智能生產中的實作模型構建方法研究

王焱 ，隋立江 ，，于勇

1.中國航空制造技術研究院，北京 100024

2.數字化制造技術航空科技重點實驗室，北京 100024

3.北京航空航天大學機械工程與自動化學院，北京 100191

模型是表征產品結構及屬性數據的基本形式，在數字化智能化制造環境下，生產活動已經把模型作為基本的數據源，模型成為現代制造系統運行的基本驅動要素，產品制造過程中各類相關模型的傳遞、演變和構建成為數據分析和處理的主要內容。

自2013年4月,德國推出“工業4.0”的概念以來，智能制造成為現代先進制造業轉型升級方向。智能制造的核心是賽博-物理系統(Cyber-Physical System，CPS)，以互聯互通、數據分析為核心，建立起以數字世界和物理世界無縫融合為基礎的自適應、自調整的柔性化生產方式，支撐制造業實現個性化定制生產，即客戶參與產品的制造過程，能夠與企業進行聯合創造和協同設計[1]。其中，數字世界和物理世界無縫融合的核心就是與生產活動相關模型的構建及其使用。產品研制經歷了從二維圖板繪制圖樣，到計算機繪制二維圖樣，到三維數字化樣機設計，再到全三維樣機設計的演變過程。以波音787為代表的新型客機研制過程中，全面采用基于模型的定義(Model-Based Definition，MBD)技術，將三維產品制造信息與三維設計信息共同定義到產品的三維模型中，摒棄二維工程圖樣，將MBD模型作為制造的唯一依據。隨著MBD方法日趨成熟，數字量成為驅動生產系統運轉的主體，產品模型可以用于制造、驗證和使用的全部過程，智能生產過程存在兩條數據鏈路：（1）從產品模型到設備驅動信號的正向傳遞，即“產品模型—工藝模型—工藝規程—加工程序—控制代碼—控制信號”；（2）從現場傳感器信號到運行控制系統、工藝規劃系統的信息反饋，即“傳感信號—工況狀態—質量狀態—誤差模型—重構模型”，形成從產品模型出發到重構模型建立的循環，直至加工的實物產品符合產品設計要求，這兩個數據鏈路形成了生產系統的數字主線，通過數據狀態的連續演變形成完整的數據閉環[2,3]，數字模型是全過程數據的載體，從產品模型到產品實物的過程可以表達為模型的演變過程，如圖1所示。

到目前為止，生產過程的兩個數據鏈路尚不能完全基于模型構成完整的數據閉環，使得生產過程中難以有效實現現場加工狀態實時監控、向數字空間映射實時狀態。為支持生產運行狀態識別、對運行過程決策處理、加工工藝優化等方面的智能化分析和處理，我們在這里針對數控加工過程，討論“實作模型”概念，以及實作模型建模與數控加工在線分析的實現方法。

圖1 生產過程中模型到產品實物的演變過程Fig.1 Evolution process of models to product

1 實作模型的概念及其結構

1.1 實作模型的概念

隨著MBD技術應用的逐步推廣和普及，模型定義已經從產品建模擴展到面向產品全生命周期全過程全要素的集成共享和協同環境，MBD概念進一步發展為基于模型的企業(Model-Based Enterprise，MBE)、基于模型的系統工程(Model-Base System Engineering，MBSE)概念。在此背景下，洛克希德-馬丁公司提出了“數字線”（Digital Thread）概念，在F-35 生產中將MBD 數據直接傳遞給數控機床完成零件加工、復合材料鋪放等制造過程，并將這種以模型為中心的工作模式稱之為“數字線”，它覆蓋產品全過程與全價值鏈，從基礎材料、設計、工藝、制造以及使用維護等全過程；2003年，Michael Grieves教授在密歇根大學的產品全生命周期管理(Product Lifecycle Management，PLM)課程上提出了“與物理產品等價的虛擬數字化表達”的概念：一個或一組特定裝置的數字復制品，能夠抽象表達真實裝置并可以此為基礎進行真實條件或模擬條件下的測試。2011年，Michael Grieves教授在《幾乎完美：通過PLM驅動創新和精益產品》一書中引用了其合作者John Vickers描述該概念模型的名詞——數字孿生(Digital Twin)，指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多尺度的仿真過程，它作為虛擬空間中對實體產品的鏡像，反映了相對應物理實體產品的全生命周期過程[4,5]。

