飛機移動裝配線
——脈動與續動

方水良，劉猛男，鮮 果，秦永輝，田雨辰

(浙江大學，杭州 310027)

隨著社會經濟的迅速發展和國際形勢的不斷變化，我國對商用飛機、軍用飛機、通用飛機等的需求和研制任務量不斷增長[1-2]，研究開發成本更低、效率更高、質量更好的飛機裝配線具有重大的戰略意義。飛機總裝配是飛機制造過程的最后關鍵階段，涉及大部件對接、導管線纜敷設、發動機安裝、系統檢測等大量工作；總裝過程的精度要求高、專業性強、人工操作工作量大、生產資源管控難，其組織和管理工作將直接影響飛機的產出速度和供應能力。為此，以精益思想為核心的移動式總裝線是飛機制造技術發展的必然趨勢[3-4]，是提高飛機制造水平、縮短飛機總裝周期、提高飛機裝配產能的主要舉措。

當前，國內各主機廠還是以傳統的固定式（機庫式）總裝生產方式為主，工人在固定站位上按照飛機裝配工藝要求逐步完成總裝配的各項裝配任務或裝配指令（Assembly order，AO）。裝配過程中各工種人員、各種物料、工裝設備等管理困難，難以保障飛機裝配質量及其裝配效率，無法滿足飛機總裝配對集成化、精益化、智能化的需求。

從國內外典型應用分析可知，移動式裝配線的應用極大地提高了飛機裝配線的精益化水平，提高了裝配效率及其裝配質量，降低了總裝成本。但是當前國內脈動式飛機總裝線尚處于發展初期，其優越性未得到充分發揮，而更先進的連續移動式（續動式）、集成式總裝線還鮮有實施應用。隨著數字化裝配、柔性工裝、智能物流、精益生產管理等先進技術和方法的不斷發展，在國內各飛機主機廠大力發展和實施飛機總裝移動生產線已經成為可能[5-6]。

本文結合典型主機廠的實地調研，并通過當前國內外相關研究成果、文獻資料的綜合分析，綜述了脈動式和續動式兩種移動裝配線的主要特點及其國內外應用情況，從裝配線優化規劃設計、物料供應優化管理、裝配任務優化調度、裝配線智能管控等方面綜述了國內外研究現狀，綜合提出了飛機總裝線的若干發展方向，最后通過典型飛機裝配任務的續動裝配線的優化調度計算，對比分析了續動線與脈動線[6]的效能差異，驗證了續動線的裝配高效性。

飛機裝配線主要形式及其應用情況

通過廣泛查閱，本研究選取74篇文獻進行了較深入的分析，所選用的絕大部分文獻發表于近8年，如圖1所示；作者單位主要是國內外各知名主機廠、裝配裝備供應商以及重點航空院校，如表1所示。

表1 參考文獻的來源單位情況Table 1 Institution distribution of reviewed literatures

圖1 參考文獻的時間分布情況Fig.1 Time distribution of reviewed literatures

1 飛機總裝線主要裝配任務

不同機型及其不同裝配工藝的總裝任務分解方式不同，典型的飛機裝配任務包括（大）部件裝配、大部件對接、翼盒裝配、水平翼裝配、平尾和垂尾裝配、航電和機電系統安裝、系統測試、整機測試交付等，具有工藝流程復雜、物料種類繁多、管理難度大等特點，需要根據裝配工藝特點、裝配工作量等合理安排各項裝配任務的次序及其在裝配線的不同位置。表2 列舉了幾種典型的軍機和民機總裝配的任務分解及其裝配過程，從中可知不同的機型的裝配線具有不盡相同的裝配任務分解方式。

表2 典型飛機總裝配的任務分解安排Table 2 Task decomposition and scheduling of typical aircraft assembly

2 飛機裝配線主要組織形式

波音公司Sarh[10]介紹了航天器需求量與其裝配線形式的對應關系，提出總需求量10 架以內一般采用人工裝配，10～100 架采用半自動化裝配，大于100 架采用高效的自動化裝配；可以說該規則同樣也適用于飛機的裝配生產組織。在選擇合適的飛機裝配線模式時，除了考慮飛機的裝配總量以外，還需要考慮管理方面因素，包括企業所具備的精益生產素質，信息化、智能化、自動化基礎，相關的零部件供應鏈的成熟性、穩定性等[1,7,11-12]。

