基于數字孿生的微波組件產線管控系統設計

摘要：為了解決微波組件產線制造過程精細化管控數據信息反饋不及時、虛實不同步、虛實交互閉塞等問題，結合數字孿生的理念及技術，以微波組件產線為基礎，文章設計了基于數字孿生技術的微波組件產線管控系統，研究了微波組件產線的孿生建模、微波組件產線數據采集與虛實映射、微波組件產線實時管控與抗擾動管理等關鍵技術。通過微波組件產線實體與數字孿生模型進行交互映射，實現數字孿生三維化產線模型與微波組件產線數據的實時采集、虛實交互同步、質量管控，以提升微波組件裝配的可靠性和一致性，縮短微波組件的生產周期。

關鍵詞：數字孿生；微波組件：虛實交互

中圖分類號：TP391" 文獻標志碼：A

0 引言

雷達是各種軍工裝備中的關鍵部分，具有技術復雜和可靠性要求高等特點。微波組件是雷達生產制造的關鍵組成部分，決定著雷達質量和性能。微波組件制造工藝流程煩瑣，生產擾動復雜，生產進度和實時管控難度大。因此，有效管控微波組件制造過程是雷達生產制造急需解決的難題之一。

現代高頻/極高頻和寬帶微波組件的集成度、一致性與直通率要求非常高，微波組件的制造技術是微波組件的核心技術，對滿足復雜軍用電子裝備小型化、輕量化、數字化、低功耗的要求有不可替代的作用。而微波組件制造具有產品型號多、產品產量大、質量要求非常高的特點。當前傳統的微波組件制造工藝存在以下問題：首先是可靠性和一致性較差。當前微波組件的制造過程多采用分立式手動、半自動或自動化工藝裝備，依賴于人工操作，對產品的制造性能和過程無法做到實時監控，產品制造一致性較差，長期以來難以有效提高，直通率較低，返工返修周期長、成本高，嚴重影響研發與生產進度。其次是生產周期長。傳統的微波組件制造工藝缺乏對微波組件制造過程眾多信息的有效信息化管控，無法實現各設備資源的合理配置和有效利用，因此，面對微波組件品種和數量快速的增長，難以實現生產的快捷無縫切換，造成系統調整和首件試制的周期長，對生產研制進度造成影響。最后是微波組件產線孿生管控的基礎比較差。微波組件產線化技術在國內還處于起步期，目前還沒有統一的標準和規范，各科研院所還處于探索階段，研究的對象和方向以及采用的解決方案各不相同，造成大量浪費，阻礙微波組件制造技術的發展。

因此，迫切須要研究基于數字孿生技術的微波組件產線管控技術，實現變批量微波組件零部件的高精度化制造和精確焊接等生產過程，同時基于數字孿生技術對生產過程中的物料清單、生產信息、質量數據進行統一的追蹤和管理，達到多品種變批量微波組件產品的柔性生產和制造。

數字孿生是一種通過物理模型、傳感器數據和運行數據等，集成多學科、多物理量、多尺度的仿真過程，在虛擬空間中完成實物映射從而反映相對應的實體全生命周期的技術^［1-3］。隨著虛擬制造等在微波組件制造工藝中的興起，國內外學者在數字孿生及產品管控方面進行了廣泛研究。Grieves等^［4］將物理系統與虛擬系統相結合，研究基于數字孿生的復雜系統故障預測與消除方法并應用驗證。盡管國內外學者對數字孿生有了初步研究，但是針對軍工產品的制造過程管控仍存在以下問題：對制造過程中種類繁多、信息量大等情況很難有效實現虛實采集、虛實交互同步，在數字孿生管控的全面性和實時性方面仍有不足，對數字孿生管控中實時管控和抗擾動動態分析方面仍有些欠缺。

綜上所述，通過研究數字孿生在微波組件產線系統方面的相關技術，發現數字孿生管控中虛實采集、虛實交互同步、實時管控和抗擾動動態分析方面缺少整體的解決方案。因此，為實現組件產線生產過程的數字孿生，提高生產過程的質量和一致性，本文在已有研究的基礎上，對微波組件產線生產過程的孿生建模、產線數據采集與虛實映射、微波組件產線制造過程的實時管控與和微波組件產線制造過程孿生數據的抗擾動管理等關鍵技術進行詳細闡述，縮短了微波組件的生產周期并通過實例進行了驗證。

1 微波組件產線管控系統設計

1.1 數字孿生產線管控機制

微波組件產線的數字孿生管控機制主要是通過構建與物理實體要素完全一致的虛擬產線，通過數據采集部件實時采集微波組件產線生產過程中的數據，如硬件設備的運行數據、生產物流數據、生產進度數據和操作人員數據等，通過數據處理平臺進行數據清理、解析、存儲等操作，最終將這些過程數據與微波組件產品數字孿生模型和制造產線的數字孿生模型進行互聯，實現管控。

