利用先進(jìn)信息技術(shù)提升航天工藝技術(shù)水平

李 濤 張海利

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利用先進(jìn)信息技術(shù)提升航天工藝技術(shù)水平

李 濤1張海利2

（1.北京神舟航天軟件技術(shù)有限公司，北京 100094；2. 中國航天科技集團(tuán)公司，北京 100035）

針對航天工藝的要求和現(xiàn)狀，提出了利用先進(jìn)信息技術(shù)提升航天工藝技術(shù)水平和制造能力的思路，總結(jié)了物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集、海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及深度學(xué)習(xí)技術(shù)等能夠快速、有效提升航天工藝能力的信息技術(shù)。最后，結(jié)合相關(guān)信息技術(shù)在工藝環(huán)節(jié)如何開展應(yīng)用進(jìn)行設(shè)想和展望。

工藝技術(shù)能力；制造能力；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；統(tǒng)計(jì)技術(shù)

1 引言

工藝不僅是產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的橋梁，還對產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性起到?jīng)Q定性的作用。航天型號(hào)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求高，品種多、批量小，在產(chǎn)品研制過程中采用的新技術(shù)、新材料、新工藝較多，導(dǎo)致產(chǎn)品工藝規(guī)律總結(jié)難度大，定型批產(chǎn)的型號(hào)產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中質(zhì)量問題仍時(shí)有發(fā)生。

航天重大型號(hào)研制，航天商業(yè)化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，都對航天工藝技術(shù)水平和制造能力提出了要求。國家兩化融合戰(zhàn)略要求航天工藝人員認(rèn)真研究先進(jìn)信息技術(shù)，將先進(jìn)信息技術(shù)融入到航天工業(yè)中，真正地提升航天工藝技術(shù)水平，滿足航天制造能力發(fā)展的要求。

很多學(xué)者對工藝數(shù)字化工作進(jìn)行了探討，林忠欽針對高端裝備和高性能產(chǎn)品從數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的工序控制兩方面，總結(jié)歸納了工藝數(shù)字化設(shè)計(jì)方法和工藝過程控制方法[1]。程軍利就當(dāng)前軍工產(chǎn)品制造的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)及存在問題進(jìn)行分析[2]，賈蕪青對工藝管理信息系統(tǒng)進(jìn)行了研究與實(shí)現(xiàn)[3]。以上傳統(tǒng)的信息技術(shù)在工藝管理中起到了提高工作效率和減少工作失誤的重要作用，但對于航天產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性作用仍較為有限。

當(dāng)前，德國提出的工業(yè)4.0以高度自動(dòng)化、高度信息化和高度網(wǎng)絡(luò)化為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其核心是CPS（Cyber Physical System）信息物理系統(tǒng)。本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)軟件與物理設(shè)備的深度集成，使制造業(yè)的各個(gè)環(huán)節(jié)具備一定的智能性。我國也正在推進(jìn)“中國制造2025”戰(zhàn)略，通過智能制造構(gòu)建新型制造體系。此外，以深度學(xué)習(xí)為代表的人工智能技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。加快推動(dòng)先進(jìn)信息技術(shù)在航天工藝工作中的應(yīng)用，促進(jìn)航天工藝技術(shù)水平，確保航天產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，提升航天制造能力，是一項(xiàng)重要發(fā)展任務(wù)。

2 借助信息技術(shù)提升航天工藝能力迫在眉睫

將先進(jìn)信息技術(shù)與航天工藝生產(chǎn)緊密結(jié)合，是促進(jìn)航天產(chǎn)品工藝能力提升的有效措施和重要手段。

首先，提升航天產(chǎn)品工藝能力是在挑戰(zhàn)產(chǎn)品研制基本規(guī)律，難度巨大。將先進(jìn)信息技術(shù)和專家經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合是航天產(chǎn)品工藝能力提升的必要途徑。

