基于文献计量的复杂机电产品线缆装配技术研究发展态势分析*

杨开海,程世明,李仁花,王发麟

（1.中国航空工业江西洪都航空工业集团有限责任公司工艺装备技术中心,江西 南昌 330024；2.南昌航空大学 航空制造工程学院,江西 南昌 330063）

以雷达、卫星、飞机等为典型代表的复杂机电产品,其功能越来越多、内部结构越来越复杂,用以连接和保证各元器件和电气设备等装置正常工作的线缆也越来越重要。线缆属于产品总装直属件,具有“神经系统”之称。以飞机为例,线缆不仅担负着传统的输配电功能,还担负着飞控、发动机、起落架、航电等重要系统的信息传输功能。不同于刚性零件,线缆由于具有可弯曲和变形等特点,在进行装配时需要采用卡箍固定、尼龙线捆扎等操作,同时分布在产品内部狭窄空间的、连接线缆的连接器数量也较多,大量线缆集中分布,这些因素使得线缆的装配设计精度对于保证复杂机电产品的整机性能和可靠性具有重要意义。据统计,由于线缆装配设计精度的原因使得线缆无法装配导致的返工率高达70%。

科技的进步正在推动着航空航天等大型电气系统的快速发展,高精尖、复杂化、集成化在现代电气产品系统中表现得越来越明显。线缆连接设备和部件数量的增加,传送信号种类的繁多,频率和消耗的功率各异,使得复杂机电产品内部线缆的装配变得更加具有挑战性。由于线缆本身的柔性特征,以及产品内部结构复杂、布线空间狭窄、零部件数目多,待装线缆具有数量多、拓扑结构复杂、柔性装配等特点,使得目前线缆设计复杂、线缆设计冗余长度过长导致资源和空间浪费严重,相比于刚性结构件的装配,线缆装配工作难度更大。为了迅速把握我国复杂机电产品线缆装配研究的热点主题及趋势,为线缆装配的后续研究提供有利支撑,有必要对复杂机电产品线缆装配技术研究发展态势进行分析。本文采用文献计量法,以中国学术期刊网络出版总库（CNKI）收录的129篇线缆装配研究的期刊论文为研究对象,运用文献计量分析可视化功能模块和知识网络分析工具从时空分布、高产机构及核心作者群、关键词聚类等方面进行可视化分析,绘制国内线缆装配研究的知识图谱,以期为从事线缆装配方面的研究人员提供参考和借鉴。同时对数字孪生驱动的线缆智能装配技术进行了阐述,以及实现基于数字孪生的线缆装配需要解决的关键技术。

1 线缆装配技术研究进展

1.1 分析方法与工具

本研究采用中国知网数据库的文献计量分析可视化功能模块和美国德雷塞尔大学陈超美（Chaomei Chen）博士研发的可视化分析软件CiteSpace作为研究工具。以JAVA为编程语言开发的CiteSpace软件可以很好地对某一个研究领域的研究热点、研究趋势、作者和研究机构分布情况等进行分析,并利用文献计量法、数据挖掘算法以及信息的可视化方法等来绘制分析结果的可视化图谱,通过对不同节点之间的相互关联来进一步分析,如分析研究对象之间的共引关系、共现关系等。

数据来源是开展研究热点等分析的基础。本文的分析数据来源于中国学术期刊网络出版总库（CNKI）的文献数据。为保证原始数据的全面性和可靠性,在中国知网中选择高级检索,设定检索条件为文献检索,“文献分类目录”选择基础科学、工程科技Ⅰ辑、工程科技Ⅱ辑、信息科技；主题=线缆装配or线缆布线,期刊来源=（EI来源期刊、核心期刊、CSCD）,时间跨度=1990-2020,检索条件=精确。共检索出文献194篇（检索日期为2020年8月27日）。在剔除重复文献、会议通知等非研究型文献后,共获得129篇有效文献。

