基于人機(jī)工程的生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

侯牧語　胡常偉　許懷立　李廣瀚

摘要：針對Z公司生產(chǎn)現(xiàn)場存在的問題，如產(chǎn)品工藝信息在各職能部門間更新同步緩慢、存在大量工藝數(shù)據(jù)殘缺、生產(chǎn)進(jìn)度不透明、生產(chǎn)流程不規(guī)范、生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理不規(guī)范等，將人機(jī)工程、交互設(shè)計(jì)、現(xiàn)場管理等理論方法融入管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，開發(fā)了一套生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)端掃碼加工進(jìn)度匯報(bào)，Web端實(shí)時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)，解決了生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的生產(chǎn)進(jìn)度獲取不及時(shí)、進(jìn)度報(bào)表生成與查詢不方便、各工廠數(shù)據(jù)不共享的問題。并且通過系統(tǒng)實(shí)施過程中的調(diào)研以及用戶測試的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對系統(tǒng)核心功能進(jìn)行了優(yōu)化。測試結(jié)果表明，針對相同的系統(tǒng)操作，優(yōu)化后用戶的操作用時(shí)、操作動(dòng)作都大幅度減少，減少幅度均在60%以上，系統(tǒng)的易用性得到了大幅度改善。

關(guān)鍵詞：制造執(zhí)行系統(tǒng);IE+IT;數(shù)據(jù)采集;人機(jī)工程學(xué);交互設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0044—05

0引言

在經(jīng)濟(jì)全球化、科技發(fā)展迅速的時(shí)代，制造業(yè)單靠單純的大規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)無法滿足客戶對加工產(chǎn)品多樣化的需求，越來越多的企業(yè)采用定制化生產(chǎn)的方式來滿足客戶的個(gè)性化需求。定制化制造企業(yè)一方面需要增加生產(chǎn)工藝的多樣化，增加制造產(chǎn)品所需的技術(shù)，這造成了生產(chǎn)率下降、成本提升等問題;另一方面，定制化加工企業(yè)對企業(yè)的生產(chǎn)制造、生產(chǎn)管控有著更高的要求，不僅對企業(yè)的個(gè)性化服務(wù)、客戶溝通能力有著更高的需求，而且在定制化生產(chǎn)環(huán)節(jié)需要全新的生產(chǎn)組織模式。

Z公司是一家精密機(jī)械制造公司，主要生產(chǎn)各類定制化機(jī)械零件，產(chǎn)品種類多，生產(chǎn)批量小，加工周期長。日益增長的業(yè)務(wù)需求，給該公司的生產(chǎn)、生產(chǎn)計(jì)劃與管控、生產(chǎn)進(jìn)度追蹤提出了更高的要求。前期的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前用Excel管理生產(chǎn)數(shù)據(jù)、靠人工來追蹤記錄生產(chǎn)進(jìn)度與相關(guān)信息的方式，已經(jīng)嚴(yán)重影響到了整體的生產(chǎn)管控效率;不透明的生產(chǎn)現(xiàn)場，也給各類生產(chǎn)浪費(fèi)、不合理計(jì)劃等問題的滋生提供了溫床。

由于Z公司生產(chǎn)的產(chǎn)品加工精度要求高，加工難度大，加工周期長，一道工序的加工時(shí)間短要幾個(gè)小時(shí)，長則1周甚至半個(gè)月，加上現(xiàn)場生產(chǎn)狀況復(fù)雜，使用常規(guī)的MES系統(tǒng)，難以對生產(chǎn)過程進(jìn)行有效的管控。綜合考慮Z公司生產(chǎn)現(xiàn)場的狀況，DNC網(wǎng)卡、PLC采集方式、RFID采集方式等數(shù)據(jù)采集方案并不可行。因此，本文根據(jù)Z公司的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，為其量身定制了一套生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了提高系統(tǒng)的易用性，將人機(jī)工程、交互設(shè)計(jì)、現(xiàn)場管理中的理論方法應(yīng)用到系統(tǒng)核心功能的優(yōu)化改善中。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施后，預(yù)計(jì)Z公司生產(chǎn)過程中生產(chǎn)進(jìn)度獲取不及時(shí)等的問題將會(huì)得到一定程度的改善。期望在系統(tǒng)的實(shí)施過程中，系統(tǒng)功能不斷優(yōu)化、迭代，提高系統(tǒng)的易用性。

1項(xiàng)目總體需求分析

Z公司主要部門之間的主要業(yè)務(wù)流程如圖1所示。通過對系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，Z公司生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包含6大功能模塊，分別為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、定單管理、工單管理、進(jìn)度管理、物料管理，設(shè)備管理，如圖2所示。通過這6大模塊的相互協(xié)作，共同促進(jìn)企業(yè)的生產(chǎn)管理，生產(chǎn)管控，實(shí)現(xiàn)對物料、人員、設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

