基于數(shù)據(jù)挖掘的 航天器總裝資源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馮雷、趙晶晶、邱鐵成 /北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所

“十三五”以來(lái)，航天器研制任務(wù)量顯著上升，對(duì)型號(hào)總裝集成測(cè)試（AIT）生產(chǎn)資源的占用需求不斷增加，使因計(jì)劃改變而造成的資源沖突頻發(fā)。傳統(tǒng)的生產(chǎn)資源配置管理模式以單一項(xiàng)目的任務(wù)節(jié)點(diǎn)信息為基礎(chǔ)進(jìn)行資源配置，在實(shí)施過(guò)程中未能充分考慮各項(xiàng)保障資源齊套性變化對(duì)整體計(jì)劃產(chǎn)生的影響，同時(shí)缺乏基于大數(shù)據(jù)分析的科學(xué)評(píng)判準(zhǔn)則，以及相應(yīng)的信息化管理手段，已無(wú)法適應(yīng)目前有限資源下多項(xiàng)目并行研制以及資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)配的需求，成為航天器研制生產(chǎn)管理模式的突出問(wèn)題之一。

在中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司“三高”引領(lǐng)科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型的背景下，筆者通過(guò)深入開(kāi)展型號(hào)歷史數(shù)據(jù)的挖掘分析，研究基于數(shù)據(jù)分析的資源動(dòng)態(tài)配置方法，探索優(yōu)化資源配置模式，提出了全新的基于齊套數(shù)據(jù)的型號(hào)AIT 準(zhǔn)入及任務(wù)優(yōu)先級(jí)評(píng)定方案，可提升AIT 生產(chǎn)資源配置效率，支撐科研生產(chǎn)管理模式轉(zhuǎn)型升級(jí)。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

1.傳統(tǒng)總裝生產(chǎn)資源配置模式的特點(diǎn)與缺陷

傳統(tǒng)資源配置模式的特點(diǎn)主要包括：一是靜態(tài)、被動(dòng)的資源配置模式，資源占用計(jì)劃、型號(hào)研制計(jì)劃均在型號(hào)開(kāi)工之前就已確定，難以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際進(jìn)行快速實(shí)時(shí)修正，導(dǎo)致資源沖突頻發(fā)；總裝實(shí)施部門(mén)處于型號(hào)任務(wù)研制鏈條的下游，雖然掌握各類生產(chǎn)資源，卻缺乏主動(dòng)調(diào)節(jié)的依據(jù)和手段。二是以型號(hào)占用為基本特征，被占用的資源在任務(wù)周期內(nèi)相對(duì)固定，難以釋放。三是以階段任務(wù)節(jié)點(diǎn)為主要調(diào)配依據(jù)，當(dāng)任務(wù)高峰到來(lái)時(shí)，有限的資源難以同時(shí)滿足多型號(hào)并行開(kāi)工。2015—2019 年航天器總裝生產(chǎn)資源負(fù)荷如圖1 所示。

2.總裝效率的核心影響因素分析

經(jīng)過(guò)前期研究，在航天器總裝階段，影響型號(hào)任務(wù)順利進(jìn)行的主要影響因素是以星上設(shè)備齊套為代表的保障條件不到位，產(chǎn)生了研制節(jié)點(diǎn)推遲、進(jìn)度緊張、生產(chǎn)人員長(zhǎng)期加班、型號(hào)超期占用總裝工位等計(jì)劃管理和資源沖突問(wèn)題。此外，設(shè)備交付入庫(kù)不準(zhǔn)時(shí)、不成批次、不匹配總裝流程工作順序等現(xiàn)象，導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃安排變更頻繁，生產(chǎn)節(jié)奏不穩(wěn)，人力、場(chǎng)地資源無(wú)效占用情況時(shí)有發(fā)生。生產(chǎn)計(jì)劃頻繁跳序也帶來(lái)了難以預(yù)估的產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)合對(duì)2017—2018 年正樣型號(hào)任務(wù)研制計(jì)劃推遲情況的分析結(jié)果（見(jiàn)圖2），設(shè)備齊套不及時(shí)、設(shè)備重復(fù)拆裝、部裝推遲交付、設(shè)計(jì)問(wèn)題、流程調(diào)整等5 類外部因素對(duì)AIT 生產(chǎn)資源的影響明顯超過(guò)其他因素，尤其以設(shè)備齊套不及時(shí)問(wèn)題最為嚴(yán)重，是次要因素的2 倍有余。同時(shí)，在5 類主要影響因素中，僅有設(shè)備齊套情況可預(yù)判、可預(yù)控，而其他問(wèn)題僅能被動(dòng)發(fā)現(xiàn)、事后解決。因此，選取設(shè)備齊套率作為生產(chǎn)資源調(diào)配的核心要素，提供可量化、具有指導(dǎo)性的調(diào)配原則，便于制定客觀可控的資源調(diào)配方案。

