航空發(fā)動機科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)應用研究

趙永宣

摘要：航空發(fā)動機作為國之重器，在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造以及供應鏈管理、服務保障等業(yè)務領(lǐng)域產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要進行大數(shù)據(jù)管理。通過對于行業(yè)發(fā)展情況，分析目前航空發(fā)動機科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)存在的問題和面臨的需求，進行科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺的架構(gòu)設計，并開展相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)研究，對航空發(fā)動機后續(xù)大數(shù)據(jù)的研究及應用提供了架構(gòu)支撐和技術(shù)支撐，同時，對科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)應用提出建議，進一步保障科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的應用落到實處。

關(guān)鍵詞：航空發(fā)動機；科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)；總體架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)

引言

航空發(fā)動機作為國之重器，是裝備制造業(yè)的尖端，更是衡量國家工業(yè)基礎、科技領(lǐng)先水平、綜合國力以及國防現(xiàn)代化程度的重要標志。盡快在這一領(lǐng)域突破，對于增強我國經(jīng)濟和國防實力，提升綜合國力具有重大意義。航空發(fā)動機產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造以及供應鏈管理、服務保障等業(yè)務領(lǐng)域產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，需要通過新型大數(shù)據(jù)技術(shù)的應用才能快速開展數(shù)據(jù)采集、抽取、存儲、檢索、分析、挖掘和展示，并從大量數(shù)據(jù)中挖掘出隱藏的業(yè)務規(guī)律、發(fā)展趨勢，最終達到提高航空發(fā)動機研制效率、保障航空發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化服務保障水平、提升企業(yè)經(jīng)營效益的目的。圍繞航空發(fā)動機，開展科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)技術(shù)研究，對各類數(shù)據(jù)進行有效管理和應用，利用新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展驅(qū)動我國航空發(fā)動機制造業(yè)邁向轉(zhuǎn)型升級的新階段——數(shù)據(jù)驅(qū)動的階段，這是新技術(shù)條件下制造業(yè)生產(chǎn)全流程、全產(chǎn)業(yè)鏈、產(chǎn)品全生命周期的數(shù)據(jù)可獲取、可分析、可執(zhí)行的必然結(jié)果。

一、行業(yè)情況分析

為了進一步提高產(chǎn)品可靠性、改進運營效果，國外幾乎所有的航空發(fā)動機制造商都對大數(shù)據(jù)應用進行了大量投資，在產(chǎn)品設計、制造和售后服務環(huán)節(jié)應用了大數(shù)據(jù)流程，以保護和提升自身品牌。設計階段通過巨大的高效能計算集群，開展多方異地協(xié)同設計，對發(fā)動機產(chǎn)品進行高逼真度的仿真，產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)進行分析，以優(yōu)化設計方案。生產(chǎn)制造階段通過將數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)，無論在工藝、計量還是質(zhì)量管理方面都朝著物聯(lián)網(wǎng)的方向發(fā)展。售后服務階段采用健康管理平臺，對每一臺發(fā)動機中上百個傳感器的數(shù)據(jù)采集進行及時地分析，致力于提前發(fā)現(xiàn)發(fā)動機的異常運行事件及可能的故障，提前警示是否需要保養(yǎng)，保證發(fā)動機產(chǎn)品的安全、持續(xù)運營。

羅羅公司的發(fā)動機被稱為“大數(shù)據(jù)引擎”。羅羅公司較早利用了大數(shù)據(jù)技術(shù)安排生產(chǎn)和維修，其全球發(fā)動機健康檢測中心建立了發(fā)動機健康管理系統(tǒng)（EHM），利用機載傳感器和實時衛(wèi)星地面運營中心傳送的發(fā)動機健康數(shù)據(jù)，來實時檢測上千臺“遄達”系列發(fā)動機的工作狀態(tài)，協(xié)助工程師了解每臺發(fā)動機的情況，以便合理安排使用和維修時間，同時幫助設計更加高效低耗的發(fā)動機。

普惠公司相繼啟動了十幾個數(shù)字化分析項目，包括監(jiān)測航空發(fā)動機性能的預測性模型等。普惠公司的商用航空發(fā)動機服務平臺“發(fā)動機智慧”，依托大數(shù)據(jù)，致力于幫助航空公司與租賃公司有效地開展業(yè)務，提供包括機隊管理計劃、發(fā)動機大修服務、材料解決方案等主要服務。采用尖端的數(shù)據(jù)分析及實時信息幫助預測與預防運營中斷的發(fā)生；改善與客戶的溝通，推動與客戶之間更加透明、更加緊密聯(lián)系的工作方式。

