條碼技術(shù)在彈藥生產(chǎn)數(shù)字化車間管理中的應(yīng)用

曾鵬飛，蒿宇宇，郝永平，史春景，劉錦春

(1.沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 沈陽 110159； 2.沈陽理工大學(xué)CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心， 沈陽 110159；3.北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

彈藥是軍工產(chǎn)品中產(chǎn)量最大、品種最多的一類。目前，彈藥生產(chǎn)過程中的數(shù)字化和可追溯性管理能力有待提高，對彈藥生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)難以進(jìn)行及時(shí)有效分析[1]。隨著信息化的發(fā)展，在彈藥生產(chǎn)、運(yùn)輸、存儲(chǔ)、質(zhì)量、壽命、勤務(wù)與維護(hù)、報(bào)廢與銷毀等全壽命周期中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、規(guī)范化和可追溯性是彈藥生產(chǎn)管理的必然趨勢[2]。條碼因其具有存儲(chǔ)信息量大、可靠性強(qiáng)、使用靈活等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于物流業(yè)及電子商務(wù)等領(lǐng)域[3-5]。一些專家學(xué)者也開始將條碼技術(shù)引入到車間生產(chǎn)過程中，秦開涌等[6]實(shí)現(xiàn)了將條形碼技術(shù)應(yīng)用于車間生產(chǎn)信息采集系統(tǒng)中；楊展等[7]針對小批量離散型制造企業(yè)提出了基于條碼技術(shù)的數(shù)據(jù)采集方法，設(shè)計(jì)和開發(fā)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集原理系統(tǒng)；莊存波等[8]針對復(fù)雜產(chǎn)品裝配中物料動(dòng)態(tài)跟蹤困難，提出了基于流程和條碼的復(fù)雜產(chǎn)品離散裝配過程中的物料動(dòng)態(tài)跟蹤與管理技術(shù)。本文針對彈藥生產(chǎn)過程中信息采集時(shí)效性、信息化管理程度和質(zhì)量問題追溯等問題需求，提出了基于條碼的彈藥生產(chǎn)數(shù)字化車間管理方法，利用彈藥標(biāo)識編碼及其相關(guān)技術(shù)規(guī)范實(shí)現(xiàn)彈藥生產(chǎn)過程的全方位信息管理和可追溯性。

1 彈藥條碼設(shè)計(jì)

利用彈藥標(biāo)識編碼技術(shù)對彈藥生產(chǎn)信息進(jìn)行編碼處理，實(shí)現(xiàn)對彈藥生產(chǎn)信息采集與傳輸、監(jiān)管與全過程可追溯。彈藥生產(chǎn)過程的每道工序產(chǎn)生的信息和數(shù)據(jù)必須被記錄[9]，通過對彈藥進(jìn)行編碼，將彈藥所有有關(guān)信息通過條碼方式進(jìn)行存儲(chǔ)。在對彈藥條碼進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要盡可能地把彈藥生產(chǎn)過程所有涉及的信息存儲(chǔ)到條碼中，以便于對彈藥從零件加工開始到成品出庫進(jìn)行全過程的實(shí)時(shí)質(zhì)量跟蹤和控制。當(dāng)彈藥質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)，通過掃描彈藥條碼實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)全過程的可追溯，找到問題出現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。彈藥條碼設(shè)計(jì)分為彈藥條碼主信息設(shè)計(jì)和彈藥條碼附加信息設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

1.1 彈藥條碼主信息設(shè)計(jì)

彈藥條碼主信息設(shè)計(jì)主要包括對彈藥的彈丸編碼設(shè)計(jì)、彈藥的引信編碼設(shè)計(jì)、彈藥的發(fā)射裝藥編碼設(shè)計(jì)和彈藥的包裝箱(托盤)編碼設(shè)計(jì)。彈藥條碼的主信息設(shè)計(jì)是用于對彈藥生產(chǎn)各道工序信息和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

