基于数字孪生的卫星结构生产线管控实践

徐 磊 林晓青 刘金山 王黎黎 臧伊辰

北京卫星制造厂有限公司

由于卫星产品变批量、多品种、更新换代快，其制造过程具有研制与批产并存、单件与组批并行、技术状态多变、多制造专业协同、多型号交叉并行生产、任务量大但不均衡等特点，使得卫星结构产品生产线制造过程计划调度、过程管控和整体优化的难度较大，制造全过程的产品质量可追溯性需要花费大量的人力物力。随着卫星研制任务的持续增长，当前的生产线管控方式已难以满足未来发展需要，严重制约了卫星结构生产线制造效率和质量稳定性的进一步提高，也在一定程度上阻碍了航天制造体系数字化、智能化升级的步伐。

数字孪生技术融合了计算机、物联网、5G、大数据等前沿技术，可实现对实体生产线的关键要素建模、现场状态实时数据快速处理及大量运行历史记录预测分析，是面向生产线全局的多工况复杂仿真过程，实现任意目标空间的虚—实数字化映射和任意情境下的生产线状态运行仿真和优化预测。基于数字孪生技术，生产线关键要素可以及时响应需求变换，迅速形成符合新限制条件的数字映射，为管控卫星生产线提供了绝佳的解决方案，实现现场实时状态数据快速处理、虚实联动的高效交互。未来，数字孪生将是实现卫星结构产品智能制造的关键技术之一，助力卫星制造企业的智能化升级，为我国实现“航天强国”建设目标提供有力支撑。

一、静态环境中卫星结构生产线的三维建模

静态环境中卫星结构生产线的三维建模是对生产线各制造资源信息的整合，其架构如图1 所示，通过生产线实景调研、分层次建模、纹理贴图、资源重组、生产线布局、灯光渲染等步骤，实现数字孪生生产线静态建模。首先将生产系统分为生产线层、工位层、设备层、物料层等，将各层的模型对象分为加工装备类、物流装备类、人员类、产品类等类别；然后根据卫星结构金属机械加工生产线对不同类别要素在不同控制层级的需求，创建与实际卫星结构金属机加生产线视觉效果逼真的静态三维模型。根据管理者需要，对虚拟生产线分场景构建虚拟生产线仿真监控界面，可使卫星结构金属机械加工生产线具有完整准确的物理与虚拟的静态映射，实现数字孪生建模的第一步。

图1 静态环境中卫星结构生产线的三维建模架构

基于第一步，使用三维专业建模软件，建立卫星结构金属机加生产线布局和各类制造资源模型（包括制造装备、上下料机器人、工作人员、物流配送装备、在制品等对象），对各模型对象进行组合与布局，以特定的连接关系将其组合、连接、布局。对于实际场景中加工装备的主体、工位、货架等静止的制造资源，其静态模型可相互固定组合在一起。为了减少数字孪生仿真引擎的运行负荷，对三维模型做进一步优化，在不影响孪生模型外观的情况下，降低美工效果的精细化程度，以每个模型文件的识别标识为索引，形成虚实一一对应的参数映射，在仿真引擎对象数据库中存储各个静态模型。依据实际的生产线现场环境，对环境灯光配置、纹理贴图配置等进行优化，使模型具有层级、位置、方向、灯光、贴图等属性，逐步建模得到符合生产线实际环境的逼真场景。

二、卫星结构生产线制造设备的动态镜像映射

设备动态镜像映射是设备层面的数字孪生，在虚拟空间中复现生产线制造设备行为，如图2 所示。将设备行为实时更新到虚拟空间，使监控更为直观，有助于管理者和决策者对生产线进行有效管控。设备动态镜像映射主要包括设备准动态数据镜像和设备动态数据镜像。

图2 卫星结构生产线制造设备动态镜像映射

准动态模型采用FBX 格式进行存储。每个虚拟设备都具有“场景”源节点，场景下包含准动态模型的三大部分：全局数据、模型组件根节点和动画求值程序。全局数据包括其类型、标签、灯光、贴图、父子节点、层级、是否静态、是否渲染等信息；模型组件根节点是静态模型的主体节点；当新的驱动信息输入时，动画求值程序按照运动学约束进行动画求值，驱动设备状态机状态的变迁。模型根节点包括构成设备静态模型的所有子模型，每个模型具有模型网格与变换矩阵。模型网格包括控制点、多边形和图层等信息，如法向向量、贴图、材质等；变换矩阵则描述了模型的位置、角度、比例等。设备动态基础数据的获取依赖动态数据的采集与通信。传感器等数据获取设备获得的数据需实时更新并存入数据库，数字孪生系统的虚拟设备将实时访问数据库中的最新数据，以此来跟踪和复现物理设备的状态。

