航空軍品生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)管理

殷亮

摘 要：隨著飛機(jī)性能的提升，航空軍品對(duì)質(zhì)量的要求在不斷增加，產(chǎn)品的合格率和質(zhì)量穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文章分析了在航空軍品生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀和問(wèn)題，并以某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片合格率提升為例，闡述了通過(guò)數(shù)據(jù)管理提高產(chǎn)品質(zhì)量的一些成效，對(duì)于軍品生產(chǎn)的企業(yè)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：航空軍品;數(shù)據(jù)管理;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);葉片合格率

中圖分類號(hào)：F270.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）12-0013-02

0 引言

航空產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集、分析找出影響因素和關(guān)鍵的控制點(diǎn)，制定措施對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性，提高產(chǎn)品的合格率。因此，向數(shù)據(jù)要質(zhì)量和效益是當(dāng)前各軍工企業(yè)越來(lái)越重視的方向。

1 生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)

生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)兩大類。

生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)指生產(chǎn)過(guò)程中的與生產(chǎn)流程相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括了各工序生產(chǎn)的周期，等待的周期、工時(shí)的統(tǒng)計(jì)、設(shè)備的維保時(shí)間、設(shè)備的有效利用時(shí)間、物料的采購(gòu)周期、供應(yīng)商的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)等等。生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)對(duì)于生產(chǎn)制造的管理提升起到?jīng)Q定性的作用。

工藝數(shù)據(jù)指生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的與生產(chǎn)工藝相關(guān)的工藝參數(shù)，包括各工序的工藝參數(shù)、原材料的技術(shù)指標(biāo)、產(chǎn)品的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品的工藝更改數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)的具體缺陷數(shù)據(jù)等。工藝數(shù)據(jù)目前有兩個(gè)主要特征：一是由于大部分的企業(yè)尚未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，數(shù)據(jù)的采集依賴人工記錄，因此數(shù)據(jù)在時(shí)間上有一定的滯后性;二是工藝數(shù)據(jù)隨時(shí)間波動(dòng)，部分?jǐn)?shù)據(jù)表現(xiàn)為復(fù)雜的非線性特征，并且之間存在相互耦合的現(xiàn)象。工藝數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)合格率，維護(hù)產(chǎn)品的質(zhì)量穩(wěn)定性具有重要意義。

2 生產(chǎn)過(guò)程中數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀及分析

當(dāng)前各航空企業(yè)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)較為關(guān)注，通過(guò)購(gòu)買市面上的成熟系統(tǒng)MES/SPC等或者自己開(kāi)發(fā)出來(lái)的生產(chǎn)控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的流程數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并關(guān)聯(lián)，用于指導(dǎo)生產(chǎn)管理，取得了很好的效果，例如行業(yè)內(nèi)的昌飛、沈飛、黎明等主機(jī)廠，非常值得學(xué)習(xí)和借鑒。

就MES（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)）而言，可監(jiān)控從原材料進(jìn)廠到產(chǎn)品的入庫(kù)的全部生產(chǎn)過(guò)程，記錄生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)品所使用的材料、設(shè)備，產(chǎn)品檢測(cè)的數(shù)據(jù)和結(jié)果以及產(chǎn)品在每個(gè)工序上生產(chǎn)的時(shí)間、人員等信息。這些信息的收集經(jīng)過(guò)MES系統(tǒng)加以分析，就能通過(guò)系統(tǒng)報(bào)表實(shí)時(shí)呈現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)進(jìn)度、目標(biāo)達(dá)成狀況、產(chǎn)品品質(zhì)狀況，以及產(chǎn)的人、機(jī)、料的利用狀況，這樣讓整個(gè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)完全透明化。通過(guò)MES系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)，可以提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的及時(shí)性、準(zhǔn)確性，避免人為干擾，促使企業(yè)管理標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)也可以使企業(yè)內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)控制層與管理層之間的信息互聯(lián)互通，以此提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。

