CPK在動(dòng)車組車體內(nèi)高尺寸PQM模型中的應(yīng)用

李彥林 董緒琪 李 艷

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

為充分發(fā)揮數(shù)據(jù)對(duì)質(zhì)量提升的驅(qū)動(dòng)作用，該文參照動(dòng)車組故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)，對(duì)廠內(nèi)制造過(guò)程（車體、轉(zhuǎn)向架和總裝）和供應(yīng)商制造過(guò)程的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、建模分析，搭建產(chǎn)品制造關(guān)鍵過(guò)程質(zhì)量PQM 模型，推動(dòng)產(chǎn)品質(zhì)量管控模式由符合性向優(yōu)質(zhì)一致性轉(zhuǎn)變，助力數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型企業(yè)建設(shè)。該模型可實(shí)現(xiàn)健康評(píng)估、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、異常報(bào)警、過(guò)程改進(jìn)和批量一致。健康評(píng)估即形成過(guò)程質(zhì)量健康狀態(tài)的量化、精準(zhǔn)評(píng)估；趨勢(shì)預(yù)測(cè)即預(yù)測(cè)未來(lái)質(zhì)量，提前對(duì)出現(xiàn)的不良趨勢(shì)進(jìn)行改進(jìn)；異常報(bào)警即預(yù)防差錯(cuò)和缺陷的流轉(zhuǎn)；過(guò)程改進(jìn)即對(duì)自動(dòng)觸發(fā)設(shè)計(jì)、工藝及現(xiàn)場(chǎng)“六要素”進(jìn)行改進(jìn)；批量一致即實(shí)現(xiàn)平臺(tái)、項(xiàng)目和供應(yīng)商之間過(guò)程質(zhì)量的一致性管控。

模型的搭建基于產(chǎn)品特性類數(shù)據(jù)，包括計(jì)量值數(shù)據(jù)（如線性尺寸、形位公差和原材料理化數(shù)據(jù)等）以及計(jì)數(shù)值數(shù)據(jù)（如探傷缺陷數(shù)、不合格件數(shù)等）。

過(guò)程能力指數(shù)（CPK）是指工序在某一特定時(shí)間內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的實(shí)際加工能力。該指數(shù)自20 世紀(jì)就廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的制造業(yè)（從最初的機(jī)械行業(yè)，再到之后的電子行業(yè)），已具備成熟的理論基礎(chǔ)。該文以動(dòng)車組車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)的PQM 模型為例，闡述了CPK 在動(dòng)車組制造過(guò)程中的車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)中的運(yùn)用。

1 PQM 模型整體設(shè)計(jì)

1.1 模型搭建

1.1.1 數(shù)據(jù)源獲取及處理

數(shù)據(jù)源來(lái)源于多個(gè)現(xiàn)有系統(tǒng)（QMS 系統(tǒng)、EMS 系統(tǒng)和MRO 系統(tǒng)等）和人工錄入數(shù)據(jù)，需要將所有的數(shù)據(jù)抽取到大數(shù)據(jù)平臺(tái)才可進(jìn)行后續(xù)操作，即使用數(shù)據(jù)治理工具ETL 通過(guò)作業(yè)調(diào)度將各數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)放置到大數(shù)據(jù)平臺(tái)各ODS 表中。如果有新增數(shù)據(jù)源，就需要新建ODS 級(jí)別對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表，確認(rèn)數(shù)據(jù)所來(lái)自的業(yè)務(wù)系統(tǒng)及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表后走企業(yè)內(nèi)部流程，通過(guò)后即可將數(shù)據(jù)添加到大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

在應(yīng)用ETL 工具對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，并結(jié)合各數(shù)據(jù)源業(yè)務(wù)需求處理對(duì)應(yīng)的ODS 表后，將處理后的數(shù)據(jù)放入表【DM_D_MFT_QUA_CPK_BASIS_INFO】中。處理過(guò)程中需要加入日期、區(qū)域、數(shù)據(jù)源名稱以及獲取方式（現(xiàn)有系統(tǒng)、電子表格等）等信息，用于后臺(tái)模型維護(hù)界面新增。

