面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的大數(shù)據(jù)制造

張海軍,閆瓊

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,河南鄭州450046）

面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的大數(shù)據(jù)制造

張海軍,閆瓊

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院,河南鄭州450046）

目前航空制造企業(yè)部署大量的產(chǎn)品研制和業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng),積累了大量的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息,如何利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)造更大的價(jià)值、為領(lǐng)導(dǎo)決策提供有力支撐,成為行業(yè)下一步思考的問(wèn)題.基于大數(shù)據(jù)技術(shù)定義了大數(shù)據(jù)制造的概念內(nèi)涵；分析了基于模型定義的航空產(chǎn)品數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程；設(shè)計(jì)了一個(gè)新型面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的大數(shù)據(jù)制造系統(tǒng)架構(gòu),支持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用的快速和柔性部署擴(kuò)展,對(duì)航空制造企業(yè)向智慧化、知識(shí)化轉(zhuǎn)型升級(jí)具有戰(zhàn)略意義.

大數(shù)據(jù)；航空復(fù)雜產(chǎn)品；基于模型定義

航空復(fù)雜產(chǎn)品具有研制周期長(zhǎng)、技術(shù)信息量大、涉及專業(yè)學(xué)科多、幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工藝規(guī)程復(fù)雜、試驗(yàn)維護(hù)環(huán)節(jié)多、生產(chǎn)質(zhì)量要求嚴(yán)格等特點(diǎn),使得航空產(chǎn)品的研制難度大大增加,特別是大飛機(jī)研制過(guò)程多采用多廠（所）異地并行和協(xié)同模式[1-2].隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)的發(fā)展,多單位、多部門(mén)、多業(yè)務(wù)間密切協(xié)同在不斷縮短制造周期和提高資源利用率的同時(shí),趨向于基于網(wǎng)絡(luò)的多領(lǐng)域智能并行協(xié)同模式,并強(qiáng)調(diào)對(duì)航空復(fù)雜產(chǎn)品全生命周期信息、數(shù)據(jù)的高效管理,提升設(shè)計(jì)、工藝與制造過(guò)程以及整個(gè)供應(yīng)鏈的協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)效率.

支撐航空制造業(yè)協(xié)同的手段從單一的工具（如CAx、EAM、LES）應(yīng)用,到MES、ERP、SCM、CRM、PLM等大型信息化系統(tǒng)的集成部署；從2D設(shè)計(jì)圖樣到3D設(shè)計(jì)模型,再到基于模型定義（MBD）的產(chǎn)品數(shù)據(jù)集.大量的信息技術(shù)手段使得新產(chǎn)品研發(fā)速度和設(shè)計(jì)效率有了大幅提升,實(shí)時(shí)感知、采集、監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程,推動(dòng)各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期和制造業(yè)務(wù)全流程的數(shù)字化,促進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)縫銜接和企業(yè)間的協(xié)同制造.航空制造企業(yè)在實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的管理的同時(shí),積累了大量的數(shù)據(jù)信息,產(chǎn)生了利用現(xiàn)代信息技術(shù)收集、管理和展示分析結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)和信息的訴求,于是如何利用這些數(shù)據(jù)創(chuàng)造更大的價(jià)值、為領(lǐng)導(dǎo)決策提供有力支撐成為企業(yè)下一步思考的問(wèn)題.

1 大數(shù)據(jù)制造

自2012年,大數(shù)據(jù)（Big Data）一詞越來(lái)越多地被提及,人們用它來(lái)描述和定義信息爆炸時(shí)代產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),并充分挖掘這些數(shù)據(jù)背后蘊(yùn)含的價(jià)值提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,并命名與之相關(guān)的技術(shù)發(fā)展與創(chuàng)新.牛津大學(xué)Viktor Mayer-Schonberger教授等人認(rèn)為大數(shù)據(jù)是指不用隨機(jī)分析法（抽樣調(diào)查）這樣的捷徑,而采用所有數(shù)據(jù)的方法[3].大數(shù)據(jù)中的“大”不是絕對(duì)意義上的“大”,而是代表一種“樣本=總體”全數(shù)據(jù)模式,在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到收集、處理全數(shù)據(jù),并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營(yíng)者決策更積極、更有價(jià)值的信息.國(guó)際數(shù)據(jù)公司（IDC）總結(jié)大數(shù)據(jù)具有4V特點(diǎn)：即海量的數(shù)據(jù)規(guī)模（Volume）、快速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)體系（Velocity）、多樣的數(shù)據(jù)類型（Variety）、巨大的數(shù)據(jù)總體價(jià)值但價(jià)值密度低（Value）.

