航天機(jī)電產(chǎn)品裝配調(diào)試測試過程數(shù)據(jù)一體化管控平臺探索

◎西安航天精密機(jī)電研究所 張晨 劉金

西安航天精密機(jī)電研究所開展了航天機(jī)電產(chǎn)品裝配調(diào)試測試過程數(shù)據(jù)一體化管控平臺的探索研究，旨在改變原有的產(chǎn)品生產(chǎn)測試模式和管理理念，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的融合，促進(jìn)機(jī)電所向精益生產(chǎn)、數(shù)字化制造方向轉(zhuǎn)型。本文圍繞該平臺建設(shè)，梳理了建設(shè)需求，介紹了建設(shè)思路，研究了建設(shè)內(nèi)容并提出了建設(shè)愿景。

隨著計算機(jī)信息系統(tǒng)的發(fā)展及IT 技術(shù)在制造技術(shù)上的應(yīng)用，越來越多的制造企業(yè)加快了企業(yè)信息化的步伐，數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)融合成為制造業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國的制造業(yè)開始面臨更多的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。航天制造作為中國制造業(yè)的領(lǐng)先代表，成為“中國制造2025”十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一，是航天科技工業(yè)體系的堅強(qiáng)基石和核心能力，支撐著航天產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、管理、服務(wù)等各個環(huán)節(jié)，正向低成本、快速反應(yīng)制造的方向發(fā)展。

西安航天精密機(jī)電研究所（以下簡稱“機(jī)電所”）是航天科技工業(yè)體系重要的科研生產(chǎn)實(shí)體，“十三五”期間，機(jī)電所信息化工作在科研生產(chǎn)管理、信息化基礎(chǔ)條件等方面都取得了較大的進(jìn)步，信息系統(tǒng)基于前期的流程設(shè)計量身定制，功能針對性強(qiáng)，基本實(shí)現(xiàn)了信息系統(tǒng)在生產(chǎn)測試業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的覆蓋。但是，面對日漸增長的批生產(chǎn)任務(wù)需求，工程信息化業(yè)務(wù)結(jié)合程度不夠、制造環(huán)節(jié)自動化程度低、電子數(shù)據(jù)缺乏全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)分散等問題暴露出來，無法應(yīng)對快速交付要求的市場變化和挑戰(zhàn)，迫切需要在制造模式層面開展創(chuàng)新性研究與實(shí)踐。

因此，機(jī)電所順應(yīng)“中國制造2025”制造業(yè)創(chuàng)新建設(shè)工程及航天企業(yè)數(shù)字化的發(fā)展趨勢，開展航天機(jī)電產(chǎn)品裝配調(diào)試測試過程數(shù)據(jù)一體化管控平臺的探索研究，改變原有的產(chǎn)品生產(chǎn)測試模式和管理理念，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和信息化的融合，促進(jìn)機(jī)電所向精益生產(chǎn)、數(shù)字化制造方向轉(zhuǎn)型。

一、建設(shè)需求分析

機(jī)電所承擔(dān)著多種類型機(jī)電產(chǎn)品的批生產(chǎn)任務(wù)，產(chǎn)品呈現(xiàn)多品種、小批量的特點(diǎn)，生產(chǎn)模式為單工位獨(dú)立生產(chǎn)，是典型的離散型模式。產(chǎn)品裝配、調(diào)試、測試工序關(guān)聯(lián)度高且流轉(zhuǎn)頻繁，專用測試設(shè)備、測試工裝種類繁多，但目前測試設(shè)備與測試軟件自動化程度低，產(chǎn)品通電、測試過程中的位置翻轉(zhuǎn)需要人為干預(yù)，裝配、調(diào)試、測試結(jié)果需要人工判讀、記錄，產(chǎn)品數(shù)據(jù)包主要通過打印紙質(zhì)文檔的形式歸檔保存，數(shù)據(jù)的錄入工作量大，難以保證準(zhǔn)確性與可追溯性；生產(chǎn)現(xiàn)場也缺少平臺化工作環(huán)境將生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)、測試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等進(jìn)行集成，難以對裝配、調(diào)試、測試工作全流程管控，無法保證產(chǎn)品生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)質(zhì)量的一致性，存在由于數(shù)據(jù)不一致導(dǎo)致低層次質(zhì)量問題發(fā)生的風(fēng)險。

因此，有必要建設(shè)裝配調(diào)試測試過程數(shù)據(jù)一體化管控平臺，從裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)規(guī)范化管理、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析與產(chǎn)品健康模型應(yīng)用、裝配調(diào)試測試質(zhì)量數(shù)據(jù)包管理等方面開展建設(shè)。

