大數(shù)據(jù)時(shí)代飛機(jī)設(shè)計(jì)階段質(zhì)量控制新思路

安振華

摘 要：討論了飛機(jī)研制的流程、大數(shù)據(jù)的概念與特點(diǎn)。結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，提出了在大數(shù)據(jù)時(shí)代下，通過采集大量數(shù)據(jù)、參數(shù)、圖表等不規(guī)則信息，經(jīng)過篩選、分類、整理和數(shù)據(jù)處理，形成設(shè)計(jì)過程數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)資源數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)等大數(shù)據(jù)庫。利用大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析技術(shù)對需要的信息進(jìn)行挖掘，數(shù)據(jù)的挖掘主要是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)上進(jìn)行基于各種算法的計(jì)算，從而達(dá)到預(yù)測的目的，確定飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的重要參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)，有效減少設(shè)計(jì)更改，提高設(shè)計(jì)與制造的相符性，優(yōu)化研制階段的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；飛機(jī)研制；質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)：V221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.003

飛機(jī)研制過程具有設(shè)計(jì)制造難度大、協(xié)作面廣、設(shè)計(jì)更改頻繁、管理困難的特點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，飛機(jī)設(shè)計(jì)階段花費(fèi)的投資占到總投資的15%，但是它對后續(xù)環(huán)節(jié)85%的經(jīng)費(fèi)起到了決定性的作用，因此，提高飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)更改、錯(cuò)誤和返工，是提高飛機(jī)研制質(zhì)量、縮短飛機(jī)研制周期和降低成本的有效方法。

大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來使數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N基礎(chǔ)資源。在飛機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，通過采集大量數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過整理形成各種數(shù)據(jù)庫。這些數(shù)據(jù)通過處理反饋給各個(gè)階段的設(shè)計(jì)者，從而向設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)支持。通過大數(shù)據(jù)采集、挖掘、分析等工作為飛機(jī)設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)。

1 大數(shù)據(jù)與飛機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 大數(shù)據(jù)概念、特點(diǎn)

大數(shù)據(jù)的直接概念就是一個(gè)體量特別大、數(shù)據(jù)類別特別多的數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)為：①數(shù)據(jù)量規(guī)模一般為10 TB，甚至已經(jīng)形成PB級(jí)；②數(shù)據(jù)類別多，數(shù)據(jù)來自多種數(shù)據(jù)源，數(shù)據(jù)種類和格式豐富；③數(shù)據(jù)處理速度快；④數(shù)據(jù)真實(shí)性高，以事實(shí)為依據(jù)。

1.2 飛機(jī)設(shè)計(jì)的階段

飛機(jī)的設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。

飛機(jī)的概念設(shè)計(jì)階段主要解決飛機(jī)的構(gòu)型布局、性能、參數(shù)以及重量方面的問題。利用已有的工藝文件、生產(chǎn)設(shè)備和成熟的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為設(shè)計(jì)提供有效的制造支持，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備和制造周期，降低生產(chǎn)成本。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員對新材料、新結(jié)構(gòu)和新制造技術(shù)進(jìn)行充分的預(yù)研和工藝試驗(yàn)，在制造中反復(fù)試驗(yàn)，形成大量的制造試驗(yàn)數(shù)據(jù)，充分驗(yàn)證后再實(shí)施。

飛機(jī)的初步設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師重點(diǎn)解決飛機(jī)技術(shù)協(xié)調(diào)和部件的優(yōu)化問題；確定合理的工藝分離面，保證部件之間的良好的裝配工藝性、可制造性和結(jié)構(gòu)工藝性。對于這些需求，制造質(zhì)量數(shù)據(jù)庫可以提供歷史生產(chǎn)過程中的機(jī)構(gòu)工藝性實(shí)例，供設(shè)計(jì)者參考，避免因設(shè)計(jì)失誤而造成工藝問題。