1.1 大數(shù)據(jù)制造內(nèi)涵

目前,據(jù)文獻(xiàn)記錄還沒(méi)有相關(guān)組織和學(xué)者給出明確的大數(shù)據(jù)制造概念定義.本文根據(jù)大數(shù)據(jù)相關(guān)定義和制造業(yè)特點(diǎn),將大數(shù)據(jù)制造（Big Data Manufacturing,BDMfg）概括為是將所有產(chǎn)品制造相關(guān)數(shù)據(jù)作為蘊(yùn)含潛在價(jià)值的核心資產(chǎn),使用大數(shù)據(jù)技術(shù)手段采集、處理、分析與整合,幫助制造企業(yè)經(jīng)營(yíng)者及時(shí)地進(jìn)行預(yù)測(cè)市場(chǎng)方向、指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與定價(jià)、精準(zhǔn)化市場(chǎng)營(yíng)銷以及精細(xì)化內(nèi)部管理流程,是一種革命性的制造企業(yè)的運(yùn)營(yíng)新模式.BDMfg的實(shí)施可以大體分為四個(gè)階段,如圖1所示.

圖1 BDMfg實(shí)施階段梯度Fig.1 Implementation phase of BDMfg

（1）BDMfg采集：通過(guò)嵌入式系統(tǒng)、RFID、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),GPS移動(dòng)互聯(lián)技術(shù),各種數(shù)字化制造信息系統(tǒng)等途徑獲得的各種結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的海量數(shù)據(jù),是BDMfg模型的基礎(chǔ).

（2）BDMfg預(yù)處理：對(duì)已采集數(shù)據(jù)進(jìn)行辨析、抽取、清洗等操作,對(duì)不是所關(guān)心的甚至是錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾“去噪”從而提取出有效高質(zhì)量的數(shù)據(jù).

（3）BDMfg存儲(chǔ)和管理：把采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái),建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù),并進(jìn)行管理和調(diào)用.

（4）BDMfg分析和挖掘：從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的應(yīng)用數(shù)據(jù)中,通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)融合、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)精煉數(shù)據(jù),挖掘價(jià)值.此階段是BDMfg的核心價(jià)值體現(xiàn),即發(fā)現(xiàn)規(guī)律和預(yù)測(cè)未來(lái).

1.2 與數(shù)字化制造區(qū)別

數(shù)字化制造是指在數(shù)字化技術(shù)和制造技術(shù)融合的背景下,并在虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、快速成型、CNC等支撐技術(shù)的支持下,根據(jù)用戶的需求,迅速收集資源信息,對(duì)產(chǎn)品信息、工藝信息和資源信息進(jìn)行分析、規(guī)劃和重組,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和功能的仿真以及原型制造,進(jìn)而快速生產(chǎn)出達(dá)到用戶要求性能的產(chǎn)品的整個(gè)制造全過(guò)程[4].

為了量化、數(shù)字化制造過(guò)程信息,數(shù)字化制造技術(shù)變革的重點(diǎn)在“T”（技術(shù)）上,如CAD、CAPP、CAM、DMU等系統(tǒng)及相關(guān)理論和集成方法.區(qū)別于數(shù)字化制造,BDMfg的重點(diǎn)在于能發(fā)現(xiàn)和理解制造過(guò)程信息內(nèi)容及信息與信息之間的關(guān)系,強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)在“I”（信息）上.大數(shù)據(jù)技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)相互滲透、深度融合,將發(fā)現(xiàn)和預(yù)測(cè)的知識(shí)不斷融入制造過(guò)程以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程智能化、制造過(guò)程精益化和市場(chǎng)營(yíng)銷個(gè)性化,目的是使制造過(guò)程具有更完善的判斷與適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)的智能分析和決策優(yōu)化,使智慧制造成為生產(chǎn)方式變革的方向.數(shù)字化帶來(lái)了數(shù)據(jù)化,BDMfg是數(shù)字化制造的延伸和拓展.

