衛(wèi)星多層隔熱組件批生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

◎北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 潘尚潔 王哲 傅浩 趙璐

衛(wèi)星多層隔熱組件批生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

◎北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所 潘尚潔 王哲 傅浩 趙璐

多層隔熱組件安裝在衛(wèi)星艙體及設(shè)備表面，在衛(wèi)星開展熱試驗和在軌運行過程中對衛(wèi)星及相關(guān)設(shè)備起到隔熱與保溫作用, 其在真空環(huán)境下具有極好的隔熱和保溫性能。單顆衛(wèi)星累計安裝多層隔熱組件數(shù)量達(dá)100余塊，是衛(wèi)星總裝階段適于開展批量化生產(chǎn)的主要部件之一。

衛(wèi)星總裝過程呈現(xiàn)脈動式特點，在多顆衛(wèi)星并行總裝狀態(tài)下，任務(wù)需求分布不均衡，同一時間段內(nèi)多層隔熱組件制作任務(wù)重疊性較大，因此造成多層隔熱組件批生產(chǎn)節(jié)奏不穩(wěn)定，若不能對生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行合理控制，將會影響多層隔熱組件的質(zhì)量和效率，甚至影響整顆衛(wèi)星的研制進(jìn)度。

一、系統(tǒng)整體架構(gòu)

衛(wèi)星多層隔熱組件批生產(chǎn)任務(wù)管理系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，由數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層和表現(xiàn)層3個部分組成。

一是數(shù)據(jù)訪問層實現(xiàn)對底層數(shù)據(jù)的增、刪、修、查。底層數(shù)據(jù)主要包括近年來多層隔熱組件生產(chǎn)工時數(shù)據(jù)、批生產(chǎn)年度任務(wù)計劃數(shù)據(jù)、批生產(chǎn)階段性任務(wù)計劃數(shù)據(jù)、年度任務(wù)計劃實際完成數(shù)據(jù)、階段性任務(wù)計劃實際完成數(shù)據(jù)及各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等。

二是業(yè)務(wù)邏輯層通過各類邏輯算法實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的操作，并將操作結(jié)果展示到表現(xiàn)層。邏輯層以多層隔熱組件工時計算算法、批生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)算法等為核心，實現(xiàn)衛(wèi)星多層隔熱組件批生產(chǎn)任務(wù)計劃制定、年度和階段計劃與實際完成情況對比等工作。

三是表現(xiàn)層通過Web實現(xiàn)各類系統(tǒng)業(yè)務(wù)的展示。調(diào)度、質(zhì)量、工藝、檢驗、操作等各類人員均通過各自的計算機(jī)訪問系統(tǒng)的任務(wù)排產(chǎn)、數(shù)據(jù)分析等業(yè)務(wù)模塊，完成任務(wù)下發(fā)、過程監(jiān)控、結(jié)果查詢等工作。

二、關(guān)鍵部分程序的設(shè)計

1．生產(chǎn)工時模型設(shè)計

模型定義。不同功能的衛(wèi)星，結(jié)構(gòu)差異性較大，而功能相近的衛(wèi)星，結(jié)構(gòu)差異性較小，衛(wèi)星的這一特性稱為平臺屬性(g)，衛(wèi)星的多層隔熱組件也繼承了平臺屬性。衛(wèi)星多層隔熱組件因需求階段(e)、應(yīng)用對象(o)、單元數(shù)(d)等屬性不同，又被定義為多種類型(c)，常見類型包括儲箱多層隔熱組件、氣瓶多層隔熱組件、管路多層隔熱組件、產(chǎn)品多層隔熱組件、星表多層隔熱組件等。任何一個多層隔熱組件批生產(chǎn)任務(wù)均由一種或多種類型的多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)組成。

衛(wèi)星多層隔熱組件計量單位為塊，每塊多層隔熱組件的制作難易程度不同，通過制作難度級數(shù)(H)進(jìn)行評價。按照多層隔熱組件的實際生產(chǎn)情況將H值設(shè)定為5級，單塊多層隔熱組件制作工時與H值成正比。不同型號平臺、類型的多層隔熱組件任務(wù)的難度級數(shù)分布也存在較大差異。

