大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究（上）

文/齊作玉，許樹森·上海重型機器廠有限公司

大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究（上）

文/齊作玉，許樹森·上海重型機器廠有限公司

針對我國大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定問題和質(zhì)量分析數(shù)據(jù)缺乏問題，結(jié)合《中國制造2025》戰(zhàn)略，對大鍛件大數(shù)據(jù)進行了研究。提出大鍛件工藝參數(shù)化方法和工藝細化軟件是增加大鍛件數(shù)據(jù)價值、實現(xiàn)大數(shù)據(jù)目標的源頭；開發(fā)應(yīng)用工藝質(zhì)量信息系統(tǒng)、采集存儲工藝數(shù)據(jù)和設(shè)備數(shù)據(jù)并加以集成，可構(gòu)成有價值的大鍛件大數(shù)據(jù)；研究中還給出了分析大鍛件工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計學方法，突破了傳統(tǒng)難以科學分析大鍛件數(shù)據(jù)的限制。

齊作玉，高級工程師，碩士研究生，現(xiàn)主要從事大鍛件工藝和產(chǎn)品質(zhì)量控制及其智能集成信息系統(tǒng)開發(fā)等科研工作；中國鍛壓協(xié)會頭腦風暴專家，大鍛件理事會專家;國內(nèi)外發(fā)表科技論文60余篇。

我國大鍛件行業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，在設(shè)備能力、大鍛件尺寸和產(chǎn)量規(guī)模方面，都已經(jīng)達到世界領(lǐng)先水平。然而，在質(zhì)量和效益方面與世界領(lǐng)先企業(yè)相比，明顯還處于劣勢。多年來，行業(yè)和企業(yè)一直面臨著一些嚴峻的問題和挑戰(zhàn)，其中質(zhì)量問題和數(shù)據(jù)問題已成為共識。

有待解決的問題

質(zhì)量問題

大鍛件作用關(guān)鍵、造價昂貴、工藝復(fù)雜、生產(chǎn)周期長。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝造成其制造風險一直很大、報廢率較高，常常出現(xiàn)首件干成功，下一件就可能報廢的情況。鍛件一旦報廢，不僅生產(chǎn)企業(yè)遭受巨大損失，整個相關(guān)重大項目及產(chǎn)業(yè)也會受到一定影響。

然而，在質(zhì)量控制上，我國大鍛件企業(yè)主要還是依賴個人經(jīng)驗。隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，個人經(jīng)驗越來越難以繼承和維系，大鍛件企業(yè)已經(jīng)出現(xiàn)青黃不接、后繼乏人的現(xiàn)象。另一方面，整個中國大鍛件行業(yè)一直都缺少定量化、精細化和系統(tǒng)化的質(zhì)量控制方法。這造成鍛件總是出現(xiàn)“好不知道怎么好的，壞不知道怎么壞的”。質(zhì)量問題已經(jīng)成為制約我國大鍛件企業(yè)及行業(yè)發(fā)展的瓶頸。

數(shù)據(jù)問題

在大鍛件的生產(chǎn)工藝、制造過程和質(zhì)量控制方面，數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用還十分薄弱。實際分析問題時，常常缺少有價值的數(shù)據(jù)。工程師在認真調(diào)查分析大鍛件的質(zhì)量問題時，需要收集工藝設(shè)計參數(shù)、工裝工具參數(shù)、鍛件材料參數(shù)、生產(chǎn)過程工藝參數(shù)、操作記錄、檢查檢測和試驗結(jié)果等相關(guān)數(shù)據(jù)。但是，常常會碰到各部門的數(shù)據(jù)分散在紙張上或保存在電子圖上，對應(yīng)數(shù)據(jù)殘缺不全、有效利用無法實現(xiàn)等一系列問題。多年來，質(zhì)量專家在對大鍛件企業(yè)進行質(zhì)量體系審核時，曾多次提出要加強統(tǒng)計學的應(yīng)用。但實際上因缺乏數(shù)據(jù)，企業(yè)始終無法開展。

