脉动装配生产线物流管控及其精准配送系统设计

常有超 解鹏飞 孔祥明

首都航天机械有限公司 北京 100076

引言

脉动装配生产线是当今最先进的飞机制造技术的典范，其大大改善了传统的装配模式，拥有明确分工、单一工作量和极高生产效率等优势。同时，该生产线还拥有完善的自动化设施，能够实现快速、精准装配，在运行中没有任何挤压或脱节的情况发生。然而，伴随现代飞机生产要求的不断提高，我国应积极寻找和开发新的系统来实现脉冲装配生产线的物流管理和精确配送。

1 研究背景

伴随全球经济的高速发展，我国制造业正面临着前所未有的机遇和挑战。为了实现制造强国的目标，“中国制造2025”发展规划纲要和“三步走”战略得到了充分落实。其中，航空装备的智能化制造尤其受到重视，因此，研究和应用各种智能制造技术已成为我国学者的重中之重。

飞机的制造过程涵盖了从零部件的设计、组装到最终的总装，而这一环节的运作全都依赖于总装生产线，然而，由于所需的原材料种类、数量众多，因此，物料的运输费用占到整体的27%以上。为了确保飞机总装生产线的高效运作，物料的准确配送显得尤为重要。但在实际生产中还存在物料积压、短缺以及配送灵活性较弱等问题，所以企业必须采取措施，包括推广先进的自动化和智能化技术，并加强对物料的精确配送，从而降低配送成本，提高生产效率，并达到更高的质量标准。

目前，我国学者针对这一课题进行了深入探索，他们提出了一种新的物料配送管理体系，以满足飞机自动化装配的需求；同时针对“领料式”配送弊端，提出了一种以工艺模型为导向的物料动态精确配送技术，并且以此为基础，建立起一套完善的飞机装配车间物料精确配送管理系统。而精确配送是物流管理的关键，我国科研人员已经提出了许多技术解决方案，例如，通过建立一个基于信息系统和需求预测的设备维护保障模型，并利用改进的遗传算法来优化航空快递的运输线路。通过采用先进的技术手段，如智能调度和控制，可以更有效地实施脉动装配生产线，从而提高装配质量和速度。本文旨在提出一种生产线资源智能调度和控制方案，以改善脉动装配生产线的运行状态，并缩短装配周期。

2 理论综述

2.1 飞机脉动生产线定义

采用飞机脉动生产线，不仅改变了传统的飞机装配模式，还利用航空工业最新且高效的流水线技术，让飞机按照自身的节奏运转，而操作人员只需要在指定的位置完成装配任务[1]。此外，该技术还可以有效地优化装配效率，提升装配质量，减轻工人的负担，改善装配现场的操作条件，从而达到低成本、高品质、及时反应的制造目标。通过实际应用，发现脉动生产线具有明显的优势，其不仅能够大幅缩短飞机装配的工期，提高装配现场的环境，减少对降低生产成本的需求；还能够实现装配过程的标准化、专业化，进一步提升飞机的质量与性能。除了可以有效地管控和推进飞机的制造过程外，企业还可利用先进的工艺流程、设备配置以及技术手段来提高生产效率。

2.2 装配线物流路径

本文讨论的是一种高效的自动化装配生产线，其由数十个不同的部件组成，如转换器、汽缸、润滑剂、电机等。因为这种装配过程十分复杂，因此将其划分为四大区域：零件配送区，主要是通过人工进行分拣，然后利用AGV把货物运送到装配工位。部装区，通过人工完成车间的行车装配，并通过在线检测确保产品质量达到标准。传装区，采用先进的智能技术来完成装置的安装，同时还会对其进行实时检查，以确保其达到最高标准。总装区则主要由人工进行装配。

3 脉动装配生产线物流管控系统

3.1 架构设计

此生产线的物流管控系统由3个主要部分组成。首先，其与所有的生产线相连，支持设备之间的通信和指令操作；其次，其对整个生产过程进行控制，包括资源配置、智能调度、数据收集等；最后，其向用户提供一个图形化的界面，方便他们进行操作，比如查看下一步的工作，或者对整个生产线进行跟踪监测[2]。管理生产线资源的主要目的是确保所有物料能够在有限时间内得到全面地使用，其中包括AGV小车、测量和检测设备、物料架和周转车等资源。为了确保资源的高效利用，本文采用了一种全面的生产任务管理方式，其不仅能够实时记录、更新和维护，还能够根据实际情况进行灵活的调整。此外，还采用了MES系统，让工人们能够轻松地完成各种装配任务，且不用担心质量检验的问题。通过使用多种筛选标准，操作人员可以快速、全面地检索和管理自身的任务、历史记录和已完成的任务。

3.2 资源智能调度及其控制

通过智能调度和控制系统，可以根据实时反馈的生产线设备状态来决定物流指令的执行顺序，并协调生产线上的设备和资源。在遇到异常情况时，还可以调整生产指令执行，以确保生产的安全性和高效性。并且指令的响应和执行的反馈形成了一个完整的闭环机制[3]。为了确保指令的正确实施，生产线管理系统实施了多层次的指令可操作性检查，从上层管理层到底层设备层，每一条指令都要进行严格的审核，以确保它们符合要求，并且不会给其他指令的实施带来负面影响，这在很大程度上也能减少对生产线资源和设备的损害。一旦一条指令被传达到资源调度层，其会立即进行评估，并尽快做出回应。在管理系统接收到确认信息时，就会生成一个非阻塞等待事件，以便指令有效、顺利地执行。当指令完成之后，将读取下一条指令，如果没有被接受，则会根据反馈的信息以及当前的生产线状况综合分析，并做出是否要进行等待或者报警的决定。同时，调度执行层与设备层可以有效配合，并实施指令，一旦发生异常情况，其会向上级及管理系统报告，并进行深入分析，确定问题的根源，在问题解决后可以继续执行指令。

