目前，裝配制造企業(yè)尤其是飛機(jī)裝配企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中最大的難題就是技術(shù)狀態(tài)的清理，飛機(jī)裝配過(guò)程是典型的復(fù)雜系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，隨著飛機(jī)并行研制過(guò)程的不斷深入，以及新技術(shù)新工藝的發(fā)展，技術(shù)狀態(tài)清理工作量必將越來(lái)越大，飛機(jī)裝配過(guò)程技術(shù)狀態(tài)管理就顯得尤為重要。
對(duì)于飛機(jī)技術(shù)狀態(tài)管理的研究大多聚焦于飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)配置、變型設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)版本管理，以及裝配前的工藝規(guī)劃、虛擬裝配、工藝版本管理等，裝配過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息采集與管理問(wèn)題研究較少。飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)的管理主要依賴于生產(chǎn)過(guò)程中手工記錄的信息，突出的3個(gè)問(wèn)題是：(1)管理人員無(wú)法在第一時(shí)間獲取裝配過(guò)程中發(fā)生的設(shè)備故障信息以及由人員變更引起的質(zhì)量問(wèn)題，難以迅速處理問(wèn)題和及時(shí)調(diào)度車間資源；(2)物料與裝配任務(wù)缺乏有效的匹配標(biāo)識(shí)，工人只能憑借主觀判斷來(lái)完成裝配過(guò)程，容易造成錯(cuò)裝；(3)裝配過(guò)程組織混亂，存在多工位人員的“并行操作”，缺乏行之有效的裝配流程和規(guī)范。因此針對(duì)飛機(jī)制造過(guò)程中的多樣性與復(fù)雜性，建立一種飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型，利用射頻識(shí)別技術(shù)來(lái)配置數(shù)據(jù)模型，并通過(guò)數(shù)據(jù)信息來(lái)分析裝配過(guò)程，服務(wù)生產(chǎn)管理，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過(guò)程技術(shù)狀態(tài)管理。
1 飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)管理
1.1 飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)元素網(wǎng)絡(luò)模型
飛機(jī)裝配過(guò)程由若干裝配段位（如前、中、后機(jī)身裝配段位）組成，每個(gè)段位又可以細(xì)分為若干裝配工位。通常情況下每個(gè)裝配工位的具體執(zhí)行內(nèi)容由裝配大綱(AO)制定，AO中的裝配工序細(xì)化裝配內(nèi)容，裝配工序結(jié)束后需要進(jìn)行重要工序的檢驗(yàn)。飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)的主要元素可歸納為：裝配段位、裝配工位、AO、裝配工序、檢驗(yàn)。建立飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)主要元素之間的模型關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示，將裝配段位、裝配工位、AO、裝配工序、檢驗(yàn)定義為模型的5類重要的元素，分別用符號(hào)A、S、AO、P、E標(biāo)識(shí)，5類元素可以在XOY平面內(nèi)組成一個(gè)完整的裝配技術(shù)狀態(tài)模型。一般情況下某型飛機(jī)至少有2種或2種以上的型號(hào)，F(xiàn)1和F2分別表示飛機(jī)的2種改版機(jī)型，每種機(jī)型都應(yīng)該有3個(gè)以上的裝配段位，不同型號(hào)之間會(huì)存在重復(fù)的裝配段位，如F1和F2共用的裝配段位為A11，A21，A41。同種元素不同類型用數(shù)字予以區(qū)別，同種類型的不同版本用上標(biāo)進(jìn)行區(qū)別，例如A1和42分別表示2個(gè)不同的裝配段位，而A31和A32表示同一裝配段位的不同版本。裝配過(guò)程中還存在著裝配工位的共用現(xiàn)象，如裝配工位Sm1就是由不同裝配段位的機(jī)型所共用。這種情況在實(shí)際的裝配過(guò)程中較為常見(jiàn)，需要考慮在模型模板中，達(dá)到真正意義上的飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)的管理。
圖1 機(jī)型裝配技術(shù)狀態(tài)元素網(wǎng)絡(luò)模型
