大數(shù)據(jù)環(huán)境下刀具倉儲(chǔ)與采購智能協(xié)同研究

朱思征++王山山++敖麗娜++鄔春學(xué)++徐燁

摘要：刀具是柔性制造企業(yè)中重要的工具資源，信息化是柔性制造企業(yè)的顯著特征。論文在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，利用刀具信息管理系統(tǒng)與其他如ERP、CAM、PDM等信息系統(tǒng)沉積的數(shù)據(jù)，分析了刀具消耗與生產(chǎn)計(jì)劃存在的線性回歸關(guān)系，并研究刀具庫存與采購的智能協(xié)同閾值的發(fā)現(xiàn)公式，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)測刀具的消耗，科學(xué)配置刀具的庫存量以加快資金周轉(zhuǎn)提高經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；刀具信息管理；智能協(xié)同

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2016.02.007

引言

2015年，隨著國務(wù)院正式印發(fā)“中國制造2025”，以互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)結(jié)合為亮點(diǎn)的中國工業(yè)即將迎來一輪發(fā)展大潮。柔性制造加工中心、復(fù)雜制造加工中心、快速制造加工中心等機(jī)械加工中心的地位與發(fā)展前景向好。機(jī)械加工中心的快速普及使得機(jī)械加工的自動(dòng)化程度日益提高，標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、多樣化的刀具被大量應(yīng)用到生產(chǎn)中去，刀具作為一種易耗品已成為加工企業(yè)的重要生產(chǎn)資源。作者在對(duì)浙江臺(tái)州模具協(xié)會(huì)調(diào)研走訪多家企業(yè)后發(fā)現(xiàn)，為盡可能減少對(duì)流動(dòng)資金的占用，企業(yè)一般只會(huì)倉儲(chǔ)很少的刀具庫存，而刀具一旦未能及時(shí)供應(yīng)，工廠的生產(chǎn)將受到極大的影響。因此，建立一種庫存、配送智能協(xié)同機(jī)制，實(shí)現(xiàn)按需、按時(shí)、安全配送刀具將會(huì)對(duì)企業(yè)的生產(chǎn)帶來積極的影響。論文研究大數(shù)據(jù)環(huán)境下，利用刀具信息管理系統(tǒng)與其他如ERP（Enterprise Resource Planning，企業(yè)資源計(jì)劃）、CAM（computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造）、PDM（Product Data Management，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）等信息系統(tǒng)沉積的數(shù)據(jù)，研究刀具庫存預(yù)警與智能采購的協(xié)同機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)刀具倉儲(chǔ)、配送的智能化管理。

l 刀具信息管理系統(tǒng)

刀具信息管理系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)刀具的采購、出入庫、裝配、使用、校準(zhǔn)、報(bào)廢等過程進(jìn)行信息化管理，幫助企業(yè)有效地改善刀具管理流程，降低刀具使用成本的管理軟件。傳統(tǒng)的刀具管理軟件大部分著眼于刀具管理系統(tǒng)的某一方面，較少考慮刀具使用過程中不同業(yè)務(wù)各個(gè)階段的約束和關(guān)聯(lián)，容易造成刀具信息孤島。從全球范圍來看，國外白20世紀(jì)九十年代以后刀具管理系統(tǒng)得到較快的發(fā)展，KATMS（Kennametal Automated Tool ManagementSolutions）、 ETMS （Enterprise Tool ManagementSoftware）、TDM（Tool Data Management System）等系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。在國內(nèi)，刀具管理系統(tǒng)的研究雖然起步較晚，但許多科學(xué)院所學(xué)校和企業(yè)投入大量人力物力去研究和開發(fā)，如西北工業(yè)大學(xué)的周占峰研究了面向ERP的刀具信息管理系統(tǒng)，同濟(jì)大學(xué)的姜源等提出了基于RFID的刀具信息管理系統(tǒng)，復(fù)旦大學(xué)的姜艷萍對(duì)汽車制造行業(yè)的刀具信息管理系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究等。

