。

6.根据权利要求1-3任一所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述工装模型采用MBD技术构建，构建的工装模型包括工装零件MBD模型、工装总装MBD模型和工装组件MBD模型。

7.根据权利要求1-3任一所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述零件几何模型的构建方法为：以特征为操作单元，利用特征技术与参数化设计技术对零件特征信息进行拼接，建模时需调用零件的基本特征，输入需求参数，利用需求参数和约束关系将特征模板实例化，并采用特征拼接技术实现零件特征拼接，完成模型的创建。

8.根据权利要求1-3任一所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述过程模型的构建方法为：

首先，确定脉动生产线站位布局、资源分配方式和物流配送方式，分析装配车间信息流；

然后，将飞机装配过程中人员信息的记录、资源状态的验证、物料配送、工艺信息传送、以及实时信息反馈过程流程化，进行可视化流程图设计。

9.根据权利要求1-3任一所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述工艺模型的构建方法为：

1)准备产品设计模型、产品技术规范、工艺要求数据，将三维模型、产品BOM结构数据导入三维工艺规划系统，搭建装配工艺模型构建环境；

2)对装配零部件设计BOM结构进行调整，搭建面向装配过程的装配件BOM结构；

3)对产品装配零部件的装配步骤、装入顺序等装配工艺过程进行分析，完成工序/工步的划分及装配特征的定义；

4)在装配工艺过程结构中，按照装配过程进行装配件模型分配，构建工序/工步模型；

5)在工序/工步模型上进行装配工艺内容的表达，定义产品工艺要求，包括产品装配装入件的装配方向、装配路径、装配基准、装配关键尺寸、配合公差；

6)根据需要，在工序/工步模型创建中添加工艺资源模型，包括设备、工装、工具；

7)在工序/工步节点下添加设备、工装、模具、工时信息，完成工序/工步模型属性信息定义；

8)对装配工艺模型质量进行检查。

10.根据权利要求1-3任一所述的面向飞机装配的生产车间全要素模型，其特征在于：所述知识模型的构建方法为：

首先，通过现场调研了解飞机装配过程的工序内容、装配现场所使用的设备、操作人员参与哪道工序，作为模型构建来源的结构化、半结构化和非结构化数据；

其次，整理获取到的内容数据，使用protégé工具构建本体知识模型；

最后，将protégé工具中构建生成的本体模型导入数据库，或使用Jena读取本体模型存储到关系型数据库。