文/齊作玉，許樹森·上海重型機器廠有限公司

大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構的研究（上）

文/齊作玉，許樹森·上海重型機器廠有限公司

針對我國大鍛件質量不穩(wěn)定問題和質量分析數(shù)據(jù)缺乏問題，結合《中國制造2025》戰(zhàn)略，對大鍛件大數(shù)據(jù)進行了研究。提出大鍛件工藝參數(shù)化方法和工藝細化軟件是增加大鍛件數(shù)據(jù)價值、實現(xiàn)大數(shù)據(jù)目標的源頭；開發(fā)應用工藝質量信息系統(tǒng)、采集存儲工藝數(shù)據(jù)和設備數(shù)據(jù)并加以集成，可構成有價值的大鍛件大數(shù)據(jù)；研究中還給出了分析大鍛件工藝質量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學方法，突破了傳統(tǒng)難以科學分析大鍛件數(shù)據(jù)的限制。

齊作玉，高級工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事大鍛件工藝和產(chǎn)品質量控制及其智能集成信息系統(tǒng)開發(fā)等科研工作；中國鍛壓協(xié)會頭腦風暴專家，大鍛件理事會專家;國內(nèi)外發(fā)表科技論文60余篇。

我國大鍛件行業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，在設備能力、大鍛件尺寸和產(chǎn)量規(guī)模方面，都已經(jīng)達到世界領先水平。然而，在質量和效益方面與世界領先企業(yè)相比，明顯還處于劣勢。多年來，行業(yè)和企業(yè)一直面臨著一些嚴峻的問題和挑戰(zhàn)，其中質量問題和數(shù)據(jù)問題已成為共識。

有待解決的問題

質量問題

大鍛件作用關鍵、造價昂貴、工藝復雜、生產(chǎn)周期長。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝造成其制造風險一直很大、報廢率較高，常常出現(xiàn)首件干成功，下一件就可能報廢的情況。鍛件一旦報廢，不僅生產(chǎn)企業(yè)遭受巨大損失，整個相關重大項目及產(chǎn)業(yè)也會受到一定影響。

然而，在質量控制上，我國大鍛件企業(yè)主要還是依賴個人經(jīng)驗。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，個人經(jīng)驗越來越難以繼承和維系，大鍛件企業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)青黃不接、后繼乏人的現(xiàn)象。另一方面，整個中國大鍛件行業(yè)一直都缺少定量化、精細化和系統(tǒng)化的質量控制方法。這造成鍛件總是出現(xiàn)“好不知道怎么好的，壞不知道怎么壞的”。質量問題已經(jīng)成為制約我國大鍛件企業(yè)及行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

數(shù)據(jù)問題

在大鍛件的生產(chǎn)工藝、制造過程和質量控制方面，數(shù)據(jù)庫及其應用還十分薄弱。實際分析問題時，常常缺少有價值的數(shù)據(jù)。工程師在認真調(diào)查分析大鍛件的質量問題時，需要收集工藝設計參數(shù)、工裝工具參數(shù)、鍛件材料參數(shù)、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)、操作記錄、檢查檢測和試驗結果等相關數(shù)據(jù)。但是，常常會碰到各部門的數(shù)據(jù)分散在紙張上或保存在電子圖上，對應數(shù)據(jù)殘缺不全、有效利用無法實現(xiàn)等一系列問題。多年來，質量專家在對大鍛件企業(yè)進行質量體系審核時，曾多次提出要加強統(tǒng)計學的應用。但實際上因缺乏數(shù)據(jù)，企業(yè)始終無法開展。

核電安全和質量審核專家在監(jiān)察時也曾建議，核電大鍛件生產(chǎn)企業(yè)要“從不符合項的類別、數(shù)量、發(fā)生工序、產(chǎn)生原因等方面進行統(tǒng)計、比較和分析”。然而，實際上企業(yè)往往做不到。因為企業(yè)至少面臨三個難以逾越的困難：一是大鍛件屬于單件小批量生產(chǎn)，同類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)量偏小，難以開展科學統(tǒng)計分析；二是大鍛件生產(chǎn)過程多為特殊工序，其制造過程的質量不易或不能通過其后的檢驗或試驗而得到充分驗證，因而也是缺乏數(shù)據(jù)及參數(shù)、無法開展科學分析；三是目前國內(nèi)大鍛件工藝質量記錄分析和控制方法仍然比較落后，主要靠手工記錄。即使一些設備和儀器中有了電子記錄，但也是相互獨立和離散的，無法形成關聯(lián)和系統(tǒng)性記錄，結果還是缺乏數(shù)據(jù)。

以上質量問題和數(shù)據(jù)問題的實質是一個缺乏數(shù)據(jù)問題。缺乏數(shù)據(jù)就難以進行科學的分析，就無法穩(wěn)定地控制質量。因此數(shù)據(jù)也是我國大鍛件企業(yè)和行業(yè)是否能完成創(chuàng)新驅動轉型發(fā)展的一個關鍵所在。數(shù)據(jù)從何而來？

大數(shù)據(jù)的概念

《中國制造2025》是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領?！吨袊圃?025》在戰(zhàn)略任務和重點、關于推進信息化與工業(yè)化深度融合的任務中，明確提出，“促進大數(shù)據(jù)在企業(yè)研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、銷售服務等全流程和全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合集成應用”。德國工業(yè)4.0是德國政府2010年確定的《高技術戰(zhàn)略2020》。該戰(zhàn)略也強調(diào)了，實施工業(yè)4.0要充分依賴大數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到現(xiàn)今階段的新概念。它使得以往許多原本很難收集和使用的數(shù)據(jù)開始容易被利用起來了，通過各行各業(yè)的不斷創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)逐步為人類創(chuàng)造了意想不到的和更多的價值。數(shù)據(jù)在中國大鍛件企業(yè)的應用幾乎還是空白。中國大鍛件企業(yè)連數(shù)據(jù)都不足，何談大數(shù)據(jù)？但是，無論是從現(xiàn)實意義上看還是向未來發(fā)展的戰(zhàn)略上看，大鍛件企業(yè)及行業(yè)都必須重視發(fā)展大數(shù)據(jù)。

