基于文獻計量的復雜機電產品線纜裝配技術研究發展態勢分析*

楊開海,程世明,李仁花,王發麟

（1.中國航空工業江西洪都航空工業集團有限責任公司工藝裝備技術中心,江西 南昌 330024；2.南昌航空大學 航空制造工程學院,江西 南昌 330063）

以雷達、衛星、飛機等為典型代表的復雜機電產品,其功能越來越多、內部結構越來越復雜,用以連接和保證各元器件和電氣設備等裝置正常工作的線纜也越來越重要。線纜屬于產品總裝直屬件,具有“神經系統”之稱。以飛機為例,線纜不僅擔負著傳統的輸配電功能,還擔負著飛控、發動機、起落架、航電等重要系統的信息傳輸功能。不同于剛性零件,線纜由于具有可彎曲和變形等特點,在進行裝配時需要采用卡箍固定、尼龍線捆扎等操作,同時分布在產品內部狹窄空間的、連接線纜的連接器數量也較多,大量線纜集中分布,這些因素使得線纜的裝配設計精度對于保證復雜機電產品的整機性能和可靠性具有重要意義。據統計,由于線纜裝配設計精度的原因使得線纜無法裝配導致的返工率高達70%。

科技的進步正在推動著航空航天等大型電氣系統的快速發展,高精尖、復雜化、集成化在現代電氣產品系統中表現得越來越明顯。線纜連接設備和部件數量的增加,傳送信號種類的繁多,頻率和消耗的功率各異,使得復雜機電產品內部線纜的裝配變得更加具有挑戰性。由于線纜本身的柔性特征,以及產品內部結構復雜、布線空間狹窄、零部件數目多,待裝線纜具有數量多、拓撲結構復雜、柔性裝配等特點,使得目前線纜設計復雜、線纜設計冗余長度過長導致資源和空間浪費嚴重,相比于剛性結構件的裝配,線纜裝配工作難度更大。為了迅速把握我國復雜機電產品線纜裝配研究的熱點主題及趨勢,為線纜裝配的后續研究提供有利支撐,有必要對復雜機電產品線纜裝配技術研究發展態勢進行分析。本文采用文獻計量法,以中國學術期刊網絡出版總庫（CNKI）收錄的129篇線纜裝配研究的期刊論文為研究對象,運用文獻計量分析可視化功能模塊和知識網絡分析工具從時空分布、高產機構及核心作者群、關鍵詞聚類等方面進行可視化分析,繪制國內線纜裝配研究的知識圖譜,以期為從事線纜裝配方面的研究人員提供參考和借鑒。同時對數字孿生驅動的線纜智能裝配技術進行了闡述,以及實現基于數字孿生的線纜裝配需要解決的關鍵技術。

1 線纜裝配技術研究進展

1.1 分析方法與工具

本研究采用中國知網數據庫的文獻計量分析可視化功能模塊和美國德雷塞爾大學陳超美（Chaomei Chen）博士研發的可視化分析軟件CiteSpace作為研究工具。以JAVA為編程語言開發的CiteSpace軟件可以很好地對某一個研究領域的研究熱點、研究趨勢、作者和研究機構分布情況等進行分析,并利用文獻計量法、數據挖掘算法以及信息的可視化方法等來繪制分析結果的可視化圖譜,通過對不同節點之間的相互關聯來進一步分析,如分析研究對象之間的共引關系、共現關系等。

數據來源是開展研究熱點等分析的基礎。本文的分析數據來源于中國學術期刊網絡出版總庫（CNKI）的文獻數據。為保證原始數據的全面性和可靠性,在中國知網中選擇高級檢索,設定檢索條件為文獻檢索,“文獻分類目錄”選擇基礎科學、工程科技Ⅰ輯、工程科技Ⅱ輯、信息科技；主題=線纜裝配or線纜布線,期刊來源=（EI來源期刊、核心期刊、CSCD）,時間跨度=1990-2020,檢索條件=精確。共檢索出文獻194篇（檢索日期為2020年8月27日）。在剔除重復文獻、會議通知等非研究型文獻后,共獲得129篇有效文獻。

