衛星總裝過程數據采集與管理系統研究

萬 峰 陳小弟 邢香園 吳劍鋒

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衛星總裝過程數據采集與管理系統研究

萬 峰 陳小弟 邢香園 吳劍鋒

（上海衛星裝備研究所，上海200240）

針對衛星總裝工藝流程復雜多變、采集數據種類多、集成管理要求高等特點，設計了一種衛星總裝過程數據采集和管理系統，研究了基于裝配流程和要素的數據采集方法、數據記錄表格柔性化定制、基于條碼和RFID的信息自動采集、數字化裝備采集數據在線集成、多源異構采集數據集成管理等關鍵技術，并介紹了系統實現方法和主要功能。該系統已成功應用于多個衛星型號研制中，應用效果良好。

衛星總裝；數據采集；數據管理

1 引言

衛星是復雜的航天裝備，其總裝具有周期長、技術難度大、質量控制嚴格等特點。在衛星總裝過程中需采集精度測量數據、質量檢驗數據、生產進度數據等大量數據。實現數據的準確、及時、完整采集和有效管理，對質量和技術狀態管控、產品數據包構建、設計與工藝改進等都具有重要的意義。

目前國內外對裝配數據采集的研究主要集中在自動化程度較高、生產順序確定、采集對象固定的流水式裝配線[1]，而衛星等航天產品屬于研制型生產和離散型裝配模式，技術狀態變化頻繁，存在大量逆流程，難以采用流水線數據采集方式。近年來，航天裝配企業依托MES等系統進行產品裝配過程的數字化管控[2，3]，并逐步集成自動化設備和數據采集終端，實現在線采集，但在數據采集系統柔性化配置、多源異構數據集成化管理等方面還需進一步研究和改進。

本文針對衛星總裝的特點和需求，提出一種衛星總裝過程數據采集和管理系統，該系統作為MES系統的核心子系統之一，采用基于裝配流程和要素的數據采集方法，開發集成多種數據采集功能，在多個衛星型號研制中開展了工程應用，取得了良好的效果。

2 衛星總裝過程數據采集與管理需求

衛星總裝由裝配工藝和生產計劃驅動數據采集，即在工藝文件中確定數據采集要求，隨著生產計劃執行完成數據采集工作，主要包括兩個階段：

a. 裝前準備階段：工藝人員在編制總裝工藝時，根據質量檢驗、關鍵工序控制、特殊作業等活動要求確定數據采集內容、采集方式及技術要求，形成完整的裝配工藝，隨著生產計劃下發至車間；

b. 裝配實施階段：工人按照裝配工藝進行操作、檢驗和完工簽署，在此過程中，利用數據記錄表格、檢測設備、多媒體采集設備等獲取各類數據，并對數據進行分析處理、反饋和歸檔。

衛星總裝過程需采集產品數據、物料數據、質量數據、進度數據、設備狀態數據等，采集方式包括手工錄入、自動化和半自動化采集，目前大部分的數據通過以下方式獲得：

a. 記錄表格采集：衛星總裝過程中大量數據通過表格進行記錄，而表格種類多，其中常用表格約一百多種，如單機裝拆記錄表、接插件插拔記錄表、產品檢查記錄表等，表格模板會根據需要更新；

b. 設備采集：通過自動化工藝裝備、數字化檢測設備等進行數據在線采集與傳輸，同時也采用條碼槍、RFID讀寫器、刷卡器、現場圖像采集設備（如攝像機、照相機等）等進行數據采集；

c. 軟件系統集成采集：通過MES系統中數據采集模塊輸入完工數據、裝配進度數據、返工返修數據等，也通過與PDM、ERP、質量管理系統等集成獲取相關數據。

由于衛星總裝工藝流程復雜、數據種類和采集方式較多，而尚未形成通用化、規范化的數據采集方法和統一的系統工具，導致不同型號產品數據包的顆粒度不一致，數據分散、整理工作量大、追溯和查詢困難；同時，在電子記錄表格柔性定制、自動化采集設備數據集成等方面缺少功能模塊支撐，數據的結構化程度、采集效率和實時性都有待提高。因此，亟需開發相關系統功能來解決上述問題。