2 航空復(fù)雜產(chǎn)品MBD技術(shù)

MBD技術(shù)是用集成三維模型數(shù)據(jù)來(lái)描述幾何形狀信息、尺寸、公差和工藝等信息,并集成了屬性和管理等非幾何信息,作為設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造過(guò)程中的唯一依據(jù).隨著MBD技術(shù)的發(fā)展,其核心思想并不只是將二維工藝圖紙上的信息反映到三維模型中,而是要充分利用三維模型的產(chǎn)品定義特點(diǎn),去挖掘更加方便設(shè)計(jì)、工藝和制造人員理解的更加高效率的產(chǎn)品定義數(shù)字化方法和模式[6].針對(duì)MBD技術(shù)的應(yīng)用,美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)ASME于2003年頒布了Y14.41標(biāo)準(zhǔn),波音公司編寫(xiě)了BDS-600系列規(guī)范,并在787研制過(guò)程中得到工程化應(yīng)用.我國(guó)也正在以航空復(fù)雜產(chǎn)品重點(diǎn)型號(hào)研制為載體,大規(guī)模開(kāi)展MBD技術(shù)應(yīng)用.

在MBD技術(shù)實(shí)施過(guò)程中,航空復(fù)雜產(chǎn)品制造各環(huán)節(jié)所使用的數(shù)據(jù)或信息（Product Manufacturing Information,PMI）全部集中在三維模型上,數(shù)字化程度越來(lái)越高,產(chǎn)品工程數(shù)據(jù)的非結(jié)構(gòu)特征越來(lái)越多,而在圍繞MBD模型的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中包括需求、分析、設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、維修等環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量的文檔、視頻等多種類型的非關(guān)系型數(shù)據(jù),同時(shí)這些數(shù)據(jù)的生成速度會(huì)隨時(shí)間推移、產(chǎn)品型號(hào)增加等因素的影響不斷提高,存儲(chǔ)在PLM中的信息逐步呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)態(tài),造成存儲(chǔ)與處理成本不斷增加,并發(fā)性和訪問(wèn)速度逐步下降、備份時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng).

BDMfg是解決MBD數(shù)據(jù)集爆炸式增長(zhǎng)的有效制造模式,但BDMfg并非適合所有制造行業(yè).戴爾全球采購(gòu)部執(zhí)行總監(jiān)MS.Charla Serben指出,要保證BDMfg的有效性,首先必須保證采集的大數(shù)據(jù)本身的全面性和準(zhǔn)確性.航空復(fù)雜產(chǎn)品制造行業(yè)不同于其他行業(yè),對(duì)質(zhì)量管理、產(chǎn)品可靠性的要求非常嚴(yán)格,每個(gè)零部件要能追溯設(shè)計(jì)制造的源頭,數(shù)字化制造技術(shù)應(yīng)用水平相對(duì)較高.MBD技術(shù)更是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝、制造、檢測(cè)等PMI信息高度集成,促進(jìn)產(chǎn)品研制的流程化、信息化、數(shù)據(jù)化,產(chǎn)品數(shù)據(jù)集具有更強(qiáng)的表現(xiàn)力,能夠更真實(shí)地表現(xiàn)設(shè)計(jì)制造特征,更好、更準(zhǔn)確地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖,也容易進(jìn)行工程信息的抽取和數(shù)據(jù)的挖掘,奠定了航空復(fù)雜產(chǎn)品BDMfg應(yīng)用基礎(chǔ).