1.2 研究結果對比分析

1.2.1 發文量及發文趨勢

線纜裝配技術（有的文獻也稱線纜布線技術）的發文量及發文趨勢在中國學術網絡出版總庫（CNKI）隨年代變化的情況如圖1所示,所選文獻為研究性文獻。年度發文數量是衡量線纜裝配研究熱度與發展趨勢的重要指標。據圖1顯示,檢索時間跨度雖然是從1990年至2020年,但第一篇研究性文獻是從2005年開始,并且從2005年至2020年的16年時間,論文發表數量總體上呈現逐年增多的現象,但論文發表總數較少。2015年17篇的發文量是一個爆發點和轉折點,2016年仍保持發文量在16篇。在2019年達到近15年來的峰值（18篇）。關于線纜方面的研究,目前還處在一個起步階段,最近幾年逐步上升。線纜的裝配不同于普通的剛性零件裝配,由于受機械性能（如最小彎曲半徑）和電氣性能（如電磁兼容性）等的約束,加上線纜本身的柔性特點,線纜的裝配相對于剛性零件的裝配,其難度系數要大很多,需要考慮的約束條件也多。正因為上述這些因素的存在,關于線纜裝配方面的研究總體來說還是偏少。但也正因為大家認識到線纜對于產品整機性能的影響越來越重要,圍繞線纜裝配方面的研究正逐漸增多,而且呈現研究的多樣化趨勢。根據圖1中的發文趨勢線（虛線所示）可以看出,發文量呈逐步上升趨勢。

圖1 發文量隨年代的變化圖

1.2.2 高產機構及核心作者群

根據中國知網數據庫的文獻計量分析可看出國內關于線纜裝配高產機構情況,如圖2所示。從圖中可以看出,排名前3的高產機構分別為北京理工大學、南京航空航天大學、華中科技大學,其中發文數量第一的為北京理工大學。通過進一步檢索文獻發現,北京理工大學在線纜布線和線纜裝配研究方面開展得比較早,以寧汝新、劉檢華為主的研究團隊做了大量的研究工作,包括線纜的路徑規劃、線纜裝配工藝規劃、線纜裝配仿真等[1-4],這些研究成果為其他研究人員開展線纜裝配方面的研究提供了很大幫助。發文數量第二的南京航空航天大學主要集中在兩個研究團隊,一是以左敦穩為主的研究團隊,一是以王發麟為主的研究團隊。這兩個團隊在線纜路徑規劃、線纜碰撞干涉檢測、線纜受力分析等方面做了有益探索[5-9],為復雜機電產品線纜布線、裝配等的研究提供了借鑒。并列第三的華中科技大學和哈爾濱工業大學重點對線纜非線性振動進行了研究,主要以游斌弟研究團隊為主[10-11]。在整個129篇統計文獻中,北京理工大學占比達到了20.31%,南京航空航天大學占比17.97%,其他研究機構共占比61.72%。

圖2 中國機構分布情況

在上述研究機構中,北京理工大學數字化設計與制造實驗室和航天科工集團第二研究院聯合設計開發的集成化虛擬裝配工藝規劃系統VAPP（Virtual assembly process planning system）在輔助柔性線纜和管路裝配方面起到了重要作用。線纜布線設計人員利用該系統的可視化裝配環境,可以對計算機上的產品三維模型進行多次試裝,在試裝過程中分析和尋找不同線纜和其他零部件的最佳裝配順序、裝配路徑以及柔性線纜和剛性結構件在裝配過程中產生的動態干涉和各零件裝配的合理性,通過分析和驗證裝配工具、夾具等的空間可達性、可操作性以及相互位置關系,最后綜合分析得出裝配工藝文件。南昌航空大學數字化設計與裝配研究室的王發麟研究團隊和航天科工集團第二研究院第二十三所（北京無線電測量研究所）聯合設計開發的三維線纜敷設工藝規劃系統軟件[12-13],可以實現三維線纜敷設點位對應關系提取、三維線纜敷設順序求解以及三維線纜敷設工藝視圖創建等功能。