1.1.1 彈丸編碼方法與規(guī)則

彈丸編碼主要由分類信息碼、使用信息碼、生產(chǎn)信息碼和校驗(yàn)碼等四個(gè)部分組成，如圖1所示。彈丸編碼共有21位，由阿拉伯?dāng)?shù)字0-9構(gòu)成，其中分類信息碼4位，使用信息碼5位，生產(chǎn)信息碼11位，校驗(yàn)碼1位。彈丸編碼設(shè)計(jì)符合彈藥標(biāo)識編碼技術(shù)規(guī)范等文件的標(biāo)準(zhǔn)要求[10-13]。

分類信息碼由口徑和彈藥種類兩部分構(gòu)成。口徑代碼用于區(qū)分彈藥的口徑，彈藥種類代碼用于區(qū)分彈丸種類。

使用信息碼又稱彈丸質(zhì)量，彈丸的實(shí)際質(zhì)量以kg為單位，小數(shù)點(diǎn)后保留2位，位數(shù)不足時(shí)在前面補(bǔ)“0”；例如，彈重45.50 kg，使用信息碼則表示為04550。

生產(chǎn)信息碼由批次、年代、生產(chǎn)廠、順序四部分構(gòu)成。生產(chǎn)批次劃分遵循實(shí)際生產(chǎn)時(shí)間段相同產(chǎn)品方可組成一個(gè)批次，在規(guī)定限度內(nèi)具有同一性質(zhì)和質(zhì)量，并在同一生產(chǎn)周期中連續(xù)生產(chǎn)出來的一定數(shù)量的產(chǎn)品為一批。彈丸的批次碼由生產(chǎn)廠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定，批次有2位代碼。年代有2位代碼，取4位年代號的后兩位數(shù)。生產(chǎn)廠有2位代碼，用于區(qū)分不同生產(chǎn)廠。順序號用于區(qū)分彈丸在同一批次生產(chǎn)中所處的前后順序，彈丸的順序碼由生產(chǎn)廠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況確定。

圖1 彈丸編碼內(nèi)容及格式

1.1.2 校驗(yàn)碼的計(jì)算方法

校驗(yàn)碼有1位代碼，位于編碼從左向右數(shù)的第21位。校驗(yàn)碼數(shù)字值的計(jì)算方法如下：

1) 包含校驗(yàn)碼的所有數(shù)字從右向左編碼，分別為1，2，…，21位；

2) 從第2位開始，所有偶數(shù)位的權(quán)數(shù)設(shè)置為3，從第3位開始，所有奇數(shù)位的權(quán)數(shù)設(shè)置為1；

3) 將對應(yīng)位置的代碼數(shù)字與相應(yīng)的權(quán)數(shù)相乘，并定義所有乘積相加求和為：

(1)

式(1)中，xi為21位彈丸編碼中偶數(shù)位的值，i=2,4,6,8,…,20；yj為21位彈丸編碼中從第3個(gè)位置開始的奇數(shù)位的值，j=3,5,7,9,…,21。

4) 對上一步的和z，利用MOD10求余數(shù)a，即：

a=z%10

(2)

5) 如果余數(shù)a為0，則校驗(yàn)位值為0；否則，用10-a的值作為校驗(yàn)碼。

以彈丸編碼16110455003161307500X為例，則可以識別出彈丸代表的相應(yīng)信息：2016年123廠生產(chǎn)的第03批155殺爆彈，彈重45.50 kg，共計(jì)7500發(fā)。具體編碼示例，如表1所示。

1.2 彈藥附加信息碼的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)彈藥附加信息碼的主要目的在于：當(dāng)彈藥質(zhì)量出現(xiàn)問題時(shí)能夠通過彈藥條碼的掃描識別可以快速追溯到承制部門和具體責(zé)任人，也便于彈藥生產(chǎn)過程車間管理的數(shù)字化和智能化。彈藥附加條碼信息的主要內(nèi)容包括人員身份序列號、彈藥序列號、彈藥ID、人員姓名、動(dòng)工時(shí)間、完工時(shí)間、日完工數(shù)量、描述信息等。人員身份序列號、彈藥序列號和人員姓名用于質(zhì)量問題的追溯，而動(dòng)工時(shí)間、完工時(shí)間和日完工數(shù)量則用于檢測每道工序的生產(chǎn)進(jìn)度、在制品情況、計(jì)劃完成情況以及工作效率等。

