基于裝配信息物理融合系統的產品裝配閉環管理模式研究*

中國空空導彈研究院 河南洛陽 471009

1 研究背景

現階段，我國產品裝配車間大多為各部門分工管理，不同部門有不同的管理方式。這種管理模式比較粗放，未形成有效閉環，使得裝配作業管理面臨諸多問題。例如，裝配作業任務不能及時下達到裝配生產線，對異常情況響應滯后，以及現有設備不具備對裝配過程合理性操作實時監控的條件，從而導致裝配作業管理的盲目和混亂等。產品裝配作為產品制造中重要的一環，其過程主要特點如下：①產品裝配是一種典型的由客戶訂單驅動的組裝生產模式，其生產管理是嚴格按批次進行的，這就需要管理部門有一個統一的管理方案；②大多數機械產品的組成結構比較復雜，零部件種類繁多，而且裝配工藝工序多樣，要求在管理上具有高有序性；③產品裝配大多是流水線作業，每個環節的控制都必須具備高可靠性和一定的靈敏度，只有裝配過程閉環才能保證生產的連續性和穩定性?？梢?，要保證裝配過程的高效與穩定，必須實現裝配過程的閉環管理。

當前，在產品裝配生產管理方面，一些學者已經取得了研究成果。王發麟等[1]針對復雜機電產品裝配效率低、裝配質量不高等問題，提出一種面向復雜機電產品的線纜虛實融合裝配方法。王小巧[2]研究和開發了一套復雜機械產品裝配過程質量自適應控制支持系統，可應用于機械產品的裝配。常建娥等[3]針對復雜產品的裝配序列規劃問題，提出了一種基于離散粒子群算法的裝配序列規劃方法。尹旭悅等[4]針對航天產品多以手工裝配為主，無法滿足質量需求的問題，研制了一種包含裝配作業現場操作指導、關鍵部件檢驗記錄功能的一體化訓練系統。劉檢華等[5]在裝配車間管理方面提出了一種基于工作流的裝配車間生產管控方法，這一方法將裝配數據和裝配過程的管理高度集成在一起，有效描述了數據與裝配過程間的動態交互，同時也實現了裝配數據的統一管理。曾鵬[6]提出了智能工廠信息物理融合系統（CPS）體系架構與關鍵技術，為產品裝配車間的自動化、集成化管理提供新思路。齊文秀等[7]針對生產線質量管理中存在的問題，構建了基于CPS的生產線質量管理架構，從而快速找到質量管理的薄弱環節。王程安[8]針對倉儲安全中存在的問題，設計并提出了適用于倉儲行業的倉儲安全CPS架構，實現了倉儲安全的監控。雖然國內外在產品裝配系統、車間裝配數據集成、裝配車間管理等方面進行了大量研究，并且取得了許多有價值的成果，但是將產品裝配的物理過程與網絡綜合模型融合，實現整個裝配車間制造過程的閉環控制還處于起步階段。

綜上分析，筆者將CPS應用到產品裝配中，提出一種包括感知層、網絡層、認知層、應用層的裝配信息物理融合系統（ACPS）架構，通過ACPS架構，從底層信息感知到高層信息融合與決策，并將決策結果反饋給現場，從信息處理的角度將裝配過程抽象為數據-模型-應用的過程，從而實現對裝配過程的閉環管理。

2 CPS概述

CPS是通信、計算和物理過程高度融合的系統，通過實時感知外部環境的信息，將數據融合處理并自主做出決策，再借助反饋機制反饋給物理設備，實現對物理過程的閉環控制管理[9]?？梢钥闯?，CPS在信息管理上具有以下優勢：一是實現信息的實時感知，能及時掌握裝配過程中動態變化的裝配信息；二是能夠對數據進行融合，可以對采集到的裝配數據做出正確的分析處理；三是實現信息的自主決策，通過對裝配過程信息的優化，高效自主地做出正確決策；四是具有及時反饋機制，能夠將網絡空間的決策信息及時反饋給外部設備，實現裝配過程的閉環管理。應用CPS，體現了從信息感知到信息認知，從信息認知到知識決策，再從知識決策到決策反饋的數據轉化與決策過程，實現了完整的信息閉環管理。

可見，CPS能夠實現實體空間和網絡空間的實時交互，將實體環境中采集到的物理信息通過網絡空間進行融合、分析和決策，再將生成的決策信息自主地反饋給實體環境中的物理對象，從而形成一個閉環回路。根據這一特性，將CPS應用到產品裝配車間，可以實現產品裝配過程的閉環管理。筆者由此提出一種基于ACPS的產品裝配閉環管理模式。

3 ACPS架構

針對產品裝配過程中涉及的零部件數量較多、設備及人機交互復雜、部件及相關配套調整要求多，以及相關系統之間的動態協調、信息交換頻繁等特點，在文獻[10]的基礎上提出面向產品裝配的ACPS架構，主要包括感知層、網絡層、認知層、應用層，如圖1所示。

3.1 感知層

感知層直接與產品實際裝配的物理過程交互，包含各類制造要素，如人員、設備、工具、物料、在制品及各類物理傳感器、控制器、驅動器等。感知層可以感知裝配過程中裝配扭矩和軸承裝配間隙等物理參數，以及零件質量、生產環境、車間工況等信息，這一過程主要采用的技術有采集、定位、監控等信息技術，利用分布檢測與融合技術對實時數據信息進行預處理，并將預處理后的數據信息傳輸給網絡層。感知層可以實時、全面、準確地反映裝配現場的產品、設備及人員之間的關聯關系，提高數據處理的效率和準確率。

