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试验数据管理的企业集成方法研究 |
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作者：中航工业直升机设计研究所 郑文心 |
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摘要：随着信息化应用的普及和深入，集成、共享、协同成为当前企业信息化建设的热点和难点，基于企业集成的信息化应用系统构建方法日益受到关注。本文结合航空制造业试验数据管理实践，通过对目前企业产品试验存在问题的讨论、试验数据分析和试验过程分析，通过研究试验数据管理系统与其他应用系统之间的信息关联关系，提出企业集成的试验数据管理系统建设方案。试图通过试验数据管理系统的建设，导出企业信息化应用的整体集成构建思路。
关键词：试验管理 数据管理 试验数据管理 企业集成
1. 引言
信息技术加快了全球网络化和信息社会的发展进程，市场格局也发生了快速变化，产品的生命周期不断缩短，产品之间的对抗态势愈演愈烈，市场竞争格局由劳动密集型向技术密集型升级，能力提升成为现在制造业的主题词，毋庸置疑，试验能力是产品研发能力的重要组成部分。
航空产品试验十分复杂，要完成一项试验任务，除试验手段外，还要相关的资源配置，试验过程控制和试验数据管理。以往试验场所的建设在试验能力方面考虑较多，试验环境准备和试验过程管理主要还是人工的方式，缺乏信息化管控系统的支持，与现代企业发展不相适应，导致相关试验资源配置、试验过程控制和试验数据管理相对薄弱。进入21世纪以来，这种现象逐步被人们所认识，利用信息技术构建试验过程应用环境也被市场所认同。
2003年美国的优必得公司在硅谷成立，推出优必得试验数据管理系统（Newtera TDM），并在北京成立了全资子公司；随后，国内的脉山龙公司推出了“神鹰”试验数据管理系统，锐峰协同科技推出了“TDM 3000”试验数据管理系统，海基科技推出了“Hi-Key TDM” 试验数据管理系统，北京神州普惠推出了“AppTDM ” 试验数据管理系统，中江联合推出了
EPM试验过程管理系统等等，还有些企业自己开发了适应企业特点的试验数据管理系统，形成了试验数据管理和试验过程控制快速发展的态势。
在企业试验数据管理系统建设中，不论是自行开发还是在商业系统上定制实施，都应当与企业整体信息化环境相适应。本文结合航空制造业试验数据管理实践，通过航空产品试验相关问题和系统建设的讨论，提出试验数据管理的系统集成方法和建设方案，希望对正在建设和将要建设试验数据管理系统的企业有所借鉴。
2. 航空产品试验的问题分析
2.1. 航空产品试验工作复杂
由于航空产品试验的复杂性，造成试验结果的不确定性，为使试验得到较好的结果，需要相关的条件保障、环境保障、人员保障和过程保障等多方面支撑。
l 条件保障是指试验场所、试验设备等的保障条件，航空产品试验的基础环境建设的投入往往比产品设计的基础环境建设的投入还要大，大型试验场所（如风洞、试飞基地等）的建设，往往能够带来试验专业能力的跃升，从而有力支持型号研制水平的提升。
l 环境保障是指试验过程中的试验场所、试验设备、试验件等的状态满足试验所需的性能和功能指标，以及试验能源、信息采集器和损耗等的持续保障。要使试验得到较好的结果，在试验过程中要保持试验环境所有细节的持续稳定，尤其是设备仪表等可靠运转并始终满足精度要求。
l 人员保障是指试验过程中涉及的产品研发人员、试验人员、材料和成品等供应商以及用户等相关人员，在试验过程中要及时地判断试验状态，解释试验中产生的各种现象，以及突发事件的快速应对等，以确保试验过程的正常进行。
l 过程保障是指试验过程的管理和控制。航空产品复杂试验昂贵，任何一个环节的疏忽都会导致难以预料的后果，甚至给型号研制带来难以弥补的伤害。因此试验过程管控十分重要，包括试验计划、试验程序、监控机制、协调机制、保障机制和应急机制等一系列管理措施。