表1 彈丸編碼示例

2 彈藥生產(chǎn)數(shù)字化車間管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生產(chǎn)車間是企業(yè)生產(chǎn)管理與生產(chǎn)制造的樞紐，是企業(yè)物流、信息流、工作流和控制流的交匯點(diǎn)。彈藥生產(chǎn)屬于多品種小批量、以訂單為主來組織生產(chǎn)，屬于典型的離散型生產(chǎn)方式[14]，對于離散型車間這種離散加工、多品種、小批量生產(chǎn)，產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率很大程度上依賴工人的技術(shù)水平；以往車間在數(shù)據(jù)采集上主要以手工上報(bào)為主，這樣采集來的數(shù)據(jù)時(shí)間間隔大，并且難以保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。條碼技術(shù)的應(yīng)用可以通過條碼識讀設(shè)備將識別的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)中，使數(shù)據(jù)管理自動(dòng)化，減少人工操作時(shí)間，提高生產(chǎn)數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確性。最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)控制的無縫銜接。

2.1 基于MRP和JIT的彈藥生產(chǎn)計(jì)劃編制方法

武器彈藥生產(chǎn)有著嚴(yán)格的交貨期限要求，準(zhǔn)確合理的生產(chǎn)計(jì)劃是實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)的有效保障，必須圍繞物料來組織制造資源實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)。結(jié)合物料需求計(jì)劃(MRP)和準(zhǔn)時(shí)制生產(chǎn)(JIT)來綜合制定系統(tǒng)的生產(chǎn)計(jì)劃[15,16]。根據(jù)彈藥主生產(chǎn)計(jì)劃中規(guī)定的最終產(chǎn)品交貨日期，來規(guī)定各項(xiàng)作業(yè)必須完成的時(shí)間，編制最終產(chǎn)品的零部件的生產(chǎn)計(jì)劃，確定企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)部門應(yīng)完成的各種零部件產(chǎn)品的生產(chǎn)時(shí)間和數(shù)量，并且計(jì)劃各種外協(xié)零部件的采購數(shù)量和采購時(shí)間，其原理如圖2所示。

圖2 彈藥生產(chǎn)計(jì)劃制定原理

通過對生產(chǎn)計(jì)劃的制定和控制來消除浪費(fèi)，降低成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和市場競爭力。MRP便于集成CAD/CAM和自動(dòng)化加工中的信息，有著強(qiáng)大的信息處理功能，而在生產(chǎn)控制方面存在缺陷。針對離散型加工車間動(dòng)態(tài)的、易變的生產(chǎn)環(huán)境，結(jié)合MRP和JIT各自的優(yōu)點(diǎn)來合理的構(gòu)建彈藥生產(chǎn)計(jì)劃制定的管理過程，如圖3所示。首先從物料需求計(jì)劃中分解出自制件生產(chǎn)計(jì)劃，再按車間任務(wù)進(jìn)行下達(dá)，然后根據(jù)零件需求的數(shù)量和時(shí)間，通過倒推的方式進(jìn)行安排生產(chǎn)。

圖3 車間生產(chǎn)計(jì)劃制定與控制流程

2.2 基于條碼技術(shù)的數(shù)字化生產(chǎn)車間管理系統(tǒng)