3.基于數(shù)據(jù)挖掘的總裝資源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

圖1 2015—2019年航天器總裝生產(chǎn)資源負(fù)荷圖

圖2 2017—2018年正樣型號(hào)研制計(jì)劃推遲原因分析圖

基于數(shù)據(jù)挖掘的總裝資源管理系統(tǒng)（見(jiàn)圖3）的設(shè)計(jì)原則：

一是建立一套信息管理系統(tǒng)，可自動(dòng)獲取總裝歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)中的重要信息進(jìn)行挖掘、處理，制定并實(shí)時(shí)更新資源配置策略，提出優(yōu)化建議，經(jīng)人工決策流程通過(guò)后形成優(yōu)化方案，最后反饋給執(zhí)行層面，自動(dòng)應(yīng)用。

二是總裝資源管理系統(tǒng)與現(xiàn)有的生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、總裝庫(kù)房管理系統(tǒng)、總裝工藝管理系統(tǒng)、總裝歷史數(shù)據(jù)庫(kù)之間保持“數(shù)據(jù)采集—數(shù)據(jù)處理—智能優(yōu)化—人工決策—自動(dòng)反饋”的閉環(huán)關(guān)系，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以依托生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)進(jìn)行模塊化開(kāi)發(fā)。

三是系統(tǒng)中最核心的“數(shù)據(jù)獲取挖掘—判斷準(zhǔn)則生成”過(guò)程必須完全客觀，并對(duì)所有用戶公開(kāi)，保存運(yùn)算判斷過(guò)程數(shù)據(jù)，確保公平可追溯，從而保證系統(tǒng)的客觀性、權(quán)威性。

四是智能生成資源配置建議后，必須經(jīng)人工判斷、調(diào)整、優(yōu)化、審批后形成最終方案，再下發(fā)給執(zhí)行層面自動(dòng)調(diào)配生產(chǎn)資源，從而避免出現(xiàn)錯(cuò)配、漏配、不合理配置等情況，并針對(duì)特殊需求進(jìn)行個(gè)性化配置。

二、系統(tǒng)組成、功能與實(shí)現(xiàn)

1.系統(tǒng)組成及模塊化設(shè)計(jì)

圖3 總裝資源管理系統(tǒng)原理圖

從設(shè)計(jì)思想出發(fā)進(jìn)行系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)，總裝資源管理系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)挖掘—預(yù)處理、運(yùn)算—判斷、配置—執(zhí)行3 個(gè)模塊。

（1）數(shù)據(jù)挖掘—預(yù)處理模塊

通過(guò)與生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、庫(kù)房物資管理系統(tǒng)、總裝歷史數(shù)據(jù)庫(kù)聯(lián)動(dòng)，實(shí)時(shí)提取各型號(hào)設(shè)備入庫(kù)時(shí)間、在庫(kù)狀態(tài)、齊套情況、計(jì)劃節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵信息，并整理生成標(biāo)準(zhǔn)化表格。

（2）運(yùn)算—判斷模塊

定期計(jì)算更新全型號(hào)各階段及整體設(shè)備齊套率作為判斷基準(zhǔn)并發(fā)布，實(shí)時(shí)計(jì)算各型號(hào)當(dāng)前階段及整體設(shè)備齊套率并與基準(zhǔn)比對(duì)，制定型號(hào)開(kāi)工/停工、資源優(yōu)先/ 減配的配置策略，并將運(yùn)算過(guò)程和結(jié)果向全體用戶公開(kāi)，保存過(guò)程數(shù)據(jù)備案。

（3）配置—執(zhí)行模塊

依據(jù)配置策略，結(jié)合總裝生產(chǎn)資源現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，智能定制項(xiàng)目級(jí)/領(lǐng)域級(jí)生產(chǎn)資源優(yōu)化配置建議和全局優(yōu)化建議，并自動(dòng)生成工作流程，報(bào)送管理機(jī)構(gòu)人工干預(yù)和決策，形成最終優(yōu)化方案；系統(tǒng)將最終優(yōu)化方案反饋給生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、庫(kù)房物資管理系統(tǒng)、生產(chǎn)工藝管理系統(tǒng)加以執(zhí)行，完成生產(chǎn)資源配置。

2.各模塊主要功能及實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)挖掘—預(yù)處理模塊

目前，航天器總裝過(guò)程管理使用的生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)、庫(kù)房物資管理系統(tǒng)、總裝歷史數(shù)據(jù)庫(kù)（Excel 服務(wù)器）均可以將系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)生成Excel表格輸出。本模塊依托生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)現(xiàn)有功能開(kāi)發(fā)，讀取與上述3 個(gè)執(zhí)行系統(tǒng)輸出的Excel 表格，并根據(jù)預(yù)置條件識(shí)別表格中的關(guān)鍵字，批量提取數(shù)據(jù)并合并保存成數(shù)據(jù)庫(kù)文件，經(jīng)過(guò)預(yù)處理后整理成設(shè)備齊套情況由Excel 報(bào)表輸出（見(jiàn)表1）。