事实上工程试验作为新产品研制和改进中重要的求证和鉴定环节，无论从花费的时间和耗费的成本来计算，都超过型号研制费用的三分之一。尽管耗费巨大，然而迄今为止，依据其结果对产品的性能指标和可靠性进行客观科学的评定，仍然是不可替代的终极手段。因此试验技术和能力仍然是制造业能力的重要标志之一。
2.2. 航空产品试验工作难度大
在航空产品研制过程中，始终伴随着试验活动。从产品的方案设计阶段开始，就要对产品模型进行吹风试验，以确认产品的性能能够满足使用要求；在工程设计阶段，要进行材料、零部件以及成品件的试验，以使各工程设计单元满足设计要求；在生产制造阶段，要进行大量的分系统、系统和全机的各种专业验证试验，以确保产品的性能和功能指标；形成的产品，还要经过各种科目的试飞，以最终确认产品的性能和品质；在产品的交付阶段，要跟踪产品的使用状态，开展相关试验以排除可能的故障，不断改进升级产品。
图 1 试验贯穿航空产品研制过程
航空产品试验活动复杂，试验工作难度大。从试验涉及的专业领域、产品研制过程、试验包含内容和试验过程协调等方面可以窥见一斑。
涉及专业领域广。包括气动、结构、强度、疲劳、传动、材料、液压、燃油、环控、飞控、电气、航电、试飞等等几十个领域的试验活动；
涉及产品过程全。包括产品研制、生产制造和维护使用等各阶段的性能和功能试验要求；
涉及试验内容多。包括材料、零组件、子系统、系统、成品、系统、整机和试飞等的产品验证活动；
涉及协调界面杂。包括设计制造等研制单位，材料和成品等供应商，测试设备和信息采集器等的测控技术提供商，专业试验场所等试验保障单位，以及产品使用的用户等相关单位。
2.3. 航空产品试验的数据管理要求迫切
试验的目的就是确认研发产品的品质。在产品的方案和工程设计阶段确认设计的正确性，在产品生产阶段确认产品的性能和功能的符合性，即使是在产品的使用阶段，也还要不断地确认产品使用的可靠性、安全性和维护性等等。
试验的结果就是获取正确的数据。随着试验技术、计算机技术和现代测控技术的发展，现代工程试验在试验精度提高和试验适用范围拓展的同时，正朝数据量大、数据类型丰富的方向发展。航空产品研制过程的试验存在数据量大、技术参数多、数据类型杂等特点。
试验采集的数据量大，以试飞试验为例，一个试飞起落采集的数据量多达几十G。新型号的试飞科目繁多，一个新型号存贮的数据总量达几百G甚至到T级。
试验测量的技术参数多，一个新型号研制需要测量参数高达几千甚至上万个；而且参数类型多样化，工程试验数据中静态(如试验环境数据等)和动态(如整个试验过程中随时间历程变化的结果数据等)数据并存；复杂信息的捕获需要多通道数据的同步。
试验关联的数据类型杂，包括三维数模、文本文档、二进制数据、以及图形、图像、音频、视频等不同类型的数据。相关的数据需要和试验设备相关联，还要和型号研制相关的工程设计环境、分析仿真环境等相关联。
目前大多情况下试验数据仍是零散保存在硬盘、光盘、磁带等介质上，导致数据的检索、利用困难，试验数据的整理和处理效率低，试验经验难以积累，试验知识难以抽取，试验数据管理和集成应用的要求日益迫切。
试验数据分析
试验数据是试验过程中涉及到的数据。主要包括试验对象数据、试验过程数据和获取试验对象测试数据所需的试验资源数据。
试验对象数据指试验对象、原始测试数据、过程数据和结果分析数据等。在直升机设计环境中，试验对象的定义来自于产品数据管理系统（PDM），试验结果分析数据将要与PDM、SDM（分析仿真数据管理系统）关联共享。
试验过程数据指试验项目指令、试验任务书、试验或测试大纲、测控配置数据、技术协调单、试验设计图纸、标定报告、试验测试过程规范、试验报告等。试验过程数据将要与PM（项目管理系统）、PDM、SDM等建立信息关联关系。
试验资源数据指仪器设备、传感器、工装夹具、人员、标准等相关数据。试验资源是企业资源管理的组成部分，职能隶属于业务主管部门，根据项目执行指令进行动态资源配置，仪器设备的计量需要具备资质的专业部门进行检测标定，与企业计量管理系统存在信息关联关系。