從資源組織管理角度分析，飛機裝配一般可以分為資源集中式和資源分散式兩種，其中分散式裝配由于增加了并行裝配的工位，改善了裝配作業條件，因此可以提高勞動生產率，縮短裝配周期，提高裝配產能。對于飛機總裝過程中大量的零部件、大部件的裝配作業，按照集中或分散的裝配原則，可以采用單點集中裝配（固定式或機庫式）、多點集中裝配（脈動式）以及分散式裝配（續動式——連續移動式），3 種裝配方式的具體特征如表3所示，其中脈動式是固定式向續動式發展的中間過渡形式[3-4,13]。

表3 3種飛機裝配線形式及其特征Table 3 Characteristics of three types of aircraft assembly lines

根據柔性程度、裝配效率、自動化程度、精益程度、物料流轉率、人員利用率、空間利用率等方面的特性，比較并繪制出3 種總裝模式的特性雷達圖，如圖2所示。一般來說，隨著飛機總裝生產線組織形式從固定式到脈動式再到續動式轉變，其生產效率、自動化程度、精益程度、生產產能等逐漸上升，飛機制造成本逐漸下降，但是系統生產柔性逐漸下降、建設成本逐漸增加。飛機裝配組織形式的選擇可以參考下列3 種方式。

圖2 3種飛機裝配模式特性雷達圖Fig.2 Radar chart of three aircraft assembly mode’s characteristics

（1）固定式。新機型試制，市場需求不明，小批量，多機型。

（2）脈動式。工藝成熟，市場需求穩定，中等批量，同一機型存在多種構型。

（3）續動式。工藝自動化程度高，市場需求大，大批量，同一機型同一構型，物料供應鏈穩定。

3 國內外飛機移動裝配線應用情況

飛機移動總裝線技術最早源于二戰期間，由于戰爭需要，福特汽車公司采用類似汽車流水線方式實現了8685 架B24 轟炸機的續動式裝配，在生產效率、產品質量、成本等方面明顯優于固定式飛機裝配[4]。值得注意的是，B24 的成功主要因為戰爭所帶來的大批量生產需求，以及B24 相對簡單的產品結構等。

1998年，波音公司首先開始規劃設計現代飛機裝配的移動式裝配線，并于2000年在Apache 武直機的總裝過程中實現了脈動式裝配生產，2006年又在717 客機的總裝中實現了連續移動式（續動式）裝配生產；隨后波音在其主要機型737、757、777、787 上也逐步擴大了脈動式生產線的應用[1]。同期，研發應用移動式裝配生產線的公司及其機型還包括洛克希德· 馬丁的F-22 和F-35、空客的A320 和A380、龐巴迪的C100 系列等。國內各主機廠自2010年起也陸續開始探索應用移動式裝配生產線[7,14-15]。

按照建成時間的先后次序排列，國內外移動裝配線的應用情況大致如表4所示。從表4 可知，連續移動裝配線（續動線）研發應用主要集中在2006年前，近十幾年基本都采用脈動裝配線；正在建造和完善過程中的中國商飛C919 總裝線采用了續動式，其移動速度為0.6m/h[2,17,37]。

表4 國內外典型的飛機或部件移動裝配線Table 4 Typical aircraft or component moving assembly lines over the world

飛機移動裝配線相關技術研究現狀

國內外研究人員針對飛機移動裝配線關鍵技術已經做了大量研究，主要包括裝配線設計方法、裝配線負荷平衡和裝配任務優化調度、物流管理優化、裝配線管控以及先進裝配裝備研制等。

1 裝配線設計方法

空客公司建立了基于知識的裝配線設計模型[38-39]，通過IDEF0 功能模型記錄裝配線的概念設計過程，通過統一建模語言UML 記錄知識模型。在精益管理方面，空客公司使用測量時間法估計裝配時間，并使用“七浪費”、價值流圖等精益工具識別裝配線的提升方向[40]。

