梁 丹 劉 輝 李世龍
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面向航天產(chǎn)品質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)驅(qū)動總體設(shè)計
梁 丹1劉 輝1李世龍2
(1. 首都航天機械有限公司,北京 100076;2. 北京八一學(xué)校,北京 100080)
在當前制造業(yè)信息化技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,研究分析了數(shù)據(jù)驅(qū)動的定義與內(nèi)涵,闡述了航天質(zhì)量數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀,提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的總體設(shè)計方案,給出了基于BOM的數(shù)據(jù)規(guī)劃及構(gòu)建質(zhì)量管理平臺的技術(shù)實現(xiàn)途徑。
航天產(chǎn)品質(zhì)量;數(shù)據(jù)驅(qū)動;質(zhì)量管理平臺
隨著云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與制造技術(shù)的融合發(fā)展,形成了基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的云制造[1]、制造物聯(lián)[2]等新型智能制造模式,《中國制造2025》規(guī)劃的發(fā)布,將進一步推動制造業(yè)向基于大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用基礎(chǔ)上的智能化轉(zhuǎn)型升級[3]。智能制造技術(shù)也將給航天制造業(yè)帶來翻天覆地的改變。在航天產(chǎn)品的研制過程中,產(chǎn)生包含設(shè)計、工藝、生產(chǎn)、檢驗等過程的海量數(shù)據(jù),研究如何應(yīng)用航天產(chǎn)品數(shù)據(jù)對業(yè)務(wù)進行驅(qū)動,提高產(chǎn)品設(shè)計科學(xué)性、制造工藝過程穩(wěn)定性、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性,通過開展面向航天產(chǎn)品質(zhì)量保證的數(shù)據(jù)驅(qū)動工程,帶動工作方式和工作思維的變革,推動航天產(chǎn)品質(zhì)量管控模式由流程驅(qū)動向數(shù)據(jù)驅(qū)動模式轉(zhuǎn)變。
工信部2015年發(fā)布《智能制造能力成熟度模型白皮書(1.0)》中對“數(shù)據(jù)驅(qū)動”的描述為:制造過程中的各類數(shù)據(jù)經(jīng)過采集、加工及分析,形成可用的知識、模型,用于對各制造環(huán)節(jié)進行評價、監(jiān)控、預(yù)測、控制以及決策優(yōu)化[4]??梢园选皵?shù)據(jù)驅(qū)動”簡單理解為“利用源于制造過程的數(shù)據(jù)及提煉的知識,反過來對制造過程進行評估、控制和優(yōu)化的活動”。
在實際制造活動中,制造過程的數(shù)據(jù)主要包括機器類數(shù)據(jù)、管理類數(shù)據(jù)以及工廠外部數(shù)據(jù)。通過多種方式采集貫穿產(chǎn)品設(shè)計、制造、試驗等各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù),運用先進的大數(shù)據(jù)技術(shù),為制造過程提供基于數(shù)據(jù)的分析和決策基礎(chǔ)。
產(chǎn)品質(zhì)量是指產(chǎn)品滿足規(guī)定需要和潛在需要的特征和特性的總和。產(chǎn)品質(zhì)量采用質(zhì)量特性或特征(質(zhì)量指標)描述,一般包括性能、耐用性、可靠性、經(jīng)濟性、安全性等方面。質(zhì)量數(shù)據(jù)既包括由個體產(chǎn)品質(zhì)量特性值組成的個體質(zhì)量數(shù)據(jù)(樣本),也包括對樣本數(shù)據(jù)分析后形成的表征總體產(chǎn)品質(zhì)量指標的集中位置、分散程度、分布規(guī)律等的總體產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)。
與產(chǎn)品質(zhì)量(或與產(chǎn)品質(zhì)量指標)相關(guān)的數(shù)據(jù),可以劃分為三大類。一是表征產(chǎn)品質(zhì)量要求、質(zhì)量保證目標的數(shù)據(jù),包括:設(shè)計部門提出的產(chǎn)品質(zhì)量特性(產(chǎn)品質(zhì)量指標)、產(chǎn)品質(zhì)量特性組合(產(chǎn)品質(zhì)量指標體系)等產(chǎn)品質(zhì)量要求數(shù)據(jù),工廠提出的合格率、返修率等質(zhì)量控制目標數(shù)據(jù);二是與產(chǎn)品形成過程質(zhì)量保證相關(guān)的數(shù)據(jù),包括:工藝部門(或設(shè)計部門)提出的工藝參數(shù)、制造資源、制造環(huán)境、過程檢測等所有與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的過程控制要求及執(zhí)行結(jié)果數(shù)據(jù);三是表征產(chǎn)品實際質(zhì)量、制造質(zhì)量結(jié)果的數(shù)據(jù),包括個體產(chǎn)品質(zhì)量指標的檢驗(檢測、試驗)結(jié)果數(shù)據(jù),也包括基于個體產(chǎn)品質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后形成的合格率、分散程度等計算結(jié)果數(shù)據(jù)。