經(jīng)過(guò)一系列的任務(wù)調(diào)度，數(shù)據(jù)會(huì)被放入結(jié)果表、異常結(jié)果表中，以滿足預(yù)警和統(tǒng)計(jì)分析需要。

1.1.2 CPK 模型建立

模型的建立需要在ETL 數(shù)據(jù)治理平臺(tái)上操作，使用SQL 語(yǔ)言建立存儲(chǔ)過(guò)程，指定輸入?yún)?shù)、結(jié)果存儲(chǔ)表及異常結(jié)果存儲(chǔ)表，編寫計(jì)算邏輯及預(yù)警邏輯。輸入?yún)?shù)為區(qū)域、數(shù)據(jù)源名稱、日期及分析字段名稱等，并自定義選擇分析維度為項(xiàng)目集還是單個(gè)項(xiàng)目，從模型配置參數(shù)配置表中獲取已經(jīng)配置好的預(yù)警上、下限，規(guī)格上、下限及子組個(gè)數(shù)，執(zhí)行寫好的存儲(chǔ)程序，即模型計(jì)算規(guī)則后，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入指定的結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)表【DM_D_MFT_QUA_CPK_RESULT_QCC2】中，將異常結(jié)果數(shù)據(jù)寫入指定的數(shù)據(jù)庫(kù)表【DWD_D_MFT_QUA_EXCEPTION_INFO_CPK】中。

1.1.3 模型計(jì)算規(guī)則

CP 是在不考慮偏移（規(guī)格中心值就是均值）的情況下的短期過(guò)程能力指數(shù)。CP 反映的過(guò)程能力就是目前能夠達(dá)到的最高水平，除非系統(tǒng)措施進(jìn)行了剔除普通原因的操作。

CPK 是在考慮偏移（規(guī)格中心值不是均值）的情況下的短期過(guò)程能力指數(shù)。過(guò)程能力的實(shí)際情況是通過(guò)CPK 體現(xiàn)出來(lái)的。提高CPK 值可以減少偏移。一般可采取剔除特殊原因的局部措施來(lái)提高CPK 值。

CPK 模型計(jì)算規(guī)則需要在ETL 平臺(tái)使用SQL 語(yǔ)言來(lái)編寫。

1.1.3.1 取數(shù)規(guī)則

取當(dāng)日起往前推移近30 天的數(shù)據(jù)，并取每天最新X 個(gè)子組數(shù)據(jù)，計(jì)算日CPK 值，系統(tǒng)支持X 值可選擇性，選項(xiàng)分別為16、32、64、125 和250 個(gè)子組或自定義子組個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了分析的靈活性、多樣性，可在不同需求情況下給予數(shù)據(jù)支持。

1.1.3.2 計(jì)算規(guī)則

根據(jù)以上2 組代碼計(jì)算出的結(jié)果值（最大值、最小值、均值、標(biāo)準(zhǔn)差），并根據(jù)CP/CPK 計(jì)算公式分別計(jì)算出C和C，然后取較小的值即為CPK 結(jié)果。

CP/CPK 的計(jì)算如公式（1）～公式（3）所示。

式中：C為無(wú)偏移上單側(cè)短期過(guò)程能力指數(shù)；T為最大值；μ 為子組均值；σ 為子組標(biāo)準(zhǔn)差。

式中：C為無(wú)偏移下單側(cè)短期過(guò)程能力指數(shù)；T為最小值。

式中：CPK 為有偏移短期過(guò)程能力指數(shù)。

CP 與CPK 的區(qū)別如下：如果CP=CPK，此時(shí)必須滿足的條件為K=0，則只有在計(jì)量值為雙側(cè)公差，且標(biāo)準(zhǔn)中心和分布中心完全重合的情況下才可實(shí)現(xiàn)。如果K=1，意為僅在質(zhì)量特性分布中心位于標(biāo)準(zhǔn)上限或下限的情況下。如果K>1，則質(zhì)量特性分布中心肯定位于標(biāo)準(zhǔn)范圍之外。而且K值越小越好。

