大數據時代航天科研管理信息化策略研究

張勁松，張倩，高驥

（1.中國運載火箭技術研究院，北京 100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

0 引言

航天飛行器是技術密集的工業(yè)產品，無論是設計難度還是制造難度都達到了極高的水平。航天科研單位在日常的產品設計、產品制造、試驗驗證、故障診斷與處理等工作中都要大量調用各種數據，傳統(tǒng)的基于關系型數據庫的存儲方式已經難以滿足科研單位的數據管理需求。大數據技術憑借先進的分布式存儲、高效率的數據響應以及強大的數據分析能力，在科研信息化管理中發(fā)揮出重要的作用，因此應該深入研究大數據技術的應用方法。

1 航天科研項目的特點

以運載火箭為例，航天科研工作具有以下特點。

1.1 安全風險高

運載火箭使用的固體推進劑和液體推進劑都屬于易燃易爆物質。作為一種大型高精尖設備，飛行器火箭對發(fā)動機、材料、測控通信、結構強度設計、耐高低溫設計、耐強振動沖擊設計以及冗余容錯設計等提出了很高的技術要求，任何一環(huán)節(jié)出現設計缺陷或者制造缺陷都可能導致任務失敗。

1.2 研發(fā)成本高、周期長

運載火箭的大部分組件都工作在非常苛刻的條件下，如火箭的殼體材料在高速飛行的過程中會和空氣產生劇烈的摩擦，產生高溫高熱。而火箭的發(fā)動機尾噴口更是直接承受燃料燃燒釋放的巨大熱量［1］。作為發(fā)射衛(wèi)星以及航天飛船的關鍵設備，運載火箭的可靠性必須達到極高的水平，否則會引發(fā)重大損失。這種苛刻的條件極大地增加了火箭產品的研發(fā)周期和研發(fā)投入。

1.3 產品質量要求高

火箭的生產和制造是航天領域非常關鍵的一個環(huán)節(jié)，由于其中使用了大量高性能材料，其加工制造的難度進一步增加，既要整合發(fā)動機這樣的大型設備，還要有效使用各種微小的航天電子芯片，其復雜度、集成度達到了很高的水平?；鸺纳a制造品質還直接影響發(fā)射過程的安全性。信息化在生產質量的管理中發(fā)揮著顯著的作用。

2 大數據在航天科研信息化管理中的應用價值

2.1 大數據在航天產品設計中的應用

火箭產品的復雜度、集成度水平高，在設計過程中牽涉各種各樣的問題。在性能方面，火箭設計要關注運載能力、發(fā)射可靠性以及入軌精度等參數。火箭的幾何結構決定其在飛行過程中的阻力以及摩擦生熱情況，因此在設計過程中要盡可能采用飛行阻力小的流線型結構，甚至采用風洞來模擬其發(fā)射阻力?？傊?，火箭產品在設計過程中會產生海量的數據，大到一個大型的結構部件，小到一個微電子芯片?；诖髷祿男畔⒒芾砥脚_可分類存儲火箭產品設計過程中產生的歷史數據，這些歷史數據具備極大的參考價值，在設計新火箭或者改進現有火箭時，均可在歷史數據上進行小幅度的微調，在提升性能的同時又滿足新的研發(fā)需求［2］。大數據技術為設計者提供了一個龐大的資料庫，在數據定位、查詢、關聯(lián)以及深度分析等方面也提供了良好的基礎。

2.2 大數據在航天產品生產制造中的應用

在傳統(tǒng)的管理模式下，航天產品的生產制造通常是被劃分成不同的節(jié)點，航天部門按照設定的生產制造計劃，逐步完成各個節(jié)點的制造任務。進入信息化時代之后，傳統(tǒng)的以計劃驅動生產制造的方式表現出效率低下的缺陷，在將大數據技術引入信息化平臺之后，火箭的生產和制造方式發(fā)生了深刻的變化，從計劃驅動轉變?yōu)閿祿寗?。從生產流程來看，可利用大數據技術形成“制訂生產計劃→制訂物料需求計劃→物資備料→計劃排班→生產調度→例行試驗→驗收交付”等一系列過程，所有和火箭制造相關的要素都會被大數據統(tǒng)籌起來。因得益于精確的數據，各個環(huán)節(jié)之間的銜接也會更加緊密。例如，在物資備料和計劃排班這兩個環(huán)節(jié)中，不同物資的籌備周期存在差異，為了避免因個別物資不到位而影響生產，可利用大數據技術提前作出風險提示。當航天類產品制造完成之后，還需開展嚴格的產品性能測試和質量檢驗活動，大數據管理平臺可全面管理火箭等航天產品的試驗和測試數據，為后期維護工作提供詳細的技術參數，提升各類航天產品設計、生產、測試以及培訓維護人員的效果［3］。

