基于產品結構的航天器AIT過程多維數據管理系統(tǒng)

魏 鵬，張立偉，趙晶晶，楊曉寧，賀文興

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

航天器研制的特點是需求多變、產品構成復雜、技術流程長、試驗驗證繁多、管理模式冗長[1]，每個階段都會產生大量不同維度的技術和管理數據。例如，航天器總裝、集成與測試試驗（Assembly,Integration and Test，AIT）過程中有工藝文件、執(zhí)行記錄、檢驗結果、測試數據、多媒體記錄、計劃數據、輔助資源數據等多種數據，這些數據隨著產品研制過程不斷累加、傳遞、歸檔，形成航天器AIT過程數據包。

AIT過程數據包對持續(xù)改進AIT技術流程、促進產品質量提升、提高管理精細化水平等各項工作意義重大，但在現階段并未得到很好的收集、整理、分析和利用，其主要原因如下：

1）離散手工裝配為主，產品狀態(tài)多變

目前的航天器研制多處于小規(guī)模生產狀態(tài)，技術文件因需求變更而頻繁變更，從而造成總裝過程中的重復工作增加，導致工藝設計與現場實施的數據頻繁交互，并且產生了大量處于中間狀態(tài)的非常規(guī)過程數據[2]。

2）產品研制周期長，數據存儲方式不利于使用

航天器研制周期往往長達數年，研制過程中經常存在逆流程操作[3]，而現有信息系統(tǒng)中記錄的數據大都按照工作流程進行時序存儲，僅僅滿足了任務實施過程數據記錄的需要，尚未實現與產品特征信息的關聯存儲。

3）多系統(tǒng)獨立運行，存在信息孤島

目前，總體設計與工藝設計數據已經實現了基于結構化數據的Teamcenter、Windchill等數據管理（Product Data Management, PDM）系統(tǒng)應用[4]，但是對于專業(yè)測試與試驗數據，仍通過非結構化的航天飛行器集成設計制造（Aerospace Vehicles Integrated Design and Manufacture, AVIDM）系統(tǒng)進行管理。多系統(tǒng)同時獨立運行，因此存在信息孤島，不利于將AIT過程數據作為整體統(tǒng)一開發(fā)使用。

4）數據分析挖掘不夠，數據查詢效率低

現有各業(yè)務系統(tǒng)的數據記錄及存儲功能僅滿足了自身業(yè)務的需要，大量執(zhí)行記錄數據與產品狀態(tài)統(tǒng)計表等數據間的關聯程度不夠，無法滿足以產品為對象的數據快速查詢和質量復查等快速檢索需求，很難開展型號內的縱向數據比對和型號間的橫向分析比對。

針對前2類問題，國內外對于AIT過程數據管理的思路通常是業(yè)務系統(tǒng)獨立運行、系統(tǒng)間數據集成。如現場實施使用的制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System, MES）與工藝設計使用的計算機輔助工藝規(guī)劃（Computer Aided Process Planning,CAPP）系統(tǒng)通過PDM系統(tǒng)進行信息集成，或直接在MES上增加工藝數據的信息管理功能[5]，實現多系統(tǒng)數據間的動態(tài)反饋和共享。

早期，航天器總裝中實現了基于統(tǒng)一的產品結構的CAPP、MES與AVIDM系統(tǒng)的集成[6]。但是，這種形式的數據集成僅僅采用了數據推送或讀取的數據接口模式，當工藝狀態(tài)發(fā)生變化、逆流程、跳序操作時，就會造成數據混亂，無法滿足對數據包完整性、一致性以及正確性的要求。因此，后續(xù)又提出了工藝基線、設計基線以及裝配實施數據3個層面的一致性要求，以保證過程數據在工藝狀態(tài)發(fā)生變動情況下的聯動性和完整性[7]。

針對后2類問題，主要的解決方案是構建數據倉庫，基于數據抽取轉換裝載（Extract Transform Load, ETL）技術將不同系統(tǒng)、不同形式、不同結構的數據集成在一起進行重構，并支持結構化或專門查詢、分析報告和決策制定，從而使離散數據形成相互關聯的多維結構化數據模型。多維結構化數據模型又稱為“數據立方體”或“數據魔方”，其數據通過維度和實際內容來確定，每個維度都有一個數據表，能夠表達數據與維度的關系，最終實現多維度的數據查詢、統(tǒng)計與分析[8]。

在數據集成過程中，一般通過使用企業(yè)服務總線（Enterprise Service Bus, ESB）進行整合，結合中間件、XML、Web服務等技術，在多系統(tǒng)間形成拓撲結構，使所有系統(tǒng)能夠以單元的形式插入到ESB中進行整合和統(tǒng)一調度[9]，從而解決多系統(tǒng)間接口差異、數據異構和同步不及時等問題[10]。

