基于数字孪生的商用车总装线虚拟装配系统设计与仿真优化

摘要：随着智能制造技术的快速发展，数字孪生作为物理世界与信息空间深度融合的核心技术，为商用车总装线的效率提升与工艺优化提供了新路径。本文以某商用车总装线为研究对象，提出基于数字孪生的虚拟装配系统架构，通过多源数据融合与实时映射技术构建装配线全要素动态模型。结合离散事件仿真与遗传算法，开发装配工艺优化模块，实现节拍均衡与资源动态调度。经实际产线验证，系统可将装配线平衡率提升至92%，工艺规划周期缩短40%，为商用车智能制造提供理论支持与技术参考。

关键词：数字孪生；商用车总装线；虚拟装配；工艺仿真；动态优化

引言

商用车总装线作为汽车制造的核心环节，面临多车型混线生产、装配工艺复杂、资源调度低效等挑战。传统依赖物理试错的工艺优化方式成本高、周期长，难以满足市场对定制化与快速响应的需求。数字孪生技术通过构建物理空间与虚拟空间的实时交互闭环，为装配线全生命周期管理提供了新的方法论。本文聚焦商用车总装场景，提出融合数字孪生的虚拟装配系统设计方案，通过高精度建模与智能优化算法，解决工艺规划中的动态资源冲突、工序节拍失衡等痛点，旨在提升装配线柔性化与智能化水平，推动制造业数字化转型。

一、数字孪生驱动的总装线建模方法

在商用车总装线中，多维度异构数据融合一直是一个亟待解决的难题。为攻克这一难题，提出了一种分层递进的数字孪生建模框架[1]。在物理层，借助先进的工业物联网技术，将PLC（可编程逻辑控制器）、RFID（射频识别）标签以及视觉传感器等设备进行集成。这些设备能够实时、精准地采集装配线上设备的运行状态、物料的精确位置以及各种工艺参数，为后续的数据处理和模型构建提供丰富的原始数据支持。

在模型层，采用基于模型的系统工程（MBSE）方法，构建了一个涵盖三维几何模型、运动学模型与工艺逻辑模型的耦合体系。特别地，对于装配线上的关键工位，如机械臂操作环节，通过精确建模与优化控制，确保机械臂的运动轨迹精度能够控制在极高的水平，精度范围达到±0.5mm，从而有效保障装配质量和生产效率。

数据层则开发了时序数据库与知识图谱。时序数据库能够高效存储和管理装配过程中的各类时序数据，而知识图谱则用于挖掘数据之间的内在关联，实现装配过程数据的时空关联分析，进一步提升数据的利用价值。

最终，通过OPC UA协议，实现物理实体与虚拟模型之间的毫秒级同步，构建了一个涵盖“设备-物料-工艺”的全要素孪生体。这一孪生体不仅高度还原了物理装配线的真实情况，还为后续的仿真优化提供了高保真的数据基础，为商用车总装线的智能化升级和优化提供了有力支持。

二、虚拟装配系统核心功能设计

本系统采用先进的模块化设计理念，精心打造了工艺规划、动态仿真和优化决策三大核心功能模块，旨在为商用车总装线的高效生产提供全方位支持。

工艺规划模块是系统的基础，它支持直观的拖拽式工序编排，极大地简化了操作流程。同时，该模块内置了丰富的商用车典型装配工艺知识库，能够根据输入的产品信息，快速自动生成工程物料清单（EBOM）和详细的工艺流程图，为后续的生产活动提供了清晰的指导。

动态仿真模块则基于离散事件仿真引擎，能够高度逼真地模拟装配线上的各种动态过程，包括人员的走动、设备的启停以及物料的流转等。通过这一模块，系统可以精准预测可能出现的瓶颈工位以及产能的波动情况，从而为生产过程中的问题提前预警，帮助工程师提前采取措施。

优化决策模块是系统的智能化体现，它集成了改进型遗传算法，以最小化生产节拍时间和均衡工位负载为优化目标函数，同时引入禁忌搜索机制，有效避免陷入局部最优解。这一模块能够为复杂的生产调度问题提供科学的优化方案。

通过友好的人机交互界面，工程师可以实时调整夹具布局、修改装配序列等关键生产参数，智能汽车的人机交互界面成为影响用户体验的关键因素[[[] 杨蕙雯.基于用户体验的智能汽车人机交互界面信息可视化设计研究[J].中国战略新兴产业 . 2025 （09）]]。系统会根据这些调整自动生成多方案对比报告，为工程师提供全面的决策支持，帮助他们快速做出基于数据的科学决策，从而提升生产效率和质量。