1.2 研究结果对比分析

1.2.1 发文量及发文趋势

线缆装配技术（有的文献也称线缆布线技术）的发文量及发文趋势在中国学术网络出版总库（CNKI）随年代变化的情况如图1所示,所选文献为研究性文献。年度发文数量是衡量线缆装配研究热度与发展趋势的重要指标。据图1显示,检索时间跨度虽然是从1990年至2020年,但第一篇研究性文献是从2005年开始,并且从2005年至2020年的16年时间,论文发表数量总体上呈现逐年增多的现象,但论文发表总数较少。2015年17篇的发文量是一个爆发点和转折点,2016年仍保持发文量在16篇。在2019年达到近15年来的峰值（18篇）。关于线缆方面的研究,目前还处在一个起步阶段,最近几年逐步上升。线缆的装配不同于普通的刚性零件装配,由于受机械性能（如最小弯曲半径）和电气性能（如电磁兼容性）等的约束,加上线缆本身的柔性特点,线缆的装配相对于刚性零件的装配,其难度系数要大很多,需要考虑的约束条件也多。正因为上述这些因素的存在,关于线缆装配方面的研究总体来说还是偏少。但也正因为大家认识到线缆对于产品整机性能的影响越来越重要,围绕线缆装配方面的研究正逐渐增多,而且呈现研究的多样化趋势。根据图1中的发文趋势线（虚线所示）可以看出,发文量呈逐步上升趋势。

图1 发文量随年代的变化图

1.2.2 高产机构及核心作者群

根据中国知网数据库的文献计量分析可看出国内关于线缆装配高产机构情况,如图2所示。从图中可以看出,排名前3的高产机构分别为北京理工大学、南京航空航天大学、华中科技大学,其中发文数量第一的为北京理工大学。通过进一步检索文献发现,北京理工大学在线缆布线和线缆装配研究方面开展得比较早,以宁汝新、刘检华为主的研究团队做了大量的研究工作,包括线缆的路径规划、线缆装配工艺规划、线缆装配仿真等[1-4],这些研究成果为其他研究人员开展线缆装配方面的研究提供了很大帮助。发文数量第二的南京航空航天大学主要集中在两个研究团队,一是以左敦稳为主的研究团队,一是以王发麟为主的研究团队。这两个团队在线缆路径规划、线缆碰撞干涉检测、线缆受力分析等方面做了有益探索[5-9],为复杂机电产品线缆布线、装配等的研究提供了借鉴。并列第三的华中科技大学和哈尔滨工业大学重点对线缆非线性振动进行了研究,主要以游斌弟研究团队为主[10-11]。在整个129篇统计文献中,北京理工大学占比达到了20.31%,南京航空航天大学占比17.97%,其他研究机构共占比61.72%。

图2 中国机构分布情况

在上述研究机构中,北京理工大学数字化设计与制造实验室和航天科工集团第二研究院联合设计开发的集成化虚拟装配工艺规划系统VAPP（Virtual assembly process planning system）在辅助柔性线缆和管路装配方面起到了重要作用。线缆布线设计人员利用该系统的可视化装配环境,可以对计算机上的产品三维模型进行多次试装,在试装过程中分析和寻找不同线缆和其他零部件的最佳装配顺序、装配路径以及柔性线缆和刚性结构件在装配过程中产生的动态干涉和各零件装配的合理性,通过分析和验证装配工具、夹具等的空间可达性、可操作性以及相互位置关系,最后综合分析得出装配工艺文件。南昌航空大学数字化设计与装配研究室的王发麟研究团队和航天科工集团第二研究院第二十三所（北京无线电测量研究所）联合设计开发的三维线缆敷设工艺规划系统软件[12-13],可以实现三维线缆敷设点位对应关系提取、三维线缆敷设顺序求解以及三维线缆敷设工艺视图创建等功能。

