卫星总装过程数据采集与管理系统研究

万 峰 陈小弟 邢香园 吴剑锋



卫星总装过程数据采集与管理系统研究

万 峰 陈小弟 邢香园 吴剑锋

（上海卫星装备研究所，上海200240）

针对卫星总装工艺流程复杂多变、采集数据种类多、集成管理要求高等特点，设计了一种卫星总装过程数据采集和管理系统，研究了基于装配流程和要素的数据采集方法、数据记录表格柔性化定制、基于条码和RFID的信息自动采集、数字化装备采集数据在线集成、多源异构采集数据集成管理等关键技术，并介绍了系统实现方法和主要功能。该系统已成功应用于多个卫星型号研制中，应用效果良好。

卫星总装；数据采集；数据管理

1 引言

卫星是复杂的航天装备，其总装具有周期长、技术难度大、质量控制严格等特点。在卫星总装过程中需采集精度测量数据、质量检验数据、生产进度数据等大量数据。实现数据的准确、及时、完整采集和有效管理，对质量和技术状态管控、产品数据包构建、设计与工艺改进等都具有重要的意义。

目前国内外对装配数据采集的研究主要集中在自动化程度较高、生产顺序确定、采集对象固定的流水式装配线[1]，而卫星等航天产品属于研制型生产和离散型装配模式，技术状态变化频繁，存在大量逆流程，难以采用流水线数据采集方式。近年来，航天装配企业依托MES等系统进行产品装配过程的数字化管控[2，3]，并逐步集成自动化设备和数据采集终端，实现在线采集，但在数据采集系统柔性化配置、多源异构数据集成化管理等方面还需进一步研究和改进。

本文针对卫星总装的特点和需求，提出一种卫星总装过程数据采集和管理系统，该系统作为MES系统的核心子系统之一，采用基于装配流程和要素的数据采集方法，开发集成多种数据采集功能，在多个卫星型号研制中开展了工程应用，取得了良好的效果。

2 卫星总装过程数据采集与管理需求

卫星总装由装配工艺和生产计划驱动数据采集，即在工艺文件中确定数据采集要求，随着生产计划执行完成数据采集工作，主要包括两个阶段：

a. 装前准备阶段：工艺人员在编制总装工艺时，根据质量检验、关键工序控制、特殊作业等活动要求确定数据采集内容、采集方式及技术要求，形成完整的装配工艺，随着生产计划下发至车间；

b. 装配实施阶段：工人按照装配工艺进行操作、检验和完工签署，在此过程中，利用数据记录表格、检测设备、多媒体采集设备等获取各类数据，并对数据进行分析处理、反馈和归档。

卫星总装过程需采集产品数据、物料数据、质量数据、进度数据、设备状态数据等，采集方式包括手工录入、自动化和半自动化采集，目前大部分的数据通过以下方式获得：

a. 记录表格采集：卫星总装过程中大量数据通过表格进行记录，而表格种类多，其中常用表格约一百多种，如单机装拆记录表、接插件插拔记录表、产品检查记录表等，表格模板会根据需要更新；

b. 设备采集：通过自动化工艺装备、数字化检测设备等进行数据在线采集与传输，同时也采用条码枪、RFID读写器、刷卡器、现场图像采集设备（如摄像机、照相机等）等进行数据采集；

c. 软件系统集成采集：通过MES系统中数据采集模块输入完工数据、装配进度数据、返工返修数据等，也通过与PDM、ERP、质量管理系统等集成获取相关数据。

由于卫星总装工艺流程复杂、数据种类和采集方式较多，而尚未形成通用化、规范化的数据采集方法和统一的系统工具，导致不同型号产品数据包的颗粒度不一致，数据分散、整理工作量大、追溯和查询困难；同时，在电子记录表格柔性定制、自动化采集设备数据集成等方面缺少功能模块支撑，数据的结构化程度、采集效率和实时性都有待提高。因此，亟需开发相关系统功能来解决上述问题。

3 系统体系结构

图1 卫星总装过程数据采集与管理系统体系结构

卫星总装过程数据采集与管理系统的体系结构和功能模型如图1所示，采用分层设计思路，各层描述如下：

a. 设备层：开发数据接口，实现数字化检测设备、自动化工装和物料设备等数据的在线读取；开发中间件，集成条码设备、RFID系统、平板电脑、刷卡器、传感器等数据采集终端获取的数据；

b. 通信层：采用现场总线、以太网和无线传感网组成的混合式通信网络；

c. 数据库层：构建装配流程、质检数据、设备参数等数据库，进行数据分类存储；

d. 业务层：包含数据采集方法设计、数据采集执行、采集数据管理等主要功能，并提供与外部系统的数据接口；

e. 应用层：数据采集作为核心功能模块，与MES系统中的生产计划管理、监控看板等模块进行业务集成，同时与ERP、质量信息管理系统等外部系统进行集成应用。

4 系统关键技术

4.1 基于装配流程和要素的数据采集方法

卫星装配流程是驱动资源组织和装配执行的工作流，不同产品具有不同的装配流程，而数据采集流程是装配流程的子流程。本系统通过工作流引擎将数据采集子流程与装配主流程进行嵌套关联，针对不同的数据采集要求进行动态配置和集成管控。具体步骤如下：