與產(chǎn)品質(zhì)量保證和質(zhì)量改進相關(guān)的數(shù)據(jù)驅(qū)動活動,主要包括兩個方面:對形成產(chǎn)品質(zhì)量的全過程所有原始實做數(shù)據(jù)的采集、記錄、存儲、傳遞活動,及基于原始實做數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品制造質(zhì)量分析、評價的活動;對原始數(shù)據(jù)進行提煉,形成可用知識、模型,對產(chǎn)品設(shè)計過程優(yōu)化、改進,利用優(yōu)化后的設(shè)計方案,控制(驅(qū)動)制造過程的活動。
a. 驅(qū)動企業(yè)主動變革生產(chǎn)經(jīng)營模式
通過主動開展數(shù)據(jù)采集、分析、利用,將數(shù)據(jù)作為制造系統(tǒng)的輸入,通過數(shù)據(jù)分析,支持生產(chǎn)過程監(jiān)控、業(yè)務(wù)流程優(yōu)化、企業(yè)經(jīng)營決策,使企業(yè)由被動采集數(shù)據(jù)向主動采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變,由被動展示數(shù)據(jù)向主動透明數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變,由被動管理數(shù)據(jù)向主動管理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變,由被動分析支持決策向主動分析支持決策轉(zhuǎn)變。
b. 驅(qū)動產(chǎn)品質(zhì)量保證
通過產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、生產(chǎn)作業(yè)、物資管控、試驗驗證、產(chǎn)品使用等過程數(shù)據(jù)分析與挖掘驅(qū)動產(chǎn)品研制迭代優(yōu)化,面向產(chǎn)品質(zhì)量,依據(jù)全系統(tǒng)→分系統(tǒng)→單機→部組件→元器件原材料的研制路徑,逐級收集航天產(chǎn)品研制結(jié)果數(shù)據(jù)和關(guān)鍵過程數(shù)據(jù),形成“縱向貫通”的產(chǎn)品數(shù)據(jù),打通產(chǎn)品數(shù)據(jù)交互通道。
c. 驅(qū)動企業(yè)實現(xiàn)智能制造、智慧管理
數(shù)據(jù)是實現(xiàn)智能制造、智慧管理的核心支撐,通過對各類數(shù)據(jù)的采集、分析和利用,通過信息化手段自動實行智能化管控,實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動生產(chǎn)過程、產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)控以及經(jīng)營管理的智能化,為企業(yè)管理提供智能決策支持,實現(xiàn)智慧管理。
中國航天取得過輝煌的成績,但發(fā)展進程并非一帆風順。航天產(chǎn)品質(zhì)量管理在質(zhì)量問題雙歸零五條等一系列強化產(chǎn)品研制和質(zhì)量管理的措施下,加強產(chǎn)品保證能力的建設(shè)。隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展,國家重大工程、重點任務(wù)十分繁重,在新的形勢和任務(wù)面前,航天質(zhì)量管理能力還有很大差距。
在以某航天產(chǎn)品質(zhì)量問題故障分析過程中,暴露出的關(guān)鍵環(huán)節(jié)質(zhì)量數(shù)據(jù)缺失、大量數(shù)據(jù)未實現(xiàn)電子化等問題,也真實反映出了目前在航天產(chǎn)品研制生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)應(yīng)用等方面存在薄弱環(huán)節(jié),很難實現(xiàn)用“數(shù)據(jù)說話”。
現(xiàn)階段,現(xiàn)役產(chǎn)品制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的測量和記錄方式自動化程度不高,數(shù)據(jù)采集效率低,很多線性尺寸采用工人測量的方式,大量數(shù)據(jù)依靠手工記錄。同時業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)之間,業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)與數(shù)字化檢測設(shè)備、生產(chǎn)線之間尚未打通,存在信息孤島,數(shù)據(jù)集成能力薄弱,難以形成以產(chǎn)品實物樹為基礎(chǔ)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)包,支撐設(shè)計到交付、單機到總體的數(shù)據(jù)流動。對于低價值密度數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品壽命預(yù)測、工藝優(yōu)化等數(shù)據(jù)挖掘工作尚處于起步階段。