1.2 數字孿生產線管控系統主要組成

數字孿生產線管控系統主要由微波組件產線服務系統、微波組件產線實物制造過程、微波組件產線虛擬制造過程、微波組件產線數字孿生4部分組成，如圖1所示。通過數字孿生管控技術，實現變批量微波組件零部件的高精度化制造和精確焊接等生產過程。同時基于數字孿生技術對生產過程中的物料清單、生產信息、質量數據進行統一的追蹤和管理，實現多品種變批量微波組件產品的柔性生產和制造。

2 微波組件產線管控系統體系結構

在微波組件制造工藝的基礎上，本文通過對微波組件生產流程進行研究，建立面向微波組件產線的數字孿生模型，利用微波組件制造過程中的數據采集部件進行實時數據采集，通過工業互聯網將生產數據傳輸至虛擬產線層，以此為基礎實現對微波組件產線制造過程的實際物理模型的實時映射，通過三維可視化功能和孿生管控實現微波組件產線制造全過程的實時交互和抗擾動管理。

2.1 微波組件產線數字孿生模型

微波組件產線數字孿生模型可根據微波組件制造工藝流程，對微波組件制造過程所產生的動態數據進行實時感知、快速可靠傳輸、存儲、分析、決策、預測等。對微波組件產線制造的信息集成組建統一數據接口，完成對生產設備的加工狀態、加工信息、檢測信息等數據的采集，根據專用數據鏈路和傳輸協議形式，將數據傳輸至服務器數據庫中進行存儲、分析和處理，實現微波組件產線制造過程的管控，模型布局如圖2所示。

微波組件產線包括各工序的自動化設備和物料自適應配置系統，各工藝設備通過專用數據鏈路和協議形式進行信息交互；在生產過程中，微波組件管控系統通過掃碼識別、實時物料數據、生產執行數據、質量數據采集以及制造設備的接口互聯，實時掌握物料情況、組件生產進度情況，實時監控產線中各設備的工作狀態；根據實時采集的數據信息，統計分析當前微波組件產線制造系統的運行狀態，建立故障報警機制，實現工藝過程的可視化、網絡化、數字化。

2.2 微波組件產線的三維可視化

微波組件產線三維可視化分為3個維度，分別是行為可視化、狀態可視化和動作可視化。行為可視化是由一組狀態可視化和動作可視化組成，其中行為是通過生產數據實時驅動數字孿生模型，利用狀態和動作的變化實時展示虛擬要素的行為。狀態可視化是物理量在感受到信息數據后轉變響應參數與實體的狀況發生映照。動作可視化是由運動系統通過三維模型各模塊相應位置的變化來展示物理實體的變化。

2.3 微波組件產線虛實信息交互

微波組件產線虛實信息交互主要是虛擬產線和實物產線交互，使得虛擬產線能實時顯示實物產線生產狀態并能夠對生產狀態進行仿真，同時使實物產線得到優化。虛實信息交互如圖3所示。

射頻識別微波組件虛擬產線為了實現實時同步，須要采集數據，如組件數據、設備數據、環境數據等。通過射頻識別傳感器（RFID）、可編程邏輯控制器（PLC）和各種傳感器采集微波組件產線的生產數據。將采集到的數據傳輸到模型中并進行仿真，同時調整實物產線的生產。

2.4 微波組件產線擾動管理

微波組件產線生產過程中出現擾動事件，通常有2種處理方法：一是對生產計劃撤銷、增加、插入以及對設備故障、工藝的增加和修改等，直接調用技術算法進行重調度，將新的調度方案派發到生產線；二是針對制造節點誤差、制造數目誤差和差品返工等情況，對修改后的信息重新計算時間，如果在容忍度范圍之內則不調整。但新的方案會引起生產資源重新配置，從而產生調整成本的缺點。因此，須要基于性能成本指標進行預測，評估調整對產線所造成的影響，確定調整方案執行與否。本文在數字孿生微波組件產線動態調度模式中提出一種動態預測的擾動管理方法，如圖4所示。

當微波組件產線突發擾動事件時，首先分析擾動事件的類型，若是工藝信息以及儀器設備問題則進行重新調度，獲得新方案并傳輸到虛擬產線進行模擬，通過設定的相關成本規律，再實時仿真預測調度成本，評估執行與否；當微波組件產線突發制造節點誤差、執行制造節點誤差、制造數目誤差和差品返工時，進入虛擬產線實時仿真預測，得到結果，判定是否在容忍度范圍內，選擇是否繼續執行原調度方案。對預測結果進行優化并將最終方案反饋到微波組件產線中，從而實現虛實之間的交互反饋。

