衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)研究

萬 峰 陳小弟 邢香園 吳劍鋒

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衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)研究

萬 峰 陳小弟 邢香園 吳劍鋒

（上海衛(wèi)星裝備研究所，上海200240）

針對衛(wèi)星總裝工藝流程復雜多變、采集數(shù)據(jù)種類多、集成管理要求高等特點，設計了一種衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，研究了基于裝配流程和要素的數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)記錄表格柔性化定制、基于條碼和RFID的信息自動采集、數(shù)字化裝備采集數(shù)據(jù)在線集成、多源異構(gòu)采集數(shù)據(jù)集成管理等關鍵技術，并介紹了系統(tǒng)實現(xiàn)方法和主要功能。該系統(tǒng)已成功應用于多個衛(wèi)星型號研制中，應用效果良好。

衛(wèi)星總裝；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)管理

1 引言

衛(wèi)星是復雜的航天裝備，其總裝具有周期長、技術難度大、質(zhì)量控制嚴格等特點。在衛(wèi)星總裝過程中需采集精度測量數(shù)據(jù)、質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)、生產(chǎn)進度數(shù)據(jù)等大量數(shù)據(jù)。實現(xiàn)數(shù)據(jù)的準確、及時、完整采集和有效管理，對質(zhì)量和技術狀態(tài)管控、產(chǎn)品數(shù)據(jù)包構(gòu)建、設計與工藝改進等都具有重要的意義。

目前國內(nèi)外對裝配數(shù)據(jù)采集的研究主要集中在自動化程度較高、生產(chǎn)順序確定、采集對象固定的流水式裝配線[1]，而衛(wèi)星等航天產(chǎn)品屬于研制型生產(chǎn)和離散型裝配模式，技術狀態(tài)變化頻繁，存在大量逆流程，難以采用流水線數(shù)據(jù)采集方式。近年來，航天裝配企業(yè)依托MES等系統(tǒng)進行產(chǎn)品裝配過程的數(shù)字化管控[2，3]，并逐步集成自動化設備和數(shù)據(jù)采集終端，實現(xiàn)在線采集，但在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)柔性化配置、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成化管理等方面還需進一步研究和改進。

本文針對衛(wèi)星總裝的特點和需求，提出一種衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集和管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為MES系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)之一，采用基于裝配流程和要素的數(shù)據(jù)采集方法，開發(fā)集成多種數(shù)據(jù)采集功能，在多個衛(wèi)星型號研制中開展了工程應用，取得了良好的效果。

2 衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集與管理需求

衛(wèi)星總裝由裝配工藝和生產(chǎn)計劃驅(qū)動數(shù)據(jù)采集，即在工藝文件中確定數(shù)據(jù)采集要求，隨著生產(chǎn)計劃執(zhí)行完成數(shù)據(jù)采集工作，主要包括兩個階段：

a. 裝前準備階段：工藝人員在編制總裝工藝時，根據(jù)質(zhì)量檢驗、關鍵工序控制、特殊作業(yè)等活動要求確定數(shù)據(jù)采集內(nèi)容、采集方式及技術要求，形成完整的裝配工藝，隨著生產(chǎn)計劃下發(fā)至車間；

b. 裝配實施階段：工人按照裝配工藝進行操作、檢驗和完工簽署，在此過程中，利用數(shù)據(jù)記錄表格、檢測設備、多媒體采集設備等獲取各類數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行分析處理、反饋和歸檔。

衛(wèi)星總裝過程需采集產(chǎn)品數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)等，采集方式包括手工錄入、自動化和半自動化采集，目前大部分的數(shù)據(jù)通過以下方式獲得：

a. 記錄表格采集：衛(wèi)星總裝過程中大量數(shù)據(jù)通過表格進行記錄，而表格種類多，其中常用表格約一百多種，如單機裝拆記錄表、接插件插拔記錄表、產(chǎn)品檢查記錄表等，表格模板會根據(jù)需要更新；

b. 設備采集：通過自動化工藝裝備、數(shù)字化檢測設備等進行數(shù)據(jù)在線采集與傳輸，同時也采用條碼槍、RFID讀寫器、刷卡器、現(xiàn)場圖像采集設備（如攝像機、照相機等）等進行數(shù)據(jù)采集；

c. 軟件系統(tǒng)集成采集：通過MES系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集模塊輸入完工數(shù)據(jù)、裝配進度數(shù)據(jù)、返工返修數(shù)據(jù)等，也通過與PDM、ERP、質(zhì)量管理系統(tǒng)等集成獲取相關數(shù)據(jù)。

