基于數字孿生的衛星結構生產線管控實踐

徐 磊 林曉青 劉金山 王黎黎 臧伊辰

北京衛星制造廠有限公司

由于衛星產品變批量、多品種、更新換代快，其制造過程具有研制與批產并存、單件與組批并行、技術狀態多變、多制造專業協同、多型號交叉并行生產、任務量大但不均衡等特點，使得衛星結構產品生產線制造過程計劃調度、過程管控和整體優化的難度較大，制造全過程的產品質量可追溯性需要花費大量的人力物力。隨著衛星研制任務的持續增長，當前的生產線管控方式已難以滿足未來發展需要，嚴重制約了衛星結構生產線制造效率和質量穩定性的進一步提高，也在一定程度上阻礙了航天制造體系數字化、智能化升級的步伐。

數字孿生技術融合了計算機、物聯網、5G、大數據等前沿技術，可實現對實體生產線的關鍵要素建模、現場狀態實時數據快速處理及大量運行歷史記錄預測分析，是面向生產線全局的多工況復雜仿真過程，實現任意目標空間的虛—實數字化映射和任意情境下的生產線狀態運行仿真和優化預測?；跀底謱\生技術，生產線關鍵要素可以及時響應需求變換，迅速形成符合新限制條件的數字映射，為管控衛星生產線提供了絕佳的解決方案，實現現場實時狀態數據快速處理、虛實聯動的高效交互。未來，數字孿生將是實現衛星結構產品智能制造的關鍵技術之一，助力衛星制造企業的智能化升級，為我國實現“航天強國”建設目標提供有力支撐。

一、靜態環境中衛星結構生產線的三維建模

靜態環境中衛星結構生產線的三維建模是對生產線各制造資源信息的整合，其架構如圖1 所示，通過生產線實景調研、分層次建模、紋理貼圖、資源重組、生產線布局、燈光渲染等步驟，實現數字孿生生產線靜態建模。首先將生產系統分為生產線層、工位層、設備層、物料層等，將各層的模型對象分為加工裝備類、物流裝備類、人員類、產品類等類別；然后根據衛星結構金屬機械加工生產線對不同類別要素在不同控制層級的需求，創建與實際衛星結構金屬機加生產線視覺效果逼真的靜態三維模型。根據管理者需要，對虛擬生產線分場景構建虛擬生產線仿真監控界面，可使衛星結構金屬機械加工生產線具有完整準確的物理與虛擬的靜態映射，實現數字孿生建模的第一步。

圖1 靜態環境中衛星結構生產線的三維建模架構

基于第一步，使用三維專業建模軟件，建立衛星結構金屬機加生產線布局和各類制造資源模型（包括制造裝備、上下料機器人、工作人員、物流配送裝備、在制品等對象），對各模型對象進行組合與布局，以特定的連接關系將其組合、連接、布局。對于實際場景中加工裝備的主體、工位、貨架等靜止的制造資源，其靜態模型可相互固定組合在一起。為了減少數字孿生仿真引擎的運行負荷，對三維模型做進一步優化，在不影響孿生模型外觀的情況下，降低美工效果的精細化程度，以每個模型文件的識別標識為索引，形成虛實一一對應的參數映射，在仿真引擎對象數據庫中存儲各個靜態模型。依據實際的生產線現場環境，對環境燈光配置、紋理貼圖配置等進行優化，使模型具有層級、位置、方向、燈光、貼圖等屬性，逐步建模得到符合生產線實際環境的逼真場景。

二、衛星結構生產線制造設備的動態鏡像映射

設備動態鏡像映射是設備層面的數字孿生，在虛擬空間中復現生產線制造設備行為，如圖2 所示。將設備行為實時更新到虛擬空間，使監控更為直觀，有助于管理者和決策者對生產線進行有效管控。設備動態鏡像映射主要包括設備準動態數據鏡像和設備動態數據鏡像。

圖2 衛星結構生產線制造設備動態鏡像映射

準動態模型采用FBX 格式進行存儲。每個虛擬設備都具有“場景”源節點，場景下包含準動態模型的三大部分：全局數據、模型組件根節點和動畫求值程序。全局數據包括其類型、標簽、燈光、貼圖、父子節點、層級、是否靜態、是否渲染等信息；模型組件根節點是靜態模型的主體節點；當新的驅動信息輸入時，動畫求值程序按照運動學約束進行動畫求值，驅動設備狀態機狀態的變遷。模型根節點包括構成設備靜態模型的所有子模型，每個模型具有模型網格與變換矩陣。模型網格包括控制點、多邊形和圖層等信息，如法向向量、貼圖、材質等；變換矩陣則描述了模型的位置、角度、比例等。設備動態基礎數據的獲取依賴動態數據的采集與通信。傳感器等數據獲取設備獲得的數據需實時更新并存入數據庫，數字孿生系統的虛擬設備將實時訪問數據庫中的最新數據，以此來跟蹤和復現物理設備的狀態。