三、装配工艺仿真与优化方法

在商用车装配领域，提出了一种创新的“虚实联动”工艺优化范式，旨在通过虚拟与现实的紧密结合，实现高效、精准的装配工艺优化。

首先，在虚拟环境中导入待装配车型的三维数模。系统利用先进的识别技术自动检测关键特征点，并基于这些特征点生成精确的装配路径。而虚拟造型评审能为企业决策层提供快速，直观，高效的评审效果，能大大缩短产品的开发周期[[[] 丁袆，尹伟，胡平. 应用虚拟技术加快汽车开发进程.吉林大学学报，2002， 32（3）：91～94. ]]，为后续的装配工作奠定了坚实基础。

其次，系统基于物理定律对装配过程中的微观力学特性进行仿真分析。例如，模拟螺栓拧紧时扭矩的传递过程，以及线束插接时的阻力情况。通过这些仿真分析，系统能够提前预测装配过程中可能出现的干涉风险，从而为工艺优化提供科学依据。

最后，借助多目标优化算法，系统求解出最优的工艺参数组合。这一优化过程综合考虑了生产效率、质量控制和资源利用等多方面因素，确保了工艺参数的科学性和合理性。

四、系统实施与验证分析

在商用车企业总装车间部署该系统后，经过一段时间的生产实践，系统展现出显著的优化效果。数字孪生模型凭借其高度精准的建模能力，能够精确反映生产过程中的各种细节，预测精度极高，几乎与实际生产情况完全一致。这为生产决策提供了可靠的依据，极大地提升了生产管理的科学性和前瞻性。

在工艺规划方面，系统通过高效的算法和优化流程，大幅缩短了工艺规划的迭代周期。原本需要长时间反复调整和验证的工艺规划，现在可以在极短的时间内完成优化，大大提高了生产准备效率，减少了因工艺变更导致的生产停滞时间。

装配线的平衡率也得到了显著提升，生产过程更加流畅，各工位之间的协作更加紧密，生产效率明显提高。同时，单台车的装配工时大幅减少，这意味着在相同的生产时间内可以产出更多的产品，直接提升了企业的生产效益。

在复杂的混线生产场景中，系统能够通过实时数据驱动进行动态调整，根据生产需求灵活配置资源，优化生产流程，从而显著提高设备的综合效率。这不仅减少了设备的闲置时间，还提升了设备的利用率，进一步增强了生产系统的灵活性和适应性。

此外，虚拟调试需要成熟的仿真平台，通过仿真软件可以优化产品设计[[[] 庄菁雄.虚拟调试技术在汽车制造业中的应用 分析及发展趋势[J].汽车实用技术 . 2024 ，49 （07）

作者简介姓名：孙洪鑫，男，汉族，籍贯： 北京，出生年月日：1987.11.05，学历：硕士研究生，职称：中级工程师]]。通过在虚拟环境中进行模拟调试，系统能够在实际生产前发现并解决潜在问题，避免了因试错导致的资源浪费和生产延误。同时，工艺变更的响应速度也得到了大幅提升，企业能够更快地适应市场变化和产品更新换代的需求。

实践表明，该系统有效解决了传统装配线柔性不足、资源浪费等问题，为商用车企业提供了强大的数字化支持。它不仅提升了生产效率和质量，还降低了生产成本，增强了企业的市场竞争力。

结语

本文构建的基于数字孪生的商用车总装线虚拟装配系统，通过高精度建模、智能仿真与动态优化技术的有机融合，实现了装配工艺的全流程数字化管控。实际应用验证了系统在提升装配效率、降低试错成本方面的显著效果。未来研究将重点突破跨平台数据融合、虚实交互实时性增强等关键技术，并探索数字孪生与工业元宇宙的深度集成，为智能制造提供更强大的技术支撑。

参考文献

杨蕙雯.基于用户体验的智能汽车人机交互界面信息可视化设计研究[J].中国战略新兴产业 . 2025 （09）

丁袆，尹伟，胡平. 应用虚拟技术加快汽车开发进程.吉林大学学报，2002， 32（3）：91～94.

庄菁雄.虚拟调试技术在汽车制造业中的应用 分析及发展趋势[J].汽车实用技术 . 2024 ，49 （07）

作者简介姓名：孙洪鑫，男，汉族，籍贯： 北京，出生年月日：1987.11.05，学历：硕士研究生，职称：中级工程师