由于航空軍品基本都是多品種小批量的訂單，生產(chǎn)流程也很長(zhǎng)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中，任務(wù)、資源、工序流程復(fù)雜，約束條件很多，并且完全是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。部分軍工企業(yè)需要的就是在可以容忍的時(shí)間內(nèi)（例如10分鐘）排出一個(gè)最優(yōu)化的調(diào)度計(jì)劃。并且這個(gè)排程計(jì)劃的優(yōu)化程度是可以判斷和量化的，同時(shí)還可以預(yù)測(cè)對(duì)今后的影響（比如可以看到三個(gè)月后的情況）。對(duì)此，部分軍工企業(yè)上馬APS系統(tǒng)。

相比生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)，大多數(shù)的航空企業(yè)對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的工藝數(shù)據(jù)的收集和使用并不十分重視，管理薄弱。突出表現(xiàn)在：（1）數(shù)據(jù)的覆蓋面不全。雖然軍品的生產(chǎn)要求所有生產(chǎn)記錄必須進(jìn)行保存，但是記錄的只是部分的工藝數(shù)據(jù)，還是有很多工藝數(shù)據(jù)沒(méi)有被記錄下來(lái)。沒(méi)有記錄下來(lái)的原因一是由于憑經(jīng)驗(yàn)舍棄的數(shù)據(jù)，二是沒(méi)有相應(yīng)的手段進(jìn)行測(cè)量，無(wú)法記錄。（2）數(shù)據(jù)的使用率不高。各航空企業(yè)的建立時(shí)間都很早，航空軍品的生產(chǎn)至今已經(jīng)積累了很多的數(shù)據(jù)，但是大部分?jǐn)?shù)據(jù)都是紙質(zhì)保存，作為質(zhì)量審核的資料來(lái)對(duì)待，并沒(méi)有真正用起來(lái)。（3）數(shù)據(jù)的質(zhì)量不高。由于目前的數(shù)據(jù)記錄工作嚴(yán)重依賴操作人，手工記錄增加了操作人的工作量，同時(shí)也增加了記錄的出錯(cuò)率。（4）數(shù)據(jù)的“孤島現(xiàn)象”突出。航空軍品的生產(chǎn)流程較長(zhǎng)，各工序之間的數(shù)據(jù)未進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成數(shù)據(jù)孤島，無(wú)法進(jìn)行全面的分析。

3 數(shù)據(jù)管理與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

在大數(shù)據(jù)技術(shù)興起的工業(yè)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)管理的作用越來(lái)越突出。德國(guó)提出的工業(yè)4.0，美國(guó)提出的先進(jìn)制造業(yè)國(guó)家戰(zhàn)略、英國(guó)提出工業(yè)2050戰(zhàn)略、法國(guó)提出未來(lái)工業(yè)、歐盟提出歐洲2020、日本提出科技工業(yè)聯(lián)盟以及我國(guó)的中國(guó)制造2025均提出了智能制造的概念，同時(shí)也都指出了數(shù)據(jù)管理的重要性，通過(guò)數(shù)據(jù)管理得到效益的例子屢見(jiàn)不鮮：

作為世界最大的提供技術(shù)和服務(wù)業(yè)務(wù)的跨國(guó)公司，GE每天分析各類機(jī)器的5000萬(wàn)種參數(shù)，這些參數(shù)來(lái)自1000萬(wàn)臺(tái)工業(yè)設(shè)備上的傳感器，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的采集和分析，使生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量得到了提升，開(kāi)發(fā)和推出新產(chǎn)品的周期被縮短，同時(shí)成本也降低。在GE的數(shù)字化蒸汽電廠中，1萬(wàn)多個(gè)傳感器遍布在發(fā)電廠內(nèi)，他們傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠幫助管理者實(shí)時(shí)對(duì)關(guān)鍵流程進(jìn)行監(jiān)控。燃料和空氣是蒸汽和發(fā)電過(guò)程的兩個(gè)元素，燃燒混合燃料當(dāng)中的燃料過(guò)多，可能會(huì)導(dǎo)致排放增加，空氣太少，又會(huì)導(dǎo)致燃燒效率降低。通過(guò)數(shù)據(jù)分析，微調(diào)電子參數(shù)，效率就可以提高一個(gè)百分點(diǎn)，相當(dāng)于為電廠10年內(nèi)增加2000萬(wàn)美元的收入。