實際上，前面所述大鍛件數(shù)據(jù)不足的問題是相對的，指的是形成有價值的數(shù)據(jù)不足。一個大鍛件從材料購買、金屬冶煉、鋼錠澆注、加熱鍛造、后續(xù)熱處理、產(chǎn)品檢驗等，一直到產(chǎn)品銷售出去，其過程中有大量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。所謂數(shù)據(jù)不足，只是我們沒有有效地采集、存儲和分析利用而已。

以下將對大鍛件大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)價值設計、數(shù)據(jù)采集途徑、數(shù)據(jù)分析決策和系統(tǒng)架構進行研究。該研究可為根本性解決我國大鍛件質量不穩(wěn)定問題、實現(xiàn)大鍛件的智能制造和企業(yè)轉型升級提供一種新的實施途徑。

數(shù)據(jù)價值設計

數(shù)據(jù)價值可以從已有積累數(shù)據(jù)中挖掘獲取，如互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)和云計算。這些都是積累數(shù)據(jù)后期發(fā)展的結果。數(shù)據(jù)價值還可以通過設計數(shù)據(jù)生成采集模型，確保初期就奠定數(shù)據(jù)價值基礎，更早獲得數(shù)據(jù)價值。根據(jù)大鍛件行業(yè)的生產(chǎn)實際情況和數(shù)據(jù)特征，后者更加重要。設計大鍛件數(shù)據(jù)價值，必須從源頭入手，也就是從工藝設計入手，以最終實現(xiàn)智能制造為目標。

工藝參數(shù)化

傳統(tǒng)上，無論是工藝教科書、工藝手冊、工藝規(guī)范還是實際生產(chǎn)工藝，大多數(shù)情況下，工藝要求都是以工藝參數(shù)的某個數(shù)值來表示的。然而，簡單照搬某些數(shù)值可能會產(chǎn)生質量問題。例如，在大鍛件鍛壓工藝方面，鋼錠的預鐓粗鍛造比定為2，實際對某些錠型就會產(chǎn)生質量問題。

大鍛件工藝參數(shù)化的含義是將大鍛件工藝的參數(shù)用科學的函數(shù)式來予以表達，對工藝參數(shù)進行公式化和系統(tǒng)化處理。大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化對于大數(shù)據(jù)有重要意義，通過參數(shù)化設計，形成了新的標準化的數(shù)據(jù)生成模型，奠定了工藝編制數(shù)據(jù)、工藝記錄數(shù)據(jù)和工藝質量數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)分析的價值基礎，成為積累數(shù)據(jù)、改進傳統(tǒng)大鍛件工藝、穩(wěn)定大鍛件質量和實現(xiàn)工藝創(chuàng)新的基礎。工藝參數(shù)化還為未來大鍛件的智能制造創(chuàng)造了高效的數(shù)據(jù)處理條件。

精細化工藝及專家軟件

越來越多的大鍛件企業(yè)家和專家們正在認識到，用精細化工藝和非自由化工藝的概念是解決大鍛件質量不穩(wěn)定的必要措施和發(fā)展方向?，F(xiàn)有精細化鍛壓工藝的主要發(fā)展是在拔長工藝上，如寬砧高溫強壓法、無曼內(nèi)斯曼效應鍛造法。但是目前主要存在如下問題：

⑴引進的國外技術，缺少對原理的緊密捆綁匹配度。應用時仍容易造成工具條件、進砧操作條件和有效拔長趟數(shù)等條件不匹配，導致達不到中心壓實的目的，甚至還可能惡化鍛件的內(nèi)部缺陷。

國內(nèi)細化工藝的原理方法也已經(jīng)研究出來，但對具體實施上所需要的數(shù)據(jù)表，通常還需要聘請專家到一個企業(yè)，根據(jù)實際情況編制專用的手冊。否則，抄來的數(shù)據(jù)毫無意義，應用起來還很可能會弄巧成拙、惡化鍛件的內(nèi)部缺陷。

⑶國內(nèi)外對拔長坯料的展寬計算方法有很多種研究，究竟哪個方法準確？哪個方法更適合自己的企業(yè)？這需要通過實踐來調(diào)整驗證。精細化工藝及專家軟件則很好地解決了上述問題，其軟件雛形示意如圖1所示。

圖1 精細化工藝及專家軟件雛形示意圖

精細化工藝及專家軟件對大數(shù)據(jù)的意義主要體現(xiàn)在以下兩點:⑴充分考慮了工藝與質量的關系，增加了工藝質量控制參數(shù)和動態(tài)適應，從而增加了有價值工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)量；⑵增加了獲取有價值工藝記錄數(shù)據(jù)的必要性和可能性。為建立精細化工藝數(shù)據(jù)、精細化工藝操作記錄、后續(xù)質量檢驗數(shù)據(jù)、工藝設計數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析和大數(shù)據(jù)分析奠定了價值基礎。

圖2 大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的架構

系統(tǒng)架構

我們分析一個完整的大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的架構主要包括決策服務層、分析管理層、采集存儲層和價值設計層，每層的具體內(nèi)容如圖2所示。