核電安全和質(zhì)量審核專家在監(jiān)察時也曾建議，核電大鍛件生產(chǎn)企業(yè)要“從不符合項的類別、數(shù)量、發(fā)生工序、產(chǎn)生原因等方面進行統(tǒng)計、比較和分析”。然而，實際上企業(yè)往往做不到。因為企業(yè)至少面臨三個難以逾越的困難：一是大鍛件屬于單件小批量生產(chǎn)，同類產(chǎn)品的數(shù)據(jù)量偏小，難以開展科學統(tǒng)計分析；二是大鍛件生產(chǎn)過程多為特殊工序，其制造過程的質(zhì)量不易或不能通過其后的檢驗或試驗而得到充分驗證，因而也是缺乏數(shù)據(jù)及參數(shù)、無法開展科學分析；三是目前國內(nèi)大鍛件工藝質(zhì)量記錄分析和控制方法仍然比較落后，主要靠手工記錄。即使一些設(shè)備和儀器中有了電子記錄，但也是相互獨立和離散的，無法形成關(guān)聯(lián)和系統(tǒng)性記錄，結(jié)果還是缺乏數(shù)據(jù)。

以上質(zhì)量問題和數(shù)據(jù)問題的實質(zhì)是一個缺乏數(shù)據(jù)問題。缺乏數(shù)據(jù)就難以進行科學的分析，就無法穩(wěn)定地控制質(zhì)量。因此數(shù)據(jù)也是我國大鍛件企業(yè)和行業(yè)是否能完成創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)型發(fā)展的一個關(guān)鍵所在。數(shù)據(jù)從何而來？

大數(shù)據(jù)的概念

《中國制造2025》是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)。《中國制造2025》在戰(zhàn)略任務(wù)和重點、關(guān)于推進信息化與工業(yè)化深度融合的任務(wù)中，明確提出，“促進大數(shù)據(jù)在企業(yè)研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、經(jīng)營管理、銷售服務(wù)等全流程和全產(chǎn)業(yè)鏈的綜合集成應(yīng)用”。德國工業(yè)4.0是德國政府2010年確定的《高技術(shù)戰(zhàn)略2020》。該戰(zhàn)略也強調(diào)了，實施工業(yè)4.0要充分依賴大數(shù)據(jù)。

大數(shù)據(jù)是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展到現(xiàn)今階段的新概念。它使得以往許多原本很難收集和使用的數(shù)據(jù)開始容易被利用起來了，通過各行各業(yè)的不斷創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)逐步為人類創(chuàng)造了意想不到的和更多的價值。數(shù)據(jù)在中國大鍛件企業(yè)的應(yīng)用幾乎還是空白。中國大鍛件企業(yè)連數(shù)據(jù)都不足，何談大數(shù)據(jù)？但是，無論是從現(xiàn)實意義上看還是向未來發(fā)展的戰(zhàn)略上看，大鍛件企業(yè)及行業(yè)都必須重視發(fā)展大數(shù)據(jù)。

實際上，前面所述大鍛件數(shù)據(jù)不足的問題是相對的，指的是形成有價值的數(shù)據(jù)不足。一個大鍛件從材料購買、金屬冶煉、鋼錠澆注、加熱鍛造、后續(xù)熱處理、產(chǎn)品檢驗等，一直到產(chǎn)品銷售出去，其過程中有大量的數(shù)據(jù)產(chǎn)生。所謂數(shù)據(jù)不足，只是我們沒有有效地采集、存儲和分析利用而已。

以下將對大鍛件大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)價值設(shè)計、數(shù)據(jù)采集途徑、數(shù)據(jù)分析決策和系統(tǒng)架構(gòu)進行研究。該研究可為根本性解決我國大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定問題、實現(xiàn)大鍛件的智能制造和企業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供一種新的實施途徑。

數(shù)據(jù)價值設(shè)計

數(shù)據(jù)價值可以從已有積累數(shù)據(jù)中挖掘獲取，如互聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)和云計算。這些都是積累數(shù)據(jù)后期發(fā)展的結(jié)果。數(shù)據(jù)價值還可以通過設(shè)計數(shù)據(jù)生成采集模型，確保初期就奠定數(shù)據(jù)價值基礎(chǔ)，更早獲得數(shù)據(jù)價值。根據(jù)大鍛件行業(yè)的生產(chǎn)實際情況和數(shù)據(jù)特征，后者更加重要。設(shè)計大鍛件數(shù)據(jù)價值，必須從源頭入手，也就是從工藝設(shè)計入手，以最終實現(xiàn)智能制造為目標。