3 微波組件產線的關鍵技術研究

3.1 微波組件產線孿生建模研究

微波組件產線孿生建模技術主要有以下4種。

3.1.1 微波組件產線三維模型的構建技術

微波組件的三維模型是由組件的幾何信息構成的。微波組件的幾何信息分為實體幾何庫和顯示幾何庫。兩者關系如圖5所示，組件的實體幾何數據與顯示幾何數據通過“實體—顯示幾何數據關聯模塊”實現雙向關聯，即根據組件的幾何圖元可以得到具體的顯示幾何數據，并且可以互相轉化。同時，組件的顯示實例與顯示幾何數據是多對一的關系，顯示實例與顯示幾何信息通過顯示渲染引擎實現單向關聯，即根據顯示實例可以獲得對應的顯示幾何數據，反向則不可以。

微波組件三維結構的組成分為2種情況。第一種情況是微波組件幾何信息的導入。第二種情況是微波組件顯示實例。如圖6所示，微波組件幾何信息的導入流程為：（1）基于XML文件獲取清單列表中的組件信息，主要為組件名稱及文件存儲路徑，構建實體幾何單元。（2）使用構造組件轉換器設置屬性；根據微波組件文件路徑讀取對應的文件，然后進行解析，得到解析的實體數據。（3）將剖析的實體數據與顯示數據進行轉換；經由顯示數據構建與實體有關系的組成。重復以上方法就會完成組件清單的解析。

完成微波組件的顯示實例構造，如圖6所示。通過組件模型樹獲取組件信息并與實體數據庫中實體組成聯系；通過數據關聯獲取顯示數據；通過顯示數據構建實例；最后將結構樹中的所有單元完成實例構造，就可以完成三維建模。

3.1.2 微波組件產線三維模型的輕量化技術

在使用Pro/E完成建模時，由于太過精細而造成大量點、線、面等的冗余。如果用模型導出數據，工作量巨大，因為微波組件產線管控系統是在Web的頁面上實現的可視化，所以在解析文件時消耗很多的時間以及電腦內存，造成操作卡頓以及顯示缺失的情況。因此，須對Pro/E進行輕量化轉變，主要流程如圖7所示。先將微波組件的三維文件以.stl格式保存；再將文件再導入3dmax軟件進行多余的點、線、面的處理；最后將完成處理的模型導出為常規格式。

3.1.3 微波組件產線三維模型可視化技術

將輕量化處理完成的模型保存后，利用WebGL技術將輕量化的模型載入頁面顯示，達到孿生模型的效果，如圖8所示。

三維模型的可視化過程主要步驟為：（1）先將服務器上面的文件以文本方式存放；（2）瀏覽器按照路徑下載模型文件；（3）通過JavaScript的解析規則完成文件解析；（4）依照剖析的數據生成顯示模型結構；（5）將模型顯示在頁面上。

3.1.4 數據計算分析技術

數字孿生模型通過WebGL技術在網頁中運動以實現三維動態可視化。該過程實際上是對模型的組成矩陣進行計算，通過矩陣計算后，對模型進行更新，重繪模型的運動行為。

3.2 微波組件產線數據采集與虛實映射研究

3.2.1 產線制造的數據分析

微波組件產線是多變的動態環境，根據動靜特性以及形成方式分為：動態數據、靜態數據以及中間數據^［5］，如圖9所示。

靜態數據一般在生產過程中不發生變化。靜態數據作為生產的基本信息，在生產之前就必須制定。

動態數據主要包括組件的狀態信息、設備信息等。動態數據體現了產線每時每刻的狀況，展示了任務加工的進度，為產線仿真優化提供幫助。

中間數據不是直接形成的，一般是由靜態數據和動態數據整合獲得。該種數據一般應用在信息處理上，對管控系統的運作非常重要。

3.2.2 產線制造信息感知技術

隨著物聯技術在制造業的不斷發展與應用，物聯技術實現了對產品制造與控制過程中的制造資源與信息資源的動態感知，為制造過程的實時感知提供技術基礎^［6］。產線制造信息的獲取方式：靜態數據通過人工錄入或數據導入的方式；動態數據通過采集狀態信息的方式。采用RFID技術、PLC和傳感器可以實現微波組件產線數據的實時采集，其中RFID技術能夠采集實時狀態信息；采用PLC搜集功率等產線數據；用傳感器搜集溫度、頻率等加工數據。

