脈動裝配生產線物流管控及其精準配送系統設計

常有超 解鵬飛 孔祥明

首都航天機械有限公司 北京 100076

引言

脈動裝配生產線是當今最先進的飛機制造技術的典范，其大大改善了傳統的裝配模式，擁有明確分工、單一工作量和極高生產效率等優勢。同時，該生產線還擁有完善的自動化設施，能夠實現快速、精準裝配，在運行中沒有任何擠壓或脫節的情況發生。然而，伴隨現代飛機生產要求的不斷提高，我國應積極尋找和開發新的系統來實現脈沖裝配生產線的物流管理和精確配送。

1 研究背景

伴隨全球經濟的高速發展，我國制造業正面臨著前所未有的機遇和挑戰。為了實現制造強國的目標，“中國制造2025”發展規劃綱要和“三步走”戰略得到了充分落實。其中，航空裝備的智能化制造尤其受到重視，因此，研究和應用各種智能制造技術已成為我國學者的重中之重。

飛機的制造過程涵蓋了從零部件的設計、組裝到最終的總裝，而這一環節的運作全都依賴于總裝生產線，然而，由于所需的原材料種類、數量眾多，因此，物料的運輸費用占到整體的27%以上。為了確保飛機總裝生產線的高效運作，物料的準確配送顯得尤為重要。但在實際生產中還存在物料積壓、短缺以及配送靈活性較弱等問題，所以企業必須采取措施，包括推廣先進的自動化和智能化技術，并加強對物料的精確配送，從而降低配送成本，提高生產效率，并達到更高的質量標準。

目前，我國學者針對這一課題進行了深入探索，他們提出了一種新的物料配送管理體系，以滿足飛機自動化裝配的需求；同時針對“領料式”配送弊端，提出了一種以工藝模型為導向的物料動態精確配送技術，并且以此為基礎，建立起一套完善的飛機裝配車間物料精確配送管理系統。而精確配送是物流管理的關鍵，我國科研人員已經提出了許多技術解決方案，例如，通過建立一個基于信息系統和需求預測的設備維護保障模型，并利用改進的遺傳算法來優化航空快遞的運輸線路。通過采用先進的技術手段，如智能調度和控制，可以更有效地實施脈動裝配生產線，從而提高裝配質量和速度。本文旨在提出一種生產線資源智能調度和控制方案，以改善脈動裝配生產線的運行狀態，并縮短裝配周期。

2 理論綜述

2.1 飛機脈動生產線定義

采用飛機脈動生產線，不僅改變了傳統的飛機裝配模式，還利用航空工業最新且高效的流水線技術，讓飛機按照自身的節奏運轉，而操作人員只需要在指定的位置完成裝配任務[1]。此外，該技術還可以有效地優化裝配效率，提升裝配質量，減輕工人的負擔，改善裝配現場的操作條件，從而達到低成本、高品質、及時反應的制造目標。通過實際應用，發現脈動生產線具有明顯的優勢，其不僅能夠大幅縮短飛機裝配的工期，提高裝配現場的環境，減少對降低生產成本的需求；還能夠實現裝配過程的標準化、專業化，進一步提升飛機的質量與性能。除了可以有效地管控和推進飛機的制造過程外，企業還可利用先進的工藝流程、設備配置以及技術手段來提高生產效率。

2.2 裝配線物流路徑

本文討論的是一種高效的自動化裝配生產線，其由數十個不同的部件組成，如轉換器、汽缸、潤滑劑、電機等。因為這種裝配過程十分復雜，因此將其劃分為四大區域：零件配送區，主要是通過人工進行分揀，然后利用AGV把貨物運送到裝配工位。部裝區，通過人工完成車間的行車裝配，并通過在線檢測確保產品質量達到標準。傳裝區，采用先進的智能技術來完成裝置的安裝，同時還會對其進行實時檢查，以確保其達到最高標準。總裝區則主要由人工進行裝配。