根據中國知網數據庫的文獻計量分析可看出國內關于線纜裝配高產作者情況,如圖3所示。由圖中可看出,發文量最多的學者為劉檢華,北京理工大學劉檢華老師團隊在線纜裝配技術研究方面開展的比較早,圍繞線纜虛擬裝配、線纜布線技術、線纜物理特性建模與仿真等開展了大量的研究工作,并且取得了一系列研究成果。這和圖2中高產機構為北京理工大學相吻合,排名第2、第3、第4的作者都同屬于劉檢華研究團隊。緊接著的為來自南京航空航天大學的王發麟、郭宇、左敦穩。從圖4中作者分布所屬的機構可以看出,發文量較多的作者所屬的機構主要分布在北京理工大學、南京航空航天大學。通過對作者的分析可以了解在該領域研究的作者的活躍程度,并可根據作者在主題研究方面的軌跡,為其他研究人員尋找合作契機。圖4所示為作者研究主題共現矩陣。

圖3 中國作者分布情況

圖4 作者研究主題共現矩陣分析

1.2.3 線纜裝配研究熱點主題分析

研究熱點反映了某個研究主題在一個時間段內論文發表數量的遞增,這些論文或文獻相互之間都存在某種內在聯系,所分析和探討的都是該研究領域的特定問題。線纜裝配研究熱點反映了圍繞復雜機電產品線纜裝配的專題問題,包括線纜建模、線纜干涉、線纜路徑規劃、線纜裝配工藝規劃等。而關鍵詞則是文獻作者對其所撰寫文章內容的一個高度概括和提煉,是文章研究方向和研究價值的體現。如果某個關鍵詞出現的頻次高,則該詞往往被用來作為該研究領域的熱點問題,如“線纜建模”這個關鍵詞出現的頻次較高,那么可以認定“線纜建模”是復雜機電產品線纜裝配（線纜布線）研究領域的熱點問題。通過檢索可以發現,線纜建模、線纜物理特性建模等都是關于線纜研究方面的熱點問題。關鍵詞聚類分析采用聚類統計學的方法來對關鍵詞進行了一定的簡化,該過程以關鍵詞共現分析為基礎,以關鍵詞共現網絡關系為簡化對象,通過將數目較多的聚類關系簡化成數目較少的聚類關系。

運行CiteSpace軟件后,采用“LLR對數似然算法”,生成關鍵詞的聚類視圖如圖5所示。從圖譜的各項參數來看,模塊性Q值（Modularity：Q）為0.8081,平均輪廓值（Mean Silhouette）為0.6993,兩者數值均在合理的范圍內,說明本研究聚類效果顯著。這些聚類折射出我國線纜裝配研究領域的熱點問題現狀,包括線纜、虛擬裝配、三維布線、物質標架、線纜裝配、線纜布線等11個聚類標簽,如圖5所示。在關鍵詞聚類知識圖譜的基礎上,在“Clustern”菜單欄中選擇“Summarization of Clusters”,得到關鍵詞共現網絡聚類表,如表1所示。

圖5 線纜裝配關鍵詞聚類知識圖譜

表1 關鍵詞共現網絡聚類表

1.2.4 線纜裝配研究趨勢分析

關鍵詞時序圖是指某一個研究主題隨著時間的變化而呈現出來的主要研究內容,可以在一定程度上反映某一時間段內研究趨勢的變化情況。如出現較早的線纜虛擬裝配,到三維布線,再到線纜敷設質量評估等。運行CiteSpace,在關鍵詞共現分析基礎上,按時間片段生成關鍵詞時序圖譜,如圖6所示。從圖中可以看出,近十年的研究主要集中在線纜建模、三維布線、線纜干涉檢查、裝配精度預分析,以及最新的坐標轉換關系等。

圖6 關鍵詞時序圖譜

其中線纜裝配坐標轉換是對三維裝配空間線纜端接口位置的描述,為了順利完成對電連接器端口的自動捕獲,需要將端口坐標從一種坐標系統轉換到另一種坐標系統。在線纜布線點位對應關系提取中,線纜端點坐標系和電連接器位置坐標系獨立存在,各坐標系之間的相互關系無法直接比較。線纜和電連接器的裝配都是在裝配體坐標系下進行的,兩者的坐標系需要通過轉換和獲取相對應的點位關系才能完成后續的布線操作。