飛機(jī)的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段是形成零部件具體設(shè)計(jì)參數(shù)的過程。結(jié)構(gòu)性能可制造性要求主要從結(jié)構(gòu)工藝性、零件可裝配性兩個(gè)方面來滿足。對于設(shè)計(jì)參數(shù)的確定，則需要考慮制造設(shè)備的詳細(xì)信息，全面了解設(shè)備的加工精度、加工能力、使用狀態(tài)等，從而合理地確定公差等級(jí)、配合精度和表面粗糙度等。同時(shí)，積累了工藝、檢驗(yàn)、材料加工、人員等制造資源數(shù)據(jù)，有利于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.3 飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中數(shù)據(jù)的處理

在大數(shù)據(jù)時(shí)代，將大數(shù)據(jù)時(shí)代的特點(diǎn)與飛機(jī)研制過程相結(jié)合。在設(shè)計(jì)階段有效地收集、分析、挖掘相關(guān)數(shù)據(jù)，對于提高飛機(jī)研制質(zhì)量、縮短飛機(jī)研制周期和降低成本具有重要意義。

1.3.1 飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的大數(shù)據(jù)收集

飛機(jī)研制階段數(shù)據(jù)的收集是指利用多個(gè)數(shù)據(jù)庫來接收設(shè)計(jì)制造階段大量數(shù)據(jù)、參數(shù)、圖表等信息，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的查詢和處理。該類數(shù)據(jù)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是多樣性，數(shù)據(jù)的來源極為復(fù)雜、廣泛，可以把大量的無序的、不規(guī)則的、不同類型的數(shù)據(jù)集成在一起，例如重量信息、應(yīng)力分析數(shù)據(jù)、飛機(jī)外形模型和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹等信息，甚至各類文檔信息，這些信息形成大數(shù)據(jù)庫，如圖1所示。

1.3.2 飛機(jī)設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)的分析

飛機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析是整個(gè)大數(shù)據(jù)處理流程的核心，大數(shù)據(jù)的價(jià)值產(chǎn)生于分析過程。根據(jù)不同應(yīng)用的需求，可以從這些數(shù)據(jù)中選擇全部或部分進(jìn)行分析。

從內(nèi)容上說，大數(shù)據(jù)的分析分為技術(shù)和方法兩個(gè)種類。從技術(shù)上講，主要是分布式數(shù)據(jù)分析和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分析處理等。從方法上講，主要是利用常用的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。在數(shù)據(jù)分析過程中，不僅需要計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化分析，更需要人工進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇和參數(shù)設(shè)定。

1.3.3 飛機(jī)研制階段數(shù)據(jù)的挖掘

數(shù)據(jù)的挖掘主要是在現(xiàn)有數(shù)據(jù)上進(jìn)行基于各種算法的計(jì)算，從而達(dá)到預(yù)測的目的，提取一些高級(jí)別的數(shù)據(jù)。該過程的特點(diǎn)和挑戰(zhàn)主要是用于挖掘的算法的選擇，涉及的數(shù)據(jù)量和計(jì)算量都很大。

2 大數(shù)據(jù)時(shí)代飛機(jī)研制新的輸出模式

2.1 重心位置優(yōu)化實(shí)例

以分析飛機(jī)質(zhì)量特性為例，如何確定重心在設(shè)計(jì)位置，進(jìn)而優(yōu)化質(zhì)量屬性，大量的數(shù)據(jù)管理與分析非常困難。傳統(tǒng)的計(jì)算與管理已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，可以采取圖2中的方法集成數(shù)據(jù)提取并優(yōu)化重心位置。