通用電氣（GE）公司致力于打造“傳感器+大數(shù)據(jù)”的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)模式。在維持發(fā)動機可靠性的同時，提高發(fā)動機的其他性能，同時避免發(fā)動機出現(xiàn)突發(fā)性故障而緊急返修是GE開展數(shù)據(jù)分析的目標。GE將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用推進到航空領(lǐng)域?qū)⒑艽蟪潭壬细淖儌鹘y(tǒng)的發(fā)動機定期翻修模式，而將基于大數(shù)據(jù)平臺收集發(fā)動機的數(shù)據(jù)資料，建立分析預測模型，從而預測發(fā)動機的損耗程度，制定更科學的檢查時間，以及未來最佳的發(fā)動機送修時機。

二、問題分析

我國航空發(fā)動機的研制模式是多廠多所聯(lián)合研制，覆蓋了整機、系統(tǒng)/單元體、成附件等研發(fā)、試制、試驗、維護，涉及到基礎應用、關(guān)鍵技術(shù)、核心機、驗證機、型號產(chǎn)品以及服役產(chǎn)品。但現(xiàn)階段我國航空發(fā)動機各研制過程和各對象均由不同單位承載實現(xiàn)，各類型的數(shù)據(jù)在歸屬權(quán)上屬于各單位，導致了如下問題：

（1）各單位之間存在一定壁壘效應，數(shù)據(jù)共享模式不成熟，為實現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合分析，需采集不同單位的不同業(yè)務系統(tǒng)數(shù)據(jù)，未能達到充分的數(shù)據(jù)共享，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的充分有效利用。

（2）雖然各單位的信息系統(tǒng)建設有序進行，但各系統(tǒng)各自為政，獨立建設，系統(tǒng)之間的集成較弱，部分基礎、跨系統(tǒng)/部門/單位共享的數(shù)據(jù)存在多頭維護現(xiàn)象，容易造成基礎數(shù)據(jù)的不一致。

（3）各單位所擁有的數(shù)據(jù)僅僅是特定階段或?qū)ο笾g的部分數(shù)據(jù)，未能有任何一家單位有一整臺航空發(fā)動機涵蓋從需求、設計、工藝、生產(chǎn)、試驗、交付、維護等全生命周期，這就導致未能有任何一家單位能夠站在用戶的角度統(tǒng)籌考慮一整臺航空發(fā)動機的全生命周期過程，基于問題的改進和能力提升，基于已有的數(shù)據(jù)開展整機的運行監(jiān)控和健康預測等。

三、大數(shù)據(jù)需求分析

為確保我國航空發(fā)動機事業(yè)發(fā)展過程中重要數(shù)據(jù)資產(chǎn)安全，實現(xiàn)對航空發(fā)動機全過程、全階段、全狀態(tài)、全生命周期、全層級的數(shù)據(jù)歸檔與質(zhì)量追溯，為數(shù)據(jù)歸集與共享、知識推送、建模挖掘、決策支持、智能感知生產(chǎn)經(jīng)營業(yè)務活動等各項航空發(fā)動機研制工作提供數(shù)據(jù)服務，為航空發(fā)動機科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)提出了以下需求：

（1）總體數(shù)據(jù)規(guī)劃，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準。突破單位及單個信息系統(tǒng)的界限，立足整個航空發(fā)動機行業(yè)，從整體、宏觀的角度理清數(shù)據(jù)流程，明確數(shù)據(jù)資源的分類、分級及數(shù)據(jù)模型，推進數(shù)據(jù)資源的標準化，促進不同應用系統(tǒng)間互聯(lián)互通。

（2）強化數(shù)據(jù)治理，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量。從組織、流程、技術(shù)、工具等不同維度出發(fā)，構(gòu)建完善的數(shù)據(jù)治理能力。建立數(shù)據(jù)管理維護組織，明確數(shù)據(jù)生產(chǎn)者、維護者、使用者等的責權(quán)，建立標準化的數(shù)據(jù)管理維護流程，建立數(shù)據(jù)評價考核指標體系，健全數(shù)據(jù)治理工具，最終達到提升數(shù)據(jù)質(zhì)量的目的。建立數(shù)據(jù)質(zhì)量管理機制，制定規(guī)范的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估監(jiān)督、響應問責和流程改善方案，積極應用先進的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理工具，形成數(shù)據(jù)質(zhì)量管理閉環(huán)。