2 討論

從上述研究現狀可以發現,圍繞柔性線纜布線設計、線纜裝配、線纜建模等方面的研究正呈現上升的趨勢。由于復雜機電產品越來越復雜,柔性線纜在產品中的作用越來越明顯,學者們的研究范圍從研究較多的剛性結構件,正逐步拓展到柔性線纜的相關研究上。并且不同的研究機構和學者,研究的側重點也具有一定的差別,如北京理工大學劉檢華老師團隊,在線纜布線路徑和裝配仿真方面研究得比較深入,并且也是國內較早開展柔性線纜方面研究的團隊；哈爾濱工業大學游斌弟老師的團隊更多研究的是線纜的非線性振動,研究線纜在受力作用下或機械結構轉動帶動線纜運動時的力學性能情況；上海交通大學范秀敏老師的團隊目前更多側重于研究基于增強現實（AR）的線纜輔助裝配；南昌航空大學的王發麟研究小組在線纜布線路徑規劃、線纜裝配順序規劃、線纜敷設質量評估等方面做了有益的探索和研究,并且目前正在研究線纜裝配路徑的規劃和布線點位對應關系提取方面的研究。而在線纜集成檢測方面,以西飛、商飛等主機廠的相關研究人員為主。

線纜的重要性正受到大家的逐漸關注,從對剛性零件的研究到柔性線纜的研究,相關的研究成果正在不斷的呈現出來。

3 數字孿生驅動的線纜智能裝配方法探索

3.1 數字孿生的定義及內涵

數字孿生（Digital Twin,DT）的概念模型[14-15]最早出現于2003年,由Grieves M.W.教授在美國密歇根大學的產品全生命周期管理（Product Lifecycle Management,PLM）課程上提出,最初被稱作“鏡像空間模型”（Mirrored Spaced Model）。2010年,美國國家航空航天局第一次將數字孿生概念引入到太空技術路線圖中,目的是采用數字孿生技術來實現飛行系統的診斷與預測功能[16]。

關于數字孿生,目前還沒有一個統一的定義。其主要思想就是以數字化方式創建物理實體的虛擬模型,借助數據模擬物理實體在現實環境中的行為,通過虛實交互反饋、數據融合分析、決策迭代優化等手段,為物理實體增加或擴展新的能力[17-18]。作為一種充分利用模型、數據、智能并集成多學科的技術,數字孿生面向產品全生命周期,發揮連接物理世界和信息世界的橋梁和紐帶作用,提供更加實時、高效、智能的服務[19-21]。

隨著新一代信息與通信技術（如物聯網、大數據、工業互聯網、移動互聯等）和軟硬件系統（如信息物理融合系統、無線射頻識別、智能裝備等）的高速發展,數字孿生技術的出現為實現復雜機電產品線纜裝配過程中物理世界與信息世界的實時互聯與共融、實現線纜裝配過程中多源異構數據的有效融合與管理,以及線纜布線路徑和裝配工藝優化決策等提供了解決方案。

3.2 數字孿生驅動的線纜智能裝配技術概述

三維數字化線纜裝配技術是虛擬裝配技術的進一步延伸和深化,即利用三維數字化裝配技術,在無物理樣件、三維虛擬環境下對復雜機電產品線纜的可裝配性、可拆卸性、可檢測性進行分析、驗證和優化,以及對線纜的裝配工藝過程包括線纜的裝配順序、線纜的裝配路徑及裝配精度、線纜的裝配性能等進行規劃、仿真和優化,從而達到有效減少產品研制過程中線纜實物試裝次數,提高復雜機電產品線纜裝配質量、效率和可靠性[22]。借助數字孿生技術,構建基于數字孿生驅動的復雜機電產品線纜裝配工藝模型,實現線纜裝配車間物理世界與數字化裝配信息世界的互聯與共融,是有效減少線纜裝配工藝更改和設計變更、保證裝配質量、提高一次裝配成功率、實現線纜裝配過程智能化的關鍵。

數字孿生技術在線纜裝配工藝模型中的應用,即根據數字孿生的概念,運用數字化手段對柔性線纜裝配實物的結構、形態、空間位姿、裝配的動作（拖拽、拉伸等）、裝配順序和裝配路徑進行描述、表征及建立數字模型的過程。通過建立線纜三維裝配孿生工藝模型,引入線纜裝配現場實測數據,可基于實測模型實時、高保真地模擬裝配現場及裝配過程,并根據實際執行情況、裝配效果和檢驗結果,實時準確地給出修配建議和優化的裝配方法,為實現復雜機電產品柔性線纜科學裝配和裝配質量預測提供有效途徑。

