魏 鵬，張立偉，趙晶晶，楊曉寧，賀文興

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器研制的特點(diǎn)是需求多變、產(chǎn)品構(gòu)成復(fù)雜、技術(shù)流程長(zhǎng)、試驗(yàn)驗(yàn)證繁多、管理模式冗長(zhǎng)[1]，每個(gè)階段都會(huì)產(chǎn)生大量不同維度的技術(shù)和管理數(shù)據(jù)。例如，航天器總裝、集成與測(cè)試試驗(yàn)（Assembly,Integration and Test，AIT）過(guò)程中有工藝文件、執(zhí)行記錄、檢驗(yàn)結(jié)果、測(cè)試數(shù)據(jù)、多媒體記錄、計(jì)劃數(shù)據(jù)、輔助資源數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)隨著產(chǎn)品研制過(guò)程不斷累加、傳遞、歸檔，形成航天器AIT過(guò)程數(shù)據(jù)包。

AIT過(guò)程數(shù)據(jù)包對(duì)持續(xù)改進(jìn)AIT技術(shù)流程、促進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量提升、提高管理精細(xì)化水平等各項(xiàng)工作意義重大，但在現(xiàn)階段并未得到很好的收集、整理、分析和利用，其主要原因如下：

1）離散手工裝配為主，產(chǎn)品狀態(tài)多變

目前的航天器研制多處于小規(guī)模生產(chǎn)狀態(tài)，技術(shù)文件因需求變更而頻繁變更，從而造成總裝過(guò)程中的重復(fù)工作增加，導(dǎo)致工藝設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的數(shù)據(jù)頻繁交互，并且產(chǎn)生了大量處于中間狀態(tài)的非常規(guī)過(guò)程數(shù)據(jù)[2]。

2）產(chǎn)品研制周期長(zhǎng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式不利于使用

航天器研制周期往往長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，研制過(guò)程中經(jīng)常存在逆流程操作[3]，而現(xiàn)有信息系統(tǒng)中記錄的數(shù)據(jù)大都按照工作流程進(jìn)行時(shí)序存儲(chǔ)，僅僅滿足了任務(wù)實(shí)施過(guò)程數(shù)據(jù)記錄的需要，尚未實(shí)現(xiàn)與產(chǎn)品特征信息的關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)。

3）多系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，存在信息孤島

目前，總體設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的Teamcenter、Windchill等數(shù)據(jù)管理（Product Data Management, PDM）系統(tǒng)應(yīng)用[4]，但是對(duì)于專業(yè)測(cè)試與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，仍通過(guò)非結(jié)構(gòu)化的航天飛行器集成設(shè)計(jì)制造（Aerospace Vehicles Integrated Design and Manufacture, AVIDM）系統(tǒng)進(jìn)行管理。多系統(tǒng)同時(shí)獨(dú)立運(yùn)行，因此存在信息孤島，不利于將AIT過(guò)程數(shù)據(jù)作為整體統(tǒng)一開(kāi)發(fā)使用。

4）數(shù)據(jù)分析挖掘不夠，數(shù)據(jù)查詢效率低

現(xiàn)有各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄及存儲(chǔ)功能僅滿足了自身業(yè)務(wù)的需要，大量執(zhí)行記錄數(shù)據(jù)與產(chǎn)品狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表等數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)程度不夠，無(wú)法滿足以產(chǎn)品為對(duì)象的數(shù)據(jù)快速查詢和質(zhì)量復(fù)查等快速檢索需求，很難開(kāi)展型號(hào)內(nèi)的縱向數(shù)據(jù)比對(duì)和型號(hào)間的橫向分析比對(duì)。

針對(duì)前2類問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外對(duì)于AIT過(guò)程數(shù)據(jù)管理的思路通常是業(yè)務(wù)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行、系統(tǒng)間數(shù)據(jù)集成。如現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施使用的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）與工藝設(shè)計(jì)使用的計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning,CAPP）系統(tǒng)通過(guò)PDM系統(tǒng)進(jìn)行信息集成，或直接在MES上增加工藝數(shù)據(jù)的信息管理功能[5]，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)間的動(dòng)態(tài)反饋和共享。

早期，航天器總裝中實(shí)現(xiàn)了基于統(tǒng)一的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的CAPP、MES與AVIDM系統(tǒng)的集成[6]。但是，這種形式的數(shù)據(jù)集成僅僅采用了數(shù)據(jù)推送或讀取的數(shù)據(jù)接口模式，當(dāng)工藝狀態(tài)發(fā)生變化、逆流程、跳序操作時(shí)，就會(huì)造成數(shù)據(jù)混亂，無(wú)法滿足對(duì)數(shù)據(jù)包完整性、一致性以及正確性的要求。因此，后續(xù)又提出了工藝基線、設(shè)計(jì)基線以及裝配實(shí)施數(shù)據(jù)3個(gè)層面的一致性要求，以保證過(guò)程數(shù)據(jù)在工藝狀態(tài)發(fā)生變動(dòng)情況下的聯(lián)動(dòng)性和完整性[7]。