根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)車間數(shù)字化管理的實(shí)際需求和條碼技術(shù)的應(yīng)用要求，本文開發(fā)了相應(yīng)的彈藥數(shù)字化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)管理、條碼資源管理、計(jì)劃與調(diào)度管理、信息管理、質(zhì)量控制、人員管理和綜合查詢與統(tǒng)計(jì)等七個(gè)功能模塊，其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。條碼技術(shù)的應(yīng)用貫穿系統(tǒng)功能的各個(gè)模塊，在彈藥正式投產(chǎn)前打印出配套的條碼跟蹤卡，此跟蹤卡伴隨彈藥生產(chǎn)的工藝全過程及每道工序和生產(chǎn)工位，工作人員通過條碼掃描設(shè)備識讀跟蹤卡上的條碼信息，即可獲取之前每道生產(chǎn)工序的數(shù)據(jù)信息，并需在跟蹤卡記錄本道工序，直至產(chǎn)品生產(chǎn)完成包裝入庫。在本系統(tǒng)的系統(tǒng)管理功能模塊中的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)里實(shí)現(xiàn)條碼代碼與彈藥生產(chǎn)實(shí)際信息的一一對應(yīng)且唯一關(guān)聯(lián)。在條碼資源管理、計(jì)劃與調(diào)度管理、信息管理、質(zhì)量控制等模塊的底層信息流通都通過掃描相應(yīng)的彈藥條碼實(shí)現(xiàn)。在人員管理模塊設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)的每位工作人員以特定的身份序列號，通過彈藥條碼和人員身份序列號的按需管理，便可以通過掃描彈藥條碼來查詢相關(guān)的工作人員信息，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息的可追溯性管理。在綜合查詢與統(tǒng)計(jì)功能模塊里，通過掃描彈藥條碼將識別的彈藥實(shí)際信息存入數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)系統(tǒng)綜合查詢與統(tǒng)計(jì)功能采用瀏覽器便可實(shí)現(xiàn)對彈藥生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)查看和按需統(tǒng)計(jì)。

圖4 彈藥數(shù)字化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)關(guān)系模型

為了能夠清楚地反映出彈藥數(shù)字化生產(chǎn)中各個(gè)環(huán)節(jié)和活動(dòng)對信息采集、加工、處理和查詢的要求，以及信息流動(dòng)情況和數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時(shí)使得條碼技術(shù)及其相關(guān)的使用技術(shù)能夠更好地融入到彈藥數(shù)字化生產(chǎn)車間的管理之中，本文建立了彈藥生產(chǎn)主信息、生產(chǎn)調(diào)度信息、彈丸信息、引信信息和發(fā)射裝藥以及彈藥質(zhì)量信息等的系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)關(guān)系模型，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)關(guān)系模型

這也是本系統(tǒng)的主要的數(shù)據(jù)關(guān)系模型。通過數(shù)據(jù)關(guān)系模型的構(gòu)建，可以清楚地辨識整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)關(guān)系，是整個(gè)系統(tǒng)資源信息共享的基礎(chǔ)，其好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)功能的性能、運(yùn)行效率和實(shí)現(xiàn)效果。根據(jù)該彈藥生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品特點(diǎn)、生產(chǎn)車間管理需求和條碼設(shè)計(jì)的原則，選擇SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)系統(tǒng)，以提高事務(wù)處理的能力和實(shí)現(xiàn)更好的安全性控制。

3 彈藥數(shù)字化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 底層架構(gòu)

彈藥數(shù)字化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)的實(shí)施基于J2EE開發(fā)平臺，采用MVC(模型-視圖-控制器)模式和SSH(Struts2+Spring4+Hibernate5)[17,18]組合架構(gòu)。系統(tǒng)采用B/S(Browser/Server)結(jié)構(gòu)模式，基于Java Web分層設(shè)計(jì)原理將整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為用戶層、攔截器層、控制反轉(zhuǎn)層、業(yè)務(wù)處理層、持久化類層、映射關(guān)系層和數(shù)據(jù)庫等七個(gè)層次，如圖6所示。

當(dāng)有請求從用戶瀏覽器端發(fā)送過來時(shí)，可由攔截器層在服務(wù)器的web.xml文件中配置的Filter來進(jìn)行過濾篩選后將響應(yīng)返回給瀏覽器，或者將請求映射到控制反轉(zhuǎn)層，根據(jù)struts.xml文件中的配置轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的Struts2 Action進(jìn)行處理，并調(diào)用業(yè)務(wù)處理層中的Service來進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，Service調(diào)用持久化類層中的*DAO.java，通過*DAOImpl.java來實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作。持久化類層通過映射關(guān)系層中的Hibernate XML Mapping映射機(jī)制實(shí)現(xiàn)實(shí)體類中的屬性名與數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)的映射關(guān)系。