（3）加強數(shù)據(jù)清洗，確保數(shù)據(jù)源頭質(zhì)量。在數(shù)據(jù)資源進入各級數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)管理平臺之前，需要大力開展數(shù)據(jù)清洗工作，及時發(fā)現(xiàn)并解決數(shù)據(jù)質(zhì)量問題。需識別并刪除重復數(shù)據(jù)，補充缺失值，光滑噪聲數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)唯一性、準確性、完整性。

（4）強化信息基礎設施，提升數(shù)據(jù)處理能力。在硬件設施方面，首先需要搭建海量的航空發(fā)動機科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)存儲的物理條件。同時，基于先進的分布式存儲、分布式計算、流計算、內(nèi)存計算、實時計算等技術(shù)，搭建海量數(shù)據(jù)離線、在線分析處理的基礎架構(gòu)，支撐各業(yè)務領(lǐng)域開展大數(shù)據(jù)分析挖掘應用工作。加強大數(shù)據(jù)資源采集匯聚信息基礎設施的升級改造，打通管理信息系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)傳感、控制、管理、運營等多源數(shù)據(jù)一體化集成。

（5）強化數(shù)據(jù)開放，促進綜合應用。應轉(zhuǎn)變理念，打破各單位之間的鴻溝，樹立開放共享的思想，促進應用系統(tǒng)的互聯(lián)互通，實現(xiàn)跨領(lǐng)域的綜合分析，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)共建共用、融合創(chuàng)新。

（6）明確數(shù)據(jù)應用場景，深挖數(shù)據(jù)潛能。數(shù)據(jù)本身不具備價值，必須和具體的應用場景相結(jié)合才能發(fā)揮作用。航空發(fā)動機科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)應用，重中之重還是基于行業(yè)特色，厘清業(yè)務痛點，結(jié)合業(yè)務發(fā)展趨勢，找出大數(shù)據(jù)與業(yè)務的結(jié)合點，明確大數(shù)據(jù)分析的應用場景。

（7）完善體制機制，保障數(shù)據(jù)安全。數(shù)據(jù)開放共享意味著數(shù)據(jù)面臨更大的安全威脅。各級數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)管理平臺存儲和處理不同安全級別的數(shù)據(jù)，需從機構(gòu)、管理、技術(shù)多方面統(tǒng)籌考慮，構(gòu)建完善的數(shù)據(jù)安全保障體系，防止數(shù)據(jù)被竊取，數(shù)據(jù)被非法修改、非法復制等。

四、大數(shù)據(jù)平臺架構(gòu)設計

按照“邏輯統(tǒng)一，物理分布”的原則構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心。在各單位的IT資源池上，按照“1+X”方式建設總數(shù)據(jù)中心和分數(shù)據(jù)中心，形成兩級部署的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)。兩級數(shù)據(jù)中心之間按需進行數(shù)據(jù)交換，逐步形成數(shù)據(jù)共享、提供數(shù)據(jù)服務和充分利用數(shù)據(jù)的良性生態(tài)圈。航空發(fā)動機大數(shù)據(jù)平臺總體架構(gòu)如下圖所示：

航空發(fā)動機科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺的技術(shù)構(gòu)成包括數(shù)據(jù)展示層、數(shù)據(jù)服務層、數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)集成層以及基礎設施層，科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)架構(gòu)如下圖所示：

五、大數(shù)據(jù)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

針對航空發(fā)動機大數(shù)據(jù)的研究和應用，應聚焦于以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）大數(shù)據(jù)采集技術(shù)

大數(shù)據(jù)的采集主要是通過PLC、SCADA、DCS 等系統(tǒng)從生產(chǎn)現(xiàn)場的機器設備實時采集數(shù)據(jù)，也可以通過數(shù)據(jù)交換接口從實時數(shù)據(jù)庫等系統(tǒng)以透傳或批量同步的方式獲取物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)。同時還需要從業(yè)務系統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)中采集所需的結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化業(yè)務數(shù)據(jù)。

（2）大數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)

大數(shù)據(jù)存儲與管理技術(shù)是針對大數(shù)據(jù)具有多樣性、多模態(tài)、高通量和強關(guān)聯(lián)等特性，研究的面向高吞吐量存儲、數(shù)據(jù)壓縮、數(shù)據(jù)索引、查詢優(yōu)化和數(shù)據(jù)緩存等能力的關(guān)鍵技術(shù)。

（3）大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

包括時序模式分析技術(shù)、工業(yè)知識圖譜技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)、大數(shù)據(jù)深度學習技術(shù)、大數(shù)據(jù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)等。目前主要探索方向是通過數(shù)字孿生體，實現(xiàn)物理世界到虛擬世界的映射?；跀?shù)字孿生體技術(shù)，可以實現(xiàn)生產(chǎn)制造過程中產(chǎn)品設計的協(xié)同化、遠程運維的智能化、產(chǎn)品試驗完全仿真化，大幅度提升生產(chǎn)效率和智能水平。