現(xiàn)代刀具管理系統(tǒng)在研究企業(yè)具體需求的基礎(chǔ)上，提出了基于刀具生命周期的管理機(jī)制，在圖1所示的過程中通過技術(shù)手段對(duì)每一把刀具進(jìn)行編碼，實(shí)現(xiàn)了刀具從采購、庫存、應(yīng)用、檢測維護(hù)到報(bào)廢的全生命周期管理。由于企業(yè)使用刀具型號(hào)、種類多樣，每種刀具的庫存數(shù)量有限，因此刀具采購是相對(duì)高頻的應(yīng)用，采購信息管理涉及了供應(yīng)商、物流配送、支付等環(huán)節(jié)。刀具庫存管理是企業(yè)刀具信息管理系統(tǒng)的核心應(yīng)用，包含了出庫、入庫等業(yè)務(wù)流程，在當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)蓬勃發(fā)展的環(huán)境下，條形碼、射頻識(shí)別等技術(shù)均被應(yīng)用于庫存的出入庫管理。刀具的參數(shù)信息管理是刀具信息管理系統(tǒng)的關(guān)鍵，刀具相關(guān)的參數(shù)表、外形圖、裝配圖、輔助工具清單等相關(guān)數(shù)據(jù)是刀具管理系統(tǒng)與其它諸如ERP、CAM、CAPP（Computer AidedProcess Planning，計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)）、PDM等系統(tǒng)交互的基礎(chǔ)，也是刀具精細(xì)化管理必備的條件。企業(yè)在生產(chǎn)過程中，常常對(duì)刀具進(jìn)行組裝與管理，而產(chǎn)品生產(chǎn)的刀具組裝模式相對(duì)穩(wěn)定，因此對(duì)每組組裝刀具作為整體進(jìn)行管理，可以大幅提高組裝刀具的生產(chǎn)準(zhǔn)備效率。除上述功能外，一套完整的刀具信息管理系統(tǒng)還要包含報(bào)廢、刀具維護(hù)信息、系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、授權(quán)、用戶管理等其它模塊。

2 大數(shù)據(jù)環(huán)境下刀具倉儲(chǔ)與采購配送智能協(xié)同研究

人、機(jī)、物三元世界的高度融合引發(fā)了數(shù)據(jù)以前所未有的速度進(jìn)行持續(xù)性累積式增長，信息社會(huì)已進(jìn)入大數(shù)據(jù)（Big Data）時(shí)代。大數(shù)據(jù)本身就是一個(gè)抽象概念，近幾年來很多國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊如Nature和Science等相繼出版?？芯看髷?shù)據(jù)，工業(yè)界與政府機(jī)構(gòu)也密切關(guān)注大數(shù)據(jù)問題。然而，眼下學(xué)術(shù)、工業(yè)等各界專家在大數(shù)據(jù)定義問題上尚未達(dá)成一個(gè)完全共識(shí)。比較知名的大數(shù)據(jù)定義來源于研究機(jī)構(gòu)Gartner，其定義如下：大數(shù)據(jù)是需要新處理模式才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產(chǎn)。雖然大數(shù)據(jù)的定義尚未統(tǒng)一定論，但更好地應(yīng)用大數(shù)據(jù)才是關(guān)鍵。大數(shù)據(jù)的戰(zhàn)略意義不在于其數(shù)據(jù)信息有多么龐大，而在于獲取這海量數(shù)據(jù)后面的知識(shí)與意義。換言之，提高數(shù)據(jù)的“加工能力”，通過“加工”實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“增值”是大數(shù)據(jù)研兗的重要意義。

2.1 數(shù)據(jù)來源：刀具信息系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)環(huán)境

大數(shù)據(jù)的重要特點(diǎn)數(shù)據(jù)來源廣泛、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣，處理與應(yīng)用大數(shù)據(jù)首先需要面對(duì)的便是從廣泛的數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)的抽取與集成，經(jīng)過實(shí)體與關(guān)系的關(guān)聯(lián)、聚合之后采用統(tǒng)一定義的結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)這些數(shù)據(jù)。柔性制造企業(yè)多基于數(shù)控機(jī)床等信息化設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，企業(yè)信息化程度較高，在企業(yè)的信息化系統(tǒng)中，ERP、PDM、CAM等系統(tǒng)與刀具信息管理系統(tǒng)之間存在數(shù)據(jù)信息的共享與交換，一般聯(lián)系如圖2所示。