3.3 關鍵技術

為實現數字孿生在復雜機電產品線纜裝配工藝設計中的落地應用,需要基于裝配過程中的全數字量協調傳遞過程,將現場線纜裝配空間的實時裝配動態數據融合到數字模型中,構建能夠精確描述真實線纜屬性信息和動態行為的線纜三維裝配孿生工藝模型,以該孿生工藝模型為驅動源,建立面向復雜機電產品的線纜裝配工藝生成-裝配工藝優化-裝配工藝反饋-裝配工藝改進閉環完善機制。實現數字孿生驅動的線纜智能裝配,構建復雜機電產品線纜裝配過程的信息物理融合系統,需要在以下幾個關鍵理論與技術問題方面取得突破：

（1）線纜三維裝配孿生工藝模型動態構建

線纜裝配工藝的設計過程,就是在已有的人員、材料、工具、設備等生產資料的約束下,滿足裝配工作的時間、成本和質量目標,規劃產品的裝配流程和工藝參數的決策過程。而線纜三維裝配孿生工藝模型的動態構建,則是裝配工藝設計過程進行決策的基礎。線纜在裝配過程中會產生很多數據,這些數據具有多源異構特點,通過利用數字化裝配系統和數字化檢測系統,感知并采集上述數據,包括線纜布線設計數據、線纜裝配工裝工具設計要求及模數據、裝配線纜長度信息數據、線纜柔性/半柔性/剛性數據、裝配線纜物理變形仿真與感知數據、線纜裝配工藝過程參數、線纜裝配過程仿真評估數據等信息,動態構建線纜裝配孿生工藝模型,完成線纜現場裝配空間和線纜虛擬裝配空間中數據與信息的關聯與互動,即“虛實融合”過程。

（2）數字孿生模型驅動的線纜裝配精度分析與控制

復雜機電產品線纜的裝配精度會受到裝配過程中產生的各項偏差源影響。在具體的裝配過程中,不同的線束具有不同的裝配順序。裝配順序不同,會使得線纜在裝配過程中有不同的捆扎、定位方式,同時由于線纜具有柔性等特點,線纜本身也會產生變形誤差等,這些因素產生的誤差在裝配過程中不斷的累積融合,最終對裝配偏差產生影響。因此,基于線纜孿生裝配工藝模型,探究不同的裝配順序與裝配偏差之間的關系,找到準確的裝配偏差傳遞模型,對提升線纜裝配精度具有重要的工程意義。

（3）線纜裝配工藝優化設計與信息智能推送

以線纜裝配孿生工藝模型為基礎,對線纜裝配過程中不同階段的定量建模、過程求解以及結果評價方法進行研究,完成基于理論數模的線纜裝配工藝設計,以此獲得優化后的裝配工藝參數,如線纜裝配順序、線纜固定和捆扎方案、線纜長度允許公差數據等,從而保證線纜的制造裝配過程和制造裝配工藝方法的有效性。建立三維線纜裝配工藝演示模型的表達機制,研究基于裝配現場實物驅動的三維裝配工藝現場展示方法,實現現場需要的裝配模型、裝配尺寸、裝配資源等裝配工藝信息的實時精準展示,研究裝配現場線纜與三維裝配工藝展示模型的關聯機制,實現線纜裝配工藝信息與裝配現場信息的深度集成,完成裝配工藝信息的智能推送。

4 結束語

本研究借助中國知網數據庫的文獻計量分析可視化功能模塊和可視化分析軟件CiteSpace,形象直觀地對線纜裝配技術領域的熱點話題以及研究前沿進行分析。總結發現：線纜裝配技術領域的研究成果近些年逐漸增多,但研究的核心作者群以及研究機構的分布都較為零散,尚未形成合作研究的態勢。線纜裝配技術領域的熱點有“虛擬裝配”“三維布線”“物質標架”“線纜裝配”“線纜布線”等。線纜裝配技術領域最新研究的前沿是與“裝配狀態檢錯”“AR輔助裝配”“孔位檢測”有關的話題。