1.2 飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型
飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)的管理是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，為了描述這種動(dòng)態(tài)過(guò)程需要在XOY平面基礎(chǔ)上增加時(shí)間軸來(lái)實(shí)時(shí)記錄飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)，如圖2所示。
圖2 飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型
T1時(shí)刻，參數(shù)化的飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型可以用T1來(lái)表示，并在Z=T1平面上進(jìn)行映射。同樣的，在后續(xù)裝配過(guò)程中的T2，T3，T4時(shí)刻，需對(duì)裝配技術(shù)狀態(tài)模型進(jìn)行參數(shù)化處理，形成的數(shù)據(jù)模型分別在垂直于時(shí)間軸的Z=T2、Z=T3、Z=T4平面上進(jìn)行映射。通過(guò)增加時(shí)間軸的方式完成對(duì)飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)模型數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)化處理，形成了真正意義上的基于實(shí)時(shí)信息的飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)管理模型網(wǎng)絡(luò)。
2 飛機(jī)裝配過(guò)程技術(shù)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型
2.1 飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型定義
通過(guò)對(duì)飛機(jī)裝配過(guò)程中各個(gè)工位的監(jiān)控，可以獲知任意工位裝配過(guò)程中的實(shí)時(shí)技術(shù)狀態(tài)，并能以此進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)飛機(jī)裝配過(guò)程技術(shù)狀態(tài)的監(jiān)控、對(duì)比和回溯。裝配生產(chǎn)的過(guò)程中，技術(shù)狀態(tài)的管理是隨著加工人員、時(shí)間以及工位等因素實(shí)時(shí)變化的。以裝配車間具體工位為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，形成裝配車間的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注以下幾個(gè)要素：裝配零件、工人、時(shí)間、工序內(nèi)容和工序狀態(tài)，它們是裝配工位技術(shù)狀態(tài)的基本要素。其中裝配零件用D來(lái)指代，工人用R來(lái)指代，工序內(nèi)容與工序狀態(tài)可由工位信息W來(lái)提供，根據(jù)以上信息將工位M技術(shù)狀態(tài)組成定義如下：
式中：D={di|i=1，2，3，…，m；}，代表所有裝配零件的集合，di的值為零件號(hào)；R={rj|j=1，2，3，…，n；}，代表所有工人的集合，rj為工人的工號(hào)；W={Wk|k=1，2，3，…，z；}，代表車間中所有的工位的集合，wk為各個(gè)工位的代碼，例如飛機(jī)機(jī)翼段的工位，包括前緣襟翼Ⅰ段裝配工位、前緣襟翼Ⅱ段裝配工位、機(jī)翼外架總裝工位、機(jī)翼精加工工位等；Q ={ql|l=1，2，3；}，代表各個(gè)零件在各個(gè)工位所處的裝配狀態(tài)，包括待裝配、裝配中、已裝配；T={tdi[wk，ql，rj]}，代表裝配零件的實(shí)時(shí)狀態(tài)，即裝配零件在當(dāng)前狀態(tài)下的工位信息、工序狀態(tài)以及操作人員信息，將以上3個(gè)信息列為在某一時(shí)刻的狀態(tài)集，那么每一組相互關(guān)聯(lián)的(di，rj，wk，ql，t)就構(gòu)成了一個(gè)唯一的裝配零件實(shí)時(shí)狀態(tài)。把di，rj，wk，ql，t定義為裝配系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)(Technology State of Assembly System)的5個(gè)基本屬性：