在面向裝配的設計（DFA）過程中，仿真對于評估不同的工藝過程、系統配置方案至關重要，為此空客公司構建了產品、過程、資源3 個相互關聯的知識單元，以支持建立飛機總裝線的工業數字模型（iDMU）[38]。Ortegón[40]、Anselmetti 等[41]提出了一種計算機輔助設計工具，從工藝、布局、生產、調度等視角分析優化不同的裝配流程及其配置。

國內相關文獻在裝配線設計方面主要研究分析了考慮物流配送的裝配線布局優化問題。嚴金鳳等[42]應用系統布局設計（SLP）方法，考慮各站位間的物流和非物流強度關系，通過定性和定量綜合分析獲得了較優的總裝脈動生產線布局方案；馬小麗[43]將SLP 方法和一般設施布置步驟相結合，減少了某型飛機總裝廠房物料搬運量；段勝文[33]通過采集飛機脈動總裝線生產物流數據，建立了飛機總裝過程的生產物流模型，分析提出一種飛機脈動總裝線生產物流理想布局方案。

在具體實施層面，楊文等[2]總結出一種飛機移動裝配線總體設計模式，其主要設計流程包括產品工藝分析及其工藝方案確定、裝配流程分析與規劃、產能分析和廠房布局、裝配資源選用與配置、部件交付與物流配送、節拍分析與產線平衡、標準化與生產線管控、仿真分析與反饋優化等。

參考霍爾（Hall）的三維建模分析方法論，本文對飛機移動裝配線全生命周期進行3 個維度建模分析，如圖3所示。其中，“時間維”設定為裝配線的規劃設計維，表示移動裝配線設計的主要過程，包括裝配總量評估、裝配線選型設計、廠房規劃設計、物流配送系統設計、裝配指令AO分解及其工時計算、人機料法環測（5M1E）規劃設計等；“邏輯維”設定為裝配指令AO 執行過程維，主要針對脈動或續動裝配生產線，在工藝路線和作業區域等約束條件下，分別進行脈動線的各工作站的AO 組合優化及其調度，或者基于工種類型和裝配線移動速度等條件，具體確定續動線各裝配小組的AO 組合及其作業時間和區間；“知識維”列舉了裝配線設計及其運行過程所需要的理論方法和技術，包括自動化定位技術、激光測量技術、SLP 布局優化理論、5S 等精益生產理論、倉儲優化方法、5M1E 管理理論、賽博物理系統/數字孿生（CPS/DT）理論方法等。飛機移動裝配線的規劃設計可以參考該霍爾模型進行。

圖3 飛機移動裝配線規劃設計的霍爾三維模型Fig.3 Hall 3D model of aircraft moving assembly line design

2 裝配線負荷平衡和裝配任務優化調度

對于脈動裝配線來說，其核心問題之一是脈動節拍的確定和裝配線的調度控制問題。脈動節拍取決于各站位的最長工作周期，不平衡的脈動裝配線會造成生產資源的浪費，降低生產效率和產能。脈動裝配線平衡問題具有并行操作多、資源約束多、不確定性大等特點，同時還要考慮站位間平衡以及站位內平衡兩方面，相比傳統裝配線的平衡優化問題，其建模和求解難度更大。Silva等[44]研究分析了當裝配線上具有可分解的裝配任務時，如何基于這些裝配任務的優化分解，實現整條裝配線的任務負荷平衡及其優化調度；鄭諧等[45]研究了脈動線站位內的班組任務分配均衡問題，在工藝、節拍、工時、人員技能等約束下，采用遺傳優化算法確定班組數量及其作業順序；汪圓[32]針對脈動線站位間的空程比、平滑指數、完工率等指標，在考慮工藝、時間、工序等約束條件下，采用模擬退火法進行了裝配線的優化設計；潘志豪[6]針對脈動線站位間的平衡性指數、人員總數等優化問題，研究了裝配線的3 類平衡問題，考慮了裝配線的工藝約束及其節拍等因素，通過遺傳算法和布谷鳥算法等混合優化方法，研究確定了一個由76 個裝配任務組成的飛機裝配線的最優脈動站位數及其最優裝配工人數。