a. 装配流程构建：绘制由串（并）联的工序链构成的工艺流程图并集成工艺信息，形成装配工艺流程，通过生产计划进行工艺流程的实例化，形成某个产品的装配流程，具体方法请参见文献[4]；

b. 数据采集流程构建：在工步、工序等不同层级设置数据采集点，并详细设置采集内容、使用设备、方法、采集顺序等，形成数据采集流程。数据采集流程与装配流程嵌套示意图如图2所示。

图2 数据采集流程与装配流程嵌套示意图

c. 数据采集执行与管控：当装配执行至数据采集点时，根据数据采集流程，采用对应的采集方法或设备依次进行每项采集活动，统一管理获得的数据；同时，根据生产计划和工艺的变化进行数据采集流程的动态调整，实现装配过程和数据采集过程的闭环控制。

由于卫星总装需要进行反复装调，存在许多重复或相似操作，例如单机装拆涉及的外观检查、紧固件安装、力矩测量等，将这些相互独立、不可拆分、可重复的操作称为卫星总装过程要素。本系统建立了总装过程要素模板库，对要素关联的工艺信息分类管理，同时将要素对应的数据采集对象进行固化、方法进行统一，在装配工艺流程创建时，基于要素模板实现数据采集点和采集流程的快速、规范化配置。

图3 基于要素的数据采集原理图

以高频电缆总装为例，其基于要素的数据采集原理如图3所示。首先，在高频电缆总装工艺流程的“装星前检查”和“高频电缆接插连接”工序中分解出“高频电缆装星检查”、“高频电缆接插件插拔”等要素；其次，从要素模板库中自动添加该要素对应的《装星检查记录表》、《接插件插拔记录表》等通用数据记录表格以及数据采集设备、指标等信息；最后，在执行该工序时，根据关联的电子表格完成数据采集，获取的数据可根据要素进行组织、比对与分析。

4.2 数据记录表格柔性化定制

由于不同型号的技术指标、装配流程、数据采集要求等差异较大，记录表格种类繁多、样式复杂，固定种类的电子表格模板已难以满足需求，因此系统设计开发了柔性化表格定制工具，可高效生成数据采集表格并实现表格数据的结构化管理，具体功能如下：

a. 表格模板柔性化定制：通过表格定制模块进行表格模板定制，包括表格样式设计（区域划分、基本形状、单元格大小、单元格位置等）、表格内单元格属性配置（如电子签名、拍照、文本录入等属性配置）等，形成表格模板数据库。表格定制流程如图4所示。

图4 表格模板柔性化定制流程

b. 表格模板实例化：工艺师选择表格模板并输入检验参数、签署人员、依据文件与工序等信息，完成数据采集表格编制，并将与工艺文件一起提交至PDM进行电子签审，然后将下发至总装现场。

c. 表格数据记录与存储：总装过程中，工人与检验人员利用计算机终端或平板电脑等移动采集设备进行表格数据的记录，可进行电子签署和多媒体数据的采集。表格中单元格数据通过行、列位置坐标在数据库中进行结构化存储，并能通过属性快速查询。

4.3 基于条码和RFID的信息自动采集

采用条码和RFID技术实现卫星总装过程中物料齐套、产品位置等信息的高效采集，具体内容如下：

a. 条码与RFID标识：在产品或物料合适位置粘贴或集成统一规格的条码和RFID标签，其中RFID标签包括普通标签和抗金属标签，以适应不同材料抗信号干扰的要求。标签由软件系统自动分配包含编号、批次、供应方等基本信息的唯一识别码。

b. 信息自动采集与处理：按照实际需求，在库房、工位出入口等位置部署RFID读写器，当被标记对象在RFID识别范围内时，自动采集信息并实时发送给管理服务器记录，软件系统将采集信息与配套清单或预设产品信息匹配，若不一致则报警，避免出现差错情况。在装配过程中，通过条码扫描设备或手持式RFID读写器对已装配产品标签进行扫描和快速识别，并将数据传递给MES系统，分析获得装配进度和状态等信息，用于装配过程管控。

4.4 数字化装备采集数据在线集成

卫星总装中应用的数字化装备主要包括以下几类：a.精度测量系统、电缆检测系统、质量特性测试系统等数字化检测设备；b.智能吊具、辅助装星机器人、姿态调整系统等数字化工装和辅助设备；c.自动化物料货柜等物流设备；d.智能视频监控系统以及温湿度、空气颗粒物、电磁辐射传感器等环境数据采集设备。