美國國防部將數字孿生應用于航空航天飛行器的健康維護與保障，其目的是在數字空間建立真實飛機的模型，并通過傳感器實現與飛機真實狀態完全同步。隨后數字孿生的概念被擴展到制造領域，指充分利用物理模型、傳感器、運行歷史等數據，集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應實作產品的全生命周期過程。其中實作產品（as-built product）的內容可包括產品構型、材料微觀結構、瑕疵、制造異常等[5]。

數控加工過程是依據工藝規程進行的，工藝規程由一系列工序、工步組成，涵蓋從毛坯到成品的整個過程，對應于工序的數據連續傳遞和演變過程則構成了數控加工的核心，工序的自檢、互檢或檢驗是其中的質量控制環節，工序執行過程則是分析決策的直接應用環節。從基于模型制造的角度，對應于每個數控工序的數據可以稱為一個工序模型，一系列的工序模型組成了數控加工的工藝模型，數控加工過程就可以看作是一個從毛坯模型到產品模型的連續演變過程(正向傳遞數據鏈的一部分)，檢驗過程、執行過程的分析決策可以看作是加工狀態的反饋和調整，同樣，數控加工環境下，檢驗過程也可以有檢測模型的支持。在這里，我們把數字孿生的概念引入其中，建立工件的加工狀態模型，可以稱其為數控加工中的實作模型(as-build model)，通過實作模型，建立數控加工過程反饋數據鏈中實物世界與數字空間的關聯定義。數控加工過程涉及的工藝模型、檢驗模型、實作模型的定義，從系統思維的角度來看實際上是制造業企業制造過程建模活動的一部分，在更大層面上是企業建模的一部分。通過建模和仿真技術實現模型驅動的制造，通過模型來全面識別制造活動，并進行仿真來支持數據分析、監控和決策過程，這是支撐智能制造實現的基本要素之一。

概括起來，數控加工中的實作模型是以物理世界(數控加工工序現場)實作產品狀態、生產過程中的關鍵參數和數據為核心，基于工藝模型和檢測模型所形成的一系列物理世界實作產品在數字世界中的映像。

引入實作模型概念后，圖1的模型演變過程將變為圖2所示的形式，它表達了設計模型、工藝/檢驗模型、實作模型之間的關系，產品制造過程的數據鏈路實現了全閉環傳遞。

工藝/檢驗模型、實作模型的共有的數字化定義信息均來自于設計模型，實作模型在工藝/檢驗模型的基礎上，包含所采集的物理世界實作產品的最終狀態、生產過程中的關鍵參數和數據，形成一系列物理世界實作產品的數字映像，換言之，實作模型是基于工藝模型、檢驗模型融合生產現場數據，形成設計模型的實例化模型。建立實作模型的目的旨在結合零件數控加工全過程所獲取的海量數據，建立設計模型與零件加工過程、加工結果的映射關系，從而實現對零件加工過程進行在線的實時分析和離線的工藝優化，解決零部件研制和生產的質量穩定性、快速交付等問題，最終提升產品快速研制能力。

1.2 實作模型的結構

在數控加工過程中，工藝模型為工作現場提供了運行所需要的數據(包含了加工流程、工序數據、程序指令、加工要求、檢驗要求等)，這是數字化、智能化生產中設計數據向生產現場傳遞的核心載體。實作模型也可以看作是一種產品制造完成后的階段或竣工驗收的模型，其結構展示了最終真實的物理產品結構的中間或最終狀態，同時要包括所有在制造、裝配和試驗階段所發生的各類事件和所采納的更改。在實作模型中，需要表達出產品實際物理結構、缺陷、制造質量、實際結構等信息。

圖2 設計模型、工藝/檢驗模型、實作模型及物理實物之間的關系Fig.2 Relationship of design model，procedure model，as-build model and product

實作模型信息來源及與其他模型、數據的關系如圖3所示。其中，產品設計、工藝設計階段形成的設計模型、工藝模型、檢驗模型我們稱其為源模型，實作模型是依據制造現場數據(檢驗數據、采集數據、制造數據)對源模型進行修正(或稱為實例化)而得到的，即實作產品的數字映象。

圖3 實作模型數據來源及與其他模型、數據的關系Fig.3 Data source of as-build model，and the relationship of models

零部件實作模型的模型結構組成如圖4 所示，其屬性信息包含了與產品形成過程中的相關模型、實際數據、信息之間的關聯關系。

圖4 實作模型的結構組成Fig.4 Contents of as-build model

實作模型可以認為是工藝模型傳遞至現場，經現場設備完成加工后，形成的符合技術要求的理論模型實例，可以用來代表物理實體的真實狀態(如幾何要素的真實位置和形狀)。這樣，在數字世界中，可以用實作模型進行后續的分析評估，代替用理論模型所做的分析評估，從而獲得現場狀態的變化趨勢。