3.2 網絡層

▲圖1 ACPS架構

網絡層作為CPS運行的中間樞紐，將感知層提供的數據進行持續存儲和實時交互，為認知層各類集群分析和數據挖掘等能力提供支持。CPS的感知層實現了單個設備數據信息化的功能，網絡層則實時對獲取的感知數據進行融合處理，并對信息進行持續存儲、關聯分析、層次化聚類分析。根據產品裝配件不同階段、不同環境的狀態信息記錄需求，首先采用本體技術建立基于語義的記錄模型及記錄之間的語義關聯關系，其次采用網格技術實現數據的動態處理和存儲，最后采用面向網格服務的語義檢索技術，面向不同的信息檢索需求以服務化檢索的方式實現信息過濾與聚集。網絡層可以自適應完成裝配資源的注冊、查找、發現、選擇、匹配成組、驗證等管理，為實現更敏捷的裝配資源共享追蹤與協同提供支撐，從而進行有效裝配資源服務，提高裝配資源管理的實時性、準確性和可靠性。

3.3 認知層

認知層在對裝配數據分析處理的基礎上加入了人的因素，核心是幫助裝配車間管理者制訂最優的決策。認知層通過對裝配數據計算、分析，以可視化的展示方式顯示裝配進度及異常狀況，如裝配夾緊力不當、裝配工具出現錯誤等，以便裝配人員能夠快速、及時地對異常狀況進行總結，做出最優的決策。認知層還可以基于具體的裝配任務對配套零部件進行合法性驗證，使裝配過程更加合法合理，滿足質量保證體系的要求。

3.4 應用層

應用層在認知層的基礎上加入了管理和控制的功能，包括裝配過程仿真優化、生產過程實時監控、物料配送管理、產品裝配質量管理等。針對裝配過程的實時生產決策需求，建立面向裝配過程的過程語義模型與決策約束規則，結合裝配過程感知信息的實時融合與處理結果，建立面向裝配過程實時信息的種子模型，采用種子擴散的算法實現分析與挖掘。在此基礎上，采用可信區間估計算法實現基于實時數據的裝配狀態預判，再基于CPS的資源優化算法實現實時裝配資源沖突消解與優化調度，并通過服務的方式反饋給車間監控執行系統，實現作業計劃調度與協調控制。

▲圖2 基于ACPS的產品裝配閉環管理模式

綜上所述，在裝配車間管理中應用ACPS架構，通過裝配信息感知、裝配信息融合、裝配過程信息決策、裝配決策信息反饋給裝配現場的過程，一方面能夠對數據進行實時處理，合理安排裝配資源，提高數據處理的效率和裝配資源管理的準確性，另一方面能夠對裝配任務進行決策和驗證，提高裝配的效率和可靠性，從而使整個產品裝配過程閉環、高效、有序進行。

4 裝配質量管理分析

以某紅外產品舵機艙段為例，基于ACPS的產品裝配閉環管理模式如圖2所示。感知層所采集的數據包括裝配過程中的物理參數、零件質量、生產環境、車間工況等信息，針對這些多采樣率的感知信息，先采用基于廣義S維分配的多目標跟蹤融合算法，實現感知信息的時空校準與位置融合，再采用基于支持向量機和隱馬爾可夫模型的混合分類器，實現感知信息的語義融合。網絡層將預處理后的數據根據狀態參數的相似性進行聚類分析，一方面對相同時間和相同裝配環境下的裝配質量數據進行比較，快速識別出相同集群中裝配質量的差異性，并迅速判斷不合格產品，另一方面以時間為軸量化當前質量數據與歷史數據之間的差異，并分析、預測和評估裝配質量。認知層以可視化的形式呈現裝配質量數據的變化波動性，并標注出影響裝配質量的關鍵工序，生產管理者再對問題工序及時做出優化。這樣，產品裝配質量管理就形成了一個閉環控制機制，實現了產品裝配質量的閉環與精細化管理。

在產品裝配質量管理過程中，對采集到的現場數據進行實時分析處理，挖掘出數據潛藏的隱含信息，實現對各配件產品生產加工過程中的加工工藝參數、生產質量數據及加工人員信息進行質量追溯與可視化查詢，從而有利于生產管理者對產品裝配過程的發展趨勢做出科學準確的預測，并及時采取合理有效的方式控制裝配過程中產生的問題?？梢?，應用基于ACPS的產品裝配閉環管理模式，能夠實現對整個裝配車間實時動態化的閉環管理。

5 結束語

筆者針對產品裝配過程中信息交互不及時，管理模式開環導致裝配混亂、裝配過程不穩定、質量不可靠的問題，提出了基于ACPS的產品裝配閉環管理模式。在分析了國內外產品裝配管理研究現狀的基礎上，通過構建面向產品裝配閉環管理的ACPS架構，實現裝配信息感知、裝配信息融合、裝配過程信息決策、裝配決策信息反饋給裝配現場整個過程。這一管理模式將CPS融入到產品裝配過程的各個環節中，感知層和網絡層在提升裝配制造環境感知能力的同時，改變了裝配制造的物理環境結構和信息反饋機制，實現了裝配資源的服務化自適應管理。認知層與應用層加強裝配過程的及時控制能力，實現敏捷的裝配規劃與計劃調整，從而提高裝配效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，促進裝配活動合理化和閉環化控制，實現裝配過程的穩定、有序進行。通過裝配質量指標分析驗證了所提出管理模式的有效性。