（2）運(yùn)算—判斷模塊

利用MATLAB 進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，對(duì)數(shù)據(jù)挖掘—預(yù)處理模塊提供的報(bào)表數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析。

首先，計(jì)算“判斷基準(zhǔn)齊套率”數(shù)值，該數(shù)值應(yīng)客觀、不變、可核查。齊套率的計(jì)算方式為：P=S/T，其中P為某階段齊套率，S為當(dāng)前該階段設(shè)備在庫(kù)數(shù)量，T為該階段目標(biāo)安裝數(shù)量；i=a、b、c、d，分別代表艙段（A）狀態(tài)總裝、整星（B）狀態(tài)總裝、C 狀態(tài)總裝、D 狀態(tài)總裝開(kāi)工齊套情況。

用Q 代表判斷基準(zhǔn)齊套率。例如，以上一年度全正樣型號(hào)整星總裝開(kāi)工時(shí)點(diǎn)綜合齊套率Qb為判斷基準(zhǔn)，計(jì)算上一年度各正樣型號(hào)整星狀態(tài)開(kāi)工齊套率，通過(guò)數(shù)值回歸等統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出綜合齊套率Qb。判斷基準(zhǔn)齊套率于每年1 月15 日更新1 次，將上一年度總裝歷史數(shù)據(jù)納入整體數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、計(jì)算。

其次，計(jì)算X 型號(hào)整星總裝實(shí)時(shí)齊套率Pb（X）、Y 型號(hào)整星總裝實(shí)時(shí)齊套率Pb（Y）等，并與Qb 進(jìn)行比較：若Pb（X）＞Qb＞ Pb（Y）， 則X 型號(hào)開(kāi)工，Y 型號(hào)停工；若Pb（X）＞ Pb（Y）＞ Qb， 則X、Y 型號(hào)均開(kāi)工，且X 資源配置優(yōu)先級(jí)高于Y 型號(hào)；若Pb（X）＜ Pb（Y）＜ Qb，則X、Y 型號(hào)均暫時(shí)停工，交人工判斷。在資源充裕情況下，可安排Y 型號(hào)優(yōu)先復(fù)工；在資源緊張情況下，X、Y 型號(hào)均正式停工，優(yōu)先保障其他齊套率高于比較基準(zhǔn)的型號(hào)。

考慮到總裝工作的持續(xù)性，Pb（X）、Pb（Y）的計(jì)算更新和開(kāi)工/停工判斷的時(shí)機(jī)為每周更新1 次，以及在型號(hào)交付總裝或轉(zhuǎn)下一階段總裝前3 天進(jìn)行計(jì)算，即生產(chǎn)資源優(yōu)化配置的頻次為每周1 次。

表1 ××衛(wèi)星設(shè)備齊套情況統(tǒng)計(jì)表（示例）

最后，將各型號(hào)的齊套情況計(jì)算結(jié)果及資源配置建議輸出。

（3）配置—執(zhí)行模塊

同數(shù)據(jù)挖掘—預(yù)處理模塊一樣，依托生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)開(kāi)發(fā)獲取運(yùn)算—判斷模塊輸出的運(yùn)算及配置判斷結(jié)果后，分3 個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行智能資源調(diào)配。

智能優(yōu)化環(huán)節(jié)。

與生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)內(nèi)原有的生產(chǎn)資源管理模塊實(shí)現(xiàn)智能互聯(lián)，讀取人員能力分布矩陣、工作項(xiàng)目分配矩陣、總裝工位/工裝資源/公用資源占用分布表等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)人力資源、場(chǎng)地資源、工裝資源、公共資源等進(jìn)行自動(dòng)模擬調(diào)配，并形成配置建議報(bào)告。

例如，在Pb（X）＞Pb（Y）＞Qb＞ Pb（Z）的情況下，將Z型號(hào)停工，當(dāng)前總裝工作狀態(tài)凍結(jié)，物資清退，總裝操作人員抽離，工作場(chǎng)地清理合并。清理出的人、物、場(chǎng)地等生產(chǎn)資源優(yōu)先滿足X 型號(hào)順利開(kāi)工，如有余量，繼續(xù)補(bǔ)充Y 型號(hào)人員。