3 系統體系結構

圖1 衛星總裝過程數據采集與管理系統體系結構

衛星總裝過程數據采集與管理系統的體系結構和功能模型如圖1所示，采用分層設計思路，各層描述如下：

a. 設備層：開發數據接口，實現數字化檢測設備、自動化工裝和物料設備等數據的在線讀取；開發中間件，集成條碼設備、RFID系統、平板電腦、刷卡器、傳感器等數據采集終端獲取的數據；

b. 通信層：采用現場總線、以太網和無線傳感網組成的混合式通信網絡；

c. 數據庫層：構建裝配流程、質檢數據、設備參數等數據庫，進行數據分類存儲；

d. 業務層：包含數據采集方法設計、數據采集執行、采集數據管理等主要功能，并提供與外部系統的數據接口；

e. 應用層：數據采集作為核心功能模塊，與MES系統中的生產計劃管理、監控看板等模塊進行業務集成，同時與ERP、質量信息管理系統等外部系統進行集成應用。

4 系統關鍵技術

4.1 基于裝配流程和要素的數據采集方法

衛星裝配流程是驅動資源組織和裝配執行的工作流，不同產品具有不同的裝配流程，而數據采集流程是裝配流程的子流程。本系統通過工作流引擎將數據采集子流程與裝配主流程進行嵌套關聯，針對不同的數據采集要求進行動態配置和集成管控。具體步驟如下：

a. 裝配流程構建：繪制由串（并）聯的工序鏈構成的工藝流程圖并集成工藝信息，形成裝配工藝流程，通過生產計劃進行工藝流程的實例化，形成某個產品的裝配流程，具體方法請參見文獻[4]；

b. 數據采集流程構建：在工步、工序等不同層級設置數據采集點，并詳細設置采集內容、使用設備、方法、采集順序等，形成數據采集流程。數據采集流程與裝配流程嵌套示意圖如圖2所示。

圖2 數據采集流程與裝配流程嵌套示意圖

c. 數據采集執行與管控：當裝配執行至數據采集點時，根據數據采集流程，采用對應的采集方法或設備依次進行每項采集活動，統一管理獲得的數據；同時，根據生產計劃和工藝的變化進行數據采集流程的動態調整，實現裝配過程和數據采集過程的閉環控制。

由于衛星總裝需要進行反復裝調，存在許多重復或相似操作，例如單機裝拆涉及的外觀檢查、緊固件安裝、力矩測量等，將這些相互獨立、不可拆分、可重復的操作稱為衛星總裝過程要素。本系統建立了總裝過程要素模板庫，對要素關聯的工藝信息分類管理，同時將要素對應的數據采集對象進行固化、方法進行統一，在裝配工藝流程創建時，基于要素模板實現數據采集點和采集流程的快速、規范化配置。

圖3 基于要素的數據采集原理圖

以高頻電纜總裝為例，其基于要素的數據采集原理如圖3所示。首先，在高頻電纜總裝工藝流程的“裝星前檢查”和“高頻電纜接插連接”工序中分解出“高頻電纜裝星檢查”、“高頻電纜接插件插拔”等要素；其次，從要素模板庫中自動添加該要素對應的《裝星檢查記錄表》、《接插件插拔記錄表》等通用數據記錄表格以及數據采集設備、指標等信息；最后，在執行該工序時，根據關聯的電子表格完成數據采集，獲取的數據可根據要素進行組織、比對與分析。

4.2 數據記錄表格柔性化定制

由于不同型號的技術指標、裝配流程、數據采集要求等差異較大，記錄表格種類繁多、樣式復雜，固定種類的電子表格模板已難以滿足需求，因此系統設計開發了柔性化表格定制工具，可高效生成數據采集表格并實現表格數據的結構化管理，具體功能如下：

a. 表格模板柔性化定制：通過表格定制模塊進行表格模板定制，包括表格樣式設計（區域劃分、基本形狀、單元格大小、單元格位置等）、表格內單元格屬性配置（如電子簽名、拍照、文本錄入等屬性配置）等，形成表格模板數據庫。表格定制流程如圖4所示。