某一個多層隔熱組件的批生產(chǎn)任務(wù)總工時不是各塊多層隔熱組件生產(chǎn)工時的累加，而是其包含的多種類型多層隔熱組件任務(wù)工時之和，各類多層隔熱組件任務(wù)生產(chǎn)工時采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行計算。針對不同平臺衛(wèi)星、不同類型的多層隔熱組件任務(wù)在計算工時過程中分別采用自有特性的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，公式為：

模型訓(xùn)練。為了精確地計算出批生產(chǎn)任務(wù)工時，每一種類型的多層隔熱組件任務(wù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型均需利用歷史數(shù)據(jù)開展大量訓(xùn)練，訓(xùn)練中樣本容量應(yīng)足夠大，訓(xùn)練過程利用正向傳遞和反向傳遞2個環(huán)節(jié)，對模型的參數(shù)進(jìn)行不斷的修正。

某類多層隔熱組件生產(chǎn)工時估算模型的神經(jīng)元模型如圖1所示。其中，xk為既定平臺、既定類性多層隔熱組件的訓(xùn)練樣本，每一個樣本包括單元數(shù)、塊數(shù)、難度級數(shù)分布、實際生產(chǎn)工時等多個參數(shù)；pki為神經(jīng)元參數(shù)；θk為閾值；φ(vk)為激活函數(shù)；yk為訓(xùn)練結(jié)果輸出。

將N組訓(xùn)練結(jié)果輸出(yk)i與期望值(Tdk)i進(jìn)行比較，則獲得當(dāng)前生產(chǎn)工時估算模型的均方差為：

當(dāng)E超出設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間時，則利用權(quán)值修正方程不斷對各層之間的權(quán)值進(jìn)行修正。以上過程反復(fù)循環(huán)，直至輸出結(jié)果達(dá)到預(yù)估精度要求。

在某類多層隔熱組件生產(chǎn)工時模型訓(xùn)練過程中，通常選定的訓(xùn)練樣本容量為10～20。選擇訓(xùn)練樣本時應(yīng)遵從2個原則：一是發(fā)生時間就近；二是發(fā)生過程無異常擾動。為了保證工時估算模型的時效性，每隔一定時間需對模型進(jìn)行重新訓(xùn)練。

2．生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)設(shè)計

批生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)分為全年生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)和階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)。全年批生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)是全年多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)的生產(chǎn)基線，依據(jù)全年衛(wèi)星總裝任務(wù)計劃，結(jié)合歷年各衛(wèi)星平臺的多層隔熱組件需求數(shù)據(jù)，完成全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)。階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)是一段時間內(nèi)多層隔熱組件專業(yè)化生產(chǎn)開展實施的依據(jù)，在全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)發(fā)布后，隨著衛(wèi)星總裝任務(wù)的逐步展開，各衛(wèi)星平臺的多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)逐漸明確。依據(jù)已明確的多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)，按照既定的排產(chǎn)規(guī)則制定階段性的詳細(xì)排產(chǎn)計劃。階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)計劃發(fā)布后，可對尚未執(zhí)行的任務(wù)節(jié)點進(jìn)行調(diào)整，完成修改、插入和取消等操作，并對調(diào)整后的計劃重新發(fā)布。

排產(chǎn)規(guī)則。在開展全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)和階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)時，除考慮多層隔熱組件的生產(chǎn)工時外，還需要考慮生產(chǎn)節(jié)奏、生產(chǎn)效率、任務(wù)優(yōu)先級、物料配套等多方面的因素。為了確保任務(wù)排產(chǎn)的靈活性和生產(chǎn)節(jié)奏的穩(wěn)定性，制定了多種排產(chǎn)原則。

（1）單任務(wù)集中排產(chǎn)原則

單任務(wù)集中排產(chǎn)原則是指在某一時間內(nèi)，當(dāng)某一生產(chǎn)任務(wù)與前后任務(wù)重合度均小于50%時，針對該任務(wù)開展單任務(wù)集中排產(chǎn)，多組人員交替作業(yè)，降低工作負(fù)荷。

