模具生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化管理研究與應用*

蔡國旗 陳明星 陳瑞珠 陳逸維 夏琴香

(①珠海格力精密模具有限公司，廣東 珠海 519070；②華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州510640)

模具是工業(yè)生產(chǎn)的基礎工藝裝備, 被譽為“工業(yè)之母”[1]。目前，行業(yè)內領先的模具企業(yè)向著高效率、低成本方向發(fā)展，其主要競爭方向是企業(yè)數(shù)據(jù)信息可視化應用水平，特別是模具生產(chǎn)信息化管理過程中科學可視化應用的實現(xiàn)。傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)管理主要依靠人工記錄、統(tǒng)計生產(chǎn)數(shù)據(jù)及制作統(tǒng)計報表，表現(xiàn)出管理效率低下、可視化水平不足等問題。借助直觀的圖表等方式對模具生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)進行表達，可為管理者提供科學的決策支持，以實施模具生產(chǎn)可視化管理。

隨著模具行業(yè)的規(guī)模擴大，模具制造過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量以指數(shù)形勢增長。如何從龐大的數(shù)據(jù)中發(fā)掘數(shù)據(jù)的價值，獲取有意義的信息，以實施高效的可視化管理已成為模具生產(chǎn)管理的研究熱點。賴允祥等人[2]針對模具企業(yè)倉庫混亂、可視化水平低等問題，基于RFID、Web API及物聯(lián)網(wǎng)技術構建了智能模具倉儲系統(tǒng)，開發(fā)了多維度可視化模塊對模具庫存的狀態(tài)、倉庫布局進行可視化監(jiān)管，提高了模具存儲效率。趙景艷等人[3]針對模具生產(chǎn)車間可監(jiān)控度低、生產(chǎn)進度同步性差等不足，基于GIS技術構建了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)模具生產(chǎn)過程的可視化監(jiān)控和物流規(guī)劃。米永東等人[4]針對某模具制造企業(yè)的智能升級方案設計了智慧型模具工廠架構，開發(fā)了車間詳細數(shù)據(jù)及過程管理系統(tǒng)，借助可視化看板對車間設備數(shù)據(jù)及過程數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。Mourtzis D等人[5]提出了一種基于關鍵績效指標(KPI)對產(chǎn)品的生命周期進行評估的方法，對收集的KPI數(shù)據(jù)進行存儲、處理和可視化展示，并應用于模具制造領域中，驗證了系統(tǒng)的可行性。但相比于其他制造行業(yè)而言，數(shù)據(jù)可視化在模具行業(yè)的實際應用及研究較少，研究深度和廣度不如其他制造行業(yè)。

本文對注塑模具生產(chǎn)流程進行詳細分析，設計了注塑模具生產(chǎn)管理的可視化方案，確定了生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理和齊套組裝管理所需的各項核心考核指標，并闡述了可視化實現(xiàn)過程。通過模具生產(chǎn)運維管理系統(tǒng)的實例運行，實現(xiàn)了對模具生產(chǎn)過程中的人員、模具、零件、加工、計劃、物料及庫存等數(shù)據(jù)的可視化應用，為模具生產(chǎn)的可視化管理提供科學有效的數(shù)據(jù)依據(jù)，提高了模具生產(chǎn)管理的信息化水平。

1 注塑模具生產(chǎn)管理可視化分析

1.1 注塑模具生產(chǎn)流程分析

以注塑模具為例，模具制造包含了接單、模具設計、物料采購、模具生產(chǎn)和出貨等過程。注塑模具的主要生產(chǎn)流程涵蓋制定日程計劃、制定工序計劃、零件加工、齊套組裝和庫存等過程，如圖1所示。按照流程劃分，模具生產(chǎn)主要可以分為生產(chǎn)計劃階段、生產(chǎn)執(zhí)行階段及齊套組裝階段。