以4種典型產(chǎn)品為對象,梳理分析產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù),與產(chǎn)品質(zhì)量相關(guān)的數(shù)據(jù)分為設(shè)計數(shù)據(jù)、物資數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)4大類共26小類。以工藝數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)兩大類進行細化分類,包括工藝路線、工藝參數(shù)、生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)、產(chǎn)品實測數(shù)據(jù)、裝配數(shù)據(jù)、試驗數(shù)據(jù)等共13小類。具體示例如表1所示。
表1 質(zhì)量數(shù)據(jù)分類示例
以產(chǎn)品實現(xiàn)過程為主線,針對產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù),圍繞數(shù)據(jù)定義、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)挖掘等環(huán)節(jié),覆蓋產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、物資管控、生產(chǎn)作業(yè)、試驗驗證、產(chǎn)品使用過程,在技術(shù)方法、工作平臺、能力建設(shè)、標準規(guī)范等方面開展研究、應(yīng)用和建設(shè)工作,最終實現(xiàn)“設(shè)計數(shù)據(jù)驅(qū)動制造過程,實做數(shù)據(jù)支撐設(shè)計改進”的目標,實現(xiàn)覆蓋產(chǎn)品研制生產(chǎn)使用全流程質(zhì)量“數(shù)據(jù)”的閉環(huán)管理,形成基于制造數(shù)據(jù)的更為完整有效的產(chǎn)品質(zhì)量保證和質(zhì)量改善體系。
按照航天產(chǎn)品研制生產(chǎn)流程,主要涵蓋產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、物資管控、生產(chǎn)作業(yè)、試驗驗證、產(chǎn)品使用六個環(huán)節(jié),如圖1所示。
圖1 質(zhì)量保證數(shù)據(jù)驅(qū)動總體建設(shè)方案
4.2.1 產(chǎn)品設(shè)計環(huán)節(jié)
建立產(chǎn)品集成協(xié)同研制等信息化軟件平臺,實現(xiàn)基于知識、模型、數(shù)據(jù)的產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化、協(xié)同仿真、性能綜合預(yù)測評估及驗證等;進行基于MBD的全三維關(guān)聯(lián)設(shè)計,將設(shè)計信息和制造信息共同定義到模型中,保證數(shù)據(jù)的唯一性。
4.2.2 工藝設(shè)計環(huán)節(jié)
建立航天產(chǎn)品工藝設(shè)計數(shù)據(jù)管理標準和軟件系統(tǒng)平臺,構(gòu)建基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)全過程的并行協(xié)同環(huán)境,實現(xiàn)基于協(xié)同、流程、知識、仿真的智能化工藝設(shè)計,實現(xiàn)基于知識庫和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的輔助工藝優(yōu)化,實現(xiàn)工藝設(shè)計在多領(lǐng)域、跨平臺的全面協(xié)同。
4.2.3 物資管控環(huán)節(jié)
建立航天產(chǎn)品物資質(zhì)量管理標準、質(zhì)量數(shù)據(jù)庫和軟件平臺,完成對物資交付、驗收、使用等環(huán)節(jié)物資質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集,實現(xiàn)物質(zhì)質(zhì)量數(shù)據(jù)與設(shè)計、生產(chǎn)等單位或部門的共享和按需推送,支撐原材料質(zhì)量包絡(luò)分析、產(chǎn)品質(zhì)量問題分析及優(yōu)化改進等工作順利完成。
4.2.4 生產(chǎn)作業(yè)環(huán)節(jié)
采集航天產(chǎn)品制造過程的“人、機、料、法、環(huán)”等質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù),利用標識等信息化手段實現(xiàn)原材料、產(chǎn)品、半成品的自動配送和制造過程信息的實時反饋,基于在線監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析和模型預(yù)測,支撐相關(guān)設(shè)備參數(shù)和工藝參數(shù)的調(diào)整,確保產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和一致性。