（4）大數(shù)據(jù)安全防護技術(shù)

大數(shù)據(jù)安全技術(shù)分為大數(shù)據(jù)接入安全、大數(shù)據(jù)平臺安全、大數(shù)據(jù)應用安全三個層次。其中大數(shù)據(jù)接入安全為現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、傳輸、轉(zhuǎn)換流程提供安全保障機制；大數(shù)據(jù)平臺安全為數(shù)據(jù)存儲、計算提供安全保障基礎；大數(shù)據(jù)應用安全為上層應用的接入、數(shù)據(jù)訪問等提供強力的安全管控。

（5）區(qū)塊鏈與大數(shù)據(jù)融合相關(guān)技術(shù)

通過區(qū)塊鏈技術(shù)核心特性及與大數(shù)據(jù)深度融合，實現(xiàn)對體系內(nèi)各類數(shù)據(jù)的高效便捷數(shù)據(jù)存證，以數(shù)據(jù)所有權(quán)確權(quán)，數(shù)據(jù)使用權(quán)授權(quán)及數(shù)據(jù)使用日志記錄等方式，提供數(shù)據(jù)知識產(chǎn)權(quán)保護、數(shù)據(jù)安全保護及數(shù)據(jù)追溯等核心功能，確保數(shù)據(jù)在安全可控的環(huán)境下進行匯聚、共享及應用。

（6） 大數(shù)據(jù)開放與應用接口標準體系

研究大數(shù)據(jù)開放的政策與策略，從數(shù)據(jù)的合法性、安全性、科學性上保障數(shù)據(jù)真實可靠；對科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺所涉及的產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)制造、維修、供應鏈管理和服務保障等各類型數(shù)據(jù)制定統(tǒng)一通用的數(shù)據(jù)開放標準，對元數(shù)據(jù)格式及數(shù)據(jù)交換格式進行定義；制定統(tǒng)一認證、統(tǒng)一授權(quán)的應用接口標準，分別從數(shù)據(jù)交換的技術(shù)要求、接口方式、數(shù)據(jù)格式、傳送方式、數(shù)據(jù)質(zhì)量等內(nèi)容，規(guī)范各類應用服務接口的數(shù)據(jù)交換，并指導新的應用開發(fā)。

（7）大數(shù)據(jù)治理技術(shù)

針對整體數(shù)據(jù)治理缺失的現(xiàn)狀，分析數(shù)據(jù)治理領(lǐng)域的典型案例、先進管理架構(gòu)與前沿技術(shù)，在數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)質(zhì)量、主數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)應用技術(shù)體系、數(shù)據(jù)治理管理架構(gòu)等方面開展研究。

六、結(jié)束語

為了進一步發(fā)揮航空發(fā)動機科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的價值，提高航空發(fā)動機研制效率、保障航空發(fā)動機產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化服務保障水平、提升企業(yè)經(jīng)營效益，在針對大數(shù)據(jù)平臺以及關(guān)鍵技術(shù)的研究和應用的基礎上，需要同步實施相關(guān)措施，保障大數(shù)據(jù)的應用實效。

（1）加大科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)工程的基礎性研究。主要包括科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)工程體系建設的政策研究、科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)工程標準體系研究等方面工作。

（2）加強重點領(lǐng)域技術(shù)預研。對科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)工程產(chǎn)業(yè)鏈中的關(guān)鍵技術(shù)，特別是保密環(huán)境下網(wǎng)絡、通信、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)進行深入研究、聯(lián)合攻關(guān)，解決制約科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)平臺工程建設的瓶頸問題。

（3）搭建信息共享和應用推廣平臺。圍繞科研生產(chǎn)大數(shù)據(jù)工程產(chǎn)業(yè)鏈，組織行業(yè)內(nèi)外優(yōu)勢資源，共同搭建信息共享和應用推廣的平臺，為開展相關(guān)技術(shù)及標準研究、促進產(chǎn)業(yè)鏈上下游合作、推動供需對接提供支撐。

（4）注重新型人才培養(yǎng)?？蒲猩a(chǎn)大數(shù)據(jù)工程建設需要大數(shù)據(jù)工程師、算法工程師、物聯(lián)網(wǎng)專家等新型技術(shù)人才，以及應用推廣人才，要注重對新領(lǐng)域“大師”級人才的培養(yǎng)。

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（作者單位：中國航空發(fā)動機研究院）