生產(chǎn)計劃階段主要包括制定模具日程計劃和制定加工工序計劃。模具日程計劃是對模具制造進度的整體安排，以確保模具按期交付客戶為目的，依據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗，對后續(xù)的設計、備料、采購、加工和組裝等作業(yè)流程初步劃分時間節(jié)點，以指導各業(yè)務部門的作業(yè)。加工工序計劃是車間內各模具零件的具體加工計劃，由制造部門依據(jù)模具零件的物料、程序就緒狀態(tài)和車間現(xiàn)場的設備進度狀態(tài)完成計劃的編排。生產(chǎn)執(zhí)行階段即模具各零件具體加工作業(yè)的實施過程。主要由制造部門負責各模具零件的加工前準備工作、上機加工作業(yè)和產(chǎn)出統(tǒng)計。齊套組裝階段主要包括模具零件齊套組裝和庫存操作。模具零件齊套組裝是對模具所有零件的采購狀態(tài)及加工狀態(tài)進行確認，若委外加工的零件全部回廠，且本廠加工零件全部前置工序均已完成，則滿足模具齊套條件，移交組裝車間進行組裝作業(yè)。庫存操作即對組裝完成后的模具進行入庫管理。

因此，要提高模具的生產(chǎn)運維可視化管理水平，應針對模具的生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)執(zhí)行和齊套組裝階段，實施信息化、精細化管理。

1.2 注塑模具生產(chǎn)管理可視化方案

大多模具企業(yè)都部署了各種系統(tǒng)來采集在模具生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)，但沒有引入決策分析系統(tǒng)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行分析，僅依靠人工制作各類生產(chǎn)報表的管理模式無法發(fā)掘實時更新的生產(chǎn)數(shù)據(jù)背后所隱含的加工現(xiàn)場信息，無法滿足信息化、精細化管理的需求。因此，要構建注塑模具生產(chǎn)管理可視化方案，首先需要確定注塑模具生產(chǎn)過程中管理所需的各項核心考核指標。其次，針對各項核心考核指標，建立數(shù)學模型對采集到的各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理、計算和聯(lián)機分析。最后，并借助可視化工具并開發(fā)對應的管理系統(tǒng)，以展示處理計算后獲得的各項核心考核指標，實現(xiàn)對注塑模具生產(chǎn)計劃階段、生產(chǎn)執(zhí)行階段和齊套組裝階段的管理。注塑模具生產(chǎn)管理可視化方案及流程如圖2所示。

(1)確定注塑模具生產(chǎn)可視化管理核心考核指標

核心考核指標是能有效反映關鍵生產(chǎn)作業(yè)因素以及關鍵生產(chǎn)行為的衡量參數(shù)，使管理者能及時診斷生產(chǎn)過程的問題并采取行動[6]。綜合考慮注塑模具生產(chǎn)流程，明確模具生產(chǎn)中生產(chǎn)計劃、生產(chǎn)執(zhí)行、齊套組裝節(jié)點的所需管控的核心考核指標，以便實施科學的模具生產(chǎn)可視化管理。

(2)構建數(shù)據(jù)分析數(shù)學模型

對每個所需獲得的目標數(shù)據(jù)，結合模具生產(chǎn)的實際業(yè)務，基于統(tǒng)計學原理構建數(shù)據(jù)分析數(shù)學模型，將數(shù)據(jù)的計算邏輯公式化，確定輸入模型中的每個輸入?yún)?shù)的具體定義及其數(shù)據(jù)字段。

(3)系統(tǒng)開發(fā)與可視化應用的實現(xiàn)

基于系統(tǒng)開發(fā)技術，構建應用于模具生產(chǎn)管理的可視化管理系統(tǒng)?；诳梢暬夹g，構建數(shù)據(jù)可視化模型，并將分析計算后獲得的目標數(shù)據(jù)映射至可視化模型中，實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各功能模塊界面內的可視化展示。