二、平臺建設(shè)思路

機(jī)電所裝配調(diào)試測試過程數(shù)據(jù)一體化管控平臺，以實(shí)際業(yè)務(wù)需求推動現(xiàn)有信息系統(tǒng)的升級改造，整體建設(shè)路徑如下圖1 所示。

一體化管控平臺以數(shù)字化測試標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)體系與所內(nèi)信息化整體建設(shè)框架為基礎(chǔ)，在智能化測試管理系統(tǒng)（TDM）之上開展研發(fā)數(shù)據(jù)體系、生產(chǎn)數(shù)據(jù)體系建設(shè)，開展地面自動化測試軟件改造、多功能硬件試驗(yàn)設(shè)備改造等，實(shí)現(xiàn)具備智能測試資源分配、全流程裝配調(diào)試測試電子數(shù)據(jù)包構(gòu)建、產(chǎn)品大數(shù)據(jù)管控、產(chǎn)品健康管理模型應(yīng)用等功能的高效、精確、自動化、無紙化的智能生產(chǎn)測試模式。

在實(shí)現(xiàn)路徑上，裝配調(diào)試測試一體化首先需要對各種類型產(chǎn)品生產(chǎn)測試流程進(jìn)行優(yōu)化、梳理裝配調(diào)試測試共性環(huán)節(jié)，然后通過信息化生產(chǎn)系統(tǒng)（生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)MES、智能化測試管理系統(tǒng)TDM）對裝配調(diào)試測試過程、資源、數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，通過對自動化測試設(shè)備改造（包含地面測試軟件、測試硬件環(huán)境）完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)的自動化采集與處理。建設(shè)的產(chǎn)品智能生產(chǎn)測試流程如圖2 所示。

MES 系統(tǒng)作為管理端，下發(fā)產(chǎn)品裝配調(diào)試測試任務(wù)，同時在前端監(jiān)控測試進(jìn)度。TDM 作為執(zhí)行端，進(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、資源管理、產(chǎn)品健康管理等，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品裝配、調(diào)試、測試各環(huán)節(jié)的整合、協(xié)同、監(jiān)控、分析及優(yōu)化管理。通過TDM 系統(tǒng)構(gòu)建各種類型產(chǎn)品測試結(jié)構(gòu)樹，對測試批次任務(wù)進(jìn)行產(chǎn)品級分解，配置測試資源，監(jiān)控測試過程，由自動化測試設(shè)備完成產(chǎn)品智能測試。測試工序完成后，通過地面測試軟件與TDM 系統(tǒng)的集成，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化收集，輸出電子化質(zhì)量記錄，形成產(chǎn)品裝配調(diào)試測試電子數(shù)據(jù)包，并在所有裝配、調(diào)試、測試工序完成后通過MES 系統(tǒng)完成產(chǎn)品的入庫。最后，還可通過TDM 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品健康管理，對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘與數(shù)據(jù)分析，確定產(chǎn)品健康狀況，指導(dǎo)后續(xù)生產(chǎn)。

圖1 平臺整體建設(shè)路徑

圖2 產(chǎn)品智能生產(chǎn)測試流程

三、主要建設(shè)內(nèi)容

針對產(chǎn)品的裝配調(diào)試測試復(fù)合生產(chǎn)過程，通過信息系統(tǒng)與測試設(shè)備、測試軟件的升級改造與集成管理，對生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)的測試數(shù)據(jù)管理規(guī)范化建設(shè)、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析與產(chǎn)品健康模型應(yīng)用、裝配調(diào)試測試質(zhì)量數(shù)據(jù)包管理等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)過程數(shù)據(jù)管理和產(chǎn)品數(shù)據(jù)包信息化建設(shè)的目標(biāo)，有效提高生產(chǎn)測試過程中質(zhì)量信息的收集與處理的規(guī)范性，滿足機(jī)電所質(zhì)量管控信息化要求。

（一）裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)管理規(guī)范化建設(shè)

生產(chǎn)測試環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)管理，需要對生產(chǎn)測試過程和數(shù)據(jù)結(jié)果實(shí)施量化控制，將量化參數(shù)按照各種類型產(chǎn)品制定的專用格式（質(zhì)量記錄）或適用格式要求完整地記錄。因此，一體化管控平臺首先開展了裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)管理規(guī)范化建設(shè)。

首先，建立起滿足產(chǎn)品研制生產(chǎn)與質(zhì)量數(shù)據(jù)管理要求的各種裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)按照產(chǎn)品的型號、系統(tǒng)、分系統(tǒng)、整機(jī)、零部件，管理所有環(huán)節(jié)的試驗(yàn)參數(shù)、責(zé)任人、時間、產(chǎn)品履歷本、合格證等信息，做到各節(jié)點(diǎn)的信息可追溯。在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將分散的多個設(shè)備試驗(yàn)點(diǎn)置于唯一中繼點(diǎn)上進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過某一個客戶端訪問系統(tǒng)便可實(shí)時獲取所有設(shè)備的全局信息，并根據(jù)實(shí)時情況在遠(yuǎn)端執(zhí)行操作，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控追蹤數(shù)據(jù)流的目的。