機(jī)械是生產(chǎn)工具也是工業(yè)資產(chǎn)。通過(guò)數(shù)據(jù)采集分析，挖掘設(shè)備的使用規(guī)律，提高資產(chǎn)性能，延長(zhǎng)資產(chǎn)壽命，增強(qiáng)資產(chǎn)安全。據(jù)測(cè)算，通過(guò)數(shù)據(jù)管理和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，能夠幫助航空業(yè)提升1%的燃油效率，能節(jié)省300億美元燃油開(kāi)支;幫助提升1%的石油勘探資本利用率，能節(jié)省900億美元支出;幫助鐵路行業(yè)提升1%的運(yùn)營(yíng)效率，節(jié)省270億美元;幫助醫(yī)療行業(yè)提升1%效率，能夠節(jié)省630億美元。預(yù)計(jì)到2020年，全球得益于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將帶動(dòng)GDP增量達(dá)15萬(wàn)億美元，相當(dāng)于目前美國(guó)GDP總量的90%，其中數(shù)據(jù)管理是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心。

當(dāng)前我國(guó)航空軍品生產(chǎn)過(guò)程中由于行業(yè)的特殊性及保密的要求，真正運(yùn)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的企業(yè)并不多，但是數(shù)據(jù)管理的理念越來(lái)越受到重視。

4 探索實(shí)例

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片鑄件的合格率較低，近兩年交付量急劇增加，成本隨之上升。在上述工藝數(shù)據(jù)管理的現(xiàn)狀下，某軍工企業(yè)利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)該葉片的質(zhì)量進(jìn)行提升，作為企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用的一次探索。

4.1 工藝路線

該葉片鑄件的主要工藝路線圖1所示。

4.2 MineSet軟件

本實(shí)例采用MineSet軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，MineSet軟件是由SGI公司和美國(guó)Standford大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的多任務(wù)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)。MineSet集成多種數(shù)據(jù)挖掘算法和可視化工具，可以直觀地、實(shí)時(shí)地發(fā)掘、理解大量數(shù)據(jù)背后的知識(shí)。

4.3 工作流程

本文章通過(guò)對(duì)10批次葉片的生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，包括葉片型殼、熔煉澆鑄工藝參數(shù)以及葉片質(zhì)量結(jié)果，利用MINESET軟件進(jìn)行分析，從而找出數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)果的影響，識(shí)別工藝關(guān)鍵控制點(diǎn)，通過(guò)改善控制點(diǎn)，使葉片交付合格率提升：

項(xiàng)目組首先成立了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)，包括了負(fù)責(zé)人、技術(shù)人員、現(xiàn)場(chǎng)操作人等。通過(guò)項(xiàng)目章程規(guī)定了項(xiàng)目進(jìn)行過(guò)程中每個(gè)人的職責(zé)、例會(huì)制度、數(shù)據(jù)采集的流程等。由于部分參數(shù)沒(méi)有自動(dòng)化采集的設(shè)備，因此，組織技術(shù)人員列出數(shù)據(jù)收集項(xiàng)，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)收集表格并就如何收集數(shù)據(jù)對(duì)操作人進(jìn)行培訓(xùn)，同時(shí)安排操作人手工進(jìn)行記錄，由專人定期對(duì)各工序的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并錄入電腦中，便于后續(xù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，要定期進(jìn)行分析，對(duì)于分析出來(lái)的結(jié)果，及時(shí)反饋給現(xiàn)場(chǎng)操作人，并組織技術(shù)人員和現(xiàn)場(chǎng)操作人員共同制定改進(jìn)措施進(jìn)行改進(jìn)。數(shù)據(jù)分析的結(jié)果、改進(jìn)措施，改進(jìn)的結(jié)果均形成檔案留存，便于后續(xù)對(duì)比查閱。