2.3 大數據在航天產品故障診斷定位中的應用

航天科研部門在航天產品的設計和生產過程中還需采取有效的技術措施來預防、診斷和處理設計缺陷和生產制造缺陷。信息化技術早已在航天產品故障診斷中得到應用，但是早期的信息化技術是基于關系型數據庫而建立的，無論是火箭的設計數據，還是生產制造過程中的物資消耗數據、產品質量數據等，都存儲在傳統(tǒng)的數據庫中，典型的如Mysql、Oracle 等。這種傳統(tǒng)的數據庫受限于系統(tǒng)架構，難以高效率地處理大數據的存儲和查詢等問題，這一點極大地限制了航天產品故障診斷的速度，因為故障診斷過程中要大量調用設計、物料、生產制造工藝方面的數據，而關系型數據庫在進行大數據量檢索時速度低下，無法滿足航天產品故障診斷的需求。大數據技術是因新時代數據使用量劇增而出現的新型數據存儲、查詢、分析以及處理技術，其典型的特點是應用了分布式數據存儲方案，整體性能大幅躍升，對航天研發(fā)、生產的海量數據具備良好的適應性。因此，在故障診斷過程中可利用大數據技術快速地將設計、制造工藝以及制造材料等聯(lián)系起來，達到快速定位故障的目的［4］。相較于傳統(tǒng)的關系型數據庫存儲系統(tǒng)，大數據技術可大幅縮短故障診斷的整體耗時。

2.4 大數據在航天安全管理中的應用

航天科研部門在火箭等航天產品的研發(fā)和制造過程中應該格外重視安全信息化、安全大數據系統(tǒng)的構建。從安全科學的角度看，人員、火箭生產制造工藝、火箭生產制造設備、各種物料等都可能引發(fā)安全隱患或者事故。例如，火箭生產的過程中具有大量的特種作業(yè)，如焊接、起重等，此類工作的從業(yè)者需具備完善的資質。大數據技術可實時、動態(tài)地更新特種作業(yè)人員的資質信息，特種作業(yè)人員的證件存在有效期的限制，在其資質失效之前，系統(tǒng)可提前發(fā)出預警信息，防止其上崗［5］。再如，航天產品的推進劑、火工品管理是安全工作的重點。在這一工作中可利用大數據技術設計信息化的危險品管理流程，將其儲存、加注等工作與火箭的設計和制造緊密地聯(lián)系在一起。

3 基于大數據技術的航天科研信息化管理策略

3.1 充分研究航天科研單位信息化管理中的難點

各種類型的航天科研設備和平臺都依賴于信息流，若缺失必要的信息流，航天設計和制造都無法順利開展。信息化平臺顯著地增加了人對數據的掌控和感知能力，將火箭產品龐大且復雜的設計研發(fā)過程細化成數據流，為科研人員提供高水平的信息化服務。但航天科研單位的科研數據在具體管理過程中體現出如下特點，給科研信息化管理帶來了一定的難度。

第一，數據存儲規(guī)模大?；鸺a品研發(fā)涵蓋了需求分析、技術論證、產品設計和制造、產品性能和質量測試、產品后期運維等多個環(huán)節(jié)，火箭中設置了大量的精密儀器，電力電子線路異常復雜。在結構設計上則包括氣動外形、結構強度、耐熱性和耐腐蝕性等多方面的技術要點。在生產制造環(huán)節(jié)，物料、零配件、推進劑等缺一不可?；鸺a品作為一種高精尖技術的集合體，其設計、制造、安全管理、故障診斷、運維等各方面都會產生海量的數據存儲需求。龐大的數據規(guī)模對火箭信息化管理平臺的數據存儲能力提出了極高的要求。

第二，數據查詢復雜度高。在數據庫系統(tǒng)中，對獨立數據進行查詢的速度往往比較快，但在實際情況下，數據庫中的各種數據之間存在高度的關聯(lián)性，如火箭的生產數據就關聯(lián)著設計參數、材料的類型和規(guī)格，當數據的關聯(lián)性強、復雜度高時，進行數據查詢則需要調用多個數據庫，增加了查詢的難度并延緩了響應速度。這一點是火箭設計和制造單位在信息化管理中應該克服的問題。