將所有飛機(jī)研制過程中的材料屬性、結(jié)構(gòu)屬性和三維圖尺寸屬性等資料集成到計(jì)算機(jī)內(nèi)形成大數(shù)據(jù)庫。標(biāo)定理想重心位置，通過必要的計(jì)算機(jī)算法篩選、提取數(shù)據(jù)，通過優(yōu)化材料、結(jié)構(gòu)、尺寸等方法得出具體的更改方案。對于部分不能變更的結(jié)構(gòu)零件，可以在數(shù)據(jù)庫中對其屬性進(jìn)行定義，運(yùn)算時(shí)可以不作更改。

2.2 數(shù)據(jù)優(yōu)化流程

如圖3所示，大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是單獨(dú)存在的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，它可以依附于歷史文件、收集的數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)等，根據(jù)研發(fā)階段的設(shè)計(jì)過程控制、技術(shù)要求和指令控制要求輸出合適的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流結(jié)果，為飛機(jī)的研制過程提供依據(jù)。

輸入條件為對新工藝、新材料、新技術(shù)和關(guān)鍵參數(shù)等進(jìn)行收集，形成概念設(shè)計(jì)階段大數(shù)據(jù)庫。同時(shí)，概念設(shè)計(jì)階段相應(yīng)設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、評估現(xiàn)有技術(shù)水平為輸出條件，從而為概念設(shè)計(jì)階段輸出主要部件三維模型和結(jié)構(gòu)試驗(yàn)大綱提供依據(jù)。

在初步設(shè)計(jì)階段，概念設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)、飛機(jī)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、新材料數(shù)據(jù)、工藝性數(shù)據(jù)和車間加工能力數(shù)據(jù)形成初步設(shè)計(jì)階段大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。以減重目標(biāo)、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求為輸出條件，從而為初步設(shè)計(jì)階段的輸出結(jié)構(gòu)技術(shù)方案和詳細(xì)的總體布局圖提供依據(jù)。

在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，初步設(shè)計(jì)階段得出的數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)信息數(shù)據(jù)、零部件工藝性數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)禁忌和裝配數(shù)據(jù)形成詳細(xì)設(shè)計(jì)階段大數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。以強(qiáng)度要求、載荷要求和技術(shù)要求等為輸出條件，從而為詳細(xì)設(shè)計(jì)階段輸出產(chǎn)品模型與技術(shù)圖文提供依據(jù)。

通過對大數(shù)據(jù)庫進(jìn)行有效的集成和輸出設(shè)定，形成有效數(shù)據(jù)輸出，同時(shí)為下一階段的研制提供數(shù)據(jù)或理論支撐。該方法能夠明確地表明，結(jié)合計(jì)算機(jī)的大數(shù)據(jù)挖掘方法要求對飛機(jī)設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行改善，能夠提高設(shè)計(jì)階段飛機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3 結(jié)束語

計(jì)算機(jī)技術(shù)引領(lǐng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展，必然會(huì)對飛機(jī)設(shè)計(jì)制造過程形成重要革新。通過有效的采集飛機(jī)研制數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行必要的分析，識(shí)別作為飛機(jī)設(shè)計(jì)階段的重要輸入，對提高飛機(jī)研制質(zhì)量、縮短研制周期、降低研制經(jīng)費(fèi)有重要意義。但目前，航空工業(yè)對大數(shù)據(jù)的收集、分析及算法沒有形成有效的集成，未來大數(shù)據(jù)的處理方式必然會(huì)引領(lǐng)航空工業(yè)發(fā)展。

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〔編輯：王霞〕

Abstract： This paper discusses the concept and characteristics of aircraft development process， big data. Combined with the development of computer technology， proposed under the era of big data by collecting information on a large number of irregular data， parameters， charts， after screening， classification， sorting and data processing， data formed the design process， design resource data， environmental data and other experiments large database. Using a large database of information system data analysis techniques require mining， data is mainly based on various algorithms to calculate the available data， so as to achieve the purpose of prediction， identify key parameters and key parameters of aircraft design stage， effective reduce design changes to improve the design and manufacture of conformance and optimize the quality of the development phase.

Key words： big data； aircraft development； quality control； data analysis