3 面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的MBD大數(shù)據(jù)流

在前期研究[7]的基礎(chǔ)上,本文將航空復(fù)雜產(chǎn)品的研制分為產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、加工制造和檢驗(yàn)檢測(cè)5個(gè)主要環(huán)節(jié).在生產(chǎn)制造和檢驗(yàn)檢測(cè)環(huán)節(jié)中,由產(chǎn)品三維CAD模型分別派生出工藝MBD模型、工裝MBD模型和質(zhì)量MBD模型,詳見(jiàn)圖2所示.

圖2 面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的MBD數(shù)據(jù)流Fig.2 MBD-based aviation complicated products data process

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)部門(mén)依據(jù)產(chǎn)品功能需求,設(shè)計(jì)三維CAD模型,進(jìn)而定義產(chǎn)品MBD模型,建立EBOM和ARM.

在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中,工藝部門(mén)依據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)按基線預(yù)發(fā)放的三維CAD模型進(jìn)行工藝分析,并向設(shè)計(jì)部門(mén)反饋工藝審查意見(jiàn)；依據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)正式發(fā)放EBOM和三維CAD,建立PBOM,自動(dòng)關(guān)聯(lián)零組件信息（如批架次、工藝路線）與三維CAD模型.同時(shí),制定裝配工藝協(xié)調(diào)方案,劃分工藝分離面,定義工藝路線；進(jìn)行全機(jī)裝配工藝仿真,最終形成經(jīng)過(guò)裝配仿真驗(yàn)證的MBOM頂層結(jié)構(gòu)文件；進(jìn)行零件的材料屬性仿真和部件幾何仿真,編制AO和FO,編制零件NC程序；進(jìn)行詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)建立工藝MBD模型,利用DELMIA DPE提取工藝信息生成三維AO數(shù)據(jù),借助3DVIA Composer生成輕量化的三維附圖、仿真動(dòng)畫(huà).

在工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中,工裝設(shè)計(jì)部門(mén)依據(jù)工藝部門(mén)提出的工裝訂貨申請(qǐng)、工藝MBD模型、產(chǎn)品工藝方案和產(chǎn)品MBD模型,初步設(shè)計(jì)工裝結(jié)構(gòu),確定工裝的夾緊和定位結(jié)構(gòu)和形式,進(jìn)而設(shè)計(jì)出具有MBD形式的工裝數(shù)模,并在DELMIA DPM中進(jìn)行仿真驗(yàn)證,編制工裝NC程序,最終完成工裝MBD模型文件.

在加工制造過(guò)程中,按生產(chǎn)順序分為工裝制造,零件制造,部件裝配,產(chǎn)品總裝.現(xiàn)場(chǎng)工人通過(guò)MES終端,瀏覽輕量化三維的工藝指令信息,按要求現(xiàn)場(chǎng)加工、裝配操作,并進(jìn)行質(zhì)量數(shù)據(jù)采集.生產(chǎn)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備分別根據(jù)NC程序、測(cè)量程序,嚴(yán)格按照工藝MBD模型中定義的進(jìn)行加工和測(cè)量,實(shí)時(shí)控制柔性生產(chǎn)流水線.

在檢驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中,質(zhì)量管理部門(mén)依據(jù)設(shè)計(jì)、工藝部門(mén)正式發(fā)放的產(chǎn)品MBD模型、工藝MBD模型,工裝MBD模型編制檢測(cè)計(jì)劃.通過(guò)工人現(xiàn)場(chǎng)輸入或設(shè)備自動(dòng)采集,將數(shù)據(jù)反饋到質(zhì)量MBD模型中,形成單架次的產(chǎn)品質(zhì)量報(bào)告,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行質(zhì)量評(píng)審、統(tǒng)計(jì)分析等.