2 實作模型構建原理與建模方法

2.1 實作模型構建原理

數控加工過程涵蓋了從毛坯到成品的整個過程，對應于工序的數據連續傳遞和演變過程則構成了數控加工工藝過程。其中，設計模型是數控加工的目標狀態，毛坯是數控加工的初始狀態，每個工序的最終結果首先呈現的是幾何要素的演變及其真實形態，也是實作模型表達的結構信息，其他的屬性信息(如加工資源、制造質量等)則是在結構信息基礎上增加而成的。因此，實作模型的構建分為結構信息、屬性信息、關系信息三個層次，結構信息是基礎，屬性信息依賴于結構而存在。

結構信息的來源是工藝模型，是保證數據唯一性來源的主體數據集，主要包括零件的幾何結構、基準面、坐標系、形位公差等幾何數據；屬性數據是針對制造過程的描述性數據，包括毛坯信息、制造過程信息、加工資源信息、質量信息等；關系信息是描述不同類型數據集之間關聯關系的索引，如檢測數據中的物理幾何信息與結構信息中幾何要素的關聯關系、原材料信息與毛坯信息的關聯關系、加工裝備信息與加工資源的關聯關系等，它是屬性數據中的一個特殊類型數據。

實作模型構建中首先面臨的是幾何要素的重構，即根據加工零件的實際狀態(檢驗數據)對相應的幾何要素進行修正，這一過程實際上可以認為是對設計的理論模型中幾何要素的實例化過程；同樣，屬性信息也是根據檢驗數據、傳感數據進行實例化的過程；關系信息則是依據確定的實作模型邏輯結構，給出關聯關系索引，是屬性數據中的一個特定類型。

為了構建實作模型，我們應用面向對象的一些基本思想和方法。復雜系統由相互關聯的子系統組成，子系統又是由他們各自的子系統構成，對一個復雜系統建模，可以將他看作“是一個層次”及“一個層次的一部分”；面向對象方法定義了構建復雜軟件系統的表示法和過程，軟件工程的成熟發展導致了面向對象分析、設計和編程方法的發展，面向對象的編程強調數據抽象、封裝及繼承，其基本的構件是類和對象[6]。

按照面向對象的思想方法，在實作模型構建階段我們把設計模型看作是“元類”，把工藝模型、檢驗模型看作是元類下面的“類”，實作模型就可以看作是“對象”，這樣，元類—類—對象直接就可以有關聯、繼承、聚合、使用關系，實作模型的建模過程可以看作是一個從“泛化”到“特化”的過程，過程狀態(工序)的實作模型就是工藝模型對應的“實例”，終態的實作模型就是設計模型對應的“實例”。這樣，產品制造各階段的模型層次關系如圖5 所示，數據層面的“檢測數據”“采集數據”“制造數據”是在數據采集系統支持下獲得的，數據采集系統涉及硬件和軟件，是數字化智能化車間專門開發或配置的功能系統，實作模型建立過程中僅將其作為一個獨立工具來使用。

圖5 產品制造過程中相關模型間的層次關系Fig.5 Models hierarchical relationship in manufacturing

這樣，實作模型的構建就可以按照面向對象方法及其原理進行，遵循以下基本原則：（1）結構繼承性：結構數據涉及幾何、公差、附注數據及其關聯關系，實作模型的結構首先是繼承工藝模型結構，并保持相關關系不變。（2）拓撲不變性：幾何元素的連接關系，實作模型中建立新的幾何元素時應保持其與父類相對應要素的拓撲關系不變。（3）屬性附加性：屬性數據獨立存儲，與被實例化的主體要素用關系指針連接。（4）數據唯一性：同類屬性數據只能有一個數據集，不可存在副本或復制的數據。

可以看出，實作模型是在繼承其“泛化”模型(工藝模型)固有特征屬性的基礎上，根據現場的實時數據(檢測數據、制造現場數據)反饋，形成“特化”模型(實例化的對象)的過程，首先是對來源于制造現場的數據進行處理，提煉特征要素數據，然后依次對變化的幾何數據、屬性數據進行建模，形成實作模型。這一過程我們參考采用UML/SysML語言基本方法[7,8]的活動圖形式，實作模型構建的基本邏輯過程如圖6 所示，實作模型構建工具的設計開發依據本活動圖，建立軟件系統的基本運行邏輯和功能分解。