通过分析试验数据涉及的范围、类型以及与其他系统的关联关系，建立起试验数据组织模型；根据数据的创建、存贮、使用、维护和共享等不同权限要求，建立起访问机制，建立试验数据管理模型。
3. 试验过程分析
一般工程试验是在相关型号项目的统一安排下多部门协同配合联合工作的过程，其过程如图2所示。
图 2 试验过程
由型号项目管理部门下达试验任务计划；试验委托单位（通常是设计分析部门）编制试验任务书，并提供试验对象，或设计试验对象提交给制造部门生产；试验部门依据任务书编制试验大纲，并根据试验对象设计试验对象的工装夹具提交给制造部门生产；相关资源的职能管理部门根据试验大纲的要求配置试验相关的资源；所有的仪器设备须经授权的第三方计量部门检测标定合格后，进入试验环境提供试验过程使用；制造部门生产试验对象、工装夹具进入试验环境提供试验过程使用；试验部门依据试验大纲搭建试验环境，按照相关试验程序执行试验活动，获取试验数据，并对数据进程分析处理，出具试验测试报告提交给试验委托单位；试验委托单位在相关的分析环境中对试验数据进行专业对比分析，最终提交试验分析报告，向项目管理部门注销任务。
试验过程的各个环节，均在项目管理部门监控和协调下进行。试验过程中，在试验任务书、试验大纲、试验对象、试验环境、试验数据、试验测试报告和试验分析报告等方面，根据需要组织相关的第三方评审。
4. 试验数据管理的集成方法
试验数据管理系统的建设，在试验数据业务逻辑（图3）的基础上，根据试验的操作流程（图2），分析试验数据管理系统与其他相关系统之间的信息关联关系（图4），构建基于企业信息集成的试验数据管理系统（图5）,以支持试验数据统一管理和试验过程控制。
图 3 试验数据业务逻辑
4.1. 试验数据管理的业务要求
试验数据管理的目标就是管好静态的试验数据和动态的试验过程，以支持试验数据的利用。试验数据管理的业务围绕着试验数据管理，开展试验数据采集、存贮、处理和利用，业务逻辑如图4所示。
图 4 关联系统之间的信息关联关系
试验数据采集通过试验测试环境实现，同时需要试验环境来保障试验场所、试验设备、试验件等状态的持续稳定和试验相关资源的供给；试验数据存贮是试验的结果，试验经验和知识是通过大量客观的试验数据，总结归纳并抽取其特征逐渐积累的过程，因此试验数据除了试验过程中采集测试数据外，试验的测试设备、测试环境及相关的精度指标，是获得试验结果的支撑条件，需要和采集的数据同时保存；试验数据处理是对采集的数据进行加工和展示的方法；试验数据利用是试验的目的，用以验证研发产品的品质，通常是研发领域的验证依据。数据采集、存贮、处理和利用是试验的业务功能系统，通过数据管理来实现统一调度。
试验数据管理系统的集成要求
在企业信息化体系中，试验过程与企业其他信息系统存在大量的信息关联关系，因此试验数据管理系统既要支持图3所示的试验数据业务逻辑，又要满足图2所示的试验过程控制管理。分析试验过程涉及的相关业务之间的信息关系，获得试验数据管理系统的集成要求如图4所示。
项目管理部门通过项目管理系统下达试验计划，下达资源配置指令，监控试验及其相关的工作活动并在试验过程中协调各方面工作。产品设计分析部门通过产品数据管理系统提供产品试验任务书、试验产品数模；通过分析仿真数据管理系统接受试验数据并利用专业知识和工具开展试验分析。相关职能部门通过相应的资源管理系统为试验配置资源。计量检测部门通过计量检测系统对试验设备和仪表等进行检测以保障试验过程资源的符合性。生产部门通过制造管理系统接受试验产品和工夹具数模；在制造过程管理的控制下生产实物试验产品和工夹具。试验部门通过试验数据管理系统接受产品试验任务书和产品数模，规划部署试验，开展工夹具设计；接受相关资源并进行符合性确认；接收试验件和工夹具，搭建试验工作环境，并执行试验环境管理；执行试验过程管理；执行试验数据测试、处理并提供测试数据和测试报告。