2關(guān)鍵功能分析與設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于本系統(tǒng)涉及的業(yè)務(wù)流程較多，本文僅對最關(guān)鍵的生產(chǎn)進(jìn)度匯報(bào)功能進(jìn)行詳細(xì)介紹。

2.1業(yè)務(wù)流程

當(dāng)定單所需的物料投入生產(chǎn)以后，生產(chǎn)部派進(jìn)度匯報(bào)員在各個(gè)工位查看加工進(jìn)度，人工跟蹤記錄投入的物料所在的設(shè)備、負(fù)責(zé)加工的人員、正在進(jìn)行的工序等。由于人工跟蹤很難精準(zhǔn)確定加工開始與結(jié)束的時(shí)間，只能粗略記錄，記錄后將信息轉(zhuǎn)交至生產(chǎn)部，再由生產(chǎn)部的特定人員，將進(jìn)度信息整理成Excel文件，將Excel進(jìn)度信息遞交給管理人員。

加工進(jìn)度信息的不透明，使得管理人員很難有效地根據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)情況做出生產(chǎn)計(jì)劃的控制調(diào)整和工作中心加工負(fù)荷的調(diào)節(jié)，更談不上精細(xì)科學(xué)地管理與控制。除了加工進(jìn)度信息，不同工廠間物料轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)記錄，也存在著不透明的問題。

2.2功能設(shè)計(jì)與分析

為了解決z公司的痛點(diǎn)，在Web端設(shè)計(jì)了生產(chǎn)進(jìn)度記錄與查看界面;同時(shí)，設(shè)計(jì)報(bào)工小程序，由生產(chǎn)人員使用該報(bào)工小程序，對自己負(fù)責(zé)的工序進(jìn)行匯報(bào)?，F(xiàn)場實(shí)施后，項(xiàng)目組又根據(jù)生產(chǎn)過程中可能出現(xiàn)的復(fù)雜情況對工序匯報(bào)功能產(chǎn)生的影響，對工序報(bào)匯報(bào)功能進(jìn)行了迭代優(yōu)化。

2.2.1初始版本的工序匯報(bào)功能

（1）功能流程

將產(chǎn)品零件的信息記錄在工件二維碼上，并把工件二維碼設(shè)計(jì)印制在Z公司原先就在使用的產(chǎn)品零件流動(dòng)卡上，并將設(shè)備信息也記錄在二維碼上，將設(shè)備二維碼粘貼到加工設(shè)備上。

在加工過程一切正常，無在制品的轉(zhuǎn)移等過程時(shí)，默認(rèn)生產(chǎn)人員只有加工完本批次所有零件后，才標(biāo)志加工完成。生產(chǎn)人員通過掃描產(chǎn)品零件流動(dòng)卡上的二維碼，定位即將報(bào)工的工件，再通過掃描粘貼在加工設(shè)備上的設(shè)備二維碼，定位加工過程進(jìn)行的工作中心及設(shè)備，匯報(bào)工序的開始與結(jié)束，常規(guī)報(bào)工流程圖如圖3所示。

（2）針對關(guān)鍵用戶的系統(tǒng)易用性測試

由于生產(chǎn)人員在使用微信小程序匯報(bào)加工情況時(shí)的操作不依靠鼠標(biāo)與鍵盤，使用手機(jī)時(shí)的點(diǎn)按操作時(shí)間、掃碼時(shí)間、操作環(huán)節(jié)，受個(gè)體差異及環(huán)境影響較大。本文隨機(jī)選定20位符合條件的典型用戶，在對其可能遇到的復(fù)雜加工狀況進(jìn)行調(diào)研后，設(shè)計(jì)出4個(gè)不同場景下的典型任務(wù)，展開了功能易用性測試，現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果及測試設(shè)計(jì)過程如下。

①測試目標(biāo)

本次測試的目的是為了檢驗(yàn)現(xiàn)有的生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的工序匯報(bào)功能存在怎樣的易用性問題，是否能夠滿足現(xiàn)場生產(chǎn)人員（工序加工者）在各種生產(chǎn)情境下方便快捷地匯報(bào)加工狀況的需求，為該功能的迭代優(yōu)化進(jìn)行鋪墊。

②測試參與者

本次測試的參與者共有20名，均為符合“典型用戶”要求的現(xiàn)場生產(chǎn)人員。

③報(bào)工情景調(diào)研與測試任務(wù)設(shè)計(jì)