工藝參數(shù)化

傳統(tǒng)上，無論是工藝教科書、工藝手冊、工藝規(guī)范還是實際生產(chǎn)工藝，大多數(shù)情況下，工藝要求都是以工藝參數(shù)的某個數(shù)值來表示的。然而，簡單照搬某些數(shù)值可能會產(chǎn)生質(zhì)量問題。例如，在大鍛件鍛壓工藝方面，鋼錠的預(yù)鐓粗鍛造比定為2，實際對某些錠型就會產(chǎn)生質(zhì)量問題。

大鍛件工藝參數(shù)化的含義是將大鍛件工藝的參數(shù)用科學的函數(shù)式來予以表達，對工藝參數(shù)進行公式化和系統(tǒng)化處理。大鍛件鍛壓工藝參數(shù)化對于大數(shù)據(jù)有重要意義，通過參數(shù)化設(shè)計，形成了新的標準化的數(shù)據(jù)生成模型，奠定了工藝編制數(shù)據(jù)、工藝記錄數(shù)據(jù)和工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)及其數(shù)據(jù)分析的價值基礎(chǔ)，成為積累數(shù)據(jù)、改進傳統(tǒng)大鍛件工藝、穩(wěn)定大鍛件質(zhì)量和實現(xiàn)工藝創(chuàng)新的基礎(chǔ)。工藝參數(shù)化還為未來大鍛件的智能制造創(chuàng)造了高效的數(shù)據(jù)處理條件。

精細化工藝及專家軟件

越來越多的大鍛件企業(yè)家和專家們正在認識到，用精細化工藝和非自由化工藝的概念是解決大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定的必要措施和發(fā)展方向。現(xiàn)有精細化鍛壓工藝的主要發(fā)展是在拔長工藝上，如寬砧高溫強壓法、無曼內(nèi)斯曼效應(yīng)鍛造法。但是目前主要存在如下問題：

⑴引進的國外技術(shù)，缺少對原理的緊密捆綁匹配度。應(yīng)用時仍容易造成工具條件、進砧操作條件和有效拔長趟數(shù)等條件不匹配，導致達不到中心壓實的目的，甚至還可能惡化鍛件的內(nèi)部缺陷。

國內(nèi)細化工藝的原理方法也已經(jīng)研究出來，但對具體實施上所需要的數(shù)據(jù)表，通常還需要聘請專家到一個企業(yè)，根據(jù)實際情況編制專用的手冊。否則，抄來的數(shù)據(jù)毫無意義，應(yīng)用起來還很可能會弄巧成拙、惡化鍛件的內(nèi)部缺陷。

⑶國內(nèi)外對拔長坯料的展寬計算方法有很多種研究，究竟哪個方法準確？哪個方法更適合自己的企業(yè)？這需要通過實踐來調(diào)整驗證。精細化工藝及專家軟件則很好地解決了上述問題，其軟件雛形示意如圖1所示。

圖1 精細化工藝及專家軟件雛形示意圖

精細化工藝及專家軟件對大數(shù)據(jù)的意義主要體現(xiàn)在以下兩點:⑴充分考慮了工藝與質(zhì)量的關(guān)系，增加了工藝質(zhì)量控制參數(shù)和動態(tài)適應(yīng)，從而增加了有價值工藝參數(shù)的數(shù)據(jù)量；⑵增加了獲取有價值工藝記錄數(shù)據(jù)的必要性和可能性。為建立精細化工藝數(shù)據(jù)、精細化工藝操作記錄、后續(xù)質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)、工藝設(shè)計數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析和大數(shù)據(jù)分析奠定了價值基礎(chǔ)。

圖2 大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)

我們分析一個完整的大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)主要包括決策服務(wù)層、分析管理層、采集存儲層和價值設(shè)計層，每層的具體內(nèi)容如圖2所示。