4 面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的BDMfg架構(gòu)

面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的MBD設(shè)計(jì)多采用基于網(wǎng)絡(luò)的多領(lǐng)域智能并行協(xié)同模式,MBD數(shù)據(jù)集包含了圖形、文本、視頻多種格式,其分布性和非結(jié)構(gòu)化日益突出,但目前MBD技術(shù)的實(shí)施大多數(shù)都基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（Relational Database,RDB）,在高性能計(jì)算（High Performance Computing,HPC）、海量數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)和訪問(wèn)、高可擴(kuò)展性和知識(shí)挖掘等大數(shù)據(jù)處理方面受到諸多制肘.本文基于云計(jì)算構(gòu)建一個(gè)面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的大數(shù)據(jù)制造架構(gòu),適用于航空復(fù)雜產(chǎn)品研制過(guò)程中大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析.該架構(gòu)是一個(gè)混合架構(gòu),可以集成RDB和NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù),具有良好的擴(kuò)展性,具體分為五層：基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬資源層、中間件層、數(shù)據(jù)操作層、應(yīng)用層,詳見(jiàn)圖3.

圖3 面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的BDMfg架構(gòu)Fig.3 Architecture of BDMfg

基礎(chǔ)設(shè)施層包含服務(wù)器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備等,例如PC服務(wù)器,刀片服務(wù)器,多陣列集群等,是大數(shù)據(jù)制造系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)物理設(shè)備.

虛擬資源層包含計(jì)算資源池,網(wǎng)絡(luò)資源池、存儲(chǔ)資源池和數(shù)據(jù)庫(kù)資源池（RDB和NoSQL）等,以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)物理設(shè)備虛擬化功能,例如VMWare,Hyper-V.

中間件層是大數(shù)據(jù)制造架構(gòu)中核心層,包含SLA管理、賬戶管理、計(jì)費(fèi)管理、映射縮減、資源優(yōu)化調(diào)度、分布式緩存、容災(zāi)支持（數(shù)據(jù)中心容災(zāi),物理節(jié)點(diǎn)容災(zāi)）、接口管理,監(jiān)控管理、安全管理.

數(shù)據(jù)操作層包含Hadoop工具、ETL工具、OLAP分析、流（Stream）分析、分布式文本分析、多媒體分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)建模等.

應(yīng)用層包含航空復(fù)雜產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)、工程分析（如HPC類）、生產(chǎn)優(yōu)化、預(yù)測(cè)性維修（Predictive Maintenance,PdM）、商業(yè)智能、虛擬桌面等.

5 小結(jié)

當(dāng)前,MBD技術(shù)在航空復(fù)雜產(chǎn)品的研制中得到迅速發(fā)展和深入應(yīng)用,并帶動(dòng)了從需求設(shè)計(jì)、加工制造到用戶服務(wù)的產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化.數(shù)字化的制造數(shù)據(jù)將涌現(xiàn)出爆發(fā)性的增長(zhǎng),數(shù)據(jù)的分析和處理能力是大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)航空制造企業(yè)嚴(yán)格的考驗(yàn).為此,本文在定義大數(shù)據(jù)制造內(nèi)涵和分析MBD技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出一個(gè)面向航空復(fù)雜產(chǎn)品的BDMfg架構(gòu).綜合應(yīng)用MBD技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)的高效管理和潛在價(jià)值,對(duì)航空制造企業(yè)向智慧化、知識(shí)化轉(zhuǎn)型升級(jí)具有戰(zhàn)略意義.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Big data manufacturing for aviation complicated products

ZHANG Haijun,YAN Qiong
（Zhengzhou Institute of Aeronautical Industry Management,Zhengzhou 450046,China）

While aviation manufacturing enterprises carry on many information systems,a large amount of data is gotten.It is important is how to use these data for more value and decision support.In this paper,firstly,the big data manufacturing was defined;secondly,the process of the MBD-based aviation product data was analyzed;finally,a novel architecture based on MBD for aviation complicated products was proposed,which is based on the definition of BDMfg and the analysis of MBD technology.The architecture is a standardized and open architecture,which can support rapid and flexible deployment of application to maximize the value of data.

big data;aviation complicated products;model-based definition

TP391

A

1008-7516（2016）01-0068-06

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.01.015

2015-10-12

航空科學(xué)基金(2015ZG55018);河南省科技廳軟科學(xué)研究計(jì)劃(132400410782);河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(15A630050);鄭州市科技發(fā)展計(jì)劃(20140583).

張海軍(1983―),男,河南信陽(yáng)人,博士,講師.主要從事先進(jìn)制造技術(shù)研究.