實(shí)際有效的標(biāo)準(zhǔn)范圍不能直接拿來(lái)利用，在實(shí)際生產(chǎn)中，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中心與分布中心一般情況下不會(huì)完全重合。在產(chǎn)生偏移的情況下，不可用分布在中心左側(cè)能力的增加值去彌補(bǔ)右側(cè)工序能力的損失值，僅可用兩者中較小值來(lái)計(jì)算工序能力指數(shù)。這個(gè)工序能力指數(shù)的別稱為修正工序能力指數(shù)，記為CPK。修正工序能力指數(shù)指的就是一般的工序能力指數(shù)。

CPK 永遠(yuǎn)小于或等于CP，CPK 在任何情況下都大于或等于0。

判定標(biāo)準(zhǔn)與處置見表1。

1.2 模型配置

1.2.1 基礎(chǔ)維護(hù)界面

該系統(tǒng)支持區(qū)域維護(hù)、模型類型維護(hù)和項(xiàng)目集自定義維護(hù)，可進(jìn)行新增、刪除和修改。

1.2.1.1 區(qū)域維護(hù)

每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)1 個(gè)狀態(tài)，此狀態(tài)字段為啟用或不啟用下拉選項(xiàng)。如果某區(qū)域狀態(tài)改為不啟用后，則該區(qū)域下的所有數(shù)據(jù)源均不可配置模型，即該區(qū)域數(shù)據(jù)不可使用；如果區(qū)域狀態(tài)改為啟用后，則該區(qū)域下的所有數(shù)據(jù)源可正常使用，可進(jìn)行后面的操作計(jì)算。

1.2.1.2 模型類型維護(hù)

每個(gè)模型類型對(duì)應(yīng)1 個(gè)狀態(tài)，此狀態(tài)字段為啟用或不啟用下拉選項(xiàng)。如果該模型狀態(tài)改為不啟用后，則所有區(qū)域下該模型均不可使用；如果模型狀態(tài)改為啟用后，則所有區(qū)域下該模型均可正常使用。

1.2.1.3 模型新增

如果新增模型時(shí)，該處僅配置模型的名稱，則需要在ETL 數(shù)據(jù)治理平臺(tái)去開發(fā)新的模型邏輯，制定具體的模型規(guī)則。

1.2.1.4 項(xiàng)目集自定義維護(hù)

項(xiàng)目集是指在某一區(qū)域下，將工藝標(biāo)準(zhǔn)相同的幾個(gè)項(xiàng)目放到一起，組成1 個(gè)項(xiàng)目集。該項(xiàng)目集可作為配置模型的項(xiàng)目單位，可配置多個(gè)項(xiàng)目。點(diǎn)擊新增按鈕，選擇區(qū)域，填寫項(xiàng)目集名稱，選擇項(xiàng)目，設(shè)置狀態(tài)為可用，最后點(diǎn)擊保存按鈕。

項(xiàng)目集名稱要求是唯一的，不能重復(fù)命名。同時(shí)編輯時(shí)項(xiàng)目集名稱不允許修改。

關(guān)于項(xiàng)目集與CPK 模型配置的“啟用”和“停用”系統(tǒng)邏輯如下：1） 如果項(xiàng)目集的狀態(tài)由“啟用”變更為“停用”狀態(tài)，則該項(xiàng)目集配置的CPK 模型的狀態(tài)變更為“停用”狀態(tài)。2） 如果此時(shí)將CPK 模型配置界面的狀態(tài)改為“啟用”，則會(huì)提示錯(cuò)誤信息“該項(xiàng)目集***已關(guān)閉，請(qǐng)啟用該項(xiàng)目集”。3） 如果該項(xiàng)目集的狀態(tài)由“停用”更改為“啟用”，則該項(xiàng)目集配置的CPK 模型的狀態(tài)仍為“停用”，需要手動(dòng)去修改CPK 模型的狀態(tài)。

1.2.2 模型自定義配置

模型設(shè)有區(qū)域自定義配置。如果選擇區(qū)域?yàn)檐圀w，那么后續(xù)的所有配置都只適用于車體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。同一區(qū)域具有多個(gè)數(shù)據(jù)源，配置人員可根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇不同數(shù)據(jù)源。不同數(shù)據(jù)源可對(duì)模型配置不同項(xiàng)目集或者項(xiàng)目（項(xiàng)目下可區(qū)分車型）、CPK 預(yù)警上限、CPK 預(yù)警下限、規(guī)格上線、規(guī)格下限和子組個(gè)數(shù)等。具體的配置操作步驟如下。