3 脈動裝配生產線物流管控系統

3.1 架構設計

此生產線的物流管控系統由3個主要部分組成。首先，其與所有的生產線相連，支持設備之間的通信和指令操作；其次，其對整個生產過程進行控制，包括資源配置、智能調度、數據收集等；最后，其向用戶提供一個圖形化的界面，方便他們進行操作，比如查看下一步的工作，或者對整個生產線進行跟蹤監測[2]。管理生產線資源的主要目的是確保所有物料能夠在有限時間內得到全面地使用，其中包括AGV小車、測量和檢測設備、物料架和周轉車等資源。為了確保資源的高效利用，本文采用了一種全面的生產任務管理方式，其不僅能夠實時記錄、更新和維護，還能夠根據實際情況進行靈活的調整。此外，還采用了MES系統，讓工人們能夠輕松地完成各種裝配任務，且不用擔心質量檢驗的問題。通過使用多種篩選標準，操作人員可以快速、全面地檢索和管理自身的任務、歷史記錄和已完成的任務。

3.2 資源智能調度及其控制

通過智能調度和控制系統，可以根據實時反饋的生產線設備狀態來決定物流指令的執行順序，并協調生產線上的設備和資源。在遇到異常情況時，還可以調整生產指令執行，以確保生產的安全性和高效性。并且指令的響應和執行的反饋形成了一個完整的閉環機制[3]。為了確保指令的正確實施，生產線管理系統實施了多層次的指令可操作性檢查，從上層管理層到底層設備層，每一條指令都要進行嚴格的審核，以確保它們符合要求，并且不會給其他指令的實施帶來負面影響，這在很大程度上也能減少對生產線資源和設備的損害。一旦一條指令被傳達到資源調度層，其會立即進行評估，并盡快做出回應。在管理系統接收到確認信息時，就會生成一個非阻塞等待事件，以便指令有效、順利地執行。當指令完成之后，將讀取下一條指令，如果沒有被接受，則會根據反饋的信息以及當前的生產線狀況綜合分析，并做出是否要進行等待或者報警的決定。同時，調度執行層與設備層可以有效配合，并實施指令，一旦發生異常情況，其會向上級及管理系統報告，并進行深入分析，確定問題的根源，在問題解決后可以繼續執行指令。

4 飛機脈動裝配生產線物料精準配送模型

飛機裝配過程非常復雜，所需的原材料種類眾多，而且為了方便管理，這些原材料通常會被存放在各種不同的倉庫里，包括零件庫、成品庫、標準件庫、材料輔料庫和工具庫。然而，這些倉庫的存放導致了飛機裝配線物料配送不及時，造成了物料堆積和短缺的情況，這比普通的裝配線更加嚴峻[4]。通常情況下，飛機的裝配周期相對較長，因此，根據其功能特性劃分為多個站位，以便實現某些部件的裝配，比如大部件的連接、導管和電纜的安裝、系統的檢測等。在此背景下就可形成一種多個物料倉庫之間的運輸模式，使得每個站位的運輸路徑及其長度不同。同時，由于各種作業的物料類型和數量存在差異，所以其總體重量也會有所不同。然而，當使用運輸小車來完成任務時，因容量不變，加上飛機的裝配比較復雜，若使用多輛運輸小車來完成任務，很容易導致路線沖突的情況。當采用集中配送模式時，還易造成飛機線路上的物料堆積，而分批配送又會增加成本。所以在考慮到多個物料倉庫和站點，以及多輛運輸小車的情況下，應該合理選擇配送次數。總之，本文提出了一種基于多個物料倉庫和站點的精確配送模型。