三、基于实时感知数据的生产线可视化监控

生产线动态运行信息的可视化监控主要是系统可视化面板的开发，如图3 所示，同步建模用于透明直观地监控生产线生产状态，而可视化面板主要是以二维可视化技术的方式展示生产线信息和控制信息，以量化的数据二维展示和描述生产线动态运行状态，实现对大数据平台上数据分析决策结论和知识推送消息的信息展示，能更方便地辅助监控和决策。生产系统动态运行信息的可视化监控技术主要分为可视化监控面板设计与制作和动态数据驱动的消息处理机制。

图3 基于实时感知数据的生产线可视化监控

可视化监控面板设计与制作：根据对场景中不同设备实时管理的需求，设计可视化用户界面布局，依照布局制作面板及各类控件，将控件进行分类，对不同类别的控件设计信息可视化方法，控制数据来源及可视化展示形式，使用贴图美化窗口界面，完成可视化面板框架搭建。

动态数据驱动的消息处理机制：通过建立仿真平台与大数据平台之间的通信机制，实时接收大数据平台的消息推送，实现生产线监控信息、数据分析决策结论及知识推送消息的动态接收，对提取的数据做进一步处理，得到用于可视化的关键数据；通过事件触发的方式，对不同消息进行不同的处理，包括状态信息改变、故障消息弹窗及异常原因提示等。基于交互式体验设计按键操作，实现不同监控区域的切换，通过信息集成面板实现对不同层级子单元的展示信息集成。结合数控加工生产线中数控机床的重要性，对数控机床运行状态另设面板监控其状态信息，并对异常数据进行实时报警。

四、基于数字孪生的生产线运行状态仿真评估

基于实时信息的生产线运行状态仿真评估主要根据生产线运行状态数据，从多维度反映生产线的实际工况，在质量问题（产品维度）及状态运维（设备维度）之外，基于离散事件仿真过程数据对生产线运行状态（系统维度）进行评价，从而找出生产线存在的薄弱环节和潜在问题，如图4 所示。

图4 基于数字孪生的生产线运行状态仿真评估

通过大数据平台提取相关数据，基于生产线状态数据可视化监控技术，统计分析离散事件仿真数据，建立三级递接结构，根据分析法、归纳演绎法、德尔菲（Delphi）法等指标体系构建方法，针对生产线的生产能力、管理能力、服务能力等构建多方面、多层次、多时域的仿真评估体系，既能够直接反映现场底层信息，又能够基于历史运行数据对生产线运行状态进行深层次的统计分析，确定生产瓶颈环节，进而提出优化处理措施、平衡生产线，提升生产线运行效率。

五、数字孪生在卫星结构生产线管控中的实践效果

北京卫星制造厂有限公司通过开展基于数字孪生的卫星结构生产线管控实践，完成了卫星结构数控加工生产线的三维静态环境构建、制造设备动态镜像映射、基于实时感知数据的生产线可视化监控、基于实时信息的生产线运行状态仿真评估等技术研究，建成卫星结构产品金属机加生产线的数字孪生系统，实现了面向卫星结构件数控加工的操作人员状态、加工设备工作状态、产品状态、物料物流状态、物流装备状态、工艺制造阶段过程状态、生产线环境状态等对象在数字世界的孪生镜像，在此基础上，实现了卫星结构产品金属机加生产线与数字虚拟生产线之间的信息实时动态映射、生产线状态信息的多层级与多维度可视化展示和运行状态的仿真评估和预测，满足卫星结构金属机加生产线实时管控需求，支撑了生产线资源配置优化与生产线管控能力提升。

六、结束语

本文基于数字孪生技术提出一种新型的卫星结构金属机加生产线管控方法，面向人员、机器、原料、方法、环境等要素，通过构建操作人员、制造设备、工艺过程、卫星在制品、生产线现场环境等数字孪生体，采集实时数据并进行分析优化，利用动态数据同步驱动生产线数字孪生体快速运行，在数字世界里实现卫星结构金属机加生产线的虚拟动态映射，为实现卫星结构生产线由人工实地巡查的局部低效管理模式向基于数字孪生生产线虚拟漫游的制造全过程管控模式转变提供支撑，进一步提升卫星结构生产线制造全过程实时监控和快速响应能力。本文的实践方法和经验，有利于数字孪生相关技术在航天、航空、机械等复杂装备制造领域进行深入研究和推广应用，并提供些许参考和借鉴。