本文通過構建以產品實際過程數據為核心的多維數據模型，從產品結構、時間周期、階段型號3個維度進行多種數據系統(tǒng)間的數據集成及重構，形成完整的結構化數據管理系統(tǒng)。并希望基于數據模型制定數據標準、提升數據質量，為挖掘數據價值提供參考，提升設計專業(yè)化水平和總裝實施一致性。

1 數據內容及模型構建

目前AIT過程數據主要包括總裝實施數據、專業(yè)測試數據、大型試驗數據以及管理及資源數據等（如圖1所示）均為在AIT研制過程中產生的實際操作、檢驗以及測試數據。

圖1 AIT過程數據內容Fig.1 Contents of AIT process data

圖1中的4大類數據相當繁雜，同時許多數據并無相互關聯的邏輯關系，因此，需要改變現有以工作業(yè)務流程為驅動的數據存儲方式，對各業(yè)務數據結構進行重組，以“產品結構”為索引，由“基于工藝流程”的時序存儲轉變?yōu)椤盎诋a品結構”的數據存儲方式。因此，本文通過構建多維數據模型，將數百種數據填入類似“魔方”的數據結構中，主要包括產品結構、時間周期、階段型號等3個維度，如圖2所示。

1）從產品結構維度上看，航天器產品通常包括整星（器）、艙段、艙板、設備（電纜/直屬件/管路）4個層級，通過連續(xù)不斷的裝配活動，產品結構從零散的單機、部組件直到變成最終產品，結構數據、專業(yè)測試數據作為特定的產品屬性，與相對應的產品關聯。

圖2 AIT過程多維模型構建Fig.2 Structure process of multidimensional data model

2）從時間周期維度上看，AIT過程歷經了工藝設計—計劃調度—操作執(zhí)行—結果反饋4個階段，過程數據在這4個階段循環(huán)演變成具有時序的數據流。當發(fā)生狀態(tài)變更，需要對工藝文件進行修改時，通過“現場問題處理單”等單據進入另一個具有時序的數據流，同時，每個研制階段都可能會因技術狀態(tài)調整而存在數個類似的數據流，不同的數據流反映了產品在不同時間的狀態(tài)。

3）從階段型號維度上看，型號會經歷方案—初樣—正樣階段，部分復雜型號還存在模樣階段，而部分批產裝備型號則須經歷方案—初樣—試樣—定型的研制階段。批產型號或者共平臺的型號，如XX-1、XX-2間也在此維度進行對比。

2 系統(tǒng)總體結構

本文依據多維數據模型以及數據管理系統(tǒng)技術，構建以航天器產品結構為目錄索引，以現場生產狀態(tài)（包括簽署數據、測試數據、照片等）為輸入，通過結構化存儲形成層次清晰、數據關聯的實做數據樣機，能夠在任意時間節(jié)點下真實反應產品結構中任意產品實際狀態(tài)的AIT過程多維數據管理系統(tǒng)，其總體方案如圖3所示。

圖3 AIT過程多維數據管理系統(tǒng)總體方案Fig.3 Scheme of the multi-dimensional data management system for AIT process

AIT過程多維數據管理系統(tǒng)主要包括產品結構、數據傳輸、數據重構與關聯3個系統(tǒng)性模塊，以及實做樣機、數據應用2個功能性模塊，系統(tǒng)功能與組成如圖4所示。

圖4 AIT過程多維數據管理系統(tǒng)功能與組成Fig.4 Functions and compositions of the multi-dimensional data management system

產品結構模塊用于建立完整的“產品結構骨架”；數據傳輸模塊對現有的各業(yè)務信息系統(tǒng)數據進行收集和整理；數據重構與關聯模塊對數據進行重構，與“產品結構骨架”相關聯，完成數據內容的填充；實做樣機模塊基于數據驅動，以表格或照片等形式對產品狀態(tài)信息進行展示；數據應用模塊主要對累積數據進行統(tǒng)計分析，以滿足狀態(tài)控制、質量復查、數據挖掘等需求。

3 系統(tǒng)詳細設計

3.1 產品結構模塊

基于總體三維模型輸入，按整星、艙段、艙板、設備4個層級構建工藝樣機形成產品結構。工藝樣機由系統(tǒng)總體架構，總裝設計模型、分系統(tǒng)設計模型及相關設計文件匯總至工藝，經整合處理后生成，構建流程如圖5所示，產品結構如圖6所示。