根据中国知网数据库的文献计量分析可看出国内关于线缆装配高产作者情况,如图3所示。由图中可看出,发文量最多的学者为刘检华,北京理工大学刘检华老师团队在线缆装配技术研究方面开展的比较早,围绕线缆虚拟装配、线缆布线技术、线缆物理特性建模与仿真等开展了大量的研究工作,并且取得了一系列研究成果。这和图2中高产机构为北京理工大学相吻合,排名第2、第3、第4的作者都同属于刘检华研究团队。紧接着的为来自南京航空航天大学的王发麟、郭宇、左敦稳。从图4中作者分布所属的机构可以看出,发文量较多的作者所属的机构主要分布在北京理工大学、南京航空航天大学。通过对作者的分析可以了解在该领域研究的作者的活跃程度,并可根据作者在主题研究方面的轨迹,为其他研究人员寻找合作契机。图4所示为作者研究主题共现矩阵。

图3 中国作者分布情况

图4 作者研究主题共现矩阵分析

1.2.3 线缆装配研究热点主题分析

研究热点反映了某个研究主题在一个时间段内论文发表数量的递增,这些论文或文献相互之间都存在某种内在联系,所分析和探讨的都是该研究领域的特定问题。线缆装配研究热点反映了围绕复杂机电产品线缆装配的专题问题,包括线缆建模、线缆干涉、线缆路径规划、线缆装配工艺规划等。而关键词则是文献作者对其所撰写文章内容的一个高度概括和提炼,是文章研究方向和研究价值的体现。如果某个关键词出现的频次高,则该词往往被用来作为该研究领域的热点问题,如“线缆建模”这个关键词出现的频次较高,那么可以认定“线缆建模”是复杂机电产品线缆装配（线缆布线）研究领域的热点问题。通过检索可以发现,线缆建模、线缆物理特性建模等都是关于线缆研究方面的热点问题。关键词聚类分析采用聚类统计学的方法来对关键词进行了一定的简化,该过程以关键词共现分析为基础,以关键词共现网络关系为简化对象,通过将数目较多的聚类关系简化成数目较少的聚类关系。

运行CiteSpace软件后,采用“LLR对数似然算法”,生成关键词的聚类视图如图5所示。从图谱的各项参数来看,模块性Q值（Modularity：Q）为0.8081,平均轮廓值（Mean Silhouette）为0.6993,两者数值均在合理的范围内,说明本研究聚类效果显著。这些聚类折射出我国线缆装配研究领域的热点问题现状,包括线缆、虚拟装配、三维布线、物质标架、线缆装配、线缆布线等11个聚类标签,如图5所示。在关键词聚类知识图谱的基础上,在“Clustern”菜单栏中选择“Summarization of Clusters”,得到关键词共现网络聚类表,如表1所示。

图5 线缆装配关键词聚类知识图谱

表1 关键词共现网络聚类表

1.2.4 线缆装配研究趋势分析

关键词时序图是指某一个研究主题随着时间的变化而呈现出来的主要研究内容,可以在一定程度上反映某一时间段内研究趋势的变化情况。如出现较早的线缆虚拟装配,到三维布线,再到线缆敷设质量评估等。运行CiteSpace,在关键词共现分析基础上,按时间片段生成关键词时序图谱,如图6所示。从图中可以看出,近十年的研究主要集中在线缆建模、三维布线、线缆干涉检查、装配精度预分析,以及最新的坐标转换关系等。

图6 关键词时序图谱

其中线缆装配坐标转换是对三维装配空间线缆端接口位置的描述,为了顺利完成对电连接器端口的自动捕获,需要将端口坐标从一种坐标系统转换到另一种坐标系统。在线缆布线点位对应关系提取中,线缆端点坐标系和电连接器位置坐标系独立存在,各坐标系之间的相互关系无法直接比较。线缆和电连接器的装配都是在装配体坐标系下进行的,两者的坐标系需要通过转换和获取相对应的点位关系才能完成后续的布线操作。