航天型號(hào)產(chǎn)品“萬無一失”的質(zhì)量可靠性要求對工藝環(huán)節(jié)的技術(shù)能力和水平提出了極高的要求。這種要求需要大量產(chǎn)品試驗(yàn)，而型號(hào)產(chǎn)品研制周期越來越短，受研制經(jīng)費(fèi)條件的制約，航天型號(hào)產(chǎn)品試驗(yàn)次數(shù)有限。這種小子樣試驗(yàn)后直接定型的方式在一定程度上違反了產(chǎn)品研制規(guī)律，而新技術(shù)、新材料、新工藝頻繁采用又使產(chǎn)品內(nèi)在規(guī)律不斷變化，很容易使生產(chǎn)過程變成試驗(yàn)場，產(chǎn)品質(zhì)量難以保證。

航天歷來重視產(chǎn)品數(shù)據(jù)，型號(hào)成功產(chǎn)品數(shù)據(jù)包和質(zhì)量數(shù)據(jù)分析方法是型號(hào)產(chǎn)品質(zhì)量的重要保證條件[4]，但仍存在成功型號(hào)指標(biāo)定量化分析不足、各參數(shù)交互機(jī)制難以理清等問題。在工藝能力方面，涉及到數(shù)學(xué)、物理和化學(xué)等眾多基礎(chǔ)學(xué)科和試驗(yàn)方法，無論是工藝參數(shù)的數(shù)值參數(shù)相關(guān)性的分析，還是影響因素的確定，都需要大量數(shù)字計(jì)算，僅僅依靠專家經(jīng)驗(yàn)總結(jié)規(guī)律、提升工藝能力效果有限。利用先進(jìn)信息技術(shù)，將航天工藝專家的經(jīng)驗(yàn)與“數(shù)據(jù)說話”機(jī)制有效結(jié)合將成為提升航天產(chǎn)品工藝能力必要的、有效的途徑。

其次，當(dāng)前航天型號(hào)產(chǎn)品過程數(shù)字化水平和分析能力亟待提升，對信息技術(shù)重視不夠，產(chǎn)品數(shù)字化能力不足已經(jīng)成為航天產(chǎn)品工藝水平提升的瓶頸。

從各單位科研生產(chǎn)實(shí)際情況來看，當(dāng)前型號(hào)產(chǎn)品過程數(shù)據(jù)以手工記錄為主，缺少完整統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化、電子化數(shù)據(jù)記錄，對產(chǎn)品質(zhì)量可靠性問題的分析判斷主要依靠人的經(jīng)驗(yàn)。航天小批量產(chǎn)品數(shù)據(jù)表現(xiàn)出試驗(yàn)時(shí)間長、影響因素多、因果關(guān)系不明顯等特征，現(xiàn)有面向社會(huì)批量化產(chǎn)品的數(shù)據(jù)分析方法難以奏效。當(dāng)前許多單位的型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)檢測設(shè)備數(shù)字化程度比較高，但由于缺乏自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、歸集和整理的能力，本已數(shù)字化的數(shù)據(jù)又被重新記錄在紙質(zhì)文件上。受制于數(shù)字化程度和分析方法，許多單位的工藝過程參數(shù)記錄難以被有效分析利用，難以形成有效的、定量化的反饋機(jī)制。制約了航天產(chǎn)品工藝技術(shù)水平的提升。

3 提升航天產(chǎn)品工藝水平的關(guān)鍵信息技術(shù)

從航天產(chǎn)品工藝實(shí)際出發(fā)，與先進(jìn)信息技術(shù)融合，打造適合航天各單位工藝特點(diǎn)的信息化工具是提升工藝能力的必經(jīng)之路。當(dāng)前，集團(tuán)各單位購買了眾多軟件，但從支撐航天型號(hào)產(chǎn)品實(shí)際情況來看，效果不理想，這也是當(dāng)前工藝水平面臨數(shù)字化困局的重要原因。航天工藝隊(duì)伍缺乏對先進(jìn)信息技術(shù)的深入研究，技術(shù)途徑不明確，僅僅寄希望于直接采購軟硬件設(shè)備提升航天工藝能力，難度很大。

構(gòu)建數(shù)字化工藝能力所需信息化投入巨大，從產(chǎn)品工藝能力角度加強(qiáng)對所涉及到的信息化技術(shù)研究，明確工藝能力建設(shè)的信息技術(shù)需求。加大工藝技術(shù)與信息技術(shù)的深度融合，加大工藝隊(duì)伍對信息技術(shù)牽引作用，形成一套融合航天經(jīng)驗(yàn)和先進(jìn)信息技術(shù)的信息化方法、技術(shù)和工具，提升航天產(chǎn)品工藝水平。