4.2.5 試驗驗證環(huán)節(jié)
建立航天產(chǎn)品試驗驗證數(shù)據(jù)管理標準,建立設(shè)計-仿真-虛實結(jié)合的試驗驗證體系,采用“虛實結(jié)合”的手段輔助實物驗證、提高實物驗證效率、補充試驗工況,促進實物試驗水平優(yōu)化并降低試驗成本。
4.2.6 產(chǎn)品使用環(huán)節(jié)
建立完整的標準規(guī)范和軟件系統(tǒng)平臺,完成對航天產(chǎn)品使用環(huán)節(jié)質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)一管理,具備歷史數(shù)據(jù)的快速查詢、比對和分析的能力;可通過網(wǎng)絡(luò)和遠程工具提供產(chǎn)品服務(wù),反饋產(chǎn)品使用數(shù)據(jù),為產(chǎn)品的持續(xù)改進和新產(chǎn)品的研發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。
遵循“摸清基礎(chǔ),找準定位,一次規(guī)劃,階段實施,不斷實踐,不斷完善”的工作原則,按照數(shù)據(jù)調(diào)研預(yù)分析、數(shù)據(jù)規(guī)范與采集、數(shù)據(jù)存儲與共享、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用四部分內(nèi)容,推進數(shù)據(jù)驅(qū)動工程應(yīng)用,工作流程如圖2所示。
圖2 數(shù)據(jù)驅(qū)動工程工作流程
數(shù)據(jù)調(diào)研與分析:選取典型試點產(chǎn)品,開展產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)調(diào)研,從產(chǎn)品設(shè)計輸入、輸出數(shù)據(jù)開始,到原材料、元器件數(shù)據(jù)、零件制造工藝、過程以及結(jié)果數(shù)據(jù),最后到部組件裝配和試驗測試數(shù)據(jù),分析質(zhì)量數(shù)據(jù)的種類、產(chǎn)生的環(huán)節(jié)、檢測、記錄、流程以及用途等,進行質(zhì)量數(shù)據(jù)分析。
數(shù)據(jù)規(guī)范與采集:針對海量的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù),開展數(shù)據(jù)規(guī)劃研究和分析;優(yōu)化檢驗?zāi)J?,研究制定不同種類數(shù)據(jù)的采集模式、方法等;規(guī)范工藝規(guī)程,在工藝規(guī)程中明確各類數(shù)據(jù)的采集方法、記錄格式要求等;結(jié)合智能制造數(shù)字化生產(chǎn)線建設(shè),調(diào)研檢測能力需求,研究自動化采集各類數(shù)據(jù)的技術(shù)以及能力需求。
數(shù)據(jù)存儲與共享:研究適應(yīng)數(shù)據(jù)驅(qū)動需求的產(chǎn)品編碼方案并推動實施;優(yōu)化升級工藝規(guī)程設(shè)計系統(tǒng)、質(zhì)量信息系統(tǒng)、制造過程管理系統(tǒng),開發(fā)適應(yīng)于數(shù)據(jù)驅(qū)動的新功能模塊,建立基于BOM的數(shù)據(jù)源統(tǒng)一、架構(gòu)統(tǒng)一、覆蓋產(chǎn)品全生命周期的工程制造數(shù)據(jù)管理平臺。
數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用:基于產(chǎn)品應(yīng)用,實現(xiàn)質(zhì)量數(shù)據(jù)自動包絡(luò)分析、產(chǎn)品質(zhì)量預(yù)示和問題診斷以及各類驗收評審報表的自動生成等,支撐產(chǎn)品質(zhì)量評價、工藝和設(shè)計優(yōu)化和管理效率提升。
圍繞產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、物資管控、生產(chǎn)作業(yè)、試驗驗證、產(chǎn)品使用全流程,詳細分析各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)所需的輸入輸出數(shù)據(jù),明確數(shù)據(jù)需求、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)流向、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化傳遞等內(nèi)容或要求,建立各類數(shù)據(jù)模型。同時,基于數(shù)據(jù)規(guī)劃提出軟硬件條件需求,逐步形成基于單一數(shù)據(jù)源的一系列軟件平臺,保證產(chǎn)品數(shù)據(jù)的一致性、有效性、完整性,為配置數(shù)據(jù)采集手段等軟硬件條件提供支撐。
