基于物聯網的航天制造車間智能管控系統研究?

毛軼博 張 鑫 方 娟

（1.南京航空航天大學 南京 210016）（2.北京宇航系統工程研究所 北京 100076）

1 引言

新一代移動計算和信息技術（如物聯網、數字孿生、云計算、人工智能、混合現實）的快速發展和廣泛應用，為“中國制造 2025”、“工業4.0”、“智慧工廠和智能制造”等先進制造業發展戰略的落地應用構建了堅實的綜合技術體系，也為航天裝備制造業帶來了新的高質量發展契機［1］。航天制造屬于典型的多品種小批量離散型生產模式，具有“協作配套關系復雜、制造流程長、工藝環節多、配套和外協進度質量不均衡以及型號研制狀態多變”等特點。傳統航天車間現場管控模式只專注于對設備狀態參數、生產制造過程、生產計劃進度、產品質量、物流等單一方面管控，車間生產管理基本采用“人海戰術”，缺乏對整個生產車間全局狀況和態勢實施管控；信息手段落后，數據傳遞滯后、生產數據流通不暢，制造過程信息、質量狀態、生產進度信息難以及時反饋；車間突發異常事件（機器故障、操作失誤反饋、物料不合格、工裝報廢、產品質量不合格）難以得到及時處理。傳統航天制造車間現場管控問題具體表現在如下五個方面：1）車間現場人員、設備、物料、工藝和環境信息得不到有效監控和管理；2）生產進度信息不能及時匯總處理和反饋；3）車間現場各類信息采集及分類管理手段落后；4）生產過程突發異常狀況應急處理能力不足；5）產品制造過程質量信息難以實現精細化管控。同時航天及其生產工藝過程有嚴格的安全保密要求，對通用無線、藍牙等網絡接入有各種限制，難以實現車間各類實時監控數據的縱向貫通和快速流轉利用，缺乏對產品生產全過程信息的多角度、多層次實時數據統計分析、反饋和監控，導致車間現場不同信息化管理系統之間形成一個個“信息孤島”［2］。

面對航天車間制造過程中存在的多品種、小批量、變工藝、嚴進度、高保密要求等難題，開展基于物聯網的航天制造車間現場智能化、精細化綜合管控技術研究和產品研發，實現航天制造車間現場設備信息和生產進度信息透明化監控和反饋、突發異常事件及時處理、制造過程質量精細化管控、生產效率大幅度提高、綜合生產成本的穩步降低，既具有重要的學術價值，同時實際工程應用價值也極高。

2 總體設計與系統組成

航天制造車間智能管控系統的建設涉及到企業制造車間生產活動所使用的各種設備和資源，用于滿足以“協作配套關系復雜、制造流程長、工藝環節多、配套和外協進度質量不均衡以及型號研制狀態多變”為特點的航天制造企業，產品生產狀態數據和制造過程信息感知、識別、采集、傳輸、清洗、融合、統計和顯示［3］。依據車間現場管理對象和功能范疇不同，可分為生產運營管控、物料運行管控、質量運行管控、數字化制造與輔助要素資源管控等不同業務領域［4］。對標傳統航天制造車間現場管控現狀與存在問題，航天制造車間智能管控系統總體設計思路：1）改變車間現場傳統管理模式，提升車間全要素、全級次、全流程狀態和運行數據采集處理數字化和智能化水平；2）增加對車間設備、物料、人員、工具工裝等生產要素對象實時監控和決策支持能力，實現車間制造過程的透明化；3）強化對生產過程質量的檢測和追蹤能力；4）加強對車間運行歷史數據和統計分析數據的管理，提高產品各類數據的追溯能力；5）加強車間現場報警和異常事件的風險管控，提升車間現場應急處置能力；6）實現與車間其他信息管理系統的集成，消除“信息孤島”的存在。

航天制造車間智能管控系統主要由車間現場數據采集、車間現場數據傳輸與處理、車間現場數據統計分析、工藝過程管控、物料和質量信息管控、車間綜合管控可視化、系統集成接口、系統管理等功能模塊構成，基于物聯網的航天制造車間智能管控系統功能組成如圖1所示。