系統(tǒng)在控制反轉(zhuǎn)層、業(yè)務(wù)處理層和持久化類層之間的接口通信時(shí)，彼此類之間的關(guān)系依賴Spring IOC容器來實(shí)現(xiàn)相互關(guān)系的注入，Spring IOC則主要通過相應(yīng)的Spring-Context.xml文件配置來實(shí)現(xiàn)三個(gè)層次之間的信息傳遞。這樣大大降低了類與類之間的耦合度，提高了代碼的可重用性。

圖6 系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

彈藥數(shù)字化車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)以Windows 7為系統(tǒng)服務(wù)器的操作系統(tǒng)，采用Microsoft SQL Server 2008作為后臺數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、Apache Tomcat 7.0作為系統(tǒng)服務(wù)器、JDK/JRE 1.7.0作為Java部署和運(yùn)行環(huán)境等進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)施的相關(guān)工作，并完成了在微軟IE和谷歌Chrome等瀏覽器環(huán)境下的系統(tǒng)測試工作。除此之外，在系統(tǒng)完善與開發(fā)效率方面，系統(tǒng)應(yīng)用面向切面編程(Aspect Oriented Programming,AOP)的思想，并使用Spring AOP動(dòng)態(tài)代理機(jī)制實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的權(quán)限控制與事務(wù)等的通用邏輯[19]。

彈丸條碼主信息條碼生成功能界面，只有將彈丸編碼的分類信息碼、使用信息碼、生產(chǎn)信息碼和校驗(yàn)碼全部選擇后才可對彈丸條碼主信息進(jìn)行二維碼生成，少任何一項(xiàng)系統(tǒng)都會(huì)報(bào)錯(cuò)，如圖7所示。通過下拉列表的形式進(jìn)行點(diǎn)選，以提高輸入的準(zhǔn)確性，選入的項(xiàng)為彈丸的實(shí)際信息，點(diǎn)擊查看按鈕會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到二維碼生成界面，但在二維碼生成界面是以彈丸實(shí)際信息對應(yīng)的代碼形式來進(jìn)行顯示的，點(diǎn)擊二維碼生成按鈕即可生成相應(yīng)二維碼。其中條形碼生成按鈕可生成一維碼，在車間生產(chǎn)中主要使用二維碼，一維碼為輔，如圖8所示。

圖7 彈丸條碼主信息初始生成

圖8 彈丸條碼主信息生成

彈藥信息顯示界面是通過條碼閱讀設(shè)備識別彈藥跟蹤卡進(jìn)而對彈藥主信息和附加信息進(jìn)行顯示的界面。彈藥主信息顯示功能界面有對彈藥種類和數(shù)量進(jìn)行分類查詢功能，如圖9所示為根據(jù)年代查詢顯示的彈丸信息。附加信息顯示界面則有對彈藥生產(chǎn)過程中涉及的部門和個(gè)人進(jìn)行指定查詢的功能，如圖10所示。附加信息顯示界面可為彈藥生產(chǎn)進(jìn)度統(tǒng)計(jì)、在制品統(tǒng)計(jì)、計(jì)劃完成情況以及質(zhì)量問題的快速準(zhǔn)確追溯提供依據(jù)。

圖9 彈丸主信息查詢顯示界面

圖10 彈丸附加信息顯示界面

4 結(jié)論

本文參考彈藥標(biāo)識編碼技術(shù)規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了彈藥條碼的主信息組成和彈藥附加碼包含的信息內(nèi)容，并設(shè)計(jì)了確定校驗(yàn)碼值的MOD10計(jì)算方法。基于MRP和JIT等精益生產(chǎn)相關(guān)理論完成了系統(tǒng)需求的分析，構(gòu)建了具有系統(tǒng)管理、條碼資源管理、計(jì)劃與調(diào)度管理、信息管理、質(zhì)量控制、人員管理和綜合查詢與統(tǒng)計(jì)等功能模塊的管理系統(tǒng)，同時(shí)完成了數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)開發(fā)基于J2EE平臺，采用B/S系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合MVC設(shè)計(jì)模式和SSH底層架構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)施。下一步將選擇適合的打碼設(shè)備，并完成與系統(tǒng)的銜接工作。通過基于條碼技術(shù)的彈藥生產(chǎn)數(shù)字化車間管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，為企業(yè)實(shí)現(xiàn)對彈藥生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化管理奠定了基礎(chǔ)。