（2）多任務(wù)并行排產(chǎn)原則

多任務(wù)并行排產(chǎn)原則是指在某一時間段內(nèi)，當(dāng)多個任務(wù)相互之間的重合度大于50%時，將不同衛(wèi)星的多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行合并，統(tǒng)一開展領(lǐng)料、下料、絎縫、裁割等工作，多組人員交叉作業(yè)，減少物料準(zhǔn)備和工序間切換等待時間，提升工作效率。

（3）緊急插入原則

緊急插入原則是指因各類突發(fā)原因，需在已排定的生產(chǎn)計劃中臨時插入新的生產(chǎn)任務(wù)。緊急插入的任務(wù)不再利用工時模型計算生產(chǎn)工時，而是人為設(shè)定任務(wù)起始時間和完成時間。緊急插入的任務(wù)優(yōu)先級較高，且均為短期任務(wù)，工作負(fù)荷重，因此要盡量避免該類任務(wù)的產(chǎn)生。

（4）設(shè)定提前期原則

考慮到物料配套不及時、設(shè)備故障、人員短缺等可能出現(xiàn)的異常狀況，在理論開工時間基礎(chǔ)上預(yù)置安全提前期，進(jìn)而獲得準(zhǔn)確的實際開工時間。

排產(chǎn)算法。在全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)與階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)中，在進(jìn)行單任務(wù)集中排產(chǎn)與多任務(wù)并行排產(chǎn)時，均采用倒推法，在緊急插入排產(chǎn)時采用順排法。

倒推法是依據(jù)任務(wù)截止日期及工作量進(jìn)行任務(wù)排產(chǎn)。排產(chǎn)時，依據(jù)衛(wèi)星總裝工作計劃確定任務(wù)截止日期，自動規(guī)劃各個任務(wù)的排產(chǎn)原則，并利用生產(chǎn)工時估算模型計算多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)的生產(chǎn)工時，確定任務(wù)理論開工時間。最后，在理論開工時間基礎(chǔ)上設(shè)定提前期，得出實際開工時間。倒推法的具體步驟如下。

步驟1，錄入多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)P(i)以及任務(wù)截止日期Tend(i)，利用生產(chǎn)工時估算模型初步計算各生產(chǎn)任務(wù)的理論總工時Tp(i)和倒排的任務(wù)起始日期Tst(i)；

步驟2，依據(jù)初步估算出的各生產(chǎn)任務(wù)起始時間、截止時間和工時，計算多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)相互之間的重合度CHD：

步驟3，對全部生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行遍歷，對重合度大于50%的任務(wù)進(jìn)行合并，得到新的任務(wù)集P(I)：

合并后生產(chǎn)任務(wù)理論總工時為：

任務(wù)截止時間取最早值，并從任務(wù)集中刪除P(i)、P(j)等原始任務(wù)；

步驟4，設(shè)定生產(chǎn)任務(wù)的提前期TE、任務(wù)實施人員N，最終得出生產(chǎn)任務(wù)的理論生產(chǎn)工期：

提前期TE、任務(wù)實施人員N可針對全部任務(wù)統(tǒng)一設(shè)置，也可根據(jù)任務(wù)負(fù)荷、人員分配等情況進(jìn)行差異化設(shè)置；

步驟5，依據(jù)理論生產(chǎn)工期Tp(i)進(jìn)行預(yù)排產(chǎn)，并根據(jù)計劃生產(chǎn)負(fù)荷進(jìn)一步優(yōu)化TE、N以及加班工時TG等參數(shù)，以確保生產(chǎn)節(jié)奏平穩(wěn)。倒推法實施流程如圖2所示。