1.2.2.1 數(shù)據(jù)源配置界面

模型配置的首頁(yè)導(dǎo)航欄為區(qū)域，列表字段為區(qū)域、數(shù)據(jù)源名稱和模型個(gè)數(shù)，刪除操作，支持?jǐn)?shù)據(jù)源新增。

新增數(shù)據(jù)源時(shí)，以區(qū)域車體為例，選中區(qū)域車體，點(diǎn)擊“新增”按鈕，即可選擇車體區(qū)域下的不同數(shù)據(jù)源名稱。選擇1 個(gè)數(shù)據(jù)源名稱后，點(diǎn)擊“確定”即完成在區(qū)域車體下新增1 個(gè)數(shù)據(jù)源。

1.2.2.2 新增模型界面

數(shù)據(jù)源新增完成后，可點(diǎn)擊數(shù)據(jù)源名稱，系統(tǒng)會(huì)彈出模型配置列表界面，包括字段。點(diǎn)擊“新增”，進(jìn)入新增模型界面，模型類型選擇過(guò)程能力指數(shù)CPK，配置分析維度項(xiàng)目集或項(xiàng)目（可具體到車型），配置參數(shù)（CPK 預(yù)警上限、CPK 預(yù)警下限、規(guī)格上線、規(guī)格下限、子組個(gè)數(shù)和分析字段），且預(yù)警上、下限和規(guī)格上、下限均可人工錄入。規(guī)格上限為必須錄入字段，用于計(jì)算CPK。預(yù)警上、下限則在預(yù)警邏輯中使用，可只配置下限，也可都配置。如果不配置，則默認(rèn)無(wú)預(yù)警邏輯。子組個(gè)數(shù)有下拉框選項(xiàng)，可選擇16、32、64、125 和250 等子組個(gè)數(shù)，也可自定義除選項(xiàng)外的子組個(gè)數(shù)。分析字段必須為1 個(gè)，同時(shí)要求為數(shù)值類型。每個(gè)模型都可配置1 個(gè)或多個(gè)推送人，用于預(yù)報(bào)警信息推送。

數(shù)據(jù)源配置完成后進(jìn)入模型列表，其中除新增模型字段外還有字段狀態(tài)，開啟狀態(tài)代表該模型啟用，關(guān)閉狀態(tài)代表該模型不啟用。可以配置1 個(gè)或者2 個(gè)以上CPK 模型。如果配置1 個(gè)CPK 模型，模型為開啟狀態(tài)時(shí)，前臺(tái)可調(diào)用數(shù)據(jù)；模型為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，前臺(tái)不可調(diào)用數(shù)據(jù)。如果配置2 個(gè)以上CPK 模型，則模型只要有1 個(gè)是開啟的，前臺(tái)就可調(diào)用開啟模型數(shù)據(jù)，模型只有在全部關(guān)閉狀態(tài)下，前臺(tái)才不可調(diào)用數(shù)據(jù)。

在模型列表中點(diǎn)擊推送人員信息的“查看”按鈕可查看已配置的推送人員信息，包括字段項(xiàng)目類別、區(qū)域、項(xiàng)目名稱、車型、推送部門、推送人員及聯(lián)系電話。

2 應(yīng)用效果

根據(jù)上述方案的自定義配置情況和計(jì)算結(jié)果，即根據(jù)配置的子組數(shù)計(jì)算出日CPK 結(jié)果值，可生成近30 日CPK 值監(jiān)控圖。進(jìn)而需要對(duì)監(jiān)控圖進(jìn)行分析，以便針對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中潛在的不穩(wěn)定情況及時(shí)采取措施。