“數(shù)據(jù)驅(qū)動”其本質(zhì)是實施“智能制造”的一個基礎(chǔ)工作,為確保工作有序推進,擬借鑒“智能制造能力成熟度模型”概念,構(gòu)建“航天產(chǎn)品質(zhì)量保證數(shù)據(jù)驅(qū)動能力成熟度模型”,形成制造維、產(chǎn)品維和管理維三個維度,產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、物資管控、生產(chǎn)作業(yè)、試驗驗證、產(chǎn)品使用六個環(huán)節(jié)的評價標準,構(gòu)建過程質(zhì)量數(shù)據(jù)與產(chǎn)品質(zhì)量性能提升的關(guān)系體系,指導(dǎo)制造過程的精細化控制,在提升效率、效益的同時,保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
通過實做BOM與設(shè)計BOM、工藝BOM、制造BOM等的關(guān)聯(lián)關(guān)系、數(shù)據(jù)繼承關(guān)系,使每個實物對象均具有各過程BOM的基本信息,實現(xiàn)實物制造信息的可視化。實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、統(tǒng)一架構(gòu)、覆蓋產(chǎn)品全生命周期的工程制造數(shù)據(jù),實現(xiàn)制造技術(shù)狀態(tài)控制并實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量追溯和變更影響分析,具體過程示意如圖3所示。
圖3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)BOM演化與數(shù)據(jù)驅(qū)動過程示意
依據(jù)產(chǎn)品研制各環(huán)節(jié)對質(zhì)量數(shù)據(jù)的需求,建立以BOM為核心的貫通設(shè)計、生產(chǎn)、試驗、物資、使用的產(chǎn)品全生命周期質(zhì)量數(shù)據(jù)管理集成平臺,平臺構(gòu)建架構(gòu)如圖4所示,包括產(chǎn)品裝機信息、測試信息、履歷信息的集成管理,形成航天產(chǎn)品完整的質(zhì)量數(shù)據(jù)包。隨著數(shù)據(jù)采集、管理、存儲、分析和展現(xiàn)的逐步實現(xiàn),進一步挖掘各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)潛在的價值,基于大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)品驗收數(shù)據(jù)包自動生成、同類產(chǎn)品的橫向數(shù)據(jù)自動比對與一致性評價,通過知識和數(shù)據(jù)的重用、共享,對整個生產(chǎn)流程進行剖析和精細建模,建立數(shù)字孿生模型,通過仿真分析確保設(shè)計和制造準確執(zhí)行,實現(xiàn)面向產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析、故障診斷、質(zhì)量溯源、質(zhì)量評價等。
圖4 面向產(chǎn)品的質(zhì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用
隨著對數(shù)據(jù)需求的梳理和對現(xiàn)狀的再認識,“數(shù)據(jù)驅(qū)動”工作不單是簡單的數(shù)據(jù)收集、整理和分析,是一種科學(xué)管理方法和理念的變革,具有長期性、持續(xù)性和必要性的特點。通過實施數(shù)據(jù)驅(qū)動,從以人為中心的研制模式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐阅P蜑橹行牡难兄颇J?,從面向?qū)嵨锂a(chǎn)品質(zhì)量管控的管理模式轉(zhuǎn)變?yōu)橥瑫r面向虛體(數(shù)據(jù))和實物進行質(zhì)量管控的管理模式。“數(shù)據(jù)驅(qū)動”作為數(shù)字化工廠建設(shè)的核心任務(wù),是一項長期的系統(tǒng)工程,是一種管理方法和理念的變革。
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4 趙波,郭楠,胡靜宜,等. 智能制造能力成熟度模型白皮書(1.0)[M]. 2016
Data Driven Overall Design for Aerospace Product Quality Management
Liang Dan1Liu Hui1Li Shilong2
(1. Capital Aerospace Machinery Co., Ltd., Beijing 100076;2. Beijing Bayi School, Beijing 100080)
Based on the development of current manufacturing information technology, the concept of data driven was analyzed. The present situation of aerospace quality data management was discussed, and the overall design was put forward. The technical way of data design based on BOM and quality management platform was also proposed.
aerospace product quality;data driven;quality management platform
2018-11-14
梁丹(1981),碩士,工業(yè)與制造系統(tǒng)工程專業(yè);研究方向:數(shù)字化制造。