模具因其加工工藝可變性高、小批量生產(chǎn)等特點，生產(chǎn)過程的核心考核指標及其計算方式與其他制造業(yè)行業(yè)有所差別。其一是不同模具及其零件之間的加工方案差異較大，每一項加工任務都可以視為獨一無二的作業(yè)[7]。因此在計算諸如模具加工進度等核心考核指標時，要分別判斷每一項加工工序作業(yè)的加工進度后，通過匯總統(tǒng)計才能得到模具加工進度等數(shù)據(jù)，計算過程相比于其他大批量生產(chǎn)模式的制造業(yè)復雜。其二是模具零件加工所涉及的工序較多且工藝路線復雜[8]，因此在計算諸如工序計劃達成率等核心考核指標時，要區(qū)分加工工序及設備類型，分別判斷不同工序及設備對應的各項工序作業(yè)的完成狀態(tài)，通過匯總統(tǒng)計才能獲得工序計劃達成率等數(shù)據(jù)。

1.3 注塑模具生產(chǎn)管理核心考核指標

注塑模具生產(chǎn)管理核心考核指標如圖3所示。

(1)生產(chǎn)計劃管理

生產(chǎn)計劃管理模塊通過動態(tài)交互刷新完成各類生產(chǎn)信息的實時更新，抓取生產(chǎn)日程計劃表、加工計劃表的實時數(shù)據(jù)，獲取最新的計劃信息。同時系統(tǒng)還能自動計算日程計劃的設計完成節(jié)點完成率、主體備料節(jié)點完成率、采購完成節(jié)點完成率、主體啟動節(jié)點完成率、小件啟動節(jié)點完成率、加工完成節(jié)點完成率、組裝完成節(jié)點完成率，加工計劃的計劃任務完成率、插單率、程序完成率等核心考核指標。本模塊通過對日程計劃信息、工序計劃信息的管理，對各項計劃的下達和落實情況進行監(jiān)控和管理，同時用戶還可以在該模塊調整計劃內容，提高模具生產(chǎn)計劃的合理性和可行性。

(2)生產(chǎn)執(zhí)行管理

生產(chǎn)執(zhí)行管理模塊抓取了加工工序作業(yè)列表、加工作業(yè)報工數(shù)據(jù)，獲取實時的加工信息。同時系統(tǒng)還能自動計算生產(chǎn)計劃匹配率、程序完成率、未完成零件數(shù)量、模具加工完成率、長線零件數(shù)量及后續(xù)工時、模具加工后續(xù)工時、各零件加工后續(xù)工時、零件加工完成率、標準工時產(chǎn)出完成率等核心考核指標。本模塊通過加工信息的管理，對各項加工作業(yè)的執(zhí)行情況進行監(jiān)控和管理，同時用戶還可以在該模塊查詢詳細的模具零件加工信息，監(jiān)控各零件的生產(chǎn)進度。

(3)齊套組裝管理

齊套組裝管理抓取了原材料、委外加工件的采購入庫數(shù)據(jù)、加工作業(yè)報工數(shù)據(jù)、模具庫存數(shù)據(jù)，獲取實時的物料信息、加工信息和庫存信息。同時系統(tǒng)還能自動計算模具整體齊套率、主體鋼件齊套率、小鑲件齊套率、輔件齊套率、模架齊套率、熱流道齊套率、標準件齊套率、標準件改制齊套率、模具庫存數(shù)量等核心考核數(shù)據(jù)。本模塊通過齊套、庫存信息的管理，對各項模具組裝作業(yè)的就緒情況和完成情況進行監(jiān)控和管理，同時用戶還可以在該模塊查詢詳細的模具零件齊套信息和模具組裝入庫信息。

2 注塑模具生產(chǎn)管理可視化的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)可視化主要指運用圖像處理技術，利用圖像處理、計算機視覺效果及交互界面，通過分析、轉化等方式，對數(shù)據(jù)加以解釋。數(shù)據(jù)實際應用的場景多種多樣，不同圖形、圖表的適用場景各不相同。因此需要選用合適的可視化模型，以突出目標數(shù)據(jù)的意義與價值[9]。模具生產(chǎn)管理可視化實現(xiàn)的流程可以大致分為以下幾個步驟：