由于衛(wèi)星總裝工藝流程復雜、數(shù)據(jù)種類和采集方式較多，而尚未形成通用化、規(guī)范化的數(shù)據(jù)采集方法和統(tǒng)一的系統(tǒng)工具，導致不同型號產(chǎn)品數(shù)據(jù)包的顆粒度不一致，數(shù)據(jù)分散、整理工作量大、追溯和查詢困難；同時，在電子記錄表格柔性定制、自動化采集設備數(shù)據(jù)集成等方面缺少功能模塊支撐，數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化程度、采集效率和實時性都有待提高。因此，亟需開發(fā)相關系統(tǒng)功能來解決上述問題。

3 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

圖1 衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和功能模型如圖1所示，采用分層設計思路，各層描述如下：

a. 設備層：開發(fā)數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)數(shù)字化檢測設備、自動化工裝和物料設備等數(shù)據(jù)的在線讀取；開發(fā)中間件，集成條碼設備、RFID系統(tǒng)、平板電腦、刷卡器、傳感器等數(shù)據(jù)采集終端獲取的數(shù)據(jù)；

b. 通信層：采用現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和無線傳感網(wǎng)組成的混合式通信網(wǎng)絡；

c. 數(shù)據(jù)庫層：構(gòu)建裝配流程、質(zhì)檢數(shù)據(jù)、設備參數(shù)等數(shù)據(jù)庫，進行數(shù)據(jù)分類存儲；

d. 業(yè)務層：包含數(shù)據(jù)采集方法設計、數(shù)據(jù)采集執(zhí)行、采集數(shù)據(jù)管理等主要功能，并提供與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口；

e. 應用層：數(shù)據(jù)采集作為核心功能模塊，與MES系統(tǒng)中的生產(chǎn)計劃管理、監(jiān)控看板等模塊進行業(yè)務集成，同時與ERP、質(zhì)量信息管理系統(tǒng)等外部系統(tǒng)進行集成應用。

4 系統(tǒng)關鍵技術

4.1 基于裝配流程和要素的數(shù)據(jù)采集方法

衛(wèi)星裝配流程是驅(qū)動資源組織和裝配執(zhí)行的工作流，不同產(chǎn)品具有不同的裝配流程，而數(shù)據(jù)采集流程是裝配流程的子流程。本系統(tǒng)通過工作流引擎將數(shù)據(jù)采集子流程與裝配主流程進行嵌套關聯(lián)，針對不同的數(shù)據(jù)采集要求進行動態(tài)配置和集成管控。具體步驟如下：

a. 裝配流程構(gòu)建：繪制由串（并）聯(lián)的工序鏈構(gòu)成的工藝流程圖并集成工藝信息，形成裝配工藝流程，通過生產(chǎn)計劃進行工藝流程的實例化，形成某個產(chǎn)品的裝配流程，具體方法請參見文獻[4]；

b. 數(shù)據(jù)采集流程構(gòu)建：在工步、工序等不同層級設置數(shù)據(jù)采集點，并詳細設置采集內(nèi)容、使用設備、方法、采集順序等，形成數(shù)據(jù)采集流程。數(shù)據(jù)采集流程與裝配流程嵌套示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程與裝配流程嵌套示意圖

c. 數(shù)據(jù)采集執(zhí)行與管控：當裝配執(zhí)行至數(shù)據(jù)采集點時，根據(jù)數(shù)據(jù)采集流程，采用對應的采集方法或設備依次進行每項采集活動，統(tǒng)一管理獲得的數(shù)據(jù)；同時，根據(jù)生產(chǎn)計劃和工藝的變化進行數(shù)據(jù)采集流程的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)裝配過程和數(shù)據(jù)采集過程的閉環(huán)控制。