其次，結(jié)合地面測試軟件改造需求與實(shí)際質(zhì)量數(shù)據(jù)管理要求，在標(biāo)準(zhǔn)化方面逐步形成數(shù)據(jù)規(guī)范。基于TDM 數(shù)據(jù)管理模型制定標(biāo)準(zhǔn)輸出格式，對不同車間的非標(biāo)設(shè)備的測試軟件形成數(shù)據(jù)文件解析標(biāo)準(zhǔn)流程與操作方法。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對地測軟件進(jìn)行改造開發(fā)，在工控機(jī)上定制化開發(fā)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件，對于工控機(jī)特定目錄下的數(shù)據(jù)文件自動化采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時保存并上傳到系統(tǒng)中，再根據(jù)文件格式解析數(shù)據(jù)文件，形成質(zhì)量記錄。

最后，在TDM 系統(tǒng)內(nèi)對于質(zhì)量跟蹤卡數(shù)據(jù)的自動填寫與數(shù)據(jù)判讀實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有裝配、調(diào)試、測試工位的全覆蓋。TDM 系統(tǒng)與產(chǎn)品的測試軟件集成，實(shí)現(xiàn)裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)獲取及填寫的自動化，一方面提高了工作效率，另一方面減少了人為的工作失誤，提升了產(chǎn)品質(zhì)量記錄的可靠性。同時，在大數(shù)據(jù)服務(wù)器中對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的海量過程數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)識與分類，按照產(chǎn)品的BOM 結(jié)構(gòu)進(jìn)行歸檔，方便數(shù)據(jù)追溯與后續(xù)數(shù)據(jù)分析工作。

（二）數(shù)據(jù)包絡(luò)分析與產(chǎn)品健康模型應(yīng)用

在裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲管理的基礎(chǔ)上，從累積的大數(shù)據(jù)中對產(chǎn)品關(guān)鍵試驗(yàn)參數(shù)開發(fā)與配置指標(biāo)分析功能，完成數(shù)據(jù)分析標(biāo)準(zhǔn)行列化模板的梳理，并根據(jù)模板表內(nèi)數(shù)據(jù)對產(chǎn)品進(jìn)行算法分析，建立產(chǎn)品的健康分析模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品等級篩選的功能。一體化平臺建設(shè)的數(shù)據(jù)分析功能邏輯如圖3 所示。

圖3 數(shù)據(jù)分析與健康管理功能邏輯圖

在實(shí)際應(yīng)用中，基于不同業(yè)務(wù)部門產(chǎn)品特點(diǎn)與生產(chǎn)需求，開發(fā)了各類豐富的數(shù)據(jù)分析處理功能，支持用戶自研算法的嵌入。技術(shù)人員可以通過此功能模塊方便地完成各種裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)的分析、數(shù)據(jù)繪圖、報告生成等工作。同時該模塊具備對非結(jié)構(gòu)化的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理的能力，通過實(shí)時檢測，自動比對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)，再應(yīng)用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析，預(yù)測產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性趨勢和水平，對產(chǎn)品的設(shè)計與工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)反饋，實(shí)現(xiàn)反向優(yōu)化。

在系統(tǒng)累積了一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，通過機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計與工藝生產(chǎn)的各類指標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)與算法總結(jié)其規(guī)律，構(gòu)建健康模型，將采集的原始數(shù)據(jù)按照產(chǎn)品型號-階段-批次-編號-工序-參數(shù)不同組合關(guān)系，形成不同的數(shù)據(jù)包絡(luò)，再通過對數(shù)據(jù)包絡(luò)的處理，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，由TDM 系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)器符合性運(yùn)算建模，對各指標(biāo)重要性進(jìn)行排序，完成后輸出產(chǎn)品質(zhì)量等級，還可以按產(chǎn)品批次進(jìn)行批產(chǎn)健康情況分析，有效地對批次性生產(chǎn)測試情況進(jìn)行管理。