表1 CPK評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

該系統(tǒng)設(shè)定的CPK 預(yù)警條件有2 種，第1 種是CPK 值大于最大值，第2 種是CPK 值小于基準(zhǔn)值，這2 種情況符合其中任何一種均會(huì)預(yù)警。根據(jù)圖1 可知，2022 年3 月10日CPK 值均為1.4125，大于基準(zhǔn)值1.1000，過(guò)程能力處于A 和B 之間，說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性一般，需要保持其控制狀態(tài)，并盡量往A 靠攏提升；如果CPK 值達(dá)到或大于最大值，則說(shuō)明生產(chǎn)過(guò)優(yōu)，而實(shí)際生產(chǎn)很難達(dá)到CPK指數(shù)為最大值的情況，需要進(jìn)一步核實(shí)驗(yàn)證。如果判定無(wú)誤，可考慮降低成本。當(dāng)CPK 值處于過(guò)程能力為A+時(shí)，屬于最理想的狀態(tài)，只需要持續(xù)保持這種生產(chǎn)過(guò)程即可。當(dāng)CPK 值處于過(guò)程能力為A 時(shí)，屬于生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性良好，狀態(tài)相對(duì)比較穩(wěn)定，可盡量往A+靠攏提升。當(dāng)CPK 值小于基準(zhǔn)值時(shí)，說(shuō)明生產(chǎn)中有不合格品產(chǎn)生，過(guò)程有妥善管理及改變的必要，符合第2 條預(yù)警條件，系統(tǒng)預(yù)警會(huì)根據(jù)配置的推送人信息推送給對(duì)應(yīng)負(fù)責(zé)人，維度分為項(xiàng)目集、項(xiàng)目或項(xiàng)目下的某一車型，以滿足各種情況下的需求。

除如圖1 所示的CPK 監(jiān)控圖，系統(tǒng)還對(duì)預(yù)警情況做了匯總頁(yè)面，實(shí)時(shí)展示預(yù)警信息，以供管理者實(shí)時(shí)把控生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量。

負(fù)責(zé)人處理CPK 預(yù)警信息時(shí)除從待辦進(jìn)入外，還可以從匯總表下查看預(yù)警詳情，跟隨每條預(yù)警詳情進(jìn)入處置頁(yè)面，提交預(yù)警處置。

系統(tǒng)還針對(duì)預(yù)警信息處置時(shí)長(zhǎng)做了進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析，分月度、區(qū)域、各模型單個(gè)預(yù)警處置時(shí)間等對(duì)處置時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行統(tǒng)一管控，無(wú)形中可起到督促員工及時(shí)處置問(wèn)題、提高工作效率的作用，進(jìn)而達(dá)到提高生產(chǎn)效率的目的。

圖1 CPK 監(jiān)控圖

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)CPK 計(jì)算邏輯可知，CPK 應(yīng)用的前提是要有可以量化的數(shù)據(jù)來(lái)支撐過(guò)程的監(jiān)控點(diǎn)，要有對(duì)應(yīng)的雙側(cè)或單側(cè)公差以及確定對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)過(guò)程要處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。

根據(jù)CPK 的計(jì)算規(guī)則可知，要想在動(dòng)車組車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)中運(yùn)用好CPK，必須充分考慮動(dòng)車組生產(chǎn)過(guò)程中車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，制定出有效的數(shù)據(jù)采集及處理方案，使獲取的數(shù)據(jù)能對(duì)生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)有保障。

在生產(chǎn)過(guò)程中也可將CPK 與其他控制方法相結(jié)合，使CPK 的計(jì)算不是1 個(gè)靜態(tài)過(guò)程，而是1 個(gè)動(dòng)態(tài)的監(jiān)控，才能更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性的波動(dòng)，對(duì)波動(dòng)的處理也就更具主動(dòng)性。

綜上所述，該文基于CPK 模型，并結(jié)合動(dòng)車組車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適用的監(jiān)控方案。在CPK 的應(yīng)用過(guò)程中，基于CPK 結(jié)果值報(bào)表分析，對(duì)預(yù)警點(diǎn)進(jìn)行了研判，及時(shí)解除預(yù)警，使CPK 值保持在一個(gè)適宜的水平，在確保生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定的同時(shí)，在一定情況下還可以達(dá)到降低質(zhì)量成本的目的。