圖6中，第一個泳道內是交互操作的界面活動，第二個泳道是數據分析的活動，第三個泳道是數據加載和建模的活動，特征模型(數量是1，…，n)是實作模型構建的基本元素，對應于一個工序加工區域所屬要素的繼承屬性、相關聯的實時數據。一個工序加工區域所屬要素可以按工序劃分的工步進行對應分解，最小區域應該是一個操作(一個數控程序對應形成的區域)涉及的范圍。

圖6 實作模型構建的活動Fig.6 Activity diagram of as-build model building

2.2 實作模型構建的一般方法

采用MBD技術建立的產品模型、工藝模型中，零部件模型采用精確的幾何描述，并攜帶了大量的工程屬性信息(如材料、毛坯規格、公差要求等)，隨著零部件制造過程的進行，產品模型、工藝模型所屬的這些幾何數據、公差數據、材料及其加工狀態等都變成了確定的數據和信息，對應每個實物零件都有一組確定的個性化屬性數據，實作模型就是建立了產品模型、工藝模型與這些個性化屬性數據的唯一映射。

在產品設計模型中，基本信息主要包括幾何信息、拓撲信息、工程語義信息、裝配約束信息和裝配結構層次信息。零部件制造完成工序指令后，實作模型將是這些信息的實例化表達，其中，幾何信息、拓撲信息是實作模型的基本構架。實例化表達過程主要依據以下原則：(1)幾何信息主要用來表征實作模型的基本結構，主要繼承工藝模型的幾何結構，根據實際數據進行實例化處理。(2)拓撲信息主要表述實作模型的點、線、面之間的關聯關系。實作模型可能會根據具體尺寸、公差等數據重構基本幾何體素，但其之間的拓撲關系不應改變。(3)工程語義信息是表征零部件制造要求的信息，主要包括零部件所具有的基本屬性信息、公差信息以及幾何精度信息等，這些信息將成為與工件實物一一對應的個性化信息。(4)裝配約束信息是實現零部件間的配合信息，主要針對可裝配零部件之間幾何體素的配合，實作模型中，這些約束關系根據工件實際點、線、面等特征的幾何位置和尺寸而確定，但拓撲關系應保持不變。(5)實作模型中，裝配結構層次信息應保持不變，直接從產品模型、工藝模型中繼承。(6)制造數據獨立存在，并與相應的幾何信息、拓撲信息具有一一對應關系。

針對飛機產品的三維模型表達，其模型在結構上可以分為產品層、部件層、組件層、零件層、幾何元素層5個層次，其中，產品層、部件層、組件層、零件層分別對應著產品裝配體、部件裝配體、組件裝配體、零件，幾何元素層包含了坐標、點、線、面等幾何元素，其模型結構如圖7(a)所示。對于數控加工過程，大部分是零件級的加工，少量涉及組件層的組件裝配體(如梁組件、壁板組件等)，所以，針對數控加工的實作模型主要關聯的對象是零件，適當考慮組件裝配體，即數控加工過程的實作模型是面向零件層、組件層的實例化表達。實作模型是實際產品的映射(孿生體)，實作模型結構與產品模型結構一一對應，制造狀態數據作為實作模型的屬性數據并列在幾何元素層，幾何元素是數控加工操作的最小單位，實作模型層次結構如圖7(b)所示，變化的顏色表示實例化。

圖7 設計模型、實作模型的層次結構及其相關關系Fig.7 Hierarchical relationship of design model and as-build model

目前，飛機產品設計階段采用CATIA工具，產品模型定義遵循MBD 規范，在產品設計階段完成后形成一個MBD數據集，這個數據集包括產品的三維幾何、尺寸、公差和工藝等信息。MBD 技術的核心要求是把集成的二維圖樣上的尺寸、公差和工藝信息的三維實體模型作為設計制造過程中的唯一依據，在CATIA 軟件里，這些非幾何信息都定義在規范樹之中[9,10]，實作模型也遵循這樣的表達形式。

產品精度要求是數控加工過程的基本約束條件，也是實作模型中與幾何元素相關的實際檢驗數據。精度屬性用于描述幾何形狀和尺寸的許可變動量或誤差，是產品工藝設計、工裝設計、加工、檢驗的重要依據。精度屬性主要包括公差和表面粗糙度，公差內容包括尺寸公差和形位公差，產品完成加工后，這些數據將通過檢驗測量獲得實際值，成為實作模型的屬性數據之一。