圖4 表格模板柔性化定制流程

b. 表格模板實例化：工藝師選擇表格模板并輸入檢驗參數、簽署人員、依據文件與工序等信息，完成數據采集表格編制，并將與工藝文件一起提交至PDM進行電子簽審，然后將下發至總裝現場。

c. 表格數據記錄與存儲：總裝過程中，工人與檢驗人員利用計算機終端或平板電腦等移動采集設備進行表格數據的記錄，可進行電子簽署和多媒體數據的采集。表格中單元格數據通過行、列位置坐標在數據庫中進行結構化存儲，并能通過屬性快速查詢。

4.3 基于條碼和RFID的信息自動采集

采用條碼和RFID技術實現衛星總裝過程中物料齊套、產品位置等信息的高效采集，具體內容如下：

a. 條碼與RFID標識：在產品或物料合適位置粘貼或集成統一規格的條碼和RFID標簽，其中RFID標簽包括普通標簽和抗金屬標簽，以適應不同材料抗信號干擾的要求。標簽由軟件系統自動分配包含編號、批次、供應方等基本信息的唯一識別碼。

b. 信息自動采集與處理：按照實際需求，在庫房、工位出入口等位置部署RFID讀寫器，當被標記對象在RFID識別范圍內時，自動采集信息并實時發送給管理服務器記錄，軟件系統將采集信息與配套清單或預設產品信息匹配，若不一致則報警，避免出現差錯情況。在裝配過程中，通過條碼掃描設備或手持式RFID讀寫器對已裝配產品標簽進行掃描和快速識別，并將數據傳遞給MES系統，分析獲得裝配進度和狀態等信息，用于裝配過程管控。

4.4 數字化裝備采集數據在線集成

衛星總裝中應用的數字化裝備主要包括以下幾類：a.精度測量系統、電纜檢測系統、質量特性測試系統等數字化檢測設備；b.智能吊具、輔助裝星機器人、姿態調整系統等數字化工裝和輔助設備；c.自動化物料貨柜等物流設備；d.智能視頻監控系統以及溫濕度、空氣顆粒物、電磁輻射傳感器等環境數據采集設備。

通過數據采集硬件模塊、數據傳輸網絡、軟件集成接口和數據管理模塊的開發和集成，實現數字化裝備在線數據采集。在數據采集硬件方面，配備網絡接口及相關協議的設備可直接連接以太網采集，其他設備需加裝傳感器、PLC、工控機等相關模塊進行采集；在數據傳輸網絡方面，以現場總線、以太網為主，通過交換機構成數據采集網絡；在軟件集成接口方面，通過Web Service實現不同數據接口和數據庫的數據交換和集成；在數據管理模塊方面，形成設備參數數據庫、精度數據庫等多類數據庫，實現數據存儲、查詢、統計分析和報告生成等功能，同時可對設備運行狀態進行監控和報警，并對設備運行效率、利用率等進行效能分析，支持統計圖表輸出，為生產決策提供支持。

4.5 多源異構采集數據集成管理

衛星總裝過程采集的異構數據包括可用表格表示的結構化數據和以源文件形式存在非結構化數據。采用關系數據庫和文件數據庫相結合的方式對異構數據進行集成存儲，方法如圖5所示。在關系數據庫中建立檢驗數據表、精度測量數據表等主數據表，存儲結構化采集數據；在服務器文件數據庫中，以源文件形式存儲模型、聲像數據等非結構化數據，同時在關系數據庫的關聯表中存儲非結構化數據的存放地址，實現關聯存儲；系統間通過數據接口和統一的中間數據格式實現數據傳輸。

圖5 多源異構采集數據集成存儲示意圖

在采集數據的組織和匯總方面，基于產品PBOM、生產計劃、裝配流程等信息構建采集數據樹對采集數據進行組織，其層次結構從上到下為項目、型號、研制階段、產品、裝配任務、裝配流程、總裝過程要素和具體采集數據。根據產品數據包構建要求，可對采集數據樹各層次數據進行提取、匯總和輸出。

