大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究（下）

文/齊作玉，許樹(shù)森·上海重型機(jī)器廠有限公司

大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究（下）

文/齊作玉，許樹(shù)森·上海重型機(jī)器廠有限公司

《大鍛件大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)的研究（上）》見(jiàn)2016年第1期

數(shù)據(jù)采集途徑

開(kāi)發(fā)應(yīng)用工藝質(zhì)量信息系統(tǒng)

⑴目的和意義。

研究者曾對(duì)國(guó)內(nèi)主要大鍛件企業(yè)的工藝和質(zhì)量信息化情況進(jìn)行過(guò)調(diào)研。注意到，國(guó)內(nèi)大鍛件企業(yè)工藝和質(zhì)量信息化方面還存在空白。要想有大鍛件工藝和質(zhì)量數(shù)據(jù)的積累，要想能科學(xué)分析工藝和質(zhì)量問(wèn)題，必須盡快開(kāi)發(fā)、建立和應(yīng)用先進(jìn)的大鍛件工藝、質(zhì)量信息系統(tǒng)。為此，研究者開(kāi)發(fā)了一種系統(tǒng)雛形。

⑵原理和特點(diǎn)。

根據(jù)鍛壓工藝原理、大鍛件生產(chǎn)質(zhì)量影響因素、質(zhì)量檢驗(yàn)和質(zhì)量記錄過(guò)程、大鍛件鍛壓工藝和質(zhì)量的參數(shù)化方法、管理信息系統(tǒng)開(kāi)發(fā)原理和經(jīng)驗(yàn)，利用微軟免費(fèi)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)ACCESS、服務(wù)表單InfoPath及VBA編程語(yǔ)言等，研究開(kāi)發(fā)出了鍛壓工藝及質(zhì)量信息集成管理信息系統(tǒng)的雛形。圖3為該系統(tǒng)主菜單，包含鍛壓工藝數(shù)據(jù)、熱送鋼錠信息、鍛壓記錄、檢驗(yàn)記錄和查看其他信息共五個(gè)信息輸入部分及1個(gè)預(yù)覽查詢各種自動(dòng)報(bào)告的功能。

鍛壓工藝界面輸入數(shù)據(jù)后可自動(dòng)生成安排生產(chǎn)的鍛件明細(xì)表；可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)授權(quán)快速查詢所有輸入的工藝信息及圖形附件；進(jìn)一步開(kāi)發(fā)后，還可根據(jù)參數(shù)自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)的鍛壓工藝卡。當(dāng)某時(shí)期的生產(chǎn)數(shù)據(jù)輸入后，可自動(dòng)關(guān)聯(lián)；檢驗(yàn)記錄輸入后，則可生成智能的鍛壓工藝質(zhì)量自動(dòng)分析報(bào)告。

該系統(tǒng)借鑒了著名歐美跨國(guó)公司應(yīng)用信息技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合大鍛件企業(yè)實(shí)際情況和需要，形成了鍛壓工藝和質(zhì)量集成管理信息系統(tǒng)雛形。系統(tǒng)能將小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)、工藝參數(shù)化方法、設(shè)備工藝質(zhì)量數(shù)據(jù)集成方案等再次集成，形成智能的記錄和自動(dòng)分析系統(tǒng)，利于不斷改進(jìn)，可成為穩(wěn)定和提高大鍛件質(zhì)量的基礎(chǔ)平臺(tái)。

圖3 鍛壓工藝質(zhì)量記錄信息系統(tǒng)主菜單

設(shè)備數(shù)據(jù)提取

⑴生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)提取。

隨著我國(guó)大鍛件生產(chǎn)設(shè)備的飛速發(fā)展，新的萬(wàn)噸壓機(jī)和操作機(jī)都有了測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)屏顯。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)還實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)。但是，這些設(shè)備上的測(cè)量數(shù)據(jù)還是離散的和不完整的，實(shí)際仍無(wú)法有效應(yīng)用。

通過(guò)集成鍛壓工藝技術(shù)、設(shè)備測(cè)量技術(shù)和現(xiàn)代信息化技術(shù)，利用工業(yè)組態(tài)軟件，研究開(kāi)發(fā)一個(gè)智能的生產(chǎn)工藝自動(dòng)記錄和質(zhì)量分析系統(tǒng)，讓離散的壓機(jī)等設(shè)備數(shù)據(jù)成為有效的大鍛件鍛壓工藝和質(zhì)量相關(guān)數(shù)據(jù)。