4.4 數(shù)據(jù)參數(shù)設(shè)定

探索階段主要收集熔煉和后工序工藝過(guò)程參數(shù)，根據(jù)工藝控制要求，收集的參數(shù)內(nèi)容如下所示：

批號(hào)、模組號(hào)HC、型殼重量/g、操作人、日期、時(shí)間、坩堝容量、坩堝使用次數(shù)/次、母合金重量/kg、母合金熔化真空度/Pa、精煉溫度/℃、精煉時(shí)間、精煉真空度/Pa、澆注溫度/℃、澆注真空度/Pa、澆注速度/s、型殼保溫溫度/℃、型殼保溫時(shí)間/min、石墨保溫圈使用時(shí)間/爐、熱電偶使用時(shí)間/爐、型殼位置、漏斗使用次數(shù)/次、葉片編號(hào)、初檢報(bào)廢數(shù)量、報(bào)廢原因、缺陷位置、晶粒度報(bào)廢數(shù)量、晶粒度報(bào)廢原因、X射線報(bào)廢數(shù)量、X射線原因、熱處理設(shè)備、熱處理固溶溫度℃、充氬壓力bar、降溫時(shí)間（1210℃至1000℃）分/m、熱處理報(bào)廢數(shù)量、熱處理報(bào)廢原因、一次熒光報(bào)廢數(shù)量、一次熒光報(bào)廢原因、矯形操作人、矯形報(bào)廢數(shù)量、矯形報(bào)廢原因、去應(yīng)力操作人、去應(yīng)力設(shè)備編碼#、去應(yīng)力溫度℃、去應(yīng)力報(bào)廢數(shù)量、去應(yīng)力報(bào)廢原因、目視檢驗(yàn)報(bào)廢數(shù)量、目視檢驗(yàn)報(bào)廢原因、二次熒光報(bào)廢數(shù)量、二次熒光報(bào)廢原因、終檢報(bào)廢數(shù)量、終檢報(bào)廢原因。

4.5 分析結(jié)果及改進(jìn)

利用樸素貝葉斯方法進(jìn)行重要性分析，從分析可以看出，影響最重要的前5位參數(shù)為：時(shí)間段48.98%，葉片位置14.79%，操作人13%，澆注真空度7.17%，澆注溫度2.34%，其他參數(shù)總計(jì)占13.72%。通過(guò)數(shù)據(jù)表明，澆注時(shí)間、葉片位置以及操作人員是造成葉片報(bào)廢的前三個(gè)因素，應(yīng)該重點(diǎn)加強(qiáng)控制。

對(duì)影響合格率的前三個(gè)影響因素進(jìn)一步進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在中午、下午和晚上時(shí)間澆注的葉片合格率相近，介于54.2%～59.1%，上午的合格率為37.5%，早晨和凌晨合格率最低，分別為37.5%和23.8%。葉片位置從1～6的合格率分別為64.5%、41.9%、31%、66.7%、20.8%和52%，其中位置5最低，僅為20.8%，其次為位置3和2，為31%和41.9%。操作人員影響方面，王某合格率最高（70%），其次分別為趙某某（47.1%）、高某某（47%）、趙某某（36.2%）。

對(duì)此，項(xiàng)目組一方面加強(qiáng)操作人員技能培訓(xùn)，提高操作水平，將操作人員薪酬與葉片合格率掛鉤，提高操作人員的積極性;另一方面在現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，使用模擬仿真手段，收集相關(guān)材料的經(jīng)驗(yàn)或計(jì)算參數(shù)?；趯?shí)際生產(chǎn)條件及工藝，開(kāi)展葉片凝固流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和組織模擬研究，實(shí)現(xiàn)葉片缺陷、結(jié)構(gòu)變形等可視化預(yù)測(cè)，并提出工藝改進(jìn)方案。經(jīng)過(guò)上述兩方面的措施，后續(xù)葉片的合格率呈上升趨勢(shì)，平均合格率由45%上升到50%。

4.6 建議

（1）繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)模型的可信度，為將來(lái)更加精確的分析做好準(zhǔn)備;（2）對(duì)于澆注速度等參數(shù)，通過(guò)設(shè)備改造，改為自動(dòng)記錄，避免手動(dòng)記錄造成的誤差，以更符合實(shí)際的生產(chǎn)情況;（3）軍工企業(yè)的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行保密，尤其涉及一些具體的軍品型號(hào)任務(wù)要更加注意。

5 結(jié)語(yǔ)

數(shù)據(jù)是資產(chǎn)，是一個(gè)企業(yè)的核心資源，受到越來(lái)越多企業(yè)的重視。軍工企業(yè)承擔(dān)著富國(guó)強(qiáng)軍重要使命，更應(yīng)該管理好數(shù)據(jù)，利用好數(shù)據(jù)，使軍工企業(yè)更好更快的發(fā)展，保障我國(guó)的國(guó)防事業(yè)邁向更高的臺(tái)階。