車間現場數據采集模塊用于感知和采集車間現場設備、人員、物料、工藝、生產環境、報警和突發事件等實時狀態和運輸數據；車間現場數據傳輸與處理模塊用于將采集到的現場實時數據進行網絡傳輸，并經數據清洗和數據融合后形成與生產要素統一狀態信息模型相對應的規范化數據集；車間現場數據統計分析模塊用于計算處理和生成特定時間范圍一個或多個監測對象的效能、績效、季度、質量、生產率等統計信息；工藝過程管控模塊實現對工藝流程、加工過程、機床聯網通信、數控程序指派和執行狀態監控管理；物料和質量信息管控模塊實現物料庫存、物料流轉、物料加工狀態、原材料質量檢測數據、在制品過程質量檢測信息、成品質量檢驗數據的綜合管理；車間綜合管控可視化模塊為各級車間主管人員和領導提供可視化運行駕駛艙，全局掌控車間現場各類人員、任務、資源、態勢等實時數據和信息，并通過反饋渠道，對車間現場各生產要素對象的狀態和運行參數進行動態適應性調整，實現車間現場的穩定、高效、安全運轉［5］；系統集成接口是與車間其他管理系統進行數據交流和系統集成的通道。

3 關鍵實現技術

3.1 車間多源異構實時狀態及運行數據采集與處理

航天制造車間智能管控系統通過使用智能傳感設備和物聯網，并借助大數據清洗和數據融合技術，進行制造車間人員、設備、物料、工具工裝、加工工藝、生產環境、加工進度、生產過程質量等生產要素實時狀態數據和運行信息的智能感知和分類采集，實現生產要素對象的智能識別、人員設備物料的跟蹤定位、生產進度及環境參數、生產報警和突發異常時間等多源異構信息實時監控、綜合分析和反饋調節［5］。車間單個生產要素對象（如車間機床設備）狀態和運行數據，依據其來源和形態不同大體上可分為靜態配置信息集、實時動態信息集和統計分析信息集三種類型［6］，每種信息集包括多個代表機床設備不同屬性和狀態信息的特征項，這些信息集和特征項共同構成了機床設備的統一狀態信息模型，車間機床設備統一狀態信息模型如圖2所示。

圖2 車間機床設備統一狀態信息模型

車間現場制造實時狀態和運行數據來源廣、類型多樣、形式異構，開關量、模擬量、數字量和脈沖量信號數據均有涉及，再加上車間不同生產要素自帶不同類型和接口的數據采集及轉換設備，有必要按照不同車間生產要素的自身特點，采用不同的數據采集手段、網絡傳輸方式對車間制造過程現場實時數據進行分類處理［13］。車間多源異構實時狀態及運行數據采集與處理實現技術途徑如圖3所示。

圖3 車間多源異構實時狀態及運行數據采集與處理實現技術途徑

各類設備（車、銑、刨、磨、鉗、鏜、電火花加工設備、線切割設備機器人、AVG小車等）、工藝流程等現場實時數據采用DNC設備系統進行感知和采集，采用車間現場485等總線和以太網進行傳輸；人員、物料、工具工裝（刀具、夾具、模具、檢具、工具等）等現場實時數據采用RFID標簽讀寫系統、二維、三維條形碼系統進行感知和采集，采用加密ZigBee、藍牙、WIFI、5G、衛星通信等無線傳感物聯網進行數據穩定安全傳輸［11～12］；車間環境參數（溫度、濕度、粉塵、氣體煙霧、噪音等）采用對應智能傳感器進行感知和采集，采用采用加密ZigBee、藍牙、WIFI、5G、衛星通信等無線傳感物聯網進行數據穩定安全傳輸，所有實時狀態和運行數據均被并轉轉換為能被識別的不同采樣頻率的數值形式，通過分布在車間不同區域的數據處理終端進行數據清洗（基于滑動窗口模型和卡爾曼濾波模型）和數據融合（分簇數據融合、基于概率的數據融合）操作后，最后分類匯聚到車間實時監控數據庫中，供整個航天制造車間智能管控系統進行使用。