對工藝水平提升相關(guān)的信息技術(shù)主要有物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)和深度學(xué)習(xí)技術(shù)等方面。

3.1 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

航天工藝過程數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、電子化程度差在很大程度上影響了從生產(chǎn)實(shí)踐中把握工藝規(guī)律的通道，提升數(shù)據(jù)采集能力是當(dāng)務(wù)之急。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是近年興起的新興技術(shù)，通過傳感器實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)備之間、設(shè)備與人之間的連接，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)電子化。航天工藝過程涉及設(shè)備種類多、數(shù)量多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所需要的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)具有較強(qiáng)適應(yīng)性且成本受控：對于具有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備，應(yīng)能通過軟件配置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；對于沒有數(shù)據(jù)接口的設(shè)備，應(yīng)能實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)改造或智能識(shí)別，保證數(shù)據(jù)采集工作整體成本可控。

3.2 海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)

提到數(shù)據(jù)管理技術(shù)，首先想到的是數(shù)據(jù)庫。當(dāng)前所說的數(shù)據(jù)庫一般是指關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，由英國數(shù)學(xué)家Codd在1970年首先提出的，核心是對于復(fù)雜對象與關(guān)系，如何通過二維度的信息組織模式，實(shí)現(xiàn)高效調(diào)用和精簡存儲(chǔ)。

航天型號(hào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，數(shù)據(jù)類型多樣、數(shù)據(jù)量大，要頻繁進(jìn)行高性能的計(jì)算，對數(shù)據(jù)庫查詢、索引功能需求不強(qiáng)，不適合采用傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)管理。部分單位在實(shí)踐過程中將產(chǎn)品數(shù)據(jù)存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，造成系統(tǒng)緩慢甚至崩潰。

近年來互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來提升性能，如Redis、MangoDB等性能優(yōu)秀且開源免費(fèi)的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)便捷管理大量數(shù)據(jù)，能處理好數(shù)據(jù)并發(fā)效率問題，這種數(shù)據(jù)格式也利于數(shù)據(jù)分析和大規(guī)模計(jì)算。對于數(shù)據(jù)量龐大的生產(chǎn)過程利用分布式集群數(shù)據(jù)管理技術(shù)架構(gòu)如hadoop等技術(shù)管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

3.3 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)是從信息中篩選數(shù)據(jù)，找到事物的因果規(guī)律，進(jìn)行預(yù)測或者建立反饋控制機(jī)制的技術(shù)。從流派來看，分為傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域。

在大批量制造企業(yè)，傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，如用于研制階段的DOE方法、Taguchi方法，以及用于生產(chǎn)過程控制的SPC方法等。這類方法本質(zhì)是尋找制造中的因果關(guān)系，確保生產(chǎn)過程質(zhì)量受控。由于我國統(tǒng)計(jì)學(xué)發(fā)展過程重?cái)?shù)學(xué)輕應(yīng)用，重經(jīng)濟(jì)輕工業(yè)，造成理工科人員普遍統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)基礎(chǔ)差，應(yīng)用能力不足，缺乏依靠數(shù)據(jù)決策的能力，這是航天工藝人員需要注意和加強(qiáng)的。

機(jī)器學(xué)習(xí)是人工智能的核心，是機(jī)器模擬人類開展學(xué)習(xí)的技術(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，只有航天專家經(jīng)驗(yàn)和和機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果相結(jié)合，才能有效地支撐科研生產(chǎn)。

此外，在科研生產(chǎn)中，僅僅找到規(guī)律是不夠的，更為關(guān)鍵的是對產(chǎn)品的研制周期或者質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測并加以控制，這就需要用到蒙特卡羅方法，也叫統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)方法。蒙特卡洛方法以研究對象的概率模型為基礎(chǔ)，通過大量模擬樣本仿真預(yù)測產(chǎn)品成品率，從而避免在批量生產(chǎn)過程中出現(xiàn)不必要的損失。

3.4 深度學(xué)習(xí)技術(shù)

