基于物联网的航天制造车间智能管控系统研究∗

毛轶博 张 鑫 方 娟

（1.南京航空航天大学 南京 210016）（2.北京宇航系统工程研究所 北京 100076）

1 引言

新一代移动计算和信息技术（如物联网、数字孪生、云计算、人工智能、混合现实）的快速发展和广泛应用，为“中国制造 2025”、“工业4.0”、“智慧工厂和智能制造”等先进制造业发展战略的落地应用构建了坚实的综合技术体系，也为航天装备制造业带来了新的高质量发展契机［1］。航天制造属于典型的多品种小批量离散型生产模式，具有“协作配套关系复杂、制造流程长、工艺环节多、配套和外协进度质量不均衡以及型号研制状态多变”等特点。传统航天车间现场管控模式只专注于对设备状态参数、生产制造过程、生产计划进度、产品质量、物流等单一方面管控，车间生产管理基本采用“人海战术”，缺乏对整个生产车间全局状况和态势实施管控；信息手段落后，数据传递滞后、生产数据流通不畅，制造过程信息、质量状态、生产进度信息难以及时反馈；车间突发异常事件（机器故障、操作失误反馈、物料不合格、工装报废、产品质量不合格）难以得到及时处理。传统航天制造车间现场管控问题具体表现在如下五个方面：1）车间现场人员、设备、物料、工艺和环境信息得不到有效监控和管理；2）生产进度信息不能及时汇总处理和反馈；3）车间现场各类信息采集及分类管理手段落后；4）生产过程突发异常状况应急处理能力不足；5）产品制造过程质量信息难以实现精细化管控。同时航天及其生产工艺过程有严格的安全保密要求，对通用无线、蓝牙等网络接入有各种限制，难以实现车间各类实时监控数据的纵向贯通和快速流转利用，缺乏对产品生产全过程信息的多角度、多层次实时数据统计分析、反馈和监控，导致车间现场不同信息化管理系统之间形成一个个“信息孤岛”［2］。

面对航天车间制造过程中存在的多品种、小批量、变工艺、严进度、高保密要求等难题，开展基于物联网的航天制造车间现场智能化、精细化综合管控技术研究和产品研发，实现航天制造车间现场设备信息和生产进度信息透明化监控和反馈、突发异常事件及时处理、制造过程质量精细化管控、生产效率大幅度提高、综合生产成本的稳步降低，既具有重要的学术价值，同时实际工程应用价值也极高。

2 总体设计与系统组成

航天制造车间智能管控系统的建设涉及到企业制造车间生产活动所使用的各种设备和资源，用于满足以“协作配套关系复杂、制造流程长、工艺环节多、配套和外协进度质量不均衡以及型号研制状态多变”为特点的航天制造企业，产品生产状态数据和制造过程信息感知、识别、采集、传输、清洗、融合、统计和显示［3］。依据车间现场管理对象和功能范畴不同，可分为生产运营管控、物料运行管控、质量运行管控、数字化制造与辅助要素资源管控等不同业务领域［4］。对标传统航天制造车间现场管控现状与存在问题，航天制造车间智能管控系统总体设计思路：1）改变车间现场传统管理模式，提升车间全要素、全级次、全流程状态和运行数据采集处理数字化和智能化水平；2）增加对车间设备、物料、人员、工具工装等生产要素对象实时监控和决策支持能力，实现车间制造过程的透明化；3）强化对生产过程质量的检测和追踪能力；4）加强对车间运行历史数据和统计分析数据的管理，提高产品各类数据的追溯能力；5）加强车间现场报警和异常事件的风险管控，提升车间现场应急处置能力；6）实现与车间其他信息管理系统的集成，消除“信息孤岛”的存在。

航天制造车间智能管控系统主要由车间现场数据采集、车间现场数据传输与处理、车间现场数据统计分析、工艺过程管控、物料和质量信息管控、车间综合管控可视化、系统集成接口、系统管理等功能模块构成，基于物联网的航天制造车间智能管控系统功能组成如图1所示。