ERP是一種面向離散型生產(chǎn)和流程型生產(chǎn)特點(diǎn)的制造業(yè)等企業(yè)，將物流，資金流，信息流進(jìn)行全面一體化管理的信息系統(tǒng)。ERP是企業(yè)大數(shù)據(jù)的主要來源，其一般包含：生產(chǎn)控制管理（計(jì)劃、制造）、物流管理（分銷、采購、庫存管理）和財(cái)務(wù)管理（會(huì)計(jì)核算、財(cái)務(wù)管理）。由于柔性生產(chǎn)所需刀具型號(hào)、種類、組合等復(fù)雜性因素，ERP系統(tǒng)未能實(shí)現(xiàn)對(duì)刀具的有效管理，大多企業(yè)仍將刀具中心進(jìn)行單獨(dú)管理并獨(dú)立部署刀具信息管理系統(tǒng)，但生產(chǎn)計(jì)劃、能力需求計(jì)劃等計(jì)劃的制定一般均基于ERP系統(tǒng)。一件產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)之間需要確定每一道生產(chǎn)工序及生產(chǎn)工藝，CAM與CAPP系統(tǒng)在與刀具信息管理系統(tǒng)融合后，在生產(chǎn)工藝的安排上已盡量考慮現(xiàn)有刀具的數(shù)據(jù)，為智慧化生產(chǎn)提供支持。PDM是幫助工程師和其他人員管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品研發(fā)過程的工具，能跟蹤設(shè)計(jì)、制造所需的大量數(shù)據(jù)和信息，并能有效的組織工藝過程卡片、零件藍(lán)圖、三維數(shù)模、刀具清單、質(zhì)量文件和數(shù)控程序等生產(chǎn)作業(yè)文檔，實(shí)現(xiàn)企業(yè)車間現(xiàn)場無紙化生產(chǎn)。刀具信息管理系統(tǒng)通過與其他信息系統(tǒng)的交互，可以合理管理每把刀具的行蹤、統(tǒng)計(jì)刀具利用情況、優(yōu)化刀具使用。如與CAM、PDM系統(tǒng)相互結(jié)合，可以控制在生產(chǎn)過程中的刀具的流通及刀具的安裝、預(yù)調(diào)、分解、損耗等等。

2.2 數(shù)據(jù)分析應(yīng)用：刀具庫存的理論合理閾值與采購配送的協(xié)同

柔性制造企業(yè)使用ERP、CAPP、CAM、PDM等系統(tǒng)積累了大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)化為企業(yè)的知識(shí)才能指導(dǎo)企業(yè)運(yùn)行。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是大數(shù)據(jù)處理與分析的主要方法，指從大量隨機(jī)的實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)中提取隱含在其中的潛在有用信息和知識(shí)的過程。相同的數(shù)據(jù)集合從不同角度對(duì)其進(jìn)行挖掘，可以得出不同的信息或知識(shí)，通常的數(shù)據(jù)分析方法主要有偏差分析、特征、聚類、分類、回歸分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則、Web頁挖掘等，各類不同的分析方法面向特定領(lǐng)域具有特定前提或約束條件。企業(yè)對(duì)刀具信息的管理希望達(dá)到在保證生產(chǎn)不間斷正常運(yùn)行的基礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)測刀具的消耗，科學(xué)配置刀具的庫存量以加快資金周轉(zhuǎn)提高經(jīng)濟(jì)效益。運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘中常用的回歸分析等算法，對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃與刀具的消耗情況進(jìn)行客觀分析，刀具消耗與刀具庫存能根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃的變化從而與采購協(xié)同變換，不但采購刀具過程變的簡單而有效，還能防止漏訂刀具，或者錯(cuò)定一些不必要的刀具。

利用各類數(shù)據(jù)分析方法，可以進(jìn)行各類的預(yù)測分析。在數(shù)據(jù)挖掘的分析過程中，經(jīng)常會(huì)遇到多個(gè)變量影響某一現(xiàn)象發(fā)展與變化的情況，回歸分析是研究兩種或兩種以上變量之間相互依賴的統(tǒng)計(jì)分析方法，是在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立因變量與白變量之間的回歸關(guān)系函數(shù)表達(dá)式（稱回歸方程式）。論文根據(jù)刀具信息管理系統(tǒng)及其關(guān)聯(lián)環(huán)境整理大數(shù)據(jù)涉及刀具信息管理的部分?jǐn)?shù)據(jù)表及其關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3所示。

把兩個(gè)或兩個(gè)以上定比例的數(shù)量關(guān)系用函數(shù)形勢(shì)表示出來，就是回歸分析要解決的問題。由上圖可歸納出生產(chǎn)計(jì)劃與刀具損耗需求之間的基本關(guān)系：企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃P（Plan）中制定了零件A（Accessory）的類型、數(shù)量，每一件零件的生產(chǎn)由生產(chǎn)工藝決定了生產(chǎn)工序WP（Work Process），每一道工序要求使用特定的刀具并有道具理論損耗，在實(shí)際生產(chǎn)中執(zhí)行工序時(shí)產(chǎn)生了實(shí)際消耗。由此令Xt表示刀具t的實(shí)際平均損耗，則生產(chǎn)計(jì)劃P與刀具損耗X之間可建立如下的函數(shù)關(guān)系：