2 讨论

从上述研究现状可以发现,围绕柔性线缆布线设计、线缆装配、线缆建模等方面的研究正呈现上升的趋势。由于复杂机电产品越来越复杂,柔性线缆在产品中的作用越来越明显,学者们的研究范围从研究较多的刚性结构件,正逐步拓展到柔性线缆的相关研究上。并且不同的研究机构和学者,研究的侧重点也具有一定的差别,如北京理工大学刘检华老师团队,在线缆布线路径和装配仿真方面研究得比较深入,并且也是国内较早开展柔性线缆方面研究的团队；哈尔滨工业大学游斌弟老师的团队更多研究的是线缆的非线性振动,研究线缆在受力作用下或机械结构转动带动线缆运动时的力学性能情况；上海交通大学范秀敏老师的团队目前更多侧重于研究基于增强现实（AR）的线缆辅助装配；南昌航空大学的王发麟研究小组在线缆布线路径规划、线缆装配顺序规划、线缆敷设质量评估等方面做了有益的探索和研究,并且目前正在研究线缆装配路径的规划和布线点位对应关系提取方面的研究。而在线缆集成检测方面,以西飞、商飞等主机厂的相关研究人员为主。

线缆的重要性正受到大家的逐渐关注,从对刚性零件的研究到柔性线缆的研究,相关的研究成果正在不断的呈现出来。

3 数字孪生驱动的线缆智能装配方法探索

3.1 数字孪生的定义及内涵

数字孪生（Digital Twin,DT）的概念模型[14-15]最早出现于2003年,由Grieves M.W.教授在美国密歇根大学的产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management,PLM）课程上提出,最初被称作“镜像空间模型”（Mirrored Spaced Model）。2010年,美国国家航空航天局第一次将数字孪生概念引入到太空技术路线图中,目的是采用数字孪生技术来实现飞行系统的诊断与预测功能[16]。

关于数字孪生,目前还没有一个统一的定义。其主要思想就是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型,借助数据模拟物理实体在现实环境中的行为,通过虚实交互反馈、数据融合分析、决策迭代优化等手段,为物理实体增加或扩展新的能力[17-18]。作为一种充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术,数字孪生面向产品全生命周期,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁和纽带作用,提供更加实时、高效、智能的服务[19-21]。

随着新一代信息与通信技术（如物联网、大数据、工业互联网、移动互联等）和软硬件系统（如信息物理融合系统、无线射频识别、智能装备等）的高速发展,数字孪生技术的出现为实现复杂机电产品线缆装配过程中物理世界与信息世界的实时互联与共融、实现线缆装配过程中多源异构数据的有效融合与管理,以及线缆布线路径和装配工艺优化决策等提供了解决方案。

3.2 数字孪生驱动的线缆智能装配技术概述

三维数字化线缆装配技术是虚拟装配技术的进一步延伸和深化,即利用三维数字化装配技术,在无物理样件、三维虚拟环境下对复杂机电产品线缆的可装配性、可拆卸性、可检测性进行分析、验证和优化,以及对线缆的装配工艺过程包括线缆的装配顺序、线缆的装配路径及装配精度、线缆的装配性能等进行规划、仿真和优化,从而达到有效减少产品研制过程中线缆实物试装次数,提高复杂机电产品线缆装配质量、效率和可靠性[22]。借助数字孪生技术,构建基于数字孪生驱动的复杂机电产品线缆装配工艺模型,实现线缆装配车间物理世界与数字化装配信息世界的互联与共融,是有效减少线缆装配工艺更改和设计变更、保证装配质量、提高一次装配成功率、实现线缆装配过程智能化的关键。

数字孪生技术在线缆装配工艺模型中的应用,即根据数字孪生的概念,运用数字化手段对柔性线缆装配实物的结构、形态、空间位姿、装配的动作（拖拽、拉伸等）、装配顺序和装配路径进行描述、表征及建立数字模型的过程。通过建立线缆三维装配孪生工艺模型,引入线缆装配现场实测数据,可基于实测模型实时、高保真地模拟装配现场及装配过程,并根据实际执行情况、装配效果和检验结果,实时准确地给出修配建议和优化的装配方法,为实现复杂机电产品柔性线缆科学装配和装配质量预测提供有效途径。