车间现场数据采集模块用于感知和采集车间现场设备、人员、物料、工艺、生产环境、报警和突发事件等实时状态和运输数据；车间现场数据传输与处理模块用于将采集到的现场实时数据进行网络传输，并经数据清洗和数据融合后形成与生产要素统一状态信息模型相对应的规范化数据集；车间现场数据统计分析模块用于计算处理和生成特定时间范围一个或多个监测对象的效能、绩效、季度、质量、生产率等统计信息；工艺过程管控模块实现对工艺流程、加工过程、机床联网通信、数控程序指派和执行状态监控管理；物料和质量信息管控模块实现物料库存、物料流转、物料加工状态、原材料质量检测数据、在制品过程质量检测信息、成品质量检验数据的综合管理；车间综合管控可视化模块为各级车间主管人员和领导提供可视化运行驾驶舱，全局掌控车间现场各类人员、任务、资源、态势等实时数据和信息，并通过反馈渠道，对车间现场各生产要素对象的状态和运行参数进行动态适应性调整，实现车间现场的稳定、高效、安全运转［5］；系统集成接口是与车间其他管理系统进行数据交流和系统集成的通道。

3 关键实现技术

3.1 车间多源异构实时状态及运行数据采集与处理

航天制造车间智能管控系统通过使用智能传感设备和物联网，并借助大数据清洗和数据融合技术，进行制造车间人员、设备、物料、工具工装、加工工艺、生产环境、加工进度、生产过程质量等生产要素实时状态数据和运行信息的智能感知和分类采集，实现生产要素对象的智能识别、人员设备物料的跟踪定位、生产进度及环境参数、生产报警和突发异常时间等多源异构信息实时监控、综合分析和反馈调节［5］。车间单个生产要素对象（如车间机床设备）状态和运行数据，依据其来源和形态不同大体上可分为静态配置信息集、实时动态信息集和统计分析信息集三种类型［6］，每种信息集包括多个代表机床设备不同属性和状态信息的特征项，这些信息集和特征项共同构成了机床设备的统一状态信息模型，车间机床设备统一状态信息模型如图2所示。

图2 车间机床设备统一状态信息模型

车间现场制造实时状态和运行数据来源广、类型多样、形式异构，开关量、模拟量、数字量和脉冲量信号数据均有涉及，再加上车间不同生产要素自带不同类型和接口的数据采集及转换设备，有必要按照不同车间生产要素的自身特点，采用不同的数据采集手段、网络传输方式对车间制造过程现场实时数据进行分类处理［13］。车间多源异构实时状态及运行数据采集与处理实现技术途径如图3所示。

图3 车间多源异构实时状态及运行数据采集与处理实现技术途径

各类设备（车、铣、刨、磨、钳、镗、电火花加工设备、线切割设备机器人、AVG小车等）、工艺流程等现场实时数据采用DNC设备系统进行感知和采集，采用车间现场485等总线和以太网进行传输；人员、物料、工具工装（刀具、夹具、模具、检具、工具等）等现场实时数据采用RFID标签读写系统、二维、三维条形码系统进行感知和采集，采用加密ZigBee、蓝牙、WIFI、5G、卫星通信等无线传感物联网进行数据稳定安全传输［11～12］；车间环境参数（温度、湿度、粉尘、气体烟雾、噪音等）采用对应智能传感器进行感知和采集，采用采用加密ZigBee、蓝牙、WIFI、5G、卫星通信等无线传感物联网进行数据稳定安全传输，所有实时状态和运行数据均被并转转换为能被识别的不同采样频率的数值形式，通过分布在车间不同区域的数据处理终端进行数据清洗（基于滑动窗口模型和卡尔曼滤波模型）和数据融合（分簇数据融合、基于概率的数据融合）操作后，最后分类汇聚到车间实时监控数据库中，供整个航天制造车间智能管控系统进行使用。