⑵在線尺寸檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)提取。

大鍛件企業(yè)無(wú)論是購(gòu)買(mǎi)、改造還是開(kāi)發(fā)大鍛件在線檢測(cè)設(shè)備和裝置，都應(yīng)加強(qiáng)可行性研究，聘請(qǐng)既懂生產(chǎn)工藝又懂信息系統(tǒng)集成的專(zhuān)家參加決策和制訂方案，以便充分考慮實(shí)現(xiàn)大鍛件大數(shù)據(jù)的價(jià)值，能根據(jù)大數(shù)據(jù)的知識(shí)和理念，完善項(xiàng)目的需求和目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)的有效集成和利用。

⑶檢查試驗(yàn)設(shè)備數(shù)據(jù)提取。

傳統(tǒng)上，檢查試驗(yàn)設(shè)備測(cè)得的大鍛件產(chǎn)品或試件數(shù)據(jù)還是打印出來(lái)獨(dú)立使用的。進(jìn)一步有效利用檢查試驗(yàn)設(shè)備中得到的數(shù)據(jù)至少考慮以下幾個(gè)層次：第一層次是將檢測(cè)設(shè)備生成的電子檢測(cè)報(bào)告通過(guò)網(wǎng)絡(luò)安全連接傳遞到局域網(wǎng)中的服務(wù)器上，用附件形式自動(dòng)集成到工藝和質(zhì)量信息系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)有效利用；第二層次是將檢測(cè)報(bào)告上的主要數(shù)據(jù)用手工輸入到新開(kāi)發(fā)的工藝和質(zhì)量信息系統(tǒng)中，開(kāi)發(fā)出對(duì)應(yīng)的自動(dòng)檢測(cè)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)有效利用；第三層次是找到檢查檢測(cè)設(shè)備在生成電子檢測(cè)報(bào)告時(shí)的數(shù)據(jù)，存成符合標(biāo)準(zhǔn)格式的文件，與工藝和質(zhì)量信息系統(tǒng)相集成，直接傳入數(shù)據(jù)庫(kù)、直接可生成動(dòng)態(tài)的并可在線打印的檢測(cè)報(bào)告，實(shí)現(xiàn)有效利用。

集成數(shù)據(jù)提取

通過(guò)系統(tǒng)集成，將其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)提取到本系統(tǒng)之中或?qū)⒈鞠到y(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞到其他系統(tǒng)之中，這不僅減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)輸入，還可大大發(fā)揮出數(shù)據(jù)的價(jià)值。因此，集成數(shù)據(jù)既有數(shù)據(jù)價(jià)值設(shè)計(jì)的作用，又有數(shù)據(jù)提取的特征。例如，在鍛壓生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)提取中，如果可以從ERP（Enterprise Resource Planning 企業(yè)資源計(jì)劃）系統(tǒng)中提取鋼錠物料信息數(shù)據(jù)，從工藝質(zhì)量控制系統(tǒng)中提取工藝數(shù)據(jù)，則可大大發(fā)揮鍛壓生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值和效率。

數(shù)據(jù)分析決策

統(tǒng)計(jì)學(xué)分析

⑴統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用的挑戰(zhàn)。

統(tǒng)計(jì)學(xué)廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域，但在大鍛件生產(chǎn)科研領(lǐng)域里的應(yīng)用幾乎是空白，很少能見(jiàn)到和找到其他研究者和作者關(guān)于大鍛件統(tǒng)計(jì)學(xué)應(yīng)用實(shí)例的研究報(bào)告、論文和理論書(shū)籍。這并非統(tǒng)計(jì)學(xué)方法在大鍛件領(lǐng)域里不重要，而是因?yàn)槿狈?shù)據(jù)和參數(shù)無(wú)法應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析。此外，概率論統(tǒng)計(jì)學(xué)本身不太容易被理解和掌握，在大鍛件領(lǐng)域里，成功應(yīng)用的方法和實(shí)例也非常少，缺少能直接借鑒和引用的實(shí)例和方法。萬(wàn)事開(kāi)頭難，大數(shù)據(jù)的發(fā)展必須經(jīng)過(guò)小數(shù)據(jù)階段，因此大鍛件小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)的研究應(yīng)運(yùn)而生。