（三）裝配調(diào)試測試質(zhì)量數(shù)據(jù)包管理

基于TDM 的產(chǎn)品裝配調(diào)試測試全過程數(shù)據(jù)包管理，主要以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動提取、在線生成、可視化管理、質(zhì)量數(shù)據(jù)追尋為目標(biāo)，適應(yīng)航天機(jī)電產(chǎn)品高質(zhì)量與可靠性要求的單套生產(chǎn)與武器機(jī)電產(chǎn)品多批次、迭代化穩(wěn)定生產(chǎn)的不同組織模式的需求，建立標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的生產(chǎn)測試過程數(shù)據(jù)包詞典和模板，通過TDM 系統(tǒng)對裝配、調(diào)試、測試過程質(zhì)量記錄的實(shí)時監(jiān)控與流轉(zhuǎn)管理，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)全生命周期閉環(huán)。

在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)測試特點(diǎn)，從生產(chǎn)測試過程管理及質(zhì)量數(shù)據(jù)記錄管理兩方面進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)包管理：

1、生產(chǎn)測試過程管理

主要包括儀器設(shè)備清單、產(chǎn)品裝機(jī)明細(xì)、裝配過程、調(diào)試過程、測試過程、檢驗(yàn)研制過程六個方面，通過TDM 的功能開發(fā)實(shí)現(xiàn)裝配調(diào)試測試過程全記錄，從而形成產(chǎn)品生產(chǎn)過程記錄數(shù)據(jù)包。通過在TDM 系統(tǒng)內(nèi)建立產(chǎn)品裝配調(diào)試測試過程記錄模板，實(shí)現(xiàn)過程記錄的結(jié)構(gòu)化填充，存儲產(chǎn)品試驗(yàn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，如試驗(yàn)時間記錄、溫箱溫濕度記錄等，并按產(chǎn)品型號要求繪制試驗(yàn)實(shí)際過程曲線圖，解放人工繁瑣的記錄、分析與數(shù)據(jù)包管理工作。

2、數(shù)據(jù)記錄管理

通過TDM 系統(tǒng)與地面測試軟件的集成，對結(jié)果數(shù)據(jù)實(shí)施量化控制，將量化參數(shù)自動填寫到各種類型產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)格式模板中。其次，通過TDM 系統(tǒng)的功能開發(fā)，自動生成產(chǎn)品試驗(yàn)報告單，對試驗(yàn)條件、試驗(yàn)結(jié)果實(shí)現(xiàn)電子化管理及記錄；同時結(jié)合拍攝照片、錄制視頻等方式，保留產(chǎn)品影像資料，真實(shí)、完整、清楚地反映產(chǎn)品實(shí)際狀況，形成多媒體資料包。最后，由TDM 系統(tǒng)將產(chǎn)品裝配調(diào)試測試過程的海量原始數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化存儲在大數(shù)據(jù)服務(wù)器中，便于產(chǎn)品數(shù)據(jù)包絡(luò)的分析、質(zhì)量追溯等。

四、結(jié)語

裝配調(diào)試測試過程數(shù)據(jù)一體化管控平臺的建設(shè)在技術(shù)上緊扣數(shù)字化裝配、調(diào)試、測試等關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)，注重生產(chǎn)制造過程中數(shù)字化、信息化手段的提升，以解決生產(chǎn)中的“瓶頸”環(huán)節(jié)為基本出發(fā)點(diǎn)，注重形成整體批產(chǎn)能力。

平臺建設(shè)過程中，在車間現(xiàn)場改造了6 類產(chǎn)品的地面測試軟件程序，開發(fā)了11 種類型的產(chǎn)品的各類輸出文檔模板; 包括部裝車間、光學(xué)車間、電裝車間、總裝車間等4 個車間及產(chǎn)品檢驗(yàn)處等部門全面使用系統(tǒng)，17 臺高低溫箱、6 臺力學(xué)控制設(shè)備、62 臺工控機(jī)連入自動化測試網(wǎng)絡(luò)；3 大類共計6 種類型產(chǎn)品的裝配調(diào)試測試數(shù)據(jù)納入系統(tǒng)管理。

裝配調(diào)試測試過程數(shù)據(jù)一體化管控平臺建成后，機(jī)電所實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化生產(chǎn)測試線的完善，補(bǔ)充了總裝總調(diào)、試驗(yàn)測試環(huán)節(jié)信息化管控手段，使產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性、檢驗(yàn)、試驗(yàn)保障能力及生產(chǎn)效率得到提高，解決了生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)分散、管理困難、調(diào)試環(huán)節(jié)無詳細(xì)的過程參數(shù)記錄等在裝配調(diào)試及測試階段的瓶頸問題，提高了科研生產(chǎn)自動化檢測能力和質(zhì)量管控水平，實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品整機(jī)裝調(diào)全過程的可監(jiān)測、可管控、可追溯，確保產(chǎn)品交付數(shù)量、周期和質(zhì)量要求，有效地滿足了機(jī)電產(chǎn)品研制與批產(chǎn)任務(wù)需求。