針對(duì)后2類問(wèn)題，主要的解決方案是構(gòu)建數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，基于數(shù)據(jù)抽取轉(zhuǎn)換裝載（Extract Transform Load, ETL）技術(shù)將不同系統(tǒng)、不同形式、不同結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)集成在一起進(jìn)行重構(gòu)，并支持結(jié)構(gòu)化或?qū)ｉT(mén)查詢、分析報(bào)告和決策制定，從而使離散數(shù)據(jù)形成相互關(guān)聯(lián)的多維結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型。多維結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型又稱為“數(shù)據(jù)立方體”或“數(shù)據(jù)魔方”，其數(shù)據(jù)通過(guò)維度和實(shí)際內(nèi)容來(lái)確定，每個(gè)維度都有一個(gè)數(shù)據(jù)表，能夠表達(dá)數(shù)據(jù)與維度的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)多維度的數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)與分析[8]。

在數(shù)據(jù)集成過(guò)程中，一般通過(guò)使用企業(yè)服務(wù)總線（Enterprise Service Bus, ESB）進(jìn)行整合，結(jié)合中間件、XML、Web服務(wù)等技術(shù)，在多系統(tǒng)間形成拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使所有系統(tǒng)能夠以單元的形式插入到ESB中進(jìn)行整合和統(tǒng)一調(diào)度[9]，從而解決多系統(tǒng)間接口差異、數(shù)據(jù)異構(gòu)和同步不及時(shí)等問(wèn)題[10]。

本文通過(guò)構(gòu)建以產(chǎn)品實(shí)際過(guò)程數(shù)據(jù)為核心的多維數(shù)據(jù)模型，從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、時(shí)間周期、階段型號(hào)3個(gè)維度進(jìn)行多種數(shù)據(jù)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)集成及重構(gòu)，形成完整的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。并希望基于數(shù)據(jù)模型制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，為挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值提供參考，提升設(shè)計(jì)專業(yè)化水平和總裝實(shí)施一致性。

1 數(shù)據(jù)內(nèi)容及模型構(gòu)建

目前AIT過(guò)程數(shù)據(jù)主要包括總裝實(shí)施數(shù)據(jù)、專業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)、大型試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及管理及資源數(shù)據(jù)等（如圖1所示）均為在AIT研制過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)際操作、檢驗(yàn)以及測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖1 AIT過(guò)程數(shù)據(jù)內(nèi)容Fig.1 Contents of AIT process data

圖1中的4大類數(shù)據(jù)相當(dāng)繁雜，同時(shí)許多數(shù)據(jù)并無(wú)相互關(guān)聯(lián)的邏輯關(guān)系，因此，需要改變現(xiàn)有以工作業(yè)務(wù)流程為驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，對(duì)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，以“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)”為索引，由“基于工藝流程”的時(shí)序存儲(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎诋a(chǎn)品結(jié)構(gòu)”的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。因此，本文通過(guò)構(gòu)建多維數(shù)據(jù)模型，將數(shù)百種數(shù)據(jù)填入類似“魔方”的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、時(shí)間周期、階段型號(hào)等3個(gè)維度，如圖2所示。

1）從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)維度上看，航天器產(chǎn)品通常包括整星（器）、艙段、艙板、設(shè)備（電纜/直屬件/管路）4個(gè)層級(jí)，通過(guò)連續(xù)不斷的裝配活動(dòng)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)從零散的單機(jī)、部組件直到變成最終產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、專業(yè)測(cè)試數(shù)據(jù)作為特定的產(chǎn)品屬性，與相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品關(guān)聯(lián)。

圖2 AIT過(guò)程多維模型構(gòu)建Fig.2 Structure process of multidimensional data model

2）從時(shí)間周期維度上看，AIT過(guò)程歷經(jīng)了工藝設(shè)計(jì)—計(jì)劃調(diào)度—操作執(zhí)行—結(jié)果反饋4個(gè)階段，過(guò)程數(shù)據(jù)在這4個(gè)階段循環(huán)演變成具有時(shí)序的數(shù)據(jù)流。當(dāng)發(fā)生狀態(tài)變更，需要對(duì)工藝文件進(jìn)行修改時(shí)，通過(guò)“現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題處理單”等單據(jù)進(jìn)入另一個(gè)具有時(shí)序的數(shù)據(jù)流，同時(shí)，每個(gè)研制階段都可能會(huì)因技術(shù)狀態(tài)調(diào)整而存在數(shù)個(gè)類似的數(shù)據(jù)流，不同的數(shù)據(jù)流反映了產(chǎn)品在不同時(shí)間的狀態(tài)。