⑵小樣本的概念。

樣本按其容量有大小之分。一般情況下，樣本量小，則統(tǒng)計(jì)學(xué)估計(jì)的誤差大；樣本量大，則統(tǒng)計(jì)學(xué)估計(jì)的誤差小。然而，提高一點(diǎn)精度，統(tǒng)計(jì)量則需急劇大幅增加。大鍛件的生產(chǎn)特點(diǎn)是單件小批量，除非是長(zhǎng)期積累才能獲得較大樣本，否則其應(yīng)用只有從小樣本量著手。

關(guān)于統(tǒng)計(jì)學(xué)所需要的最小樣本量，目前并沒(méi)有確切的要求。從統(tǒng)計(jì)學(xué)書(shū)籍后面附帶的常用統(tǒng)計(jì)學(xué)統(tǒng)計(jì)量分布表來(lái)看，列出的最小樣本量是2。本研究認(rèn)為，最小樣本量可根據(jù)實(shí)際確定。只要能進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并能得到科學(xué)結(jié)論就可。

⑶小樣本統(tǒng)計(jì)學(xué)成果。

顯著性檢驗(yàn)就是事先對(duì)總體的參數(shù)或總體分布形式做出一個(gè)假設(shè)，然后利用樣本信息來(lái)判斷這個(gè)假設(shè)（原假設(shè)）是否合理，即判斷總體的真實(shí)情況與原假設(shè)是否有顯著性差異。顯著性檢驗(yàn)是針對(duì)我們對(duì)總體所做的假設(shè)做檢驗(yàn)，其原理就是“小概率事件實(shí)際不可能性原理”來(lái)接受或否定假設(shè)。

顯著性檢驗(yàn)用概率P來(lái)表示由抽樣誤差引起的可能性有多大。統(tǒng)計(jì)學(xué)上習(xí)慣規(guī)定P＞0.05 相差不顯著，可能性大；0.05≥P＞0.01 相差顯著，可能性??；P≤0.01相差非常顯著，可能性極小。小樣本檢驗(yàn)方法包括：

1）計(jì)量資料的顯著性檢驗(yàn)。

對(duì)于計(jì)量資料的顯著性檢驗(yàn)，當(dāng)樣本含量較小，比如200例以下，應(yīng)該選用t檢驗(yàn)（student test）；當(dāng)樣本含量較大，比如200例以上，則應(yīng)該選用u檢驗(yàn)（u test）。t檢驗(yàn)和u檢驗(yàn)是根據(jù)分布（標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布）原理建立起來(lái)的顯著性檢驗(yàn)方法。

例如，長(zhǎng)軸類(lèi)鍛件的軸端機(jī)械性能在拔長(zhǎng)比達(dá)到一定數(shù)值后容易出現(xiàn)各向異性?？v向與橫向性能之間的比值，稱為異性系數(shù)。為了解決40A船用電機(jī)軸的各向異性問(wèn)題，太原重工股份有限公司（簡(jiǎn)稱太重）曾采用不同的鋼錠生產(chǎn)船用電機(jī)軸。太重的研究中給出了堿性電爐鋼和電渣重熔煉鋼的各向異性系數(shù)，但未能開(kāi)展科學(xué)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。研究者經(jīng)過(guò)對(duì)太重統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的處理，然后用t檢驗(yàn)進(jìn)行分析，給出科學(xué)分析結(jié)果和結(jié)論：電爐鋼延伸率異向系數(shù)、截面收縮率異向系數(shù)、沖擊值異向系數(shù)的總體均數(shù)與電渣鋼延伸率異向系數(shù)、截面收縮率異向系數(shù)、沖擊值異向系數(shù)差異均顯著。并由此得出科學(xué)推論，采用電渣鋼的煉鋼方法，的確解決了長(zhǎng)軸類(lèi)鍛件的各向異性問(wèn)題。

2）計(jì)數(shù)資料的顯著性檢驗(yàn)。

對(duì)于計(jì)數(shù)資料的顯著性檢驗(yàn)，其樣本含量大小的檢驗(yàn)方法選擇與計(jì)量資料的顯著性檢驗(yàn)有類(lèi)似之處。當(dāng)樣本含量較小，200例以下，選用卡方檢驗(yàn)（Chi-square test）；當(dāng)樣本含量較大，200例以上，則選用u檢驗(yàn)。