由于衛(wèi)星總裝需要進行反復裝調(diào)，存在許多重復或相似操作，例如單機裝拆涉及的外觀檢查、緊固件安裝、力矩測量等，將這些相互獨立、不可拆分、可重復的操作稱為衛(wèi)星總裝過程要素。本系統(tǒng)建立了總裝過程要素模板庫，對要素關聯(lián)的工藝信息分類管理，同時將要素對應的數(shù)據(jù)采集對象進行固化、方法進行統(tǒng)一，在裝配工藝流程創(chuàng)建時，基于要素模板實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集點和采集流程的快速、規(guī)范化配置。

圖3 基于要素的數(shù)據(jù)采集原理圖

以高頻電纜總裝為例，其基于要素的數(shù)據(jù)采集原理如圖3所示。首先，在高頻電纜總裝工藝流程的“裝星前檢查”和“高頻電纜接插連接”工序中分解出“高頻電纜裝星檢查”、“高頻電纜接插件插拔”等要素；其次，從要素模板庫中自動添加該要素對應的《裝星檢查記錄表》、《接插件插拔記錄表》等通用數(shù)據(jù)記錄表格以及數(shù)據(jù)采集設備、指標等信息；最后，在執(zhí)行該工序時，根據(jù)關聯(lián)的電子表格完成數(shù)據(jù)采集，獲取的數(shù)據(jù)可根據(jù)要素進行組織、比對與分析。

4.2 數(shù)據(jù)記錄表格柔性化定制

由于不同型號的技術指標、裝配流程、數(shù)據(jù)采集要求等差異較大，記錄表格種類繁多、樣式復雜，固定種類的電子表格模板已難以滿足需求，因此系統(tǒng)設計開發(fā)了柔性化表格定制工具，可高效生成數(shù)據(jù)采集表格并實現(xiàn)表格數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化管理，具體功能如下：

a. 表格模板柔性化定制：通過表格定制模塊進行表格模板定制，包括表格樣式設計（區(qū)域劃分、基本形狀、單元格大小、單元格位置等）、表格內(nèi)單元格屬性配置（如電子簽名、拍照、文本錄入等屬性配置）等，形成表格模板數(shù)據(jù)庫。表格定制流程如圖4所示。

圖4 表格模板柔性化定制流程

b. 表格模板實例化：工藝師選擇表格模板并輸入檢驗參數(shù)、簽署人員、依據(jù)文件與工序等信息，完成數(shù)據(jù)采集表格編制，并將與工藝文件一起提交至PDM進行電子簽審，然后將下發(fā)至總裝現(xiàn)場。

c. 表格數(shù)據(jù)記錄與存儲：總裝過程中，工人與檢驗人員利用計算機終端或平板電腦等移動采集設備進行表格數(shù)據(jù)的記錄，可進行電子簽署和多媒體數(shù)據(jù)的采集。表格中單元格數(shù)據(jù)通過行、列位置坐標在數(shù)據(jù)庫中進行結(jié)構(gòu)化存儲，并能通過屬性快速查詢。

4.3 基于條碼和RFID的信息自動采集

采用條碼和RFID技術實現(xiàn)衛(wèi)星總裝過程中物料齊套、產(chǎn)品位置等信息的高效采集，具體內(nèi)容如下：

a. 條碼與RFID標識：在產(chǎn)品或物料合適位置粘貼或集成統(tǒng)一規(guī)格的條碼和RFID標簽，其中RFID標簽包括普通標簽和抗金屬標簽，以適應不同材料抗信號干擾的要求。標簽由軟件系統(tǒng)自動分配包含編號、批次、供應方等基本信息的唯一識別碼。

b. 信息自動采集與處理：按照實際需求，在庫房、工位出入口等位置部署RFID讀寫器，當被標記對象在RFID識別范圍內(nèi)時，自動采集信息并實時發(fā)送給管理服務器記錄，軟件系統(tǒng)將采集信息與配套清單或預設產(chǎn)品信息匹配，若不一致則報警，避免出現(xiàn)差錯情況。在裝配過程中，通過條碼掃描設備或手持式RFID讀寫器對已裝配產(chǎn)品標簽進行掃描和快速識別，并將數(shù)據(jù)傳遞給MES系統(tǒng)，分析獲得裝配進度和狀態(tài)等信息，用于裝配過程管控。