3）從階段型號(hào)維度上看，型號(hào)會(huì)經(jīng)歷方案—初樣—正樣階段，部分復(fù)雜型號(hào)還存在模樣階段，而部分批產(chǎn)裝備型號(hào)則須經(jīng)歷方案—初樣—試樣—定型的研制階段。批產(chǎn)型號(hào)或者共平臺(tái)的型號(hào)，如XX-1、XX-2間也在此維度進(jìn)行對(duì)比。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文依據(jù)多維數(shù)據(jù)模型以及數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)技術(shù)，構(gòu)建以航天器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為目錄索引，以現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)狀態(tài)（包括簽署數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)、照片等）為輸入，通過(guò)結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)形成層次清晰、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的實(shí)做數(shù)據(jù)樣機(jī)，能夠在任意時(shí)間節(jié)點(diǎn)下真實(shí)反應(yīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中任意產(chǎn)品實(shí)際狀態(tài)的AIT過(guò)程多維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，其總體方案如圖3所示。

圖3 AIT過(guò)程多維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)總體方案Fig.3 Scheme of the multi-dimensional data management system for AIT process

AIT過(guò)程多維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)主要包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)重構(gòu)與關(guān)聯(lián)3個(gè)系統(tǒng)性模塊，以及實(shí)做樣機(jī)、數(shù)據(jù)應(yīng)用2個(gè)功能性模塊，系統(tǒng)功能與組成如圖4所示。

圖4 AIT過(guò)程多維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)功能與組成Fig.4 Functions and compositions of the multi-dimensional data management system

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊用于建立完整的“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)骨架”；數(shù)據(jù)傳輸模塊對(duì)現(xiàn)有的各業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理；數(shù)據(jù)重構(gòu)與關(guān)聯(lián)模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，與“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)骨架”相關(guān)聯(lián)，完成數(shù)據(jù)內(nèi)容的填充；實(shí)做樣機(jī)模塊基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，以表格或照片等形式對(duì)產(chǎn)品狀態(tài)信息進(jìn)行展示；數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊主要對(duì)累積數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以滿足狀態(tài)控制、質(zhì)量復(fù)查、數(shù)據(jù)挖掘等需求。

3 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊

基于總體三維模型輸入，按整星、艙段、艙板、設(shè)備4個(gè)層級(jí)構(gòu)建工藝樣機(jī)形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。工藝樣機(jī)由系統(tǒng)總體架構(gòu)，總裝設(shè)計(jì)模型、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型及相關(guān)設(shè)計(jì)文件匯總至工藝，經(jīng)整合處理后生成，構(gòu)建流程如圖5所示，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)構(gòu)建流程Fig.5 Data construction process based on product structure

圖6 產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of the product data structure

3.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

AIT流程中存在著同一數(shù)據(jù)在多處記錄的現(xiàn)象，這種數(shù)據(jù)冗余會(huì)帶來(lái)“數(shù)據(jù)矛盾”，影響過(guò)程的可追溯性。因此，系統(tǒng)必須堅(jiān)持統(tǒng)一數(shù)據(jù)源原則，保證全部數(shù)據(jù)從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳輸或通過(guò)文件等錄入。針對(duì)不同的信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)不同的傳輸路徑與接口，系統(tǒng)集成可以采用Webservice、ETL、中間表（或中間文件）同步等方式，確保數(shù)據(jù)傳輸完整。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)本身僅從其他數(shù)據(jù)系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，辦公網(wǎng)外的數(shù)據(jù)通過(guò)物理介質(zhì)導(dǎo)入相應(yīng)信息系統(tǒng)后，再通過(guò)辦公網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)接口進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)間數(shù)據(jù)集成關(guān)系見(jiàn)圖7。

圖7 系統(tǒng)間數(shù)據(jù)集成關(guān)系Fig.7 Correlation of data integration for different systems

在對(duì)各異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總之后，數(shù)據(jù)質(zhì)量（即數(shù)據(jù)的完整性、一致性及規(guī)范性等）直接影響數(shù)據(jù)價(jià)值的發(fā)揮。因此，在傳輸過(guò)程中需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗（如圖8所示），通過(guò)對(duì)各類數(shù)據(jù)制定標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，并在系統(tǒng)中設(shè)置校驗(yàn)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的檢查，并自動(dòng)進(jìn)行糾正或者給出糾正建議。