例如，上海重型機(jī)器廠有限公司的工藝人員為了解決管板大鍛件的探傷超標(biāo)問(wèn)題，研究提出了一種宏觀控制鍛造法，給出用拔長(zhǎng)保證壓力容器管板大鍛件中心壓實(shí)的拔長(zhǎng)比宏觀條件。為了驗(yàn)證該條件，統(tǒng)計(jì)了一個(gè)時(shí)期連續(xù)生產(chǎn)的21份工藝、144只鍛件的工藝記錄及探傷檢查結(jié)果。對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分成滿足拔長(zhǎng)比宏觀條件和不滿足拔長(zhǎng)比宏觀條件的兩組，然后用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，給出科學(xué)分析結(jié)果和結(jié)論：兩組不合格率有顯著差別。并由此推論，鍛壓拔長(zhǎng)條件對(duì)大鍛件探傷有顯著影響，滿足拔長(zhǎng)比宏觀條件的工藝能顯著提高超聲波探傷的合格率。并根據(jù)該推論，解決了大批管板鍛件的探傷問(wèn)題，使產(chǎn)品質(zhì)量得以顯著穩(wěn)定提高。

數(shù)據(jù)智能報(bào)告

統(tǒng)計(jì)分析只是數(shù)據(jù)分析方法中的一種方法，根據(jù)研究的問(wèn)題，還有許多分析方法可選擇應(yīng)用，如數(shù)值方法、最優(yōu)化方法和運(yùn)籌學(xué)等。另外，還有一些BI（Business Intelligence）商業(yè)智能軟件。但BI軟件通常價(jià)格昂貴，開(kāi)發(fā)分析報(bào)告需要由外部咨詢師、內(nèi)部IT人員和內(nèi)部業(yè)務(wù)人員共同完成。微軟免費(fèi)的ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)軟件有相當(dāng)不錯(cuò)的數(shù)據(jù)智能分析報(bào)告功能。它在世界第一大鋁業(yè)公司ALCOA和著名的電力及自動(dòng)化公司ABB在中國(guó)的企業(yè)中都曾得到低成本高實(shí)效的應(yīng)用，值得中國(guó)大鍛件企業(yè)行業(yè)借鑒。

決策支持

決策支持系統(tǒng)能夠?yàn)闆Q策者提供所需的數(shù)據(jù)、信息和背景資料，幫助明確決策目標(biāo)和進(jìn)行問(wèn)題的識(shí)別，建立或修改決策模型，提供各種備選方案。并且對(duì)各種方案進(jìn)行評(píng)價(jià)和優(yōu)選，通過(guò)人機(jī)交互功能進(jìn)行分析、比較和判斷，為正確的決策提供必要的支持。決策支持系統(tǒng)強(qiáng)調(diào)的是對(duì)管理決策的支持，而不是決策的自動(dòng)化。因此，統(tǒng)計(jì)學(xué)分析報(bào)告和BI報(bào)告都是決策支持的基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際需要選擇商業(yè)軟件或訂制開(kāi)發(fā)。

結(jié)束語(yǔ)

本文給出以下主要結(jié)論：①大數(shù)據(jù)是根本性解決大鍛件質(zhì)量不穩(wěn)定問(wèn)題的一種必要選擇，是實(shí)現(xiàn)大鍛件智能制造的必由出路；②大鍛件工藝參數(shù)化方法和工藝細(xì)化軟件是增加有價(jià)值的大鍛件數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)目標(biāo)的源頭，本文給出了基本方法和軟件雛形；③給出了采集存儲(chǔ)工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備中數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)并加以集成應(yīng)用的建議方法和數(shù)據(jù)庫(kù)雛形；④給出了創(chuàng)新的大鍛件統(tǒng)計(jì)分析方法，智能報(bào)告方法和大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)。

本研究對(duì)穩(wěn)定我國(guó)大鍛件的產(chǎn)品質(zhì)量、支持大鍛件企業(yè)管理決策、實(shí)現(xiàn)大鍛件大數(shù)據(jù)目標(biāo)、智能制造以及企業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)有一定的參考價(jià)值。

（本文獲得《鍛造與沖壓》2015年有獎(jiǎng)?wù)魑牡谝幻?/p>