可視化技術(shù)在軍工車間生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

李濟(jì)龍，馬　軍，袁家鵬，徐海軍，曹滿友，鄢　泳，孫　波

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 海淀 100089；2.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050)

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可視化技術(shù)在軍工車間生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

李濟(jì)龍1，馬軍2，袁家鵬2，徐海軍2，曹滿友2，鄢泳1，孫波1

(1.中國(guó)兵器工業(yè)新技術(shù)推廣研究所，北京 海淀 100089；2.重慶鐵馬工業(yè)集團(tuán)有限公司，重慶 400050)

在軍工企業(yè)車間生產(chǎn)中，車間制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)得到了廣泛應(yīng)用，但是還存在一些問題。為了提高軍工企業(yè)車間協(xié)同制造、精益化生產(chǎn)和數(shù)字化制造的水平，將可視化概念引入到車間生產(chǎn)中，通過將可視化生產(chǎn)流程融入到整個(gè)車間MES系統(tǒng)信息流中，形成反饋循環(huán)模型，提高企業(yè)車間內(nèi)部信息交互和協(xié)同制造水平；同時(shí)，提出將虛擬仿真可視化和可視化數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用到車間生產(chǎn)中，通過對(duì)車間生產(chǎn)工藝等的可視化仿真提高車間工藝實(shí)施的準(zhǔn)確性和熟練度；可視化數(shù)據(jù)挖掘的引入有助于實(shí)現(xiàn)以人為中心的知識(shí)獲取、提煉，為企業(yè)車間精益生產(chǎn)提供數(shù)據(jù)支持。

可視化；MES；軍工車間；可視化流程；反饋循環(huán)

隨著我國(guó)武器裝備的不斷發(fā)展，軍工企業(yè)承擔(dān)了越來越多的科研任務(wù)，軍工車間經(jīng)常面臨科研批產(chǎn)混線生產(chǎn)的問題。軍工產(chǎn)品混線生產(chǎn)往往具有生產(chǎn)通用性不強(qiáng)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、生產(chǎn)工藝離散、產(chǎn)品種類多和生產(chǎn)批量小等特點(diǎn)。各軍工企業(yè)在既要滿足科研生產(chǎn)任務(wù)的快速產(chǎn)出，又要滿足批量產(chǎn)品的穩(wěn)定產(chǎn)出的雙重要求下，提出了制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)對(duì)車間的生產(chǎn)進(jìn)行信息化管理方案。綜合各軍工單位MES建設(shè)和使用情況來看，MES系統(tǒng)并不能完全實(shí)現(xiàn)協(xié)同制造、精益化生產(chǎn)和數(shù)字化制造的要求。主要存在如下問題：1)信息透明度不夠，生產(chǎn)物流和信息流脫節(jié)，信息流落后于生產(chǎn)物流；2)知識(shí)提取能力不足，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)挖掘能力不足，無法進(jìn)行有效的分析和提煉；3)信息交互手段落后，抽象的數(shù)據(jù)和文字不利于員工有效的獲取和理解信息；4)生產(chǎn)線的性能仿真與評(píng)估優(yōu)化能力不足，精益改進(jìn)缺乏數(shù)據(jù)支撐。

針對(duì)上述問題，部分企業(yè)將可視化看板等技術(shù)運(yùn)用到MES系統(tǒng)中，但是整體可視化水平不高，不能完全實(shí)現(xiàn)企業(yè)車間協(xié)同制造、精益化管理和數(shù)字化制造的目標(biāo)。本文將可視化的概念融入到車間生產(chǎn)管控中，通過可視化流程的引入來解決企業(yè)生產(chǎn)信息流通滯后的問題，進(jìn)而形成MES信息流和實(shí)物流循環(huán)反饋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)信息流和實(shí)際生產(chǎn)流的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，從而實(shí)現(xiàn)有效管理、快速反應(yīng)，為管理決策提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的生產(chǎn)信息，為企業(yè)相關(guān)信息系統(tǒng)提供車間級(jí)的支撐數(shù)據(jù)。這對(duì)同類軍工制造企業(yè)MES系統(tǒng)建設(shè)具有一定的借鑒意義。