圖5 基于產品結構的數據構建流程Fig.5 Data construction process based on product structure

圖6 產品數據結構Fig.6 Structure of the product data structure

3.2 數據傳輸模塊

AIT流程中存在著同一數據在多處記錄的現象，這種數據冗余會帶來“數據矛盾”，影響過程的可追溯性。因此，系統(tǒng)必須堅持統(tǒng)一數據源原則，保證全部數據從現有的數據系統(tǒng)傳輸或通過文件等錄入。針對不同的信息系統(tǒng)設計不同的傳輸路徑與接口，系統(tǒng)集成可以采用Webservice、ETL、中間表（或中間文件）同步等方式，確保數據傳輸完整。數據管理系統(tǒng)本身僅從其他數據系統(tǒng)傳輸數據，辦公網外的數據通過物理介質導入相應信息系統(tǒng)后，再通過辦公網內數據接口進行傳輸。系統(tǒng)間數據集成關系見圖7。

圖7 系統(tǒng)間數據集成關系Fig.7 Correlation of data integration for different systems

在對各異構系統(tǒng)的數據進行匯總之后，數據質量（即數據的完整性、一致性及規(guī)范性等）直接影響數據價值的發(fā)揮。因此，在傳輸過程中需對數據進行清洗（如圖8所示），通過對各類數據制定標準和規(guī)范，并在系統(tǒng)中設置校驗規(guī)則，實現對數據的檢查，并自動進行糾正或者給出糾正建議。

圖8 數據清洗流程Fig.8 Process of data cleaning

3.3 數據重構與關聯模塊

數據重構與關聯模塊對基于流程的數據進行重構，使之與“產品結構骨架”相關聯，完成數據內容的填充，主要流程如圖9所示。

圖9 數據重構與關聯流程Fig.9 Process of data restructuring and cross links

數據包展示系統(tǒng)中的數據是從各系統(tǒng)中集成而來的，為保證AIT過程數據的完整性和準確性，須對系統(tǒng)中的數據進行基線和版本管理，令各維度的數據的版本一致，避免出現由數據狀態(tài)差異造成的查詢錯誤。

總裝實施及實做數據反饋以工藝文件為載體，記錄相對完整的總裝過程數據（狀態(tài)、數據、簽署記錄等），通過MES接口回傳數據，實現MES中總裝生產信息（如設備安裝狀態(tài)、熱控實施狀態(tài)等）向系統(tǒng)的反饋。

多媒體記錄三維工藝設計過程中，面對基于產品結構的多媒體數據管理需求，進行TC三維工藝設計系統(tǒng)（Team Center, TC）改造，在工藝文件中定義拍照要求，并與對應產品關聯，生成結構化照片記錄要求，具備MES實做狀態(tài)照片記錄向系統(tǒng)回傳的能力。

對于非結構化的數據，提取其構成中的流程信息填入結構化的產品模板，并針對缺失信息進行人工補充和迭代，逐漸實現自動化的信息重構。

3.4 實做樣機模塊

實做樣機模塊實現對特定產品實做狀態(tài)的關聯查詢，可展示在整個AIT流程中對特定產品（如設備、插頭等）實施的所有操作的工作狀態(tài)和結果、執(zhí)行記錄以及對應的多媒體記錄等信息，實現技術狀態(tài)的完整展示，并基于總裝執(zhí)行系統(tǒng)反饋的實際操作、檢驗簽署數據，實時驅動模型的增減，實現“某一時間航天器真實狀態(tài)”的展示功能[11]。系統(tǒng)示例如圖10、圖11所示。

圖10 特定產品執(zhí)行記錄Fig.10 Executive logs of specific product

圖11 特定產品實做照片Fig.11 Record of specific product

3.5 數據應用模塊

數據應用模塊主要用于基于模板表格的統(tǒng)計、匯總，含總裝偏離數據等，以及自定義查詢與數據挖掘。在數據庫設計中參考Impala等大數據軟件部署與管理工具[12]，使結構化的AIT數據能夠形成易于查詢統(tǒng)計的數據內容，從而實現同一型號的縱向比對或不同型號間的橫向比對。例如，能夠快速調取查詢某關鍵部件多次拆裝操作中每次拆裝的執(zhí)行記錄及現場照片等信息，并進行縱向比對；便捷地調取查詢某批產衛(wèi)星的同類型設備在不同型號中的安裝狀態(tài)和總裝數據，并進行橫向比對。

4 結束語

本文從數據模型構建、數據集成等方向出發(fā)，分析了AIT過程數據在產品結構、時間周期、階段型號3個維度的演變過程，構建了多維數據模型，并開發(fā)基于產品結構的多維數據管理系統(tǒng)。系統(tǒng)改變了現有以工作業(yè)務流程為驅動的數據存儲方式，對各業(yè)務數據結構進行重組，以“產品結構”為索引，由“基于工藝流程”的時序存儲轉變?yōu)椤盎诋a品結構”的數據存儲方式，提升過程數據信息查詢效率。同時打通了數據“孤島”，實現各業(yè)務數據系統(tǒng)間的無縫流轉，為改進AIT研制過程提供有力支持。