順排法是依據(jù)任務(wù)的起始日期和截止日期進(jìn)行排產(chǎn)。排產(chǎn)時，依據(jù)需緊急插入的多層隔熱組件制作任務(wù)的需求時間確定開工時間和截止時間，并利用生產(chǎn)工時估算模型計算該生產(chǎn)任務(wù)的生產(chǎn)工時，依據(jù)生產(chǎn)工時合理調(diào)配操作人員和加班工時。同時，正在進(jìn)行的各項任務(wù)停工或減少操作人員，并根據(jù)后續(xù)的生產(chǎn)任務(wù)情況進(jìn)行計劃調(diào)整。緊急插入的多層隔熱組件制作任務(wù)均遵從單任務(wù)集中排產(chǎn)原則。順排法排產(chǎn)的具體步驟如下。

步驟1，錄入的多層隔熱組件制作任務(wù)P(r)以及任務(wù)起始日期Tst(r)、任務(wù)截止日期Tend(r)，得出生產(chǎn)任務(wù)的實際需求工期：

步驟2，利用生產(chǎn)工時估算模型初步估算緊急插入生產(chǎn)任務(wù)的理論總工時Tp(r)，設(shè)定并調(diào)整生產(chǎn)任務(wù)的提前期TE、任務(wù)實施人員N、加班工時TG，確保生產(chǎn)任務(wù)在實際需求工期Tp(r)內(nèi)完成，即：

步驟3，通過順延、調(diào)整加班工時和生產(chǎn)實施人員等方式對因緊急插入的多層隔熱組件制作任務(wù)而受到影響的生產(chǎn)計劃進(jìn)行調(diào)整，以確保生產(chǎn)節(jié)奏平穩(wěn)。順排法實施流程如圖3所示。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)

衛(wèi)星多層隔熱組件批生產(chǎn)管理系統(tǒng)包含排產(chǎn)調(diào)度模塊、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析模塊和生產(chǎn)目錄維護(hù)模塊3個部分。

排產(chǎn)調(diào)度模塊包含生產(chǎn)工時歷史數(shù)據(jù)維護(hù)、生產(chǎn)工時估算模型訓(xùn)練、全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)與階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)等子模塊。其中，生產(chǎn)工時估算模型訓(xùn)練主要是利用歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且可以對學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行篩選。通過參數(shù)設(shè)置可以定時啟動生產(chǎn)工時估算模型訓(xùn)練，也可根據(jù)任務(wù)需求手動觸發(fā)。全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)與階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)均以最近訓(xùn)練得到的生產(chǎn)工時估算模型為依據(jù)開展排產(chǎn)工作。

生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析模塊主要是以全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)計劃、階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)計劃和生產(chǎn)任務(wù)實際完成情況為對象，從時間、衛(wèi)星平臺、多層隔熱組件類型、計劃基線等多個維度開展數(shù)據(jù)分析，為后續(xù)多層部組件生產(chǎn)任務(wù)計劃管理和生產(chǎn)實施管理提供支持。

生產(chǎn)目錄維護(hù)模塊主要是對多層隔熱組件制作過程中涉及的人、機(jī)、料、法、環(huán)等因素進(jìn)行維護(hù)和查詢，為生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)和實施提供參考。

通過對衛(wèi)星多層隔熱組件批生產(chǎn)管理進(jìn)行研究，提出了多層隔熱組件的生產(chǎn)工時模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法和多層隔熱組件生產(chǎn)歷史數(shù)據(jù)，可以對新的多層隔熱組件生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行預(yù)估。同時，針對全年生產(chǎn)任務(wù)預(yù)排產(chǎn)與階段性生產(chǎn)任務(wù)排產(chǎn)需求，提出了多種排產(chǎn)規(guī)則以及與之相匹配的智能排產(chǎn)算法，在此基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對生產(chǎn)計劃的制定和發(fā)布。而在生產(chǎn)計劃的指導(dǎo)下開展生產(chǎn)，可以針對生產(chǎn)任務(wù)高峰開展提前準(zhǔn)備和分解，通過削峰填谷的方式有效均衡生產(chǎn)節(jié)奏，保證了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度。衛(wèi)星多層隔熱組件批生產(chǎn)任務(wù)管理系統(tǒng)的應(yīng)用為多層隔熱組件專業(yè)化生產(chǎn)的持續(xù)、高效開展提供了支持和保障。▲