3.2.3 孿生同步技術

微波組件產線數字孿生管控首要是實現微波組件產線現實與模擬的同步。微波組件產線數字孿生管控經過4個方面實現同步，如圖10所示。當微波組件產線接到任務開始生產時，通過RFID、視覺識別、PLC和傳感器將制造過程的實時數據進行采集并傳輸到服務器進行處理。然后將處理后的數據存儲至歷史加工數據庫，以便后續實現質量追溯和數據查找。數字孿生同步中實時數據將輸送至數據庫，為后續實現微波組件產線虛擬制造過程對微波組件產線實物制造過程的管控提供數據基礎。

3.3 微波組件產線實時管控與抗擾動管理

3.3.1 數字孿生實時管控技術

在微波組件產線管控系統中的孿生管控模塊實現了物理層的管控，管控模塊對于存儲在數據庫中的生產數據，通過動態貝葉斯、神經網絡等數據挖掘和機器學習算法，實現對微波組件產線的生產進度、物流、質量等動態優化與調整。通過對微波組件產線的歷史數據挖掘以及微波組件產線制造過程的評價，實現對微波組件產線工藝過程和微波組件產線的實時監控、修正及優化。

3.3.2 抗擾動技術

在微波組件生產中，由于生產任務的復雜和多變，會出現隨機擾動事件。因此，微波組件產線生產過程的動態擾動事件分為：計劃任務層擾動、生產工藝層擾動、物料層擾動、生產層擾動。生產擾動事件組成如圖11所示。

（1）計劃任務層擾動。

計劃任務層擾動分為生產任務的增添與插入、生產任務撤銷、生產任務變動，主要是計劃任務的改變造成擾動。

（2）生產工藝層擾動。

生產工藝層擾動分為變動工藝線路和增添工序，主要是生產工藝的改變造成生產工藝層擾動。

（3）物料層擾動。

物料層擾動分為儀器設備問題和生產準備欠缺。儀器設備問題是設備不能正常生產。生產準備欠缺主要為某些工裝、耗材、物料的準備不足，致使無法生產。

（4）生產層擾動。

生產層擾動分為制造節點誤差、制造數目誤差和差品返工。生產執行層擾動須要對生產計劃作出調整，以滿足組件按時完成。

其中，計劃層擾動和工藝層擾動一般是由領導者形成的擾動。但在實際制造過程中，擾動主要發生在物料層和生產層，因此，利用RFID感知技術來研究這2類擾動技術。RFID技術是通過在組件或物資上粘貼標簽并在各個工位進出口安裝RFID，通過RFID實時采集工序的開工、完工時間和數量，組件和物料的到達、離開時間等。將這些信息聯系起來就能夠判斷出擾動事件的發生。

4 數字孿生產線的實踐

基于以上研究，微波組件產線數字孿生管控系統通過對物理世界的數據進行解析并將這些數據與建立的數字孿生模型進行關聯映射和匹配，實現對微波組件產線制造過程的精細化管理，通過數據挖掘和學習算法，實現對微波組件產線制造過程的實時動態優化和調整。

微波組件產線數字孿生管控具備報警、位姿信息報錯、反饋信息缺失等反饋功效，實現任務、工藝、物料和生產的管控，如圖12所示。

5 結語

本文從微波組件產線制造過程管控系統的組成出發，引入數字孿生技術，提出一種基于數字孿生的微波組件產線管控系統，對微波組件產線管控系統體系結構、關鍵技術和實現方式進行了分析和研究。該系統提高了微波組件產線制造過程的可靠性和一致性，縮短了微波組件的生產周期，解決了微波組件產線制造過程直通率較低、返工返修周期長和成本高等問題，實現變批量微波組件零部件的高精度化制造和精確焊接等生產過程。同時基于數字孿生技術對生產過程中的物料清單、生產信息、質量數據進行統一追蹤和管理，達到多品種變批量微波組件產品的柔性生產和制造，使各微波組件產線的設備資源得到合理配置和有效利用，有效提高了微波組件制造進度、質量和技術狀態的數字化管控水平。

參考文獻

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（編輯 王雪芬編輯）

Design of microwave component production line control system

based on digital twins

YANG" Fan， KUANG" Xiaole， XU" Hongxiang， YOU" Yushan

（The Eighth Research Academy of CSSC， Nanjing 211153， China）

Abstract： In order to solve the problems of delayed feedback of refined control data information， lack of synchronization between virtual and real， and blockage of virtual and real interaction in the manufacturing process of microwave component production lines， based on the concept and technology of digital twin， a microwave component production line control system is designed based on digital twin technology. Key technologies such as twin modeling， data acquisition and virtual real mapping， real-time control and anti-interference management of microwave component production line are studied. By interacting and mapping the entity of the microwave component production line with the digital twin model， real-time collection， virtual real interaction synchronization， and real-time control of data between the digital twin model and the microwave component production line can be achieved， in order to improve the reliability and consistency of microwave component manufacturing and shorten the production cycle of microwave components.

Key words： digital twin; microwave components; virtual-real interaction