3.3 关键技术

为实现数字孪生在复杂机电产品线缆装配工艺设计中的落地应用,需要基于装配过程中的全数字量协调传递过程,将现场线缆装配空间的实时装配动态数据融合到数字模型中,构建能够精确描述真实线缆属性信息和动态行为的线缆三维装配孪生工艺模型,以该孪生工艺模型为驱动源,建立面向复杂机电产品的线缆装配工艺生成-装配工艺优化-装配工艺反馈-装配工艺改进闭环完善机制。实现数字孪生驱动的线缆智能装配,构建复杂机电产品线缆装配过程的信息物理融合系统,需要在以下几个关键理论与技术问题方面取得突破：

（1）线缆三维装配孪生工艺模型动态构建

线缆装配工艺的设计过程,就是在已有的人员、材料、工具、设备等生产资料的约束下,满足装配工作的时间、成本和质量目标,规划产品的装配流程和工艺参数的决策过程。而线缆三维装配孪生工艺模型的动态构建,则是装配工艺设计过程进行决策的基础。线缆在装配过程中会产生很多数据,这些数据具有多源异构特点,通过利用数字化装配系统和数字化检测系统,感知并采集上述数据,包括线缆布线设计数据、线缆装配工装工具设计要求及模数据、装配线缆长度信息数据、线缆柔性/半柔性/刚性数据、装配线缆物理变形仿真与感知数据、线缆装配工艺过程参数、线缆装配过程仿真评估数据等信息,动态构建线缆装配孪生工艺模型,完成线缆现场装配空间和线缆虚拟装配空间中数据与信息的关联与互动,即“虚实融合”过程。

（2）数字孪生模型驱动的线缆装配精度分析与控制

复杂机电产品线缆的装配精度会受到装配过程中产生的各项偏差源影响。在具体的装配过程中,不同的线束具有不同的装配顺序。装配顺序不同,会使得线缆在装配过程中有不同的捆扎、定位方式,同时由于线缆具有柔性等特点,线缆本身也会产生变形误差等,这些因素产生的误差在装配过程中不断的累积融合,最终对装配偏差产生影响。因此,基于线缆孪生装配工艺模型,探究不同的装配顺序与装配偏差之间的关系,找到准确的装配偏差传递模型,对提升线缆装配精度具有重要的工程意义。

（3）线缆装配工艺优化设计与信息智能推送

以线缆装配孪生工艺模型为基础,对线缆装配过程中不同阶段的定量建模、过程求解以及结果评价方法进行研究,完成基于理论数模的线缆装配工艺设计,以此获得优化后的装配工艺参数,如线缆装配顺序、线缆固定和捆扎方案、线缆长度允许公差数据等,从而保证线缆的制造装配过程和制造装配工艺方法的有效性。建立三维线缆装配工艺演示模型的表达机制,研究基于装配现场实物驱动的三维装配工艺现场展示方法,实现现场需要的装配模型、装配尺寸、装配资源等装配工艺信息的实时精准展示,研究装配现场线缆与三维装配工艺展示模型的关联机制,实现线缆装配工艺信息与装配现场信息的深度集成,完成装配工艺信息的智能推送。

4 结束语

本研究借助中国知网数据库的文献计量分析可视化功能模块和可视化分析软件CiteSpace,形象直观地对线缆装配技术领域的热点话题以及研究前沿进行分析。总结发现：线缆装配技术领域的研究成果近些年逐渐增多,但研究的核心作者群以及研究机构的分布都较为零散,尚未形成合作研究的态势。线缆装配技术领域的热点有“虚拟装配”“三维布线”“物质标架”“线缆装配”“线缆布线”等。线缆装配技术领域最新研究的前沿是与“装配状态检错”“AR辅助装配”“孔位检测”有关的话题。