本次測試任務(wù)的設(shè)計(jì)，圍繞生產(chǎn)人員工序匯報(bào)的不同場景展開，由于工序匯報(bào)的工作才剛開始分配給每一個(gè)生產(chǎn)人員，在系統(tǒng)實(shí)施初期，沒有切實(shí)有效的規(guī)則確保每個(gè)完成加工的工序都會(huì)上報(bào)系統(tǒng)，漏報(bào)的狀況時(shí)有發(fā)生;同時(shí)，現(xiàn)場存在大量工藝數(shù)據(jù)空白的流動(dòng)卡，在這種情況下生產(chǎn)人員只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按圖加工，無具體工序匯報(bào)，造成了進(jìn)度數(shù)據(jù)的缺失。

根據(jù)這些調(diào)研結(jié)果，設(shè)計(jì)了3個(gè)“典型任務(wù)”來進(jìn)行測試，具體任務(wù)描述與“典型用戶”的定義如表1所示。

④測試步驟

為控制變量，對20位受測者執(zhí)行完全相同的測試流程。測試地點(diǎn)均選在工廠的生產(chǎn)車間中，每一位測試者完成任務(wù)的過程都會(huì)被手機(jī)的錄屏軟件實(shí)時(shí)錄下，便于進(jìn)行分析。同時(shí)，為了便于測試后利用影像動(dòng)作觀察法對受測者的操作過程進(jìn)行作業(yè)分析，受測者的操作過程也會(huì)被實(shí)時(shí)錄像。

⑤測試結(jié)果

通過對20位受測者測試錄像的用時(shí)統(tǒng)計(jì)，得出各典型任務(wù)的測試時(shí)間以及平均用時(shí)。

為了深入評估工序匯報(bào)功能的易用性，對每位受測人員完成測試任務(wù)時(shí)的操作進(jìn)行了作業(yè)分析。

由于使用手機(jī)完成測試任務(wù)的動(dòng)作幅度較小，而工業(yè)工程動(dòng)作分析中的18種動(dòng)素，移動(dòng)幅度較大，無法較好地適用于軟件功能測試領(lǐng)域，并且在完成測試任務(wù)時(shí)，左右手同時(shí)做動(dòng)作的情況較為罕見，于是項(xiàng)目組根據(jù)用戶測試過程中受測者動(dòng)作的特點(diǎn)，并結(jié)合交互設(shè)計(jì)理論中擊鍵層次模型中定義的標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)作，定義了3種動(dòng)作類型，具體類型說明如表2所示。

以受測者F完成典型任務(wù)1的流程為例，用繪制作業(yè)分析圖的方法對用戶測試過程進(jìn)行作業(yè)分析，分析過程如圖4所示。

通過測試時(shí)間結(jié)果的對比與操作流程的分析，對于典型任務(wù)3，操作用時(shí)與典型任務(wù)1的操作用時(shí)相比，用時(shí)增加的原因主要是典型任務(wù)3需要與生產(chǎn)信息管理員溝通，向其反饋工單中缺少工序，等待工序的添加，以及溝通往返行走增加了耗時(shí)。除此之外，完成典型任務(wù)3所需的操作與典型任務(wù)1無明顯不同。故不對典型任務(wù)3的操作過程進(jìn)行額外的作業(yè)分析。

對于其他受測者在其余兩個(gè)測試任務(wù)中的測試表現(xiàn)，同樣采用上述分析方法進(jìn)行分析。由于分析過程占用篇幅較長，此處略去具體的作業(yè)分析圖，僅將統(tǒng)計(jì)分析后的結(jié)果展示如下，分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算了20位受測者完成3個(gè)測試任務(wù)時(shí)使用的動(dòng)作總數(shù)的平均值，如表3、4所示。

（3）測試結(jié)果分析

初始版本的工序匯報(bào)功能的測試用時(shí)結(jié)果如表5所示。由表可知，以最常規(guī)、簡單的典型任務(wù)1的測試用時(shí)為基準(zhǔn)，根據(jù)完成典型任務(wù)1的現(xiàn)場受測人員反饋，30 s左右的報(bào)工用時(shí)給使用者帶來的操作體驗(yàn)較好。

相比于典型任務(wù)1，典型任務(wù)2、3的用時(shí)，均在1 min以上。由于需要溝通現(xiàn)場的生產(chǎn)信息管理員，完成典型任務(wù)3所需的時(shí)間最長，長達(dá)2.5 min，況且這已經(jīng)是測試現(xiàn)場受測人員注意力比較集中，不被其他事務(wù)所干擾的情況下的表現(xiàn)，在真實(shí)加工現(xiàn)場的相應(yīng)情境下，完成匯報(bào)工作的用時(shí)只會(huì)更長。