1　生產(chǎn)可視化流程

可視化(Visualization)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的理論、方法和技術(shù)[1]?？梢暬抢糜?jì)算機(jī)交互式地顯示抽象數(shù)據(jù)，從而使人們?cè)鰪?qiáng)對(duì)抽象信息的認(rèn)知，將信息以直觀的視覺方式表現(xiàn)出來，使人們能夠充分利用視覺和感知能力去觀察、處理信息，從而發(fā)現(xiàn)信息之間的關(guān)系和隱藏的模式?？梢暬氲杰囬g生產(chǎn)中有助于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息的透明化，提高車間內(nèi)部信息流通的速度；同時(shí)利用可視化數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)發(fā)掘企業(yè)車間數(shù)據(jù)，有利于發(fā)現(xiàn)瓶頸問題，提高企業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

車間可視化流程和企業(yè)數(shù)字化制造過程是契合的，其主要包括4個(gè)步驟：數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)(數(shù)據(jù))處理和變換、可視化映射和用戶感知。軍工車間的可視化流程概念圖如圖1所示。

圖1　可視化流程概念圖

1)數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)是可視化的對(duì)象，數(shù)據(jù)可以通過儀器采樣、資料整理、人工輸入和其他系統(tǒng)交互等方式采集。數(shù)據(jù)的采集直接決定了數(shù)據(jù)的格式、維度、量級(jí)和精度等，并在很大程度上決定了可視化結(jié)果的質(zhì)量。在設(shè)計(jì)一個(gè)可視化解決方案的過程中，了解數(shù)據(jù)的來源、采集方法和數(shù)據(jù)屬性，才能有針對(duì)性地解決問題。在軍工車間數(shù)據(jù)采集過程中，通過物料編碼技術(shù)對(duì)物料進(jìn)行統(tǒng)一管理，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和正確性。再以物料條形碼/二維碼掃描、無線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)等方式對(duì)物料信息進(jìn)行采集，從而可以較快速、實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確地獲取物料零部件的領(lǐng)發(fā)、驗(yàn)收和工藝步驟等數(shù)據(jù)信息。車間的數(shù)據(jù)來源不僅限于車間內(nèi)部，還有部分來源于其他企業(yè)信息系統(tǒng)。通過系統(tǒng)接口與其他信息系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，有助于信息的透明化，推進(jìn)企業(yè)協(xié)同化生產(chǎn)[2-3]。

2)數(shù)據(jù)處理和變換。數(shù)據(jù)處理和變換對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些預(yù)處理操作，包括數(shù)據(jù)校驗(yàn)和提取特征等。數(shù)據(jù)處理和變換的主要目的是選擇合適的數(shù)據(jù)處理模式，揭示隱藏?cái)?shù)據(jù)特征，使數(shù)據(jù)更方便地為之后的可視化映射做準(zhǔn)備。在車間生產(chǎn)中，系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)不同的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行不同的處理[4]。

3)可視化映射?？梢暬成涫钦麄€(gè)可視化流程的核心。該步驟將數(shù)據(jù)的數(shù)值、時(shí)間和工藝步驟等映射為可視化視覺通道的不同元素，使用戶通過可視化洞察數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)背后隱含的現(xiàn)象和規(guī)律。

通過一些可視化模型的構(gòu)建，用戶可以選擇適合的模型來顯示數(shù)據(jù)內(nèi)容，從而可以從不同方面來了解數(shù)據(jù)的特征及規(guī)律等。

4)用戶感知。用戶感知從數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果中提取信息、知識(shí)和靈感?？梢暬推渌麛?shù)據(jù)分析處理方法最大的不同是用戶的關(guān)鍵作用，可視化映射后的結(jié)果只有通過用戶感知后才能轉(zhuǎn)換為知識(shí)和靈感。可視化的對(duì)象或者研究的問題并非數(shù)據(jù)本身，而是數(shù)據(jù)背后的社會(huì)自然現(xiàn)象和過程。