工件的幾何尺寸及其公差、形位公差、表面粗糙度通過測量器具、坐標測量機、測量儀器等手段獲得，并需要處理成結構化的數據。制造現場數據的采集與處理系統是支持實作模型建模的基礎工具。

為便于實作模型建模軟件工具開發，實作模型屬性數據應進行明確定義及結構化表達，本文僅給出如圖8 所示的實作模型屬性數據主要內容及其與相關模型的關系作為示例，不再詳細敘述。

3 數控加工在線分析中的實作模型應用模式

智能制造是智能技術與制造技術的融合，對產品全生命周期中設計、加工、裝配等環節的制造活動進行知識表達與學習、信息感知與分析、智能決策與執行，是以“動態感知、實時分析、自主決策、精準執行”為特征的循環遞進過程，數字量貫穿全過程[11-13]，在模型數據的支持下實現智能化生產。

由于制造過程的復雜性，在線分析技術可采用靜態分析與動態分析相結合的方法進行研究。因此，需要建立相應靜態結構模型與動態結構模型。靜態結構模型能夠表達制造活動的組織及結構，以從設計模型向現場傳遞的數字量為主體，包括工藝模型和檢驗模型；動態結構模型則用于描述制造活動的過程、行為與結果，以制造現場數據向實作模型傳遞的數字量為主體，形成實作模型。

首先，對加工過程中的采集、測量等數據進行分析、處理、融合和挖掘，得到與制造元素相關的可識別、可描述、可處理的信息。利用這些信息，結合工藝模型、檢驗模型、制造系統資源等信息，建立實作模型，支持在線加工狀態分析。同時以此為基礎，提取制造規則、形成制造知識的積累，建立規則庫；其次，通過實作模型與理論模型(設計模型或工藝模型)對比分析，評價制造過程的加工狀態、對加工狀態進行預測，并結合工藝知識庫，給出工藝優化方案，確保零件加工質量。

數控加工在線分析是基于數據采集系統提供制造過程數據，基于設計模型、工藝模型和檢驗模型的靜態結構，對制造過程數據進行結構化處理，并提取規則化數據(按設計的規則，并根據實際數據對規則進行修正、積累，形成典型特征處理的規則庫)。利用實作模型與理論模型進行對比，評價加工狀態，確定誤差補償需求。這一過程我們仍然參考采用UML/SysML語言基本方法的活動圖形式，把數控加工在線分析的基本邏輯過程表達為圖9，這也是實作模型的基本應用模式。

圖8 實作模型屬性數據及其與相關模型的關系Fig.8 As-build model's data-structure and models relationship

數控加工在線分析主要解決對獲得的制造現場各類數據進行識別、分析、歸納和總結，結合工藝知識庫，對工件加工狀態進行評價和預測，以指導下一步制造活動的執行，這里僅給出在線分析的基本活動，展示出實作模型的應用模式，對于具體的在線分析過程及其技術不再深入討論。

4 結論

實作模型是支持生產過程構成閉環控制、實現智能運行的核心要素。實作模型是表征加工完成后的階段或竣工驗收的工件狀態的一種模型，其結構展示了最終真實的物理產品結構的中間或最終狀態，同時要包括所有在制造、裝配和試驗階段所發生的各類事件和所采納的更改。實作模型屬性信息包含了與產品形成過程中的相關模型、實際數據、信息之間的關聯關系，建立起了加工過程反饋數據鏈中實物世界與數字空間的關聯定義。

本文提出了實作模型結構、建模邏輯及其實現方法。實作模型的構建可以采用面向對象的思想方法，把設計模型看作是“元類”，把工藝模型、檢驗模型看作是元類下面的“類”，實作模型看作是“對象”，元類—類—對象直接就可以有關聯、繼承、聚合、使用關系，實作模型的建模過程可以看作是一個從“泛化”到“特化”的過程，過程狀態(工序)的實作模型就是工藝模型對應的“實例”，終態的實作模型就是設計模型對應的“實例”。

實作模型表達了數控加工中物理世界實作產品在數字世界中的映象，為模型驅動的制造建立全閉環數字鏈路提供了條件，支持智能生產過程中實時分析和自主決策功能的實現。本文討論的實作模型構建原理、模型結構、建模邏輯及其實現方法，為相關工具系統設計和實現提供了基礎框架。

圖9 數控加工在線分析的活動圖Fig.9 Activity diagram of online-analysis in manufacturing