結(jié)合對3個(gè)典型任務(wù)的作業(yè)動(dòng)作次數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)合測試現(xiàn)場的錄像，進(jìn)一步分析測試任務(wù)用時(shí)過長的原因。從表3、4中可以看出，相比典型任務(wù)1，典型任務(wù)2（跳工序報(bào)工）的操作流程中，T、C類型出現(xiàn)的動(dòng)作次數(shù)明顯更多，QR（掃描二維碼）類型的操作也多了將近一半。結(jié)合測試錄像進(jìn)行分析，典型任務(wù)2中T、C類型的動(dòng)作大幅度增多，主要因?yàn)槲磧?yōu)化的工序匯報(bào)功能，并未設(shè)計(jì)跳轉(zhuǎn)工序報(bào)工的操作。

在常規(guī)的生產(chǎn)環(huán)境下，工序的加工有著嚴(yán)格的順序約束，并且能夠保證每一位生產(chǎn)人員準(zhǔn)備開始加工當(dāng)前工序時(shí)，先前工序都已被加工、匯報(bào)完畢，但由于Z公司生產(chǎn)定制化、高精度的生產(chǎn)特點(diǎn)，用規(guī)范的報(bào)工功能難以應(yīng)對現(xiàn)場的生產(chǎn)狀況，在沒有跳工序加工的功能時(shí)，生產(chǎn)人員只能手動(dòng)把當(dāng)前工序之前的未報(bào)3232序依次匯報(bào)工序開始一工序結(jié)束之后，才能夠選到當(dāng)前工序進(jìn)行正常的工序匯報(bào)。這樣的“強(qiáng)行處理”不僅給生產(chǎn)人員的加工狀況匯報(bào)增添了復(fù)雜程度，也使得反饋到管理者眼前的生產(chǎn)數(shù)據(jù)失真。

為了得到更多的改善建議，問卷調(diào)查了20位受測者，對他們在2個(gè)測試任務(wù)中遇到的阻礙進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表6所示。

結(jié)合數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及對現(xiàn)場加工人員的訪談，了解到，仍然有20%左右的生產(chǎn)人員，對于智能手機(jī)基本的鍵盤輸入切換、微信小程序、手機(jī)等掃碼操作存在不熟悉的情況;對于典型任務(wù)2中41%的誤觸現(xiàn)象的原因，結(jié)合測試現(xiàn)場錄像，分析認(rèn)為可能是由于多次重復(fù)的工序開始一結(jié)束操作，消磨了受測者的注意力與耐心，也有可能因?yàn)閳?bào)工APP按鍵大小、布局方面存在不合理之處。

同時(shí)從典型任務(wù)3較長的完成時(shí)間，以及75%的較高的完成率也可以看出，只要解決了工件工藝中沒有當(dāng)前工序的問題，典型任務(wù)3的操作難度會(huì)與典型任務(wù)l類似，因此，針對典型任務(wù)3的主要優(yōu)化點(diǎn)是要完善新增當(dāng)前工序報(bào)工的功能。

并且，未優(yōu)化的系統(tǒng)對于產(chǎn)品加工情況的追蹤，除了首頁的工廠設(shè)備狀態(tài)列表之外，管理者了解產(chǎn)品加工進(jìn)度的途徑就只有進(jìn)入“進(jìn)度管理”頁面中，查看進(jìn)度數(shù)據(jù)，雖然進(jìn)度數(shù)據(jù)記錄得非常詳細(xì)，但列表式的數(shù)據(jù)看起來還是不夠直觀。

為了進(jìn)一步滿足管理者對生產(chǎn)數(shù)據(jù)追蹤的需求，項(xiàng)目組將可視化工序進(jìn)度信息，也作為工序匯報(bào)功能的一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)。

（4）改善方案的確定

根據(jù)上述分析過程，確定了針對工序匯報(bào)功能的改善方案，具體內(nèi)容如表7所示。

2.2.2改善后的工序匯報(bào)功能

（1）跳工序報(bào)工

為了提升用戶體驗(yàn)的同時(shí)使最終呈現(xiàn)給管理人員的進(jìn)度統(tǒng)計(jì)圖表中數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，更完整，設(shè)計(jì)了跳過已加工但未匯報(bào)的工序，對目標(biāo)工序進(jìn)行匯報(bào)的功能，功能流程圖如圖5所示。

（2）新增工序匯報(bào)