5 系統實現與應用

基于上述研究，本文設計開發了“衛星總裝過程數據采集與管理系統”。該系統在原有“衛星裝配過程管控系統”（MES系統）的開發框架下，基于VS.NET開發了B/S架構的系統主體功能模塊，并采用Android平臺、Web Service及硬件集成開發包等工具開發了數據采集終端程序和軟硬件數據接口，實現了多種數據采集終端及設備的集成。該系統在風云四號等重點型號衛星總裝過程中開展了應用，在檢驗數據結構化記錄、產品數據包構建及設備狀態管控等方面取得了較好的應用效果。系統主要功能模塊如下。

5.1 數據采集方法設計模塊

該模塊包含裝配流程創建、數據采集信息配置、數據記錄表格柔性定制、采集設備準備等功能，在裝配工藝設計和計劃排產階段完成數據采集方法設計及相關設備的初始化，裝配流程和數據采集信息配置界面如圖6所示。

圖6 裝配流程和數據采集信息配置界面

5.2 數據采集執行模塊

該模塊包含質量檢驗數據、進度數據、物料信息、設備數據、現場多媒體數據等采集功能，在裝配執行階段應用電子記錄表格、條碼和RFID系統、平板電腦、刷卡器、設備集成接口等實現各類數據完整采集，系統部分數據采集界面如圖7所示。

a 電子表格數據采集模塊

b 精度測量數據采集模塊

c RFID數據采集模塊

d 平板電腦數據采集模塊

圖7 系統數據采集界面

5.3 采集數據管理模塊

該模塊包含各類采集數據查詢、統計及輸出的功能，可通過產品結構樹對型號、裝配任務、裝配流程等層級進行數據查詢和匯總輸出，也可通過表格數據庫、物料數據庫、精測數據庫等不同的數據管理模塊獲取數據。

6 結束語

本文針對衛星總裝過程數據采集和管理困難的問題，在分析數據采集業務流程的基礎上，提出一種衛星總裝過程數據采集與管理系統，建立了該系統的體系結構，并重點研究了基于裝配流程和要素的數據采集方法、數據記錄表格柔性化定制等關鍵技術。通過系統開發和應用，提高了數據采集的完整性、實時性和集成水平，并為質量和技術狀態控制以及產品數據包構建提供了統一的數據源。該系統為航天裝配企業MES系統的構建提供了有益思路，后續將依托該系統對車間物聯網構建以及制造數據挖掘進行深入研究，為衛星總裝智慧車間建設奠定基礎。

1 劉志，蔣增強，葛茂根，等．面向裝配的現場數據采集和過程監控研究[J]. 機械工程師，2009(4)：52～54

2 韓興龍，李曼麗，趙永平，等．航天器總裝MES系統的設計及關鍵技術[J]．航天制造技術，2015 (4)：55～59

3 黃海金，邱凱，季焓，等．航天產品總裝MES系統的設計和實施應用[J]．機械制造，2014，52(598)：59～62

4 張佳朋，劉檢華，寧汝新．基于工作流的產品裝配工藝生成及信息集成技術研究[J]．機械科學與技術，2010，29(9)：1145～1151

Research on Data Collection and Management System of Satellite Assembly Process

Wan Feng Chen Xiaodi Xing Xiangyuan Wu Jianfeng

(Shanghai Institute of Spacecraft Equipment, Shanghai 200240)

Aiming at the characteristics of complicated process, large variety of data collection and high requirement of integrated management in satellite assembly, a data collection and management system is designed.Its key techniques have been researched in detail,including the method of data collection based on assembly flow and element, flexible customization of data table, automatic collection of information based on RFID and bar code, on-line integration of equipment acquisition data, integration management of multi-sourced heterogeneous data and so on, then the realization method and main function of the system are introduced. The system has been successfully used in the development of several satellites and good application results are achieved.

satellite assembly；data collection；data management

萬峰（1988），碩士，機械工程專業；研究方向：數字化制造。

2017-06-19