人工審核環(huán)節(jié)。

生成工作流程，由領(lǐng)域綜合調(diào)度對(duì)自動(dòng)資源優(yōu)化配置建議報(bào)告進(jìn)行審查調(diào)整，報(bào)主管領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)后，形成生產(chǎn)資源優(yōu)化配置方案。人工優(yōu)化調(diào)整的原則包括：堅(jiān)持以開(kāi)工齊套率為生產(chǎn)資源配置的最重要準(zhǔn)則；充分考慮各航天器研制領(lǐng)域工作項(xiàng)目和生產(chǎn)資源分配均衡性，保證生產(chǎn)資源高效流轉(zhuǎn)后形成生產(chǎn)力；對(duì)重點(diǎn)項(xiàng)目，如確實(shí)需要在齊套率不達(dá)標(biāo)情況下開(kāi)工的，在接到上級(jí)科研生產(chǎn)主管部門(mén)正式通知后進(jìn)行人工資源配置。

自動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)。

將批準(zhǔn)后的生產(chǎn)資源優(yōu)化配置方案自動(dòng)導(dǎo)入生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)，對(duì)工作項(xiàng)目分配矩陣、總裝工位/工裝資源/公用資源占用分布表等進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，將配置數(shù)據(jù)導(dǎo)入各領(lǐng)域型號(hào)周計(jì)劃安排中，每日工作計(jì)劃及資源配置表依托周工作計(jì)劃生成、執(zhí)行，并形成閉環(huán)。

基于數(shù)據(jù)挖掘的航天器總裝資源管理系統(tǒng)的特點(diǎn)包括：利用總裝計(jì)劃及庫(kù)房齊套客觀歷史數(shù)據(jù)作為生成判斷準(zhǔn)則的全部數(shù)據(jù)源，確保判斷準(zhǔn)則的客觀、權(quán)威、公開(kāi)；通過(guò)算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了型號(hào)開(kāi)工/停工和資源加強(qiáng)/減配判斷的客觀簡(jiǎn)捷易算、直觀可核查，強(qiáng)化了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；模塊化設(shè)計(jì)的理念，結(jié)合運(yùn)行中的生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分功能，簡(jiǎn)化接口，提升數(shù)據(jù)兼容一致性和運(yùn)行速度，減少開(kāi)發(fā)工作量；在智能判斷的基礎(chǔ)上，仍由計(jì)劃管理部門(mén)進(jìn)行資源配置最終決策，避免自動(dòng)配置造成錯(cuò)配；通過(guò)與執(zhí)行層面各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，將配置結(jié)果自動(dòng)化落實(shí)到生產(chǎn)計(jì)劃中，提升執(zhí)行效率。

三、系統(tǒng)特點(diǎn)

基于數(shù)據(jù)挖掘的航天器總裝資源管理系統(tǒng)的特點(diǎn)包括：利用總裝計(jì)劃及庫(kù)房齊套客觀歷史數(shù)據(jù)作為生成判斷準(zhǔn)則的全部數(shù)據(jù)源，確保判斷準(zhǔn)則的客觀、權(quán)威、公開(kāi)；通過(guò)算法設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了型號(hào)開(kāi)工/停工和資源加強(qiáng)/減配判斷的客觀簡(jiǎn)捷易算、直觀可核查，強(qiáng)化了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；模塊化設(shè)計(jì)的理念，結(jié)合運(yùn)行中的生產(chǎn)計(jì)劃系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分功能，簡(jiǎn)化接口，提升數(shù)據(jù)兼容一致性和運(yùn)行速度，減少開(kāi)發(fā)工作量；在智能判斷的基礎(chǔ)上，仍由計(jì)劃管理部門(mén)進(jìn)行資源配置最終決策，避免自動(dòng)配置造成錯(cuò)配；通過(guò)與執(zhí)行層面各系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，將配置結(jié)果自動(dòng)化落實(shí)到生產(chǎn)計(jì)劃中，提升執(zhí)行效率。

本系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果反映在生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，已在生產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)及操作現(xiàn)場(chǎng)全面布署，因此不需要單獨(dú)進(jìn)行全面硬件配置，對(duì)生產(chǎn)管理系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行升級(jí)改造即可滿足運(yùn)行條件。

在航天器總裝生產(chǎn)資源日趨緊張的情況下，通過(guò)前期對(duì)歷史數(shù)據(jù)的提取分析，選定了星上設(shè)備開(kāi)工齊套率的數(shù)值作為生產(chǎn)資源優(yōu)化配置的判斷指標(biāo)，通過(guò)算法設(shè)計(jì)和模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立起來(lái)的航天器總裝資源管理系統(tǒng)，能夠客觀、權(quán)威、高效地實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)資源的優(yōu)化配置，進(jìn)一步釋放生產(chǎn)力，減輕或均衡工作負(fù)荷，提升生產(chǎn)管理水平，具有廣泛的應(yīng)用前景。