圖8 數(shù)據(jù)清洗流程Fig.8 Process of data cleaning

3.3 數(shù)據(jù)重構(gòu)與關(guān)聯(lián)模塊

數(shù)據(jù)重構(gòu)與關(guān)聯(lián)模塊對(duì)基于流程的數(shù)據(jù)進(jìn)行重構(gòu)，使之與“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)骨架”相關(guān)聯(lián)，完成數(shù)據(jù)內(nèi)容的填充，主要流程如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)重構(gòu)與關(guān)聯(lián)流程Fig.9 Process of data restructuring and cross links

數(shù)據(jù)包展示系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)是從各系統(tǒng)中集成而來(lái)的，為保證AIT過(guò)程數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，須對(duì)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行基線和版本管理，令各維度的數(shù)據(jù)的版本一致，避免出現(xiàn)由數(shù)據(jù)狀態(tài)差異造成的查詢錯(cuò)誤。

總裝實(shí)施及實(shí)做數(shù)據(jù)反饋以工藝文件為載體，記錄相對(duì)完整的總裝過(guò)程數(shù)據(jù)（狀態(tài)、數(shù)據(jù)、簽署記錄等），通過(guò)MES接口回傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)MES中總裝生產(chǎn)信息（如設(shè)備安裝狀態(tài)、熱控實(shí)施狀態(tài)等）向系統(tǒng)的反饋。

多媒體記錄三維工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中，面對(duì)基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多媒體數(shù)據(jù)管理需求，進(jìn)行TC三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Team Center, TC）改造，在工藝文件中定義拍照要求，并與對(duì)應(yīng)產(chǎn)品關(guān)聯(lián)，生成結(jié)構(gòu)化照片記錄要求，具備MES實(shí)做狀態(tài)照片記錄向系統(tǒng)回傳的能力。

對(duì)于非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，提取其構(gòu)成中的流程信息填入結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品模板，并針對(duì)缺失信息進(jìn)行人工補(bǔ)充和迭代，逐漸實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的信息重構(gòu)。

3.4 實(shí)做樣機(jī)模塊

實(shí)做樣機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)特定產(chǎn)品實(shí)做狀態(tài)的關(guān)聯(lián)查詢，可展示在整個(gè)AIT流程中對(duì)特定產(chǎn)品（如設(shè)備、插頭等）實(shí)施的所有操作的工作狀態(tài)和結(jié)果、執(zhí)行記錄以及對(duì)應(yīng)的多媒體記錄等信息，實(shí)現(xiàn)技術(shù)狀態(tài)的完整展示，并基于總裝執(zhí)行系統(tǒng)反饋的實(shí)際操作、檢驗(yàn)簽署數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)模型的增減，實(shí)現(xiàn)“某一時(shí)間航天器真實(shí)狀態(tài)”的展示功能[11]。系統(tǒng)示例如圖10、圖11所示。

圖10 特定產(chǎn)品執(zhí)行記錄Fig.10 Executive logs of specific product

圖11 特定產(chǎn)品實(shí)做照片F(xiàn)ig.11 Record of specific product

3.5 數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊

數(shù)據(jù)應(yīng)用模塊主要用于基于模板表格的統(tǒng)計(jì)、匯總，含總裝偏離數(shù)據(jù)等，以及自定義查詢與數(shù)據(jù)挖掘。在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中參考Impala等大數(shù)據(jù)軟件部署與管理工具[12]，使結(jié)構(gòu)化的AIT數(shù)據(jù)能夠形成易于查詢統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而實(shí)現(xiàn)同一型號(hào)的縱向比對(duì)或不同型號(hào)間的橫向比對(duì)。例如，能夠快速調(diào)取查詢某關(guān)鍵部件多次拆裝操作中每次拆裝的執(zhí)行記錄及現(xiàn)場(chǎng)照片等信息，并進(jìn)行縱向比對(duì)；便捷地調(diào)取查詢某批產(chǎn)衛(wèi)星的同類型設(shè)備在不同型號(hào)中的安裝狀態(tài)和總裝數(shù)據(jù)，并進(jìn)行橫向比對(duì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從數(shù)據(jù)模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)集成等方向出發(fā)，分析了AIT過(guò)程數(shù)據(jù)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、時(shí)間周期、階段型號(hào)3個(gè)維度的演變過(guò)程，構(gòu)建了多維數(shù)據(jù)模型，并開(kāi)發(fā)基于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的多維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)改變了現(xiàn)有以工作業(yè)務(wù)流程為驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，對(duì)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行重組，以“產(chǎn)品結(jié)構(gòu)”為索引，由“基于工藝流程”的時(shí)序存儲(chǔ)轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎诋a(chǎn)品結(jié)構(gòu)”的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，提升過(guò)程數(shù)據(jù)信息查詢效率。同時(shí)打通了數(shù)據(jù)“孤島”，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)間的無(wú)縫流轉(zhuǎn)，為改進(jìn)AIT研制過(guò)程提供有力支持。