在德國漢堡的空客A320 系列總裝過程中，Buergin 等[46]研究了混合構型飛機的裝配線訂單調度問題，綜合考慮各生產線間的工人共享情況，優化了混合飛機構型訂單的裝配線優化分配及其生產排序問題。Biele 等[47]研究了由兩個子系統組成的飛機裝配制造系統，子系統1 由并行的混合模型裝配線組成，子系統2 由相同的并行工作站組成；為了減少飛機裝配線的生產成本和拖期，作者提出了多個步驟的啟發式規則，并采用隨機秘鑰遺傳算法優化了裝配線的人工成本、庫存成本、裝配工期及其完工延誤率。

但是目前國內外有關連續移動裝配線的裝配任務調度優化及其生產線平衡問題的研究文獻很少。

3 裝配線物流管理優化

先進的物流管理體系是實現移動式，特別是續動式總裝線的關鍵技術之一。國內外在飛機總裝移動生產線的物流管理方面的研究主要包括飛機主體的站位間的搬運工裝的設計、線邊物料的配送調度、信息化物流管理系統開發3 個方面。

Tang 等[48]開發了基于機器視覺的飛機運輸平臺系統，安裝在平臺正面和背面的兩個攝像頭通過識別二維碼來指導平臺移動，以滿足目標飛機的在站位置及其姿態精度要求。Jiang 等[49]設計了一種具有重載能力及其全向可移動性的AGV 系統，實現了大型飛機部件的自動運輸。Flynn 等[50]開發了一種基于地上導軌的運輸系統，通過絕對值編碼器提供定位反饋，實現物流系統與定位系統的高度集成，如圖4所示[50]。畢修文等[51]將每個工位的工裝設計為固定和可移動兩部分，既實現了飛機部件在各工位間的平穩轉運和精確定位，又能在各工位間局部或整體移動。

圖4 龐巴迪公司地面導軌運輸系統Fig.4 Bombardier rail transit systems

嚴金鳳[30]研究了飛機總裝脈動生產線的物流資源沖突問題，提出了基于優先級的物流資源動態調度策略。沈夢超等[52]研究了飛機移動生產線物料JIT 準時配送模型及算法，基于倉儲、站位、運輸人員和小車等約束條件，優化確定物料的配送方式；Lu[53]和陸志強[54]等研究了移動裝配線線邊倉儲建模及其優化問題，基于裝配線的移動速度、各裝配作業的起始和結束時間等條件，研究確定相應物料的最優配送時間及其最優儲存倉位。

張俊等[55]研究了脈動生產線的精益配送管理信息系統，實現了裝配計劃管理、成品配送、零件配送、工裝夾具配送等功能，根據飛機交付進度及MBOM 對每個站位進行準時化配送；萇書梅等[26]以物料配送主流程模型為驅動，以生產管控系統數據為輸入，實現物料倉儲補給、現場配送預警，并采用條碼實現物料標識。

在考慮物料不確定性的動態調度、考慮資源約束的項目調度等方面，文獻[56-57]針對具有不確定物料交付的飛機移動裝配線的反應性調度問題建立了一個雙目標模型，考慮了由于物料延遲交付帶來的額外成本和時間，提出了一種基于機器學習的反應式調度方法；文獻[58]分析了飛機移動生產線物料供應干擾的不同情況，將反應調度決策劃分為固定決策和預測決策，以對裝配計劃影響程度最小化為目標，設計了兩階段禁忌搜索算法對問題進行求解；文獻[59]將飛機移動裝配線的基本調度問題表述為資源受限的項目調度問題，基于線邊共享資源管理特點，通過更改作業優先約束，將項目劃分為多個子項目，提高了調度效率。

4 移動裝配線管控

飛機移動裝配線生產現場分布著大量的操作人員、自動化設備、工裝夾具、待裝物料等，生產現場的管理對裝配過程至關重要。

文獻[60]分析構建了基于總裝過程5M1E 信息的管控方法及其綜合應用模型，開發了基于5M1E 的飛機總裝過程三維可視化及其過程管控的原型系統，初步實現了訂單耗時動態預測、生產成本統計分析、產品質量回溯等基本功能，如圖5所示。

圖5 基于5M1E信息模型的移動裝配線的管控Fig.5 5M1E-model based moving assembly line monitoring and control