在功能優(yōu)化中增加了新增工序匯報(bào)功能，即發(fā)現(xiàn)流動(dòng)卡工藝信息為空時(shí)，生產(chǎn)人員結(jié)合圖紙、生產(chǎn)班長及廠長的安排，現(xiàn)場確定準(zhǔn)備加工的工序，自主通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)小程序，進(jìn)行工序新增，并在工序開始與結(jié)束時(shí)使用小程序進(jìn)行匯報(bào)，功能流程圖如圖6所示。

（3）工序進(jìn)度可視化追蹤

同時(shí)，在Web端系統(tǒng)增加了工件加工進(jìn)度的可視化查詢頁面，管理者可以根據(jù)工序色塊顏色的不同判斷當(dāng)前產(chǎn)品的加工狀態(tài)，如圖7所示。

同時(shí)，前往Z公司工廠采集廠房設(shè)備的布局信息，并按照z公司工廠的設(shè)備布局，重新開發(fā)了工廠設(shè)備狀態(tài)動(dòng)態(tài)顯示頁面，如圖8所示，用設(shè)備色塊不同的顏色區(qū)分設(shè)備不同的加工狀態(tài)，點(diǎn)擊設(shè)備色塊，還可以直接跳轉(zhuǎn)到具體加工工件的進(jìn)度信息。

（4）改善后的用戶測試

為了與相應(yīng)功能優(yōu)化前的測試形成對比，依然使用2.2.1節(jié)中的測試設(shè)計(jì)，唯一變動(dòng)的是，對于典型任務(wù)1，優(yōu)化前后的版本對于常規(guī)匯報(bào)工序開始于結(jié)束的基礎(chǔ)功能并未有改動(dòng)，在此沒有對典型任務(wù)1進(jìn)行測試，依然請到了2.2.1節(jié)中的20位受測者。通過對20位受測者第二次測試錄像的用時(shí)統(tǒng)計(jì)，得到另外兩個(gè)各典型任務(wù)的測試時(shí)間，及平均用時(shí)結(jié)果。

同時(shí)，分別統(tǒng)計(jì)計(jì)算了20位受測者完成典型任務(wù)2時(shí)使用的動(dòng)作總數(shù)的平均值，根據(jù)優(yōu)化后工序匯報(bào)功能的測試結(jié)果，得出了如表8所示的優(yōu)化前后測試用時(shí)統(tǒng)計(jì)表，與針對典型任務(wù)2的優(yōu)化前后作業(yè)動(dòng)作統(tǒng)計(jì)表，如表9所示。

從表8中可以看出，兩個(gè)典型任務(wù)的測試用時(shí)大幅度減少，并且表9中，優(yōu)化前重復(fù)操作較多的典型任務(wù)2，各種類型動(dòng)作的次數(shù)都有明顯減少。這表明，在小程序的工序匯報(bào)功能優(yōu)化后生產(chǎn)人員完成工序匯報(bào)的時(shí)間會(huì)更快。

同時(shí)統(tǒng)計(jì)了改善后測試人員在完成測試任務(wù)過程中出現(xiàn)操作障礙的情況，如表10所示。由表可知，優(yōu)化后的工序匯報(bào)功能操作的順利完成率為75%，與未優(yōu)化時(shí)的情況相比，得到了一定程度的優(yōu)化，同時(shí)，應(yīng)該進(jìn)一步加大實(shí)施力度，對Z公司工廠內(nèi)生產(chǎn)人員基本的移動(dòng)設(shè)備功能使用進(jìn)行培訓(xùn)，減少因?qū)χ悄苁謾C(jī)功能不熟悉而導(dǎo)致的誤操作。

3結(jié)束語

本文針對定制化機(jī)加工企業(yè)Z公司存在的生產(chǎn)進(jìn)度獲取不及時(shí)、進(jìn)度報(bào)表生成與查詢不方便、各工廠數(shù)據(jù)不共享等問題，定制了一套生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在系統(tǒng)實(shí)施的過程中，反復(fù)用改善的眼光審視系統(tǒng)，將人機(jī)工程、交互設(shè)計(jì)、現(xiàn)場管理中的理論方法應(yīng)用到了系統(tǒng)核心功能的優(yōu)化中。經(jīng)實(shí)地測試，典型使用場景下的用戶操作，在系統(tǒng)核心功能優(yōu)化后，操作用時(shí)、操作動(dòng)作都大幅度減少。經(jīng)測試的用戶典型操作，優(yōu)化幅度均在60%以上。通過生產(chǎn)現(xiàn)場操作人員使用移動(dòng)端匯報(bào)工序進(jìn)度，Web端從各個(gè)維度自動(dòng)生成生產(chǎn)進(jìn)度可視化圖表，為企業(yè)管理者提高了管理效率。