3.2 基于本體和Web服務的航天制造車間異構系統集成

隨著航天制造車間數字化建設的不斷推進，車間各種信息應用系統也越來越多，如ERP、MES、SCADA、DNC、CAPP、CRM、WMS系統等［8］。要實現對車間現場實時監控和綜合管控，貫通使用制造車間微系統內的設備信息、產品信息、工藝信息、庫存信息和物流信息等數據流和信息流，需要通過系統集成的方式實現車間內現有各類信息管理系統系統互聯互通、數據和信息集成應用［9～10］。航天制造車間智能管控系統通過本體和Web服務實現與ERP、MES、SCADA、DNC、CAPP、WMS、CRM等系統集成和數據交換共享，與ERP系統集成實現生產計劃執行信息、庫存信息獲取和結果反饋，與MES系統集成實現在制品信息、生產進度信息和制造過程質量信息的獲取和結構反饋，與SCADA和DNC系統集成實現設備實時狀態信息、人員狀態信息的評估和分析，與CAPP系統集成實現工藝文檔、工藝流程和NC代碼信息的獲取和執行結果反饋，與WMS系統集成實現物流信息的獲取，與CRM系統集成實現訂單信息的獲取及進度結果反饋。基于本體和Web服務的航天制造車間信息應用系統集成技術實現如圖4所示。

圖4 基本體和Web服務的航天制造車間信息應用系統集成技術實現

基于本體和Web服務技術，航天制造車間智能管控系統獲取MES系統的生產進度實現流程可描述如下：MES（制造執行系統）將生產進度查詢封裝為Web服務，并在航天制造車間集成平臺上發布生產進度查詢服務，航天制造車間智能管控系統通過企業服務注冊中心服務器查找并綁定MES（制造執行系統）發布的生產進度查詢服務，然后經過本體映射與轉換后航天制造車間智能管控系統發出服務請求（服務請求Soap），MES（制造執行系統）處理服務請求并經本體映射與轉換后響應服務請求，并將服務響應Soap返回給航天制造車間智能管控系統，通過本體和Web Services最終實現了航天制造車間智能管控系統和MES（制造執行系統）間的信息集成。

4 系統實現與實例驗證

參照航天制造車間智能管控系統總體設計思想與功能結構規劃內容，采用可有效減少對象之間的依賴性與耦合性的MVC設計模式，開發了航天制造車間智能管控原型系統，并將其成功應用到某航天機加車間的現場綜合管控中。系統利用物聯網和信息集成等技術對實際車間生產要素數據、生產活動數據和生產過程數據的實時采集與監控，實現了整個生產過程計劃、質量、人員、現場，穩定了車間生產秩序，提高了車間資源利用率，提升了車間整體生產效率，保證了產品生產質量，為車間管理者提供可靠的決策支持數據，有效提升了車間的管理水準及企業競爭力，圖5和圖6分別為航天制造車間智能管控系統現場運行實例驗證界面。

圖5 車間生產電子看板

圖6 設備實時信息監控及運行數據統計

5 結語

針對航天制造車間現場存在的管控對象多樣、生產信息分散、設備效能不高、進度統計展示不透明、變更動態響應緩慢等難題，以航天制造車間生產要素實時監測、制造過程質量控制、生產進度及時統計展示為對象，開展物聯網和數據驅動的車間現場綜合管控技術和應用研究。本文梳理了傳統航天制造車間現場管控現狀與存在問題，構建了航天制造車間智能管控系統總體設計與功能結構，詳述了航天制造車間智能管控系統關鍵實現技術，給出了航天制造車間智能管控系統實現和應用實例。航天制造車間智能管控系統的研制和應用，有效提升了航天制造車間生產要素實時監控技術手段、生產過程透明化管控水平和制造資源優化配置能力，拓寬和深化了物聯網等新一代前沿信息技術在航天制造業領域的應用。