孫元亮等[61]研究了基于物聯網的飛機移動總裝生產線管理技術，實現了裝配過程中現場狀態的實時采集、裝配進度的跟蹤控制、倉儲物流的管理改進、裝配過程的防錯控制等；秦亞茹等[62]研究了基于馬爾科夫鏈模型的脈動裝配線運行狀態預測，綜合分析了人員、物料等因素對脈動線運行狀態的影響；趙陽等[63]構建了飛機總裝脈動生產線數字孿生應用架構，并在此基礎上研究了反應式計劃調度、物流精準配送、智能作業指導、產線健康監視、資源迭代優化配置等方面的應用。

飛機移動裝配線研究開發的若干建議

1 面向移動總裝的部件模塊化設計和裝配

深入研究面向裝配的飛機設計及其工藝規劃（Design for assembly，DFA）技術，優化設計飛機裝配工藝分離面等工藝結構、功能模塊，從全生命周期的角度考慮飛機設計和工藝規劃；積極采用決定性裝配（Determinant assembly，DA)、以骨架為基準的自動化裝配、基于柔性裝配工裝的壁板裝配方法等[14]，提高飛機總裝過程的工藝便利性，縮短總裝配的操作工時。

擴展飛機部件模塊化裝配工作內容，將許多原先屬于總裝線的裝配工作盡可能前移至組部件裝配階段。例如某些大部件中的線纜安裝及其檢測可以在大部件裝配過程完成（部件間留下必要的線纜接口），以減少飛機對接總裝后的內部線纜安裝工作。通過擴展底層零部件的模塊化組裝，使得主機裝配線上待裝配的零部件盡可能少，甚至比汽車流水線上要安裝的零部件還少，從而大大減少飛機的總裝配作業量，縮短總裝配時間，提高裝配線的裝配產能。另外由于部件移動裝配受企業外部供應鏈影響較小，所以可以大力發展部件的移動裝配線，為總裝移動線提供高效、準時的部件供應，以保障總裝移動裝配線的高效、可靠運行[64-65]。

2 先進裝配裝備和精益化管理方法的有機集成

脈動線與續動線都涉及大量裝配工序的操作人員分配及其裝配先后次序的有效組織管理方法，需要采用細致的精益管理理論。在裝配線精益化管理水平提升的同時再結合大量的先進裝配技術及其裝備，例如AGV、調姿定位器、激光測量儀、自動鉆鉚機等，就可以集成提高移動線的管理水平和總裝自動化水平，構建先進的自動化、柔性化、智能化、精益化集成的移動裝配線（Integrated assembly line，IAL）[14]，從而大大提升移動裝配線的整體效能，可以實現在同一移動裝配線上完成不同構型的同類飛機的裝配，滿足個性化“加裝、改裝”飛機的總裝配需要。

3 脈動與續動集成的混動式移動裝配線開發

按照集約化和綜合優化的組織管理理念，研究開發由脈動式和續動式裝配線組成的混動式裝配線；根據某型飛機的完整的裝配任務特性，分別建立一條裝配作業相對固定的脈動式裝配線（甚至是單一固定站位），一條裝配作業相對分散的續動式裝配線；對裝配協調比較困難、對接裝配精度不容易保障的大部件裝配任務，可以采用操作相對固定的脈動式裝配線，而對于飛機總裝過程的中、后階段小部件裝配、線纜敷設、系統測試等分散度較大的裝配作業，則采用高效的續動式裝配線，這種混合移動式的裝配線可以更好地滿足特定機型的高效裝配需求。

4 基于數字孿生的移動總裝線的智能管控

數字孿生技術通過建立完整的物理系統模型，并通過多種數據采集方式獲取大量的物理裝配線的實時狀態信息，從而形成一個包含大量動、靜態信息的裝配線數字孿生模型。通過大數據分析，可以實現裝配線狀況的統計、分析、預測、追溯以及多維度真實展示等功能。

研究建立面向5M1E 要素的移動裝配線全維度數字孿生模型，開發基于數字孿生技術的移動線智能管控系統，實現對裝配線各生產要素的智能管控，包括狀況監控、進度預測、成本管理、預防維護、質量追溯等功能；基于數字孿生模型及其處理技術，提供VR 裝配培訓、AR 裝配輔助、多媒體AO 工卡應用等功能，有助于進一步提升飛機移動裝配線的管理水平及其飛機裝配產能。