深度學(xué)習(xí)算法隨著阿爾法狗戰(zhàn)勝著名棋手李世石而聞名于天下。深度學(xué)習(xí)模型作用是從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)規(guī)律，從而對新的樣本做識(shí)別或結(jié)果預(yù)測。深度學(xué)習(xí)關(guān)鍵在于其中間的隱藏層結(jié)構(gòu)。深度學(xué)習(xí)模型起源于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但受制于計(jì)算能力限制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在隱藏神經(jīng)元的定量求解方面遇到了巨大的困難，發(fā)展一度停滯。得益于近年來計(jì)算機(jī)CPU與GPU速度的提升、并行計(jì)算技術(shù)發(fā)展以及眾多優(yōu)化算法的出現(xiàn)，深度學(xué)習(xí)才再度崛起，在人臉識(shí)別和指紋識(shí)別等方面應(yīng)用廣泛。深度學(xué)習(xí)技術(shù)具有良好的模型耦合能力和擴(kuò)展能力，能在探索產(chǎn)品工藝參數(shù)與指標(biāo)的定量關(guān)系方面起到不可替代的作用。

4 先進(jìn)技術(shù)在航天工藝應(yīng)用展望

在上述先進(jìn)信息技術(shù)的支撐下，各單位通過構(gòu)造適合自身產(chǎn)品特點(diǎn)的數(shù)字工藝方法與工具，可以實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，產(chǎn)品全過程數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建，并通過數(shù)據(jù)的分析、優(yōu)化和實(shí)時(shí)監(jiān)控，形成設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)閉環(huán)和循環(huán)改進(jìn)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工藝技術(shù)水平和制造能力的提升。

4.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與管理

航天型號(hào)產(chǎn)品生產(chǎn)涉及到大量的生產(chǎn)和檢測設(shè)備，種類多、廠商多，不同設(shè)備的數(shù)據(jù)采集需求各不相同，數(shù)字化自動(dòng)化程度各異，自動(dòng)化采集難度很大。利用先進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過PC機(jī)數(shù)據(jù)集成、設(shè)備聯(lián)網(wǎng)改造、智能識(shí)別等技術(shù)手段，對已有設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)接口改造和聯(lián)網(wǎng)改造，或者加裝攝像頭并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)代替人直接識(shí)別儀表數(shù)字和曲線，取代手工參數(shù)記錄，形成完整、真實(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)記錄，為型號(hào)產(chǎn)品打下堅(jiān)實(shí)的數(shù)字化基礎(chǔ)。

4.2 工藝數(shù)據(jù)建模與管理

與現(xiàn)有生產(chǎn)制造系統(tǒng)相結(jié)合，利用海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)，建立數(shù)據(jù)同步機(jī)制，將散布在各設(shè)備、存儲(chǔ)上的各種數(shù)據(jù)有效地進(jìn)行歸集和結(jié)構(gòu)化處理，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品科研生產(chǎn)過程中采集到的質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、監(jiān)控、預(yù)處理和查詢利用。

建立產(chǎn)品元過程，并按照不同的質(zhì)量等級(jí)將元過程組織成與產(chǎn)品質(zhì)量要求相匹配的過程模型，明確產(chǎn)品生產(chǎn)檢測各環(huán)節(jié)的定量化操作要求，建立可量化的操作細(xì)則。利用信息技術(shù)將工藝過程參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作細(xì)則推送至操作者桌面，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品過程的精細(xì)化管理，確保貫徹過程質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，提升產(chǎn)品質(zhì)量控制能力。

4.3 制造能力分析與優(yōu)化

航天產(chǎn)品工藝復(fù)雜、質(zhì)量要求高，在一定程度上造成了型號(hào)研制周期不受控，也給各個(gè)企業(yè)帶來了設(shè)備利用率不足、產(chǎn)能不足等問題。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對航天型號(hào)生產(chǎn)過程建模，基于航天歷史任務(wù)過程數(shù)據(jù)和進(jìn)度數(shù)據(jù)，建立航天型號(hào)統(tǒng)計(jì)過程模型，利用仿真技術(shù)，分析航天型號(hào)周期和設(shè)備產(chǎn)能規(guī)律，優(yōu)化瓶頸，合理安排生產(chǎn)任務(wù)，才能確保航天產(chǎn)品按節(jié)點(diǎn)交付。