第三，數據響應速度要求高。從使用者的角度看，單次數據查詢消耗的時間越短，代表著數據存儲系統(tǒng)的性能越優(yōu)越。航天科研單位對系統(tǒng)數據查詢和處理的響應速度提出了很高的要求，因此信息化平臺在性能上要滿足這一要求，這是大數據技術被引入航天科研管理的重要原因之一。

3.2 設計開發(fā)滿足航天科研單位管理需求的工業(yè)大數據平臺

在航天科研信息化管理中應用大數據技術的前提是設計出與企業(yè)運營現狀相一致的工業(yè)大數據平臺，信息化技術的發(fā)展速度非?？?，航天科研單位的工業(yè)大數據平臺要將硬件設備、傳感器、數據流、后臺軟件系統(tǒng)以及數據存儲系統(tǒng)等有效整合在一起，這種工業(yè)大數據平臺兼具物聯(lián)網和大數據兩種現代化技術。

第一，航天科研單位工業(yè)大數據平臺的研發(fā)需求分析。航天科研單位要深入分析其在產品設計、制造和運維管理中產生的數據，以及這些數據在實際工作中的應用方式，通常這些數據之間的關系內化在工業(yè)大數據平臺的前端操作和展示界面中，這些軟件系統(tǒng)是數據平臺和科研人員實現交互的渠道，軟件上的任何一個操作都會引發(fā)后臺數據存儲系統(tǒng)的調用，并且通過底層算法實現數據的加工和處理。筆者研究了航空航天科研院所及相關企業(yè)在信息化管理方面的發(fā)展趨勢，總結出大數據平臺研發(fā)的主要性能需求。①高可靠性和高安全性。除了強化系統(tǒng)架構、提升安全設計和性能，還要盡可能采用全國產化的系統(tǒng)組件，如芯片，避免對國外電子產品產生依賴。②優(yōu)異的可擴展性。航空航天科研院所及企業(yè)的大數據管理平臺需根據其日常管理的實際需求不斷進行更新和升級，因而大數據平臺應該具備優(yōu)異的可擴展性，可在系統(tǒng)中引入面向服務架構（Service-Oriented Architecture，SOA）技術、智能網管技術等。③大數據處理能力。航空航天科研單位的數據呈現出多樣化的特點，數據結構經常不統(tǒng)一，大數據平臺要具備采集海量異構化數據的能力，并且具備實時分析、處理和展示這些大數據的能力。

第二，引入云技術構建工業(yè)物聯(lián)網大數據平臺。在系統(tǒng)設計方面可劃分成3 個層次。①數據存儲端。這方面主要是利用云存儲技術的分布式特點構建強大、安全的航天科研數據存儲系統(tǒng)。航天數據關系到國家安全，是國家的重大數據資產，應該由航天科研單位獨立建造，或者與成熟的第三方云數據服務企業(yè)合作開發(fā)，航天數據的安全性成為關鍵。②數據展示端。數據一方面是為儀器設備服務，另一方面則是為科研人員服務，在數據展示方面應該結合人的需求特點，推薦采用可視化的展示方式，如數據大盤、數據統(tǒng)計表、數據地圖、數據思維導圖等。③設備端。現代化的大數據技術還可服務于生產制造現場的各類設備、儀器和儀表，為設備的自動化運行提供可靠的數據支撐［6］。

3.3 構建全流程的航天科研大數據管理模式

航天產品的設計和研發(fā)遵循一整套嚴謹且科學的流程，在航天科研大數據應用中，航天科研單位要結合自身工作流程，設計出全流程大數據管理模式，具體包括以下幾個核心流程。①產品設計數據管理。此處的數據信息涵蓋客戶需求、產品具體設計圖紙和參數、數據結構。②工藝設計數據。這方面主要包括構建工藝制造設計清單（Process Bill Of Material，PBOM）和制造物料清單（Manufacturing Bill Of Materials，MBOM）相關數據模型。③生產制造環(huán)節(jié)的數據模型。生產制造階段要涵蓋生產周期、材料供應、階段性制造目標、生產調度執(zhí)行、過程質量監(jiān)控等多個環(huán)節(jié)。④產品試驗數據。航天科研部門對航天科研產品的安全性、可靠性提出了較高的要求，因而在產品制造完成之后要通過專門的試驗來檢驗其性能和質量，大數據技術也要為這一工作服務。

4 結語

航天科研單位可利用大數據技術來管理在產品設計、制造、故障檢修以及安全管理等方面產生的數據。大數據技術具備良好的適應性，在航天產品研發(fā)制造的每一個環(huán)節(jié)都能發(fā)揮重要的作用。航天科研單位應該搭建工業(yè)大數據平臺，構建全流程大數據管理模式。