通过数据采集硬件模块、数据传输网络、软件集成接口和数据管理模块的开发和集成，实现数字化装备在线数据采集。在数据采集硬件方面，配备网络接口及相关协议的设备可直接连接以太网采集，其他设备需加装传感器、PLC、工控机等相关模块进行采集；在数据传输网络方面，以现场总线、以太网为主，通过交换机构成数据采集网络；在软件集成接口方面，通过Web Service实现不同数据接口和数据库的数据交换和集成；在数据管理模块方面，形成设备参数数据库、精度数据库等多类数据库，实现数据存储、查询、统计分析和报告生成等功能，同时可对设备运行状态进行监控和报警，并对设备运行效率、利用率等进行效能分析，支持统计图表输出，为生产决策提供支持。

4.5 多源异构采集数据集成管理

卫星总装过程采集的异构数据包括可用表格表示的结构化数据和以源文件形式存在非结构化数据。采用关系数据库和文件数据库相结合的方式对异构数据进行集成存储，方法如图5所示。在关系数据库中建立检验数据表、精度测量数据表等主数据表，存储结构化采集数据；在服务器文件数据库中，以源文件形式存储模型、声像数据等非结构化数据，同时在关系数据库的关联表中存储非结构化数据的存放地址，实现关联存储；系统间通过数据接口和统一的中间数据格式实现数据传输。

图5 多源异构采集数据集成存储示意图

在采集数据的组织和汇总方面，基于产品PBOM、生产计划、装配流程等信息构建采集数据树对采集数据进行组织，其层次结构从上到下为项目、型号、研制阶段、产品、装配任务、装配流程、总装过程要素和具体采集数据。根据产品数据包构建要求，可对采集数据树各层次数据进行提取、汇总和输出。

5 系统实现与应用

基于上述研究，本文设计开发了“卫星总装过程数据采集与管理系统”。该系统在原有“卫星装配过程管控系统”（MES系统）的开发框架下，基于VS.NET开发了B/S架构的系统主体功能模块，并采用Android平台、Web Service及硬件集成开发包等工具开发了数据采集终端程序和软硬件数据接口，实现了多种数据采集终端及设备的集成。该系统在风云四号等重点型号卫星总装过程中开展了应用，在检验数据结构化记录、产品数据包构建及设备状态管控等方面取得了较好的应用效果。系统主要功能模块如下。

5.1 数据采集方法设计模块

该模块包含装配流程创建、数据采集信息配置、数据记录表格柔性定制、采集设备准备等功能，在装配工艺设计和计划排产阶段完成数据采集方法设计及相关设备的初始化，装配流程和数据采集信息配置界面如图6所示。

图6 装配流程和数据采集信息配置界面

5.2 数据采集执行模块

该模块包含质量检验数据、进度数据、物料信息、设备数据、现场多媒体数据等采集功能，在装配执行阶段应用电子记录表格、条码和RFID系统、平板电脑、刷卡器、设备集成接口等实现各类数据完整采集，系统部分数据采集界面如图7所示。

a 电子表格数据采集模块

b 精度测量数据采集模块

c RFID数据采集模块

d 平板电脑数据采集模块

图7 系统数据采集界面

5.3 采集数据管理模块

该模块包含各类采集数据查询、统计及输出的功能，可通过产品结构树对型号、装配任务、装配流程等层级进行数据查询和汇总输出，也可通过表格数据库、物料数据库、精测数据库等不同的数据管理模块获取数据。

6 结束语

本文针对卫星总装过程数据采集和管理困难的问题，在分析数据采集业务流程的基础上，提出一种卫星总装过程数据采集与管理系统，建立了该系统的体系结构，并重点研究了基于装配流程和要素的数据采集方法、数据记录表格柔性化定制等关键技术。通过系统开发和应用，提高了数据采集的完整性、实时性和集成水平，并为质量和技术状态控制以及产品数据包构建提供了统一的数据源。该系统为航天装配企业MES系统的构建提供了有益思路，后续将依托该系统对车间物联网构建以及制造数据挖掘进行深入研究，为卫星总装智慧车间建设奠定基础。

1 刘志，蒋增强，葛茂根，等．面向装配的现场数据采集和过程监控研究[J]. 机械工程师，2009(4)：52～54

2 韩兴龙，李曼丽，赵永平，等．航天器总装MES系统的设计及关键技术[J]．航天制造技术，2015 (4)：55～59

3 黄海金，邱凯，季焓，等．航天产品总装MES系统的设计和实施应用[J]．机械制造，2014，52(598)：59～62

4 张佳朋，刘检华，宁汝新．基于工作流的产品装配工艺生成及信息集成技术研究[J]．机械科学与技术，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

万峰（1988），硕士，机械工程专业；研究方向：数字化制造。

2017-06-19