三、基于實時感知數據的生產線可視化監控

生產線動態運行信息的可視化監控主要是系統可視化面板的開發，如圖3 所示，同步建模用于透明直觀地監控生產線生產狀態，而可視化面板主要是以二維可視化技術的方式展示生產線信息和控制信息，以量化的數據二維展示和描述生產線動態運行狀態，實現對大數據平臺上數據分析決策結論和知識推送消息的信息展示，能更方便地輔助監控和決策。生產系統動態運行信息的可視化監控技術主要分為可視化監控面板設計與制作和動態數據驅動的消息處理機制。

圖3 基于實時感知數據的生產線可視化監控

可視化監控面板設計與制作：根據對場景中不同設備實時管理的需求，設計可視化用戶界面布局，依照布局制作面板及各類控件，將控件進行分類，對不同類別的控件設計信息可視化方法，控制數據來源及可視化展示形式，使用貼圖美化窗口界面，完成可視化面板框架搭建。

動態數據驅動的消息處理機制：通過建立仿真平臺與大數據平臺之間的通信機制，實時接收大數據平臺的消息推送，實現生產線監控信息、數據分析決策結論及知識推送消息的動態接收，對提取的數據做進一步處理，得到用于可視化的關鍵數據；通過事件觸發的方式，對不同消息進行不同的處理，包括狀態信息改變、故障消息彈窗及異常原因提示等?；诮换ナ襟w驗設計按鍵操作，實現不同監控區域的切換，通過信息集成面板實現對不同層級子單元的展示信息集成。結合數控加工生產線中數控機床的重要性，對數控機床運行狀態另設面板監控其狀態信息，并對異常數據進行實時報警。

四、基于數字孿生的生產線運行狀態仿真評估

基于實時信息的生產線運行狀態仿真評估主要根據生產線運行狀態數據，從多維度反映生產線的實際工況，在質量問題（產品維度）及狀態運維（設備維度）之外，基于離散事件仿真過程數據對生產線運行狀態（系統維度）進行評價，從而找出生產線存在的薄弱環節和潛在問題，如圖4 所示。

圖4 基于數字孿生的生產線運行狀態仿真評估

通過大數據平臺提取相關數據，基于生產線狀態數據可視化監控技術，統計分析離散事件仿真數據，建立三級遞接結構，根據分析法、歸納演繹法、德爾菲（Delphi）法等指標體系構建方法，針對生產線的生產能力、管理能力、服務能力等構建多方面、多層次、多時域的仿真評估體系，既能夠直接反映現場底層信息，又能夠基于歷史運行數據對生產線運行狀態進行深層次的統計分析，確定生產瓶頸環節，進而提出優化處理措施、平衡生產線，提升生產線運行效率。

五、數字孿生在衛星結構生產線管控中的實踐效果

北京衛星制造廠有限公司通過開展基于數字孿生的衛星結構生產線管控實踐，完成了衛星結構數控加工生產線的三維靜態環境構建、制造設備動態鏡像映射、基于實時感知數據的生產線可視化監控、基于實時信息的生產線運行狀態仿真評估等技術研究，建成衛星結構產品金屬機加生產線的數字孿生系統，實現了面向衛星結構件數控加工的操作人員狀態、加工設備工作狀態、產品狀態、物料物流狀態、物流裝備狀態、工藝制造階段過程狀態、生產線環境狀態等對象在數字世界的孿生鏡像，在此基礎上，實現了衛星結構產品金屬機加生產線與數字虛擬生產線之間的信息實時動態映射、生產線狀態信息的多層級與多維度可視化展示和運行狀態的仿真評估和預測，滿足衛星結構金屬機加生產線實時管控需求，支撐了生產線資源配置優化與生產線管控能力提升。

六、結束語

本文基于數字孿生技術提出一種新型的衛星結構金屬機加生產線管控方法，面向人員、機器、原料、方法、環境等要素，通過構建操作人員、制造設備、工藝過程、衛星在制品、生產線現場環境等數字孿生體，采集實時數據并進行分析優化，利用動態數據同步驅動生產線數字孿生體快速運行，在數字世界里實現衛星結構金屬機加生產線的虛擬動態映射，為實現衛星結構生產線由人工實地巡查的局部低效管理模式向基于數字孿生生產線虛擬漫游的制造全過程管控模式轉變提供支撐，進一步提升衛星結構生產線制造全過程實時監控和快速響應能力。本文的實踐方法和經驗，有利于數字孿生相關技術在航天、航空、機械等復雜裝備制造領域進行深入研究和推廣應用，并提供些許參考和借鑒。