4 飞机脉动装配生产线物料精准配送模型

飞机装配过程非常复杂，所需的原材料种类众多，而且为了方便管理，这些原材料通常会被存放在各种不同的仓库里，包括零件库、成品库、标准件库、材料辅料库和工具库。然而，这些仓库的存放导致了飞机装配线物料配送不及时，造成了物料堆积和短缺的情况，这比普通的装配线更加严峻[4]。通常情况下，飞机的装配周期相对较长，因此，根据其功能特性划分为多个站位，以便实现某些部件的装配，比如大部件的连接、导管和电缆的安装、系统的检测等。在此背景下就可形成一种多个物料仓库之间的运输模式，使得每个站位的运输路径及其长度不同。同时，由于各种作业的物料类型和数量存在差异，所以其总体重量也会有所不同。然而，当使用运输小车来完成任务时，因容量不变，加上飞机的装配比较复杂，若使用多辆运输小车来完成任务，很容易导致路线冲突的情况。当采用集中配送模式时，还易造成飞机线路上的物料堆积，而分批配送又会增加成本。所以在考虑到多个物料仓库和站点，以及多辆运输小车的情况下，应该合理选择配送次数。总之，本文提出了一种基于多个物料仓库和站点的精确配送模型。

4.1 精准配送问题

经过分析，在整个飞机装配周期中，由J表示的装配作业集合（{1，2...n}），以及由S表示的工位集合（1，2... m），共计n个作业，被划分到一定数量的工位中去完成装配。在飞机装配车间内，每个作业需要大量不同类型的物料，每个作业所需要的物料体积为Cj。为了更好地满足物料的需求，建立了一个由集合W表示的仓库，并配备了多种不同类型的小车，每辆小车的容量Cu均达到要求。其配送问题的目标是，利用k辆小车，按照预先设定的路线，将物料从l个仓库中取出，并准确地运送到指定的工位，以达到最低成本、最高精确度的目标，同时避免小车之间的路线冲突。

4.2 精准配送优化目标

通过问题研究，为了有效降低配送成本并实现精准配送，将目标函数划分为3个方面：运载小车出行次数、运行时间以及时间惩罚成本。首先，在此模型中，物料配送的固定成本取决于使用的运输工具的数量。这些工具的保养、人力和维护都会导致固定成本的增加[5]。如果生产线上的运输工具数量没有发生变化，那么固定成本就会随着运输工具的使用次数增加，这将对物料配送的效率和成本造成影响。因此，通过选择合适的物料配送次数，可以有效地控制固定成本。其次，运载小车的行驶距离。随着小车的行驶距离增加，其运输成本也会相应增加，而这种增长的幅度取决于小车的行驶时长，因此，在这个模型中，小车的运输成本受到了一定程度的影响。最后，时间惩罚成本。为了确保物料的准时配送，需要对其到达时间进行限制，还要确保物料到达时间既不过早也不过晚。因此，引入时间惩罚成本可以充分体现这一要求。通过检验发现，如果采用硬时间窗限制，模型可能无法得到满意的结果，或者配送成本过高。所以在考虑实际情况的基础上，选择了软时间窗限制。

4.3 基于算法定位

定位技术可以满足不同的工况需求，其中包括初步定位和精确定位。初步定位通过使用传感器监测磁条或色带的参数，其精度可达9mm。精确定位则是通过在车身上安装工业用视觉相机，其精度可达2mm。利用BPSO-PID算法，AGV物料小车可以检测到路径上的磁条，并将检测到的X/Y/角度/状态传输到控制系统，从而实现准确的指引。该算法的输入参数为f（t），输出参数为y（t），而控制规则可以表述为：

在实际工程应用中，由于参数之间存在相互关联性和耦合性，因此采用试凑法来精确调节相关参数变得更加困难。在式中，kp、ki、kd分别代表比例和积分微分系数，而e（t）则表示误差，其值为e(t) =y(t)-r(t)。通过采用双态粒子群算法，本文可以有效地解决传统智能算法中参数自适应调节的问题，其可以避免过早收敛，从而获得全局最优解并提高求解效率。

采用双态粒子群算法，粒子群被划分为两个不同的群体：探索群体和捕食群体。在初始阶段，每个粒子都会进入捕食模式，而且其行为也会受到双态粒子群算法的影响，从而使得粒子群的搜索、优化更加高效、准确[6]。如果发现某个算法处于局部最优解，可以选择保留一些优良的粒子，并使其以捕食状态进行搜索。而剩下的大多数粒子则会进入探索状态，并在搜索空间内重新初始化，继续寻找最优解。

5 结束语

总而言之，航空装备是“中国制造2025”的重点领域之一，确保其生产的智能化发展，特别是飞机智能制造，可对国民经济的发展产生积极的影响。而物料配送是飞机制造的关键一环，精准配送并降低成本对飞机装配十分重要。脉动装配生产线直接关系着装配的质量与效率，基于装配空间和装配时长，本文明确了脉动装配生产线系统的合理布局，建立了一套完整的管控系统。同时，基于精准配送模型，采用双态粒子群算法构建车辆精准定位体系，这不仅可以将待装配的零件精准、高效地运输到指定的地点，还能提升装配的质量和效率。