2　可視化反饋循環(huán)模型

可視化流程引入車間生產(chǎn)的目標(biāo)是形成一個(gè)反饋循環(huán)系統(tǒng)。反饋循環(huán)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和人員三者的相互交互，解決數(shù)據(jù)不能流暢傳遞，生產(chǎn)制造時(shí)常會(huì)出現(xiàn)訂單更新變化不及時(shí)，生產(chǎn)信息及異常不能及時(shí)反饋，車間生產(chǎn)狀況難以實(shí)時(shí)監(jiān)控等問題[5]?？梢暬答佈h(huán)模型圖如圖2所示。

圖2　反饋循環(huán)模型圖

數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過轉(zhuǎn)換、映射可視化后推送給用戶，用戶通過和數(shù)據(jù)交互了解當(dāng)前車間生產(chǎn)的情況，并根據(jù)生產(chǎn)情況做出相應(yīng)處理指導(dǎo)生產(chǎn)。對(duì)于管理者、調(diào)度者等需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行更深入了解的人員來說，可以通過可視化的數(shù)據(jù)挖掘模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析。用戶通過模型可視化參與到模型構(gòu)建中，對(duì)模型參數(shù)等進(jìn)行調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了人是最終決策者的重要作用。

在知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代，企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力更多體現(xiàn)在無形的知識(shí)資源上，車間信息系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行中積累的大量設(shè)備監(jiān)控、材料定額、工時(shí)定額、加工周期和成本消耗等數(shù)據(jù)，是企業(yè)的核心資源。

反饋循環(huán)通過數(shù)據(jù)挖掘可視化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行充分挖掘分析進(jìn)而提煉知識(shí)，為企業(yè)的計(jì)劃排產(chǎn)、質(zhì)量管理、成本控制和績(jī)效評(píng)價(jià)等業(yè)務(wù)活動(dòng)提供量化依據(jù)，也為整個(gè)數(shù)字化制造系統(tǒng)運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支持。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)制造知識(shí)資源的收集提煉、集成共享以及精益化生產(chǎn)具有重要意義[6]。

3　可視化技術(shù)在車間中的應(yīng)用

3.1可視化看板

針對(duì)車間內(nèi)部信息流通緩慢，信息透明度不足的問題，采用可視化看板可以有效促進(jìn)車間內(nèi)部的信息流通和協(xié)同工作。可視化看板主要包括：計(jì)劃跟蹤看板、生產(chǎn)異常看板、物料跟蹤看板和車間產(chǎn)線看板。

1)計(jì)劃跟蹤看板。其主要功能是在計(jì)調(diào)室通過LED看板的形式向管理人員提供生產(chǎn)任務(wù)額批次計(jì)劃完成情況，幫助管理者不去現(xiàn)場(chǎng)也能看到車間生產(chǎn)的過程和計(jì)劃完成情況。

2)生產(chǎn)異常看板。其主要功能是在計(jì)調(diào)室通過LED看板的形式實(shí)時(shí)反映出車間現(xiàn)場(chǎng)操作過程中出現(xiàn)的技術(shù)異常問題，使技術(shù)組能夠第一時(shí)間獲得現(xiàn)場(chǎng)的異常信息，從而減少溝通時(shí)間，幫助統(tǒng)計(jì)分析。

3)物料跟蹤看板。其分為備料任務(wù)跟蹤看板和配料計(jì)劃跟蹤看板，計(jì)調(diào)組根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)中的產(chǎn)品BOM和數(shù)量得到當(dāng)月所有的生產(chǎn)物料，根據(jù)總的生產(chǎn)所需物料向臨時(shí)庫(kù)下達(dá)備料任務(wù)，任務(wù)跟蹤過程會(huì)顯示在備料任務(wù)跟蹤看板上，及時(shí)反映當(dāng)前的備料情況。

4)車間產(chǎn)線看板。是指在車間現(xiàn)場(chǎng)放置看板，實(shí)時(shí)反映產(chǎn)線上的實(shí)際情況和計(jì)劃完成情況。通過產(chǎn)線看板可以及時(shí)反映出各個(gè)工位的工作狀態(tài)信息等，管理人員可以在第一時(shí)間對(duì)裝配問題進(jìn)行解決，從而減少處理問題的時(shí)間，使裝配效率得到最大化。