4.4 數(shù)字化裝備采集數(shù)據(jù)在線集成

衛(wèi)星總裝中應用的數(shù)字化裝備主要包括以下幾類：a.精度測量系統(tǒng)、電纜檢測系統(tǒng)、質(zhì)量特性測試系統(tǒng)等數(shù)字化檢測設備；b.智能吊具、輔助裝星機器人、姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)等數(shù)字化工裝和輔助設備；c.自動化物料貨柜等物流設備；d.智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)以及溫濕度、空氣顆粒物、電磁輻射傳感器等環(huán)境數(shù)據(jù)采集設備。

通過數(shù)據(jù)采集硬件模塊、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡、軟件集成接口和數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)和集成，實現(xiàn)數(shù)字化裝備在線數(shù)據(jù)采集。在數(shù)據(jù)采集硬件方面，配備網(wǎng)絡接口及相關協(xié)議的設備可直接連接以太網(wǎng)采集，其他設備需加裝傳感器、PLC、工控機等相關模塊進行采集；在數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡方面，以現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)為主，通過交換機構(gòu)成數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡；在軟件集成接口方面，通過Web Service實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換和集成；在數(shù)據(jù)管理模塊方面，形成設備參數(shù)數(shù)據(jù)庫、精度數(shù)據(jù)庫等多類數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、查詢、統(tǒng)計分析和報告生成等功能，同時可對設備運行狀態(tài)進行監(jiān)控和報警，并對設備運行效率、利用率等進行效能分析，支持統(tǒng)計圖表輸出，為生產(chǎn)決策提供支持。

4.5 多源異構(gòu)采集數(shù)據(jù)集成管理

衛(wèi)星總裝過程采集的異構(gòu)數(shù)據(jù)包括可用表格表示的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和以源文件形式存在非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。采用關系數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式對異構(gòu)數(shù)據(jù)進行集成存儲，方法如圖5所示。在關系數(shù)據(jù)庫中建立檢驗數(shù)據(jù)表、精度測量數(shù)據(jù)表等主數(shù)據(jù)表，存儲結(jié)構(gòu)化采集數(shù)據(jù)；在服務器文件數(shù)據(jù)庫中，以源文件形式存儲模型、聲像數(shù)據(jù)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時在關系數(shù)據(jù)庫的關聯(lián)表中存儲非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存放地址，實現(xiàn)關聯(lián)存儲；系統(tǒng)間通過數(shù)據(jù)接口和統(tǒng)一的中間數(shù)據(jù)格式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 多源異構(gòu)采集數(shù)據(jù)集成存儲示意圖

在采集數(shù)據(jù)的組織和匯總方面，基于產(chǎn)品PBOM、生產(chǎn)計劃、裝配流程等信息構(gòu)建采集數(shù)據(jù)樹對采集數(shù)據(jù)進行組織，其層次結(jié)構(gòu)從上到下為項目、型號、研制階段、產(chǎn)品、裝配任務、裝配流程、總裝過程要素和具體采集數(shù)據(jù)。根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)包構(gòu)建要求，可對采集數(shù)據(jù)樹各層次數(shù)據(jù)進行提取、匯總和輸出。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用