脈動線與續動線平衡優化及其效能比較

為了更深入具體地比較分析脈動線與續動線的特性及其效能，本文針對文獻[34]所給出的由76 個裝配任務組成的飛機總裝配問題，開展面向續動線的裝配任務安排及其人員配置優化研究，并與原文獻中的脈動線的設計結果進行比較。

76 個裝配任務的具體數據請參閱文獻[6,34]，通過對76 個裝配任務的裝配時間及其所需協作工人數量的統計，求得每架飛機所需的有效裝配人時數為1299 人時。由于第45個裝配任務的裝配時間最長（28h），所以要達到續動裝配線理論上的最大產能，續動線上前后兩架飛機的間隔時間（節拍）應該為28h，裝配線上每個裝配工人的節拍時間也要小于28h；另外，同一架飛機的裝配過程中，每項裝配任務的操作必須滿足其緊前任務的約束關系，并且還要滿足單架次飛機上的11 個裝配區域（如圖6所示[6]）的空間約束關系，即每個裝配區域同一時間只能執行一項裝配任務。

圖6 某型飛機的11個裝配區域Fig.6 Eleven assembly areas of aircraft

據此，計算可得單架飛機最短裝配總時間為38.5 個工作日（308h，每個工作日按照8h 排班），這是在假定人員、設備、物資等充足、完備的情況下，飛機從上線到下線總共需要的時間；裝配線穩定后每28h 下線一架飛機，如果飛機機身長21m，那么續動線移動速度大約0.75m/h，整條續動裝配線總長231m，可以同時進行11架飛機的在線總裝。

本文采用基于MS Project 和Excel 的人工組合和排序方法，在最小理論節拍28h 情況下，計算確定續動線所需配置的各工種的最少人數。初步計算可得，如果按照單架飛機76 個裝配任務的裝配時間進行平衡調度安排，其續動線總共需要111 人，其中工種1～7 的人數分別為40—9—12—5—25—4—16；如果按照前后兩架飛機的152 個裝配任務進行協同分配調度，或者按照類似U 型裝配線進行布置和調度，那么續動線需要的總人數還可以減少，初步計算結果是104 人。

基于飛機11 個裝配工作區域排列的甘特圖如圖7所示，其中的5 位編碼舉例說明如下： 43702 表示43號裝配任務由工種7 的2 個工人共同完成，43 是任務號，中間7 是工種號，最后兩位02 代表該裝配任務需要的工人數；從圖7 中還可以看出，該裝配任務的執行需要占用3 個裝配區域：區域4、7、8。

圖7 基于單架飛機11個裝配區域的裝配甘特圖Fig.7 Assembly Gantt chart based on eleven assembly areas of single aircraft

表5 比較了本文的續動線與文獻[34]的脈動線的平衡優化結果及其效能情況。從表5 可知，本文簡單優化設計的續動裝配線的單機在線裝配總時間、單機所需的裝配人時數等，都比脈動線有大幅降低，生產線人時利用率大幅提高。

表5 飛機裝配續動線與脈動線的效能比較Table 5 Efficiency comparison of continuation moving line and pulsation moving line

結論

（1）飛機移動裝配最早出現于1945年前后的B24 轟炸機的流水式裝配線，然后就是1999～2006年的以連續移動裝配線為主的發展階段，2007年以后轉變為以脈動式移動裝配為主，其中原因主要包括當今社會航空產品市場變化太快，現代飛機結構復雜性增加，裝配線管理難度增加等。

（2）與脈動裝配線相比，續動裝配線能夠以更小的節拍、更高的人時利用率實現更高效的飛機裝配，同時也對線邊物料供應管理系統提出更高的要求。

（3）隨著機型模塊化設計、部件模塊化裝配等技術不斷完善，以及裝配裝備智能化、裝配工藝柔性化、計劃管理精益化的進一步發展，續動線的高效率、低成本優勢將重新獲得人們的關注和重視，加強續動線的理論方法研究和實際開發應用具有重要意義。