大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究（上）

文/齊作玉，許樹森·上海重型機(jī)器廠有限公司

大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究（上）

文/齊作玉，許樹森·上海重型機(jī)器廠有限公司

針對(duì)我國大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定問題和質(zhì)量分析數(shù)據(jù)缺乏問題，結(jié)合《中國制造2025》戰(zhàn)略，對(duì)大鍛件大數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究。提出大鍛件工藝參數(shù)化方法和工藝細(xì)化軟件是增加大鍛件數(shù)據(jù)價(jià)值、實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)目標(biāo)的源頭；開發(fā)應(yīng)用工藝質(zhì)量信息系統(tǒng)、采集存儲(chǔ)工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)并加以集成，可構(gòu)成有價(jià)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(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，突破了傳統(tǒng)難以科學(xué)分析大鍛件數(shù)據(jù)的限制。

齊作玉，高級(jí)工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事大鍛件工藝和產(chǎn)品質(zhì)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(huì)頭腦風(fēng)暴專家，大鍛件理事會(huì)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(shè)備能力、大鍛件尺寸和產(chǎn)量規(guī)模方面，都已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。然而，在質(zhì)量和效益方面與世界領(lǐng)先企業(yè)相比，明顯還處于劣勢(shì)。多年來，行業(yè)和企業(yè)一直面臨著一些嚴(yán)峻的問題和挑戰(zhàn)，其中質(zhì)量問題和數(shù)據(jù)問題已成為共識(shí)。

有待解決的問題

質(zhì)量問題

大鍛件作用關(guān)鍵、造價(jià)昂貴、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝造成其制造風(fēng)險(xiǎn)一直很大、報(bào)廢率較高，常常出現(xiàn)首件干成功，下一件就可能報(bào)廢的情況。鍛件一旦報(bào)廢，不僅生產(chǎn)企業(yè)遭受巨大損失，整個(gè)相關(guān)重大項(xiàng)目及產(chǎn)業(yè)也會(huì)受到一定影響。

然而，在質(zhì)量控制上，我國大鍛件企業(yè)主要還是依賴個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，個(gè)人經(jīng)驗(yàn)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(gè)中國大鍛件行業(yè)一直都缺少定量化、精細(xì)化和系統(tǒng)化的質(zhì)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(zhì)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(zhì)量控制方面，數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用還十分薄弱。實(shí)際分析問題時(shí)，常常缺少有價(jià)值的數(shù)據(jù)。工程師在認(rèn)真調(diào)查分析大鍛件的質(zhì)量問題時(shí)，需要收集工藝設(shè)計(jì)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(cè)和試驗(yàn)結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)。但是，常常會(huì)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(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)殘缺不全、有效利用無法實(shí)現(xiàn)等一系列問題。多年來，質(zhì)量專家在對(duì)大鍛件企業(yè)進(jìn)行質(zhì)量體系審核時(shí)，曾多次提出要加強(qiáng)統(tǒng)計(jì)學(xué)的應(yīng)用。但實(shí)際上因缺乏數(shù)據(jù)，企業(yè)始終無法開展。

核電安全和質(zhì)量審核專家在監(jiān)察時(shí)也曾建議，核電大鍛件生產(chǎn)企業(yè)要“從不符合項(xiàng)的類別、數(shù)量、發(fā)生工序、產(chǎn)生原因等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、比較和分析”。然而，實(shí)際上企業(yè)往往做不到。因?yàn)槠髽I(yè)至少面臨三個(gè)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(xué)統(tǒng)計(jì)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(zhì)量不易或不能通過其后的檢驗(yàn)或試驗(yàn)而得到充分驗(yàn)證，因而也是缺乏數(shù)據(jù)及參數(shù)、無法開展科學(xué)分析；三是目前國內(nèi)大鍛件工藝質(zhì)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(shè)備和儀器中有了電子記錄，但也是相互獨(dú)立和離散的，無法形成關(guān)聯(lián)和系統(tǒng)性記錄，結(jié)果還是缺乏數(shù)據(jù)。