式中：DT={dtn}，代表某工位上裝配零件種類的集合。△T={△tdtn[wkql，wk+xql+y]}，表示dtn種類的零件從（工位wk，工序狀態(tài)ql）到（工位wk+x，工序狀態(tài)ql+y）經(jīng)歷的額定時(shí)間集合。A={A[tdtn]}，代表所有零件裝配工藝的矩陣集合，令A(yù)＇={A＇[di]}，表示所有零件實(shí)時(shí)裝配的進(jìn)度狀態(tài)集合，A[d*]與A＇[di]同為k行l(wèi)列的矩陣，行代表工位wk，列表示工序狀態(tài)ql，其中α[dtn]k，l=1，表示dtn種類的零件必須經(jīng)過(guò)工位Wk并處于工序狀態(tài)ql，α[dtn]k，l=0，代表此種類零件無(wú)需經(jīng)過(guò)此工位進(jìn)行此道工序的操作；α＇[di]k，l=1，表示零件di已經(jīng)過(guò)工位wk且處于工序狀態(tài)ql，α＇[di]k，l=0，表示該零件并未經(jīng)過(guò)此工位。
2.2 飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)學(xué)模型計(jì)算
零件裝配過(guò)程工時(shí)定義為從涉及零件裝配的工序開(kāi)始到最后一道工序截止，可得零件完成全部裝配過(guò)程工時(shí)：
式中△t是零件di從(工位wk，工序狀態(tài)ql)到(工位wk+x，工序狀態(tài)ql+y)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
零件裝配進(jìn)度定義為當(dāng)前裝配量與總裝配量之間的百分比：
當(dāng)△A[di]=0，表示零件di已經(jīng)完成了裝配流程，并記f(di)=1；當(dāng)△A[di]≠0時(shí)，表示零件未完成裝配，記f(di)=0，此時(shí)零件已完成裝配量的百分比為η：
裝配執(zhí)行過(guò)程中，若α[dtn]k，l=1，α＇[dtn]k，l=0，那么該工位工序內(nèi)容并未正常執(zhí)行，對(duì)應(yīng)工位集合W={wk|k=1，2，3，…，z；}及工人集合R={rj|j=1，2，3，…，n；}中有異常情況出現(xiàn)。
當(dāng)rj=1、wk=0時(shí)，需要對(duì)相應(yīng)工位設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)，重新安排生產(chǎn)任務(wù)，下達(dá)調(diào)度計(jì)劃。當(dāng)wk=1、rj=0時(shí)，表明對(duì)應(yīng)工位的操作人員未按指定工藝要求進(jìn)行生產(chǎn)，需要調(diào)度人員確認(rèn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)狀況，合理調(diào)度安排生產(chǎn)計(jì)劃。
3 飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)實(shí)例分析
3.1 基于RFID飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)配置
通過(guò)RFID技術(shù)配置技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模型，將所有元素的數(shù)據(jù)實(shí)例化，使得飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)模板中部分不確定的信息得以確定。飛機(jī)裝配執(zhí)行過(guò)程中，裝配對(duì)象和裝配資源上附著的RFID標(biāo)簽內(nèi)容是隨著操作流程的不同而實(shí)時(shí)變化的，以某工位裝配對(duì)象數(shù)據(jù)初始化操作為研究對(duì)象，具體實(shí)施過(guò)程如圖3所示，裝配對(duì)象智能標(biāo)簽數(shù)據(jù)模型如圖4所示。
圖3 基于RFID裝配對(duì)象技術(shù)狀態(tài)管理流程
圖4 裝配對(duì)象RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)模型
以某工位為研究對(duì)象，在工位入口、出口及設(shè)備上分別安置RFID讀寫(xiě)器，通過(guò)3個(gè)讀寫(xiě)器來(lái)確定飛機(jī)裝配制造過(guò)程的技術(shù)狀態(tài)，具體流程步驟如下：
Step1，通過(guò)企業(yè)生產(chǎn)管理系統(tǒng)(MES)領(lǐng)取車間生產(chǎn)任務(wù)，制定可執(zhí)行的生產(chǎn)計(jì)劃。
Step2，根據(jù)產(chǎn)品的生產(chǎn)計(jì)劃生成產(chǎn)品的唯一標(biāo)識(shí)，包括產(chǎn)品編號(hào)、批次和入庫(kù)時(shí)間，裝配過(guò)程中標(biāo)識(shí)信息將始終與產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)，為信息的統(tǒng)計(jì)和溯源提供依據(jù)。
Step3，在產(chǎn)品執(zhí)行裝配任務(wù)前需要通過(guò)RFID讀寫(xiě)控制器向產(chǎn)品RFID標(biāo)簽中寫(xiě)入預(yù)置信息，包括工位ID、工人ID、工藝路線ID。