3.2虛擬仿真可視化

許多軍工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)都可以通過三維建模來實(shí)現(xiàn)，但是由于企業(yè)車間信息化程度相對(duì)落后于研發(fā)部和工藝部門；因此，大部分車間工藝文件還是以二維圖樣的形式下發(fā)，這種方式效率不高且容易出錯(cuò)，也不利于車間工人熟悉工藝。這往往導(dǎo)致車間在進(jìn)行科研件試制時(shí)由于工藝不合格，使得試制往復(fù)，拖延產(chǎn)品研制時(shí)間。對(duì)于批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，由于工人對(duì)工藝熟練度掌握不夠，導(dǎo)致出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題等[7]。

通過虛擬仿真可視化技術(shù)，將加工總裝工藝線路通過仿真模擬，以可視化的方式在工位機(jī)或顯示屏上進(jìn)行演示，提高車間工人對(duì)相關(guān)工藝的理解，從而提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3可視化數(shù)據(jù)挖掘

為了實(shí)現(xiàn)軍工企業(yè)“協(xié)同制造，精益生產(chǎn)”的要求，需要不斷對(duì)車間生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化。一旦發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)中的瓶頸，應(yīng)對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息實(shí)時(shí)交互、生產(chǎn)過程透明的管理，結(jié)合企業(yè)實(shí)際需要，對(duì)企業(yè)車間生產(chǎn)管理提供各種可視化表示，做到對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃制訂情況、執(zhí)行情況、工段作業(yè)情況、物料、刀具、質(zhì)量和設(shè)備等幾乎所有的生產(chǎn)信息進(jìn)行綜合分析展示，為車間層的管理與決策提供可靠的量化數(shù)據(jù)。

如果傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘完全依賴機(jī)器智能來獲取數(shù)據(jù)中的知識(shí)，則理論模型和算法復(fù)雜，學(xué)習(xí)過程時(shí)間長(zhǎng)，而且機(jī)器智能在面臨許多復(fù)雜情況時(shí)仍然遠(yuǎn)不及人腦水平；此外，數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果通常帶有噪聲，必須人工解釋和濾波，而這需要高效的人工交互界面才能完成。在數(shù)據(jù)挖掘過程中，使用可視化技術(shù)，可以幫助用戶更緊密地參與到整個(gè)數(shù)據(jù)挖掘過程中，更好地發(fā)揮人的感知與判斷能力。它使數(shù)據(jù)挖掘過程從以計(jì)算機(jī)為中心轉(zhuǎn)向以人為中心?？梢暬囊胧拐麄€(gè)數(shù)據(jù)挖掘過程清晰可見[8]。

4　結(jié)語(yǔ)

通過將可視化流程引入到車間生產(chǎn)中，形成了一個(gè)循環(huán)反饋模型，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程和結(jié)果的實(shí)時(shí)信息交互和管理，提高了車間數(shù)字化制造水平。利用可視化數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)挖掘過程的可視化，使用戶可以緊密地參與到整個(gè)數(shù)據(jù)挖掘過程中，更有利于知識(shí)的提取。

[1] 肖廷哲. 基于自然紋理的二維多元數(shù)據(jù)交互可視化[D]. 杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，2013.

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[3] 鐘輝. 無線射頻識(shí)別在整車生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]. 重慶：重慶大學(xué)，2012.

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責(zé)任編輯鄭練

Research on Visual Technology in the Production of Military Workshop

LI Jilong1, MA Jun2, YUAN Jiapeng2, XU Haijun2, CAO Manyou2, YAN Yong1，SUN Bo1

(1.Advanced Technology Generalization Institute of CNGC, Beijing 100089, China; 2.Chongqing Tiema Industries Corporation, Chongqing 400050, China)

In order to improve the level of military enterprise workshop collaborative manufacturing, lean production, and digital manufacturing, the visualization concept is introduced to the workshop production. By visualizing production processes into the overall plant stream and forming a feedback loop model, improve the enterprise workshops inside information level of the cooperation. Propose the visual simulation and visualization of data mining applications to process data obtained from the workshop, and thus guide the craft workshop, refine workshop production of knowledge for the enterprise data to support activities.

visualization, MES, military workshop, visual process, feedback loop

TP 391

A

李濟(jì)龍(1989-)，男，工程師，碩士，主要從事數(shù)據(jù)可視化、MES系統(tǒng)等方面的研究。

2016-05-06