令WP表示生產(chǎn)工序，假設(shè)每道生產(chǎn)工序需要n種刀具，每種刀具的數(shù)量為k，則公式1：

WP=kiXi十kzXz+…+ knXn

令A(yù)表示零件，假設(shè)每件零件有m道工序，每道工序的加工次數(shù)為1，則零件A與刀具消耗X之間的關(guān)系公式2為：

A=ι1WP1+ι2WP2+…+ιmWPm

=ι1（k1X1+k2X2+…+knXn）1+ι2[k1X1+k2X2+…+knXn）2+…+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m

令P表示企業(yè)每天排定的生產(chǎn)計(jì)劃，設(shè)每批次生產(chǎn)計(jì)劃有w種零件，每種零件的個(gè)數(shù)為u，則生產(chǎn)計(jì)劃P與刀具消耗X之間的關(guān)系公式3為：

p=w1A1+W2A2+…+wuAu

=w1（k1X1+k2X2+…+knXn）1+ι2（k1X1+k2X2+…+knXn）2+…

+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m）1+W2（ι1（k1X1+k2X2+…+knXn）1

+ι2（k1X1+k2X2+…+knXn）2+…+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m）2

+…+wu（ι1（k1X1+k2X2+…+knXn）1+ι2（k1X1+k2X2+…+knXn）2+…

+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m）u

上述公式中，k、1、w均為自然數(shù)，所以可得出P與X之間存在線性回歸關(guān)系。獲知P，可以根據(jù)公式3測算出所需的每一把刀具的損耗X。生產(chǎn)計(jì)劃中每件零件加工所需刀具損耗量表需要匯總統(tǒng)計(jì)零件生產(chǎn)所需刀具列表中每一把刀具的平均損耗量、最小損耗量、損耗周期等數(shù)據(jù)，整個(gè)信息抽取過程如次，把ERP系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃中零件信息連接CAPP系統(tǒng)中刀具參數(shù)及生產(chǎn)工藝要求，形成零件一刀具列表，然后與CAM與PDM中每把刀具的實(shí)際損耗進(jìn)行關(guān)聯(lián)，最終形成<零件ID、刀具類型ID、生產(chǎn)計(jì)劃ID、平均損耗>數(shù)據(jù)表。根據(jù)上述過程，也可以得出k、w、1及每把刀具的平均消耗值。

根據(jù)刀具庫存管理可以形成<刀具類型ID、刀刃類型ID、庫存量、刀柄類型ID、庫存量>數(shù)據(jù)表可以得出刀具的庫存信息，令∑wιkXt表示生產(chǎn)計(jì)劃P中刀具t的一天預(yù)測消耗量，另Yt表示刀具t的庫存量，則η=Yt/∑wιk Xt公式表示刀具t的庫存與消耗之間的對(duì)比周期。根據(jù)采購信息可以形成<刀刃類型ID，供應(yīng)商ID，供應(yīng)周期，供應(yīng)均價(jià)，產(chǎn)品評(píng)價(jià)>采購數(shù)據(jù)表可以得出刀具的平均采購周期。令y表示刀具t的平均采購周期，σ表示用戶白定義安全周期，則采購協(xié)同值θ=（η+σ）/γ，當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)協(xié)同采購機(jī)制，通知采購人員進(jìn)行采購。通過上述過程，從而實(shí)現(xiàn)刀具庫存管理、生產(chǎn)計(jì)劃、采購管理的協(xié)同。

3 結(jié)語

刀具是柔性制造企業(yè)中重要的工具資源，信息化是柔性制造企業(yè)的顯著特征。論文在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，利用刀具信息管理系統(tǒng)與其他如ERP、CAM、PDM等信息系統(tǒng)沉積的數(shù)據(jù)，分析了刀具消耗與生產(chǎn)計(jì)劃存在的線性回歸關(guān)系，并研究刀具庫存與采購的智能協(xié)同閾值發(fā)現(xiàn)的公式，根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃預(yù)測刀具的消耗，科學(xué)配置刀具的庫存量以加快資金周轉(zhuǎn)提高經(jīng)濟(jì)效益。