Step4，當(dāng)產(chǎn)品由指定的工人帶人到指定的工位后，RFID讀寫(xiě)控制器在產(chǎn)品RFID標(biāo)簽中記錄裝配執(zhí)行過(guò)程的初始時(shí)間。
Step5，RFID控制器將工位標(biāo)簽信息的狀態(tài)由“空閑”改為“忙碌”，標(biāo)簽內(nèi)記錄裝配工位的開(kāi)始時(shí)間。
Step6，裝配任務(wù)完成后，相應(yīng)的工位標(biāo)簽信息狀態(tài)由“忙碌”改為“空閑”，標(biāo)簽內(nèi)記錄裝配工位的結(jié)束時(shí)間。
Step7，當(dāng)裝配產(chǎn)品離開(kāi)當(dāng)前工位時(shí)，RFID讀寫(xiě)控制器在產(chǎn)品標(biāo)簽中記錄離開(kāi)時(shí)間。
Step8，RFID控制器核實(shí)產(chǎn)品標(biāo)簽內(nèi)的工藝路線，判斷是否存在剩余操作，若仍存在剩余操作則返回相應(yīng)的工位執(zhí)行剩余裝配任務(wù)，同時(shí)記錄新一次的裝配開(kāi)始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間，直至完成為止。
3.2 裝配系統(tǒng)技術(shù)狀態(tài)實(shí)例分析
在裝配過(guò)程中，RFID讀寫(xiě)設(shè)備將實(shí)時(shí)信息分類匯總于不同的裝配工位模型樹(shù)中，表1提供了分類匯總后的襟副翼裝配工位中工序內(nèi)容與相應(yīng)的工時(shí)、工人、檢驗(yàn)信息。
表1 襟副翼裝配工位ASTS數(shù)據(jù)配置（工位：襟副翼裝配工位）
此處di中的i取值為1，2，3，4，5，6，7，分別對(duì)應(yīng)后腹板、翼梁、托板、下壁板、上壁板、尾部型材、前肋。假定裝配工序暫時(shí)執(zhí)行到工序40，那么根據(jù)裝配原理可建立如下矩陣關(guān)系；
A為零件裝配工藝的矩陣集合，A＇為零件實(shí)時(shí)裝配的進(jìn)度狀態(tài)集合，差別矩陣△A由公式(4)可得。由α＇[d5]1.40=0可知裝配工序50尚未執(zhí)行，由公式(3)可知零件上壁板需要的裝配時(shí)間為：
零件上壁板完成的裝配進(jìn)度由公式(5)可得：
通過(guò)RFID系統(tǒng)對(duì)裝配工位進(jìn)行實(shí)時(shí)信息的采集與分析，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配車間資源的優(yōu)化調(diào)度。若裝配零件到達(dá)相應(yīng)工位接收到“忙碌”反饋時(shí)，系統(tǒng)會(huì)第一時(shí)間在車間環(huán)境內(nèi)搜索可以完成相同裝配任務(wù)的工位，分配處于空閑狀態(tài)的加工人員，以此來(lái)完成資源的快速搜索和再利用。數(shù)學(xué)模型中可以這樣定義：
可以完成相同的任務(wù)的工位集合為：
對(duì)應(yīng)裝配任務(wù)有裝配權(quán)限的人員集合為：
其中wk={0，1}，0代表空閑，1代表忙碌。
根據(jù)RFID系統(tǒng)對(duì)裝配工位技術(shù)狀態(tài)實(shí)時(shí)信息的反饋，若裝配對(duì)象在進(jìn)入裝配工位前采集到工位信息“1”，生產(chǎn)調(diào)度人員就需要重新安排生產(chǎn)任務(wù)，分配空閑工位給裝配對(duì)象，下達(dá)裝配命令給適當(dāng)人員，以此來(lái)提高裝配車間的資源利用率。
4 結(jié)束語(yǔ)
文中對(duì)于飛機(jī)裝配過(guò)程技術(shù)狀態(tài)管理方法的研究具有現(xiàn)實(shí)可行的意義，可以為長(zhǎng)期困擾飛機(jī)裝配企業(yè)的裝配過(guò)程不透明化問(wèn)題提供解決方案。與傳統(tǒng)意義上的技術(shù)狀態(tài)管理相比，本文側(cè)重于飛機(jī)裝配過(guò)程中的實(shí)時(shí)信息處理，通過(guò)實(shí)時(shí)信息的配置建立飛機(jī)裝配過(guò)程技術(shù)狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型．形成了特有的飛機(jī)裝配過(guò)程研制資料。文中雖然提出了利用RFID技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)裝配過(guò)程數(shù)據(jù)采集，但對(duì)于RFID中間件技術(shù)還需要進(jìn)行深入的學(xué)習(xí)和探索。
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本文標(biāo)題：基于實(shí)時(shí)信息的飛機(jī)裝配技術(shù)狀態(tài)管理方法研究
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