试验数据管理的系统方案
根据试验数据管理的业务要求和信息关联关系，利用信息技术建立功能系统，集成企业相关应用系统，形成企业试验数据管理系统的技术方案，如图5所示。
图 5 试验数据管理系统技术方案
1） 试验数据采集与原始数据的存贮
通过测试系统执行试验数据采集。测试系统由测试台架、仪器设备、测试件及其相关装置构成。测试系统的数据采集器将采集的数据传给数据管理系统，通过数据管理系统将数据保存到数据库中，实现数据的采集与存贮。
测试系统的测试台架、仪器设备、测试件及其相关装置等，由环境管理系统进行管理，环境管理系统保障试验前的资源、各测试（含被测）单元的指标符合性及其在测试过程的指标稳定性，以保证测试获得的数据满足要求，试验环境及其指标数据与试验项目相关联，通过数据管理系统保存到数据库中统一管理。
2） 试验数据处理与结果数据的存贮
通过工具集管理系统调用相关的软件工具执行数据处理活动。工具集管理系统注册并管理企业试验数据处理的相关工具（包括自研和商业软件系统），对数据管理系统中保存的数据进行处理，并将处理后的结果通过数据管理系统保存到数据库中，实现数据的处理与结果数据的存贮。
试验数据库与企业其他应用系统的数据，形成统一的企业数据中心，统一管理、维护和共享。
3） 试验数据利用
通过企业服务总线ESB将相关的数据通过接口传递到PDM、SDM等应用系统中，提供给专用应用系统加工和利用；同样，试验过程中所需的相关资源、试验对象等数据，通过接口获取其他应用系统提供的数据，以支持试验过程中的使用。
4） 试验流程管理
数据管理系统、环境管理系统、测试系统、工具集管理系统等形成试验的业务功能系统。要实现对试验业务的应用，需要针对具体试验业务利用流程管理工具建立试验业务的过程逻辑，通过流程来组织、管理试验过程。
流程管理是一套组织管理方法工具，按照业务逻辑编排业务工作顺序（定义流程），定义相关业务工作所需的业务活动（调用功能模块），关联活动所影响的数据（加载数据），并按流程执行路线变更数据状态（数据状态控制）。
结束语
在企业信息化体系中，各应用系统的建设是统一的整体，如图6所示。即在信息网络、服务器、数据库等基础环境的支撑下，建立各专门应用系统；各应用系统之间的信息流动通过企业服务总线（ESB）传递；项目管理系统对各应用系统进行监控，并通过企业架构中的流程集成实现流程的衔接和活动状态的抽取；所有的应用都通过企业门户实现单点登录和应用信息的展现。在企业统一信息架构下实现企业中的所有应用系统的信息集成和过程集成，试验数据管理系统与相关联系统之间的信息交流也通过企业信息架构实现。
图 6 企业信息架构
从中可以看出，试验数据管理系统是型号协同研制的重要组成部分。长期以来，试验基础环境的建设侧重于试验测试能力的建设，尽管试验测试设备的信息技术应用已经非常普遍，但相对于项目管理、产品数据管理和分析仿真数据管理，试验数据综合管理的系统应用相对薄弱。目前试验数据管理系统的建设被大家所重视，在建设过程中应充分重视企业信息化的整体建设，避免形成“烟囱”式信息系统应用。
参考文献
[1] 杨光,祝东明,赵书平,李金国. 产品试验工程管理过程和方法. 可靠性工程管理. 2006年6月第24卷第3期
[2] 赵博,宁汝新,阎艳,赵磊. 企业集成平台方案. 制造业自动化. 2008年6月第30卷第6期
[3] 郑先成,张晓斌,雷涛. 大型飞机综合试验分布式测试系统研究. 测控技术. 2008年第27卷第1期
[4] 吴跃,郑文心. 航空制造业数字化总体框架研究. CAD/CAM与制造业信息化. 2004年第8期
[5] 郑文心,黄玮,彭勇. 直升机试验数据管理系统建设探讨第二十六届全国直升机年会2010年
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(7/17/2012) |
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