基于上述研究，本文設計開發(fā)了“衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)”。該系統(tǒng)在原有“衛(wèi)星裝配過程管控系統(tǒng)”（MES系統(tǒng)）的開發(fā)框架下，基于VS.NET開發(fā)了B/S架構(gòu)的系統(tǒng)主體功能模塊，并采用Android平臺、Web Service及硬件集成開發(fā)包等工具開發(fā)了數(shù)據(jù)采集終端程序和軟硬件數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)了多種數(shù)據(jù)采集終端及設備的集成。該系統(tǒng)在風云四號等重點型號衛(wèi)星總裝過程中開展了應用，在檢驗數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化記錄、產(chǎn)品數(shù)據(jù)包構(gòu)建及設備狀態(tài)管控等方面取得了較好的應用效果。系統(tǒng)主要功能模塊如下。

5.1 數(shù)據(jù)采集方法設計模塊

該模塊包含裝配流程創(chuàng)建、數(shù)據(jù)采集信息配置、數(shù)據(jù)記錄表格柔性定制、采集設備準備等功能，在裝配工藝設計和計劃排產(chǎn)階段完成數(shù)據(jù)采集方法設計及相關設備的初始化，裝配流程和數(shù)據(jù)采集信息配置界面如圖6所示。

圖6 裝配流程和數(shù)據(jù)采集信息配置界面

5.2 數(shù)據(jù)采集執(zhí)行模塊

該模塊包含質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)、物料信息、設備數(shù)據(jù)、現(xiàn)場多媒體數(shù)據(jù)等采集功能，在裝配執(zhí)行階段應用電子記錄表格、條碼和RFID系統(tǒng)、平板電腦、刷卡器、設備集成接口等實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)完整采集，系統(tǒng)部分數(shù)據(jù)采集界面如圖7所示。

a 電子表格數(shù)據(jù)采集模塊

b 精度測量數(shù)據(jù)采集模塊

c RFID數(shù)據(jù)采集模塊

d 平板電腦數(shù)據(jù)采集模塊

圖7 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集界面

5.3 采集數(shù)據(jù)管理模塊

該模塊包含各類采集數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計及輸出的功能，可通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹對型號、裝配任務、裝配流程等層級進行數(shù)據(jù)查詢和匯總輸出，也可通過表格數(shù)據(jù)庫、物料數(shù)據(jù)庫、精測數(shù)據(jù)庫等不同的數(shù)據(jù)管理模塊獲取數(shù)據(jù)。

6 結(jié)束語

本文針對衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集和管理困難的問題，在分析數(shù)據(jù)采集業(yè)務流程的基礎上，提出一種衛(wèi)星總裝過程數(shù)據(jù)采集與管理系統(tǒng)，建立了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并重點研究了基于裝配流程和要素的數(shù)據(jù)采集方法、數(shù)據(jù)記錄表格柔性化定制等關鍵技術。通過系統(tǒng)開發(fā)和應用，提高了數(shù)據(jù)采集的完整性、實時性和集成水平，并為質(zhì)量和技術狀態(tài)控制以及產(chǎn)品數(shù)據(jù)包構(gòu)建提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源。該系統(tǒng)為航天裝配企業(yè)MES系統(tǒng)的構(gòu)建提供了有益思路，后續(xù)將依托該系統(tǒng)對車間物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建以及制造數(shù)據(jù)挖掘進行深入研究，為衛(wèi)星總裝智慧車間建設奠定基礎。

1 劉志，蔣增強，葛茂根，等．面向裝配的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控研究[J]. 機械工程師，2009(4)：52～54

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Research on Data Collection and Management System of Satellite Assembly Process

Wan Feng Chen Xiaodi Xing Xiangyuan Wu Jianfeng

(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240)

Aiming at the characteristics of complicated process, large variety of data collection and high requirement of integrated management in satellite assembly, a data collection and management system is designed.Its key techniques have been researched in detail,including the method of data collection based on assembly flow and element, flexible customization of data table, automatic collection of information based on RFID and bar code, on-line integration of equipment acquisition data, integration management of multi-sourced heterogeneous data and so on, then the realization method and main function of the system are introduced. The system has been successfully used in the development of several satellites and good application results are achieved.

satellite assembly；data collection；data management

萬峰（1988），碩士，機械工程專業(yè)；研究方向：數(shù)字化制造。

2017-06-19