以上質(zhì)量問題和數(shù)據(jù)問題的實(shí)質(zhì)是一個(gè)缺乏數(shù)據(jù)問題。缺乏數(shù)據(jù)就難以進(jìn)行科學(xué)的分析，就無法穩(wěn)定地控制質(zhì)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(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)型發(fā)展的一個(gè)關(guān)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(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)。《中國制造2025》在戰(zhàn)略任務(wù)和重點(diǎn)、關(guān)于推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的任務(wù)中，明確提出，“促進(jìn)大數(shù)據(jù)在企業(yè)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、銷售服務(wù)等全流程和全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合集成應(yīng)用”。德國工業(yè)4.0是德國政府2010年確定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》。該戰(zhàn)略也強(qiáng)調(diào)了，實(shí)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(jià)值。數(shù)據(jù)在中國大鍛件企業(yè)的應(yīng)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(shí)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(shí)際上，前面所述大鍛件數(shù)據(jù)不足的問題是相對(duì)的，指的是形成有價(jià)值的數(shù)據(jù)不足。一個(gè)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(yàn)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(chǔ)和分析利用而已。

以下將對(duì)大鍛件大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)價(jià)值設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集途徑、數(shù)據(jù)分析決策和系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行研究。該研究可為根本性解決我國大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定問題、實(shí)現(xiàn)大鍛件的智能制造和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)提供一種新的實(shí)施途徑。

數(shù)據(jù)價(jià)值設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)價(jià)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(jì)算。這些都是積累數(shù)據(jù)后期發(fā)展的結(jié)果。數(shù)據(jù)價(jià)值還可以通過設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)生成采集模型，確保初期就奠定數(shù)據(jù)價(jià)值基礎(chǔ)，更早獲得數(shù)據(jù)價(jià)值。根據(jù)大鍛件行業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際情況和數(shù)據(jù)特征，后者更加重要。設(shè)計(jì)大鍛件數(shù)據(jù)價(jià)值，必須從源頭入手，也就是從工藝設(shè)計(jì)入手，以最終實(shí)現(xiàn)智能制造為目標(biāo)。

工藝參數(shù)化

傳統(tǒng)上，無論是工藝教科書、工藝手冊(cè)、工藝規(guī)范還是實(shí)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(gè)數(shù)值來表示的。然而，簡(jiǎn)單照搬某些數(shù)值可能會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量問題。例如，在大鍛件鍛壓工藝方面，鋼錠的預(yù)鐓粗鍛造比定為2，實(shí)際對(duì)某些錠型就會(huì)產(chǎn)生質(zhì)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(xué)的函數(shù)式來予以表達(dá)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行公式化和系統(tǒng)化處理。大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化對(duì)于大數(shù)據(jù)有重要意義，通過參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成了新的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)量數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)分析的價(jià)值基礎(chǔ)，成為積累數(shù)據(jù)、改進(jìn)傳統(tǒng)大鍛件工藝、穩(wěn)定大鍛件質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)工藝創(chuàng)新的基礎(chǔ)。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?xiàng)l件。

精細(xì)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(rèn)識(shí)到，用精細(xì)化工藝和非自由化工藝的概念是解決大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定的必要措施和發(fā)展方向?，F(xiàn)有精細(xì)化鍛壓工藝的主要發(fā)展是在拔長工藝上，如寬砧高溫強(qiáng)壓法、無曼內(nèi)斯曼效應(yīng)鍛造法。但是目前主要存在如下問題：

⑴引進(jìn)的國外技術(shù)，缺少對(duì)原理的緊密捆綁匹配度。應(yīng)用時(shí)仍容易造成工具條件、進(jìn)砧操作條件和有效拔長趟數(shù)等條件不匹配，導(dǎo)致達(dá)不到中心壓實(shí)的目的，甚至還可能惡化鍛件的內(nèi)部缺陷。

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

⑶國內(nèi)外對(duì)拔長坯料的展寬計(jì)算方法有很多種研究，究竟哪個(gè)方法準(zhǔn)確？哪個(gè)方法更適合自己的企業(yè)？這需要通過實(shí)踐來調(diào)整驗(yàn)證。精細(xì)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(xì)化工藝及專家軟件雛形示意圖

精細(xì)化工藝及專家軟件對(duì)大數(shù)據(jù)的意義主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn):⑴充分考慮了工藝與質(zhì)量的關(guān)系，增加了工藝質(zhì)量控制參數(shù)和動(dòng)態(tài)適應(yīng)，從而增加了有價(jià)值工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)量；⑵增加了獲取有價(jià)值工藝記錄數(shù)據(jù)的必要性和可能性。為建立精細(xì)化工藝數(shù)據(jù)、精細(xì)化工藝操作記錄、后續(xù)質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)、工藝設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析和大數(shù)據(jù)分析奠定了價(jià)值基礎(chǔ)。

圖2 大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)

我們分析一個(gè)完整的大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括決策服務(wù)層、分析管理層、采集存儲(chǔ)層和價(jià)值設(shè)計(jì)層，每層的具體內(nèi)容如圖2所示。