3.2 基于本体和Web服务的航天制造车间异构系统集成

随着航天制造车间数字化建设的不断推进，车间各种信息应用系统也越来越多，如ERP、MES、SCADA、DNC、CAPP、CRM、WMS系统等［8］。要实现对车间现场实时监控和综合管控，贯通使用制造车间微系统内的设备信息、产品信息、工艺信息、库存信息和物流信息等数据流和信息流，需要通过系统集成的方式实现车间内现有各类信息管理系统系统互联互通、数据和信息集成应用［9～10］。航天制造车间智能管控系统通过本体和Web服务实现与ERP、MES、SCADA、DNC、CAPP、WMS、CRM等系统集成和数据交换共享，与ERP系统集成实现生产计划执行信息、库存信息获取和结果反馈，与MES系统集成实现在制品信息、生产进度信息和制造过程质量信息的获取和结构反馈，与SCADA和DNC系统集成实现设备实时状态信息、人员状态信息的评估和分析，与CAPP系统集成实现工艺文档、工艺流程和NC代码信息的获取和执行结果反馈，与WMS系统集成实现物流信息的获取，与CRM系统集成实现订单信息的获取及进度结果反馈。基于本体和Web服务的航天制造车间信息应用系统集成技术实现如图4所示。

图4 基本体和Web服务的航天制造车间信息应用系统集成技术实现

基于本体和Web服务技术，航天制造车间智能管控系统获取MES系统的生产进度实现流程可描述如下：MES（制造执行系统）将生产进度查询封装为Web服务，并在航天制造车间集成平台上发布生产进度查询服务，航天制造车间智能管控系统通过企业服务注册中心服务器查找并绑定MES（制造执行系统）发布的生产进度查询服务，然后经过本体映射与转换后航天制造车间智能管控系统发出服务请求（服务请求Soap），MES（制造执行系统）处理服务请求并经本体映射与转换后响应服务请求，并将服务响应Soap返回给航天制造车间智能管控系统，通过本体和Web Services最终实现了航天制造车间智能管控系统和MES（制造执行系统）间的信息集成。

4 系统实现与实例验证

参照航天制造车间智能管控系统总体设计思想与功能结构规划内容，采用可有效减少对象之间的依赖性与耦合性的MVC设计模式，开发了航天制造车间智能管控原型系统，并将其成功应用到某航天机加车间的现场综合管控中。系统利用物联网和信息集成等技术对实际车间生产要素数据、生产活动数据和生产过程数据的实时采集与监控，实现了整个生产过程计划、质量、人员、现场，稳定了车间生产秩序，提高了车间资源利用率，提升了车间整体生产效率，保证了产品生产质量，为车间管理者提供可靠的决策支持数据，有效提升了车间的管理水准及企业竞争力，图5和图6分别为航天制造车间智能管控系统现场运行实例验证界面。

图5 车间生产电子看板

图6 设备实时信息监控及运行数据统计

5 结语

针对航天制造车间现场存在的管控对象多样、生产信息分散、设备效能不高、进度统计展示不透明、变更动态响应缓慢等难题，以航天制造车间生产要素实时监测、制造过程质量控制、生产进度及时统计展示为对象，开展物联网和数据驱动的车间现场综合管控技术和应用研究。本文梳理了传统航天制造车间现场管控现状与存在问题，构建了航天制造车间智能管控系统总体设计与功能结构，详述了航天制造车间智能管控系统关键实现技术，给出了航天制造车间智能管控系统实现和应用实例。航天制造车间智能管控系统的研制和应用，有效提升了航天制造车间生产要素实时监控技术手段、生产过程透明化管控水平和制造资源优化配置能力，拓宽和深化了物联网等新一代前沿信息技术在航天制造业领域的应用。