4.1 精準配送問題

經過分析，在整個飛機裝配周期中，由J表示的裝配作業集合（{1，2...n}），以及由S表示的工位集合（1，2... m），共計n個作業，被劃分到一定數量的工位中去完成裝配。在飛機裝配車間內，每個作業需要大量不同類型的物料，每個作業所需要的物料體積為Cj。為了更好地滿足物料的需求，建立了一個由集合W表示的倉庫，并配備了多種不同類型的小車，每輛小車的容量Cu均達到要求。其配送問題的目標是，利用k輛小車，按照預先設定的路線，將物料從l個倉庫中取出，并準確地運送到指定的工位，以達到最低成本、最高精確度的目標，同時避免小車之間的路線沖突。

4.2 精準配送優化目標

通過問題研究，為了有效降低配送成本并實現精準配送，將目標函數劃分為3個方面：運載小車出行次數、運行時間以及時間懲罰成本。首先，在此模型中，物料配送的固定成本取決于使用的運輸工具的數量。這些工具的保養、人力和維護都會導致固定成本的增加[5]。如果生產線上的運輸工具數量沒有發生變化，那么固定成本就會隨著運輸工具的使用次數增加，這將對物料配送的效率和成本造成影響。因此，通過選擇合適的物料配送次數，可以有效地控制固定成本。其次，運載小車的行駛距離。隨著小車的行駛距離增加，其運輸成本也會相應增加，而這種增長的幅度取決于小車的行駛時長，因此，在這個模型中，小車的運輸成本受到了一定程度的影響。最后，時間懲罰成本。為了確保物料的準時配送，需要對其到達時間進行限制，還要確保物料到達時間既不過早也不過晚。因此，引入時間懲罰成本可以充分體現這一要求。通過檢驗發現，如果采用硬時間窗限制，模型可能無法得到滿意的結果，或者配送成本過高。所以在考慮實際情況的基礎上，選擇了軟時間窗限制。

4.3 基于算法定位

定位技術可以滿足不同的工況需求，其中包括初步定位和精確定位。初步定位通過使用傳感器監測磁條或色帶的參數，其精度可達9mm。精確定位則是通過在車身上安裝工業用視覺相機，其精度可達2mm。利用BPSO-PID算法，AGV物料小車可以檢測到路徑上的磁條，并將檢測到的X/Y/角度/狀態傳輸到控制系統，從而實現準確的指引。該算法的輸入參數為f（t），輸出參數為y（t），而控制規則可以表述為：

在實際工程應用中，由于參數之間存在相互關聯性和耦合性，因此采用試湊法來精確調節相關參數變得更加困難。在式中，kp、ki、kd分別代表比例和積分微分系數，而e（t）則表示誤差，其值為e(t) =y(t)-r(t)。通過采用雙態粒子群算法，本文可以有效地解決傳統智能算法中參數自適應調節的問題，其可以避免過早收斂，從而獲得全局最優解并提高求解效率。

采用雙態粒子群算法，粒子群被劃分為兩個不同的群體：探索群體和捕食群體。在初始階段，每個粒子都會進入捕食模式，而且其行為也會受到雙態粒子群算法的影響，從而使得粒子群的搜索、優化更加高效、準確[6]。如果發現某個算法處于局部最優解，可以選擇保留一些優良的粒子，并使其以捕食狀態進行搜索。而剩下的大多數粒子則會進入探索狀態，并在搜索空間內重新初始化，繼續尋找最優解。

5 結束語

總而言之，航空裝備是“中國制造2025”的重點領域之一，確保其生產的智能化發展，特別是飛機智能制造，可對國民經濟的發展產生積極的影響。而物料配送是飛機制造的關鍵一環，精準配送并降低成本對飛機裝配十分重要。脈動裝配生產線直接關系著裝配的質量與效率，基于裝配空間和裝配時長，本文明確了脈動裝配生產線系統的合理布局，建立了一套完整的管控系統。同時，基于精準配送模型，采用雙態粒子群算法構建車輛精準定位體系，這不僅可以將待裝配的零件精準、高效地運輸到指定的地點，還能提升裝配的質量和效率。