基于產品結構的航天器AIT過程多維數據管理系統

魏 鵬，張立偉，趙晶晶，楊曉寧，賀文興

（北京衛星環境工程研究所，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，產品狀態多變

目前的航天器研制多處于小規模生產狀態，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的非常規過程數據[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）系統應用[4]，但是對于專業測試與試驗數據，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）系統進行管理。多系統同時獨立運行，因此存在信息孤島，不利于將AIT過程數據作為整體統一開發使用。

4）數據分析挖掘不夠，數據查詢效率低

現有各業務系統的數據記錄及存儲功能僅滿足了自身業務的需要，大量執行記錄數據與產品狀態統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務系統獨立運行、系統間數據集成。如現場實施使用的制造執行系統（Manufacturing Execution System, MES）與工藝設計使用的計算機輔助工藝規劃（Computer Aided Process Planning,CAPP）系統通過PDM系統進行信息集成，或直接在MES上增加工藝數據的信息管理功能[5]，實現多系統數據間的動態反饋和共享。

早期，航天器總裝中實現了基于統一的產品結構的CAPP、MES與AVIDM系統的集成[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，當工藝狀態發生變化、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發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、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、統計與分析[8]。

在數據集成過程中，一般通過使用企業服務總線（Enterprise Service Bus, ESB）進行整合，結合中間件、XML、Web服務等技術，在多系統間形成拓撲結構，使所有系統能夠以單元的形式插入到ESB中進行整合和統一調度[9]，從而解決多系統間接口差異、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間的數據集成及重構，形成完整的結構化數據管理系統。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務流程為驅動的數據存儲方式，對各業務數據結構進行重組，以“產品結構”為索引，由“基于工藝流程”的時序存儲轉變為“基于產品結構”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—操作執行—結果反饋4個階段，過程數據在這4個階段循環演變成具有時序的數據流。當發生狀態變更，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。

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 系統總體結構

本文依據多維數據模型以及數據管理系統技術，構建以航天器產品結構為目錄索引，以現場生產狀態（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，能夠在任意時間節點下真實反應產品結構中任意產品實際狀態的AIT過程多維數據管理系統，其總體方案如圖3所示。

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

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

圖4 AIT過程多維數據管理系統功能與組成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務信息系統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信息進行展示；數據應用模塊主要對累積數據進行統計分析，以滿足狀態控制、質量復查、數據挖掘等需求。

3 系統詳細設計

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。工藝樣機由系統總體架構，總裝設計模型、分系統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，系統必須堅持統一數據源原則，保證全部數據從現有的數據系統傳輸或通過文件等錄入。針對不同的信息系統設計不同的傳輸路徑與接口，系統集成可以采用Webservice、ETL、中間表（或中間文件）同步等方式，確保數據傳輸完整。數據管理系統本身僅從其他數據系統傳輸數據，辦公網外的數據通過物理介質導入相應信息系統后，再通過辦公網內數據接口進行傳輸。系統間數據集成關系見圖7。

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

在對各異構系統的數據進行匯總之后，數據質量（即數據的完整性、一致性及規范性等）直接影響數據價值的發揮。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范，并在系統中設置校驗規則，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

數據包展示系統中的數據是從各系統中集成而來的，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、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、熱控實施狀態等）向系統的反饋。

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（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實做狀態照片記錄向系統回傳的能力。

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和結果、執行記錄以及對應的多媒體記錄等信息，實現技術狀態的完整展示，并基于總裝執行系統反饋的實際操作、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”的展示功能[11]。系統示例如圖10、圖11所示。

圖10 特定產品執行記錄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星的同類型設備在不同型號中的安裝狀態和總裝數據，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，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，并開發基于產品結構的多維數據管理系統。系統改變了現有以工作業務流程為驅動的數據存儲方式，對各業務數據結構進行重組，以“產品結構”為索引，由“基于工藝流程”的時序存儲轉變為“基于產品結構”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”，實現各業務數據系統間的無縫流轉，為改進AIT研制過程提供有力支持。