4.4 定量化產(chǎn)品質(zhì)量控制模型

傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)計(jì)算方法在航天應(yīng)用也面臨規(guī)律過于復(fù)雜，內(nèi)在規(guī)律經(jīng)常變化等問題。從航天型號(hào)研制實(shí)際情況來看，產(chǎn)品試驗(yàn)投入巨大，很難利用傳統(tǒng)的DOE方法重新安排試驗(yàn)。這就要求航天質(zhì)量控制方法必須要做到“與時(shí)俱進(jìn)”，不斷利用新數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行改進(jìn)修正。利用深度學(xué)習(xí)以及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，航天產(chǎn)品質(zhì)量定量化控制模型分為三個(gè)部分：歷史數(shù)據(jù)分析、定量化在線模型計(jì)算和生產(chǎn)監(jiān)控。

分析產(chǎn)品歷史數(shù)據(jù)，確定有效數(shù)據(jù)集合作為產(chǎn)品模型的初始化數(shù)據(jù)；定量化在線模型計(jì)算利用深度學(xué)習(xí)等算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化建模，對航天產(chǎn)品過程實(shí)施蒙特卡洛仿真分析，對其最終產(chǎn)品指標(biāo)分布進(jìn)行預(yù)測，以達(dá)到工藝過程受控的目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行小批量生產(chǎn)驗(yàn)證工作，確保當(dāng)前模型的有效性和可控性；生產(chǎn)監(jiān)控階段按照預(yù)定的關(guān)鍵參數(shù)控制策略，利用SPC算法對實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，及時(shí)剔除質(zhì)量不可控因素，確保最終產(chǎn)品指標(biāo)的穩(wěn)定受控。

5 結(jié)束語

當(dāng)前航天工藝數(shù)字化水平整體不高，各種先進(jìn)信息技術(shù)應(yīng)用存在一定風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)明確建設(shè)目標(biāo)，慎重確定應(yīng)用策略，構(gòu)建適合自身產(chǎn)品特點(diǎn)的數(shù)字工藝環(huán)境。避免軟件投入一大堆，應(yīng)用效果看不見的不利局面。在建設(shè)初期搞大而全、系統(tǒng)化的建設(shè)推進(jìn)，不僅僅投入巨大、建設(shè)周期長而且短期難以見到應(yīng)用效果。相反，以典型工藝問題為導(dǎo)向設(shè)立數(shù)字化試點(diǎn)，利用先進(jìn)信息技術(shù)開展探索和驗(yàn)證工作，待取得一定實(shí)效后再大規(guī)模開展建設(shè)，才能有效提升工藝技術(shù)水平。

1 林忠欽. 復(fù)雜產(chǎn)品制造精度控制的數(shù)字化方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，49(6)：103～112

2 程軍利. 當(dāng)前軍工產(chǎn)品制造的數(shù)字化工藝設(shè)計(jì)技術(shù)探討[J]. 裝備制造技術(shù)，2014(1)：232～234

3 賈蕪青. 工藝管理信息系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2011(7)：191～192

4 徐嫣. 航天產(chǎn)品成功數(shù)據(jù)包絡(luò)分析研究與應(yīng)用[J]. 質(zhì)量與可靠性，2013(3)：21～24

Improving Aerospace Process Technique Standard by Advanced Information Techniques

Li Tao1Zhang Haili2

(1. Beijing Shenzhou Aerospace Software Technology Co., Ltd, Beijing 100094；2. China Aerospace Science and Technology Corportion, Beijing 100035)

Targeting at the situation of aerospace process technique standard, this paper proposed using the advanced information techniques to improve the process technique standard and manufacturing capability. The paper summarized the representative information techniques such as IOT, high-volume data management, big data analysis and deep learning technique and also gave the description of the utilizations of these advanced information techniques.

process technique capability；manufacturing capability；IOT；big data；statistic technique

李濤（1974-），博士，控制理論與控制工程專業(yè)；研究方向：物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)在制造業(yè)工藝質(zhì)量控制等方面的理論與應(yīng)用研究。

2017-03-02