(1)可視化目標數(shù)據(jù)的獲取

可視化數(shù)據(jù)的獲取就是讀取模具生產(chǎn)類數(shù)據(jù)的過程。通過連接模具企業(yè)中存放各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，讀取模具生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的人員、模具、零件、加工、計劃、物料及庫存數(shù)據(jù)，并集成至統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫內以便后續(xù)使用。

(2)核心考核指標的計算與目標數(shù)據(jù)的處理

按照核心考核指標的數(shù)學模型對讀取出的目標數(shù)據(jù)進行計算后，對目標數(shù)據(jù)進一步處理，過濾掉無用數(shù)據(jù)和敏感數(shù)據(jù)，保證計算科學性和準確性。

(3)可視化模型的構建

選用專業(yè)的可視化插件能提高可視化模型繪制的效率。生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、齊套組裝管理模塊需要展示的數(shù)據(jù)各不相同，需要有針對性地選擇數(shù)據(jù)的可視化模型。通過構建柱狀圖來對比分析數(shù)據(jù)間的差異；構建餅圖來對比分析局部與整體間的關系；構建折線圖來分析變量間的相關度和聚集度[10]。

(4)數(shù)據(jù)轉換及可視化圖表的生成

集成至數(shù)據(jù)庫中的各類模具生產(chǎn)目標數(shù)據(jù)，其結構符合強約束關系，是典型的結構化數(shù)據(jù)。將結構化數(shù)據(jù)轉換成半結構化數(shù)據(jù)，有利于數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的編碼和表達。JSON是一種輕量級的半結構化數(shù)據(jù)，是理想的數(shù)據(jù)交換語言[11]?；贘SON.NET類庫，將數(shù)據(jù)處理數(shù)學模型計算后獲得的目標數(shù)據(jù)轉換為JSON數(shù)據(jù)。AJAX是一種交互式應用開發(fā)技術，采用AJAX技術和動態(tài)拼接表單方法建立數(shù)據(jù)映射，將JSON數(shù)據(jù)映射至可視化模型中，制作出各類模具生產(chǎn)管理可視化圖表，實現(xiàn)目標數(shù)據(jù)的可視化應用。

ECharts 是一款遵循Apache-2.0協(xié)議的免費商用可視化工具，其應用范圍涵蓋各行業(yè)的圖表，易用性較強，能滿足開發(fā)者多種可視化需求[12]。

數(shù)據(jù)可視化的流程如圖4所示。

3 系統(tǒng)開發(fā)與實例應用

3.1 系統(tǒng)開發(fā)

基于上述方法，采用B/S結構作為系統(tǒng)結構，利用SQL Server2008R2軟件構建系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，利用Visual studio.NET作為開發(fā)平臺，Echarts作為可視化開發(fā)工具，完成模具生產(chǎn)運維管理系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)模具生產(chǎn)的可視化管理。

為實現(xiàn)對模具生產(chǎn)的高效可視化管理，首先基于ADO.NET技術，創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接對象，將模具企業(yè)數(shù)據(jù)庫內的人員、模具、零件、加工、計劃、物料及庫存信息統(tǒng)一讀取，作為輸入系統(tǒng)的可視化目標數(shù)據(jù)；T-SQL語言是一種結構化查詢語言[13]，用于數(shù)據(jù)的查詢、存取及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的管理。其次，采用T-SQL語言對讀取出來的可視化目標數(shù)據(jù)進行處理、分析，計算出生產(chǎn)計劃管理、生產(chǎn)執(zhí)行管理、齊套組裝管理模塊所需監(jiān)管的各項核心考核指標。再者，采用Echarts圖像處理技術，繪制可視化圖形，將目標數(shù)據(jù)及各項核心考核指標映射到可視化圖形中，實現(xiàn)模具生產(chǎn)數(shù)據(jù)的可視化應用。系統(tǒng)運行原理如圖5所示。

3.2 運行實例

以某企業(yè)的模具生產(chǎn)過程為例，模具生產(chǎn)運維管理系統(tǒng)運行時將自動獲取企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫內的人員、模具、零件、加工、計劃、物料和庫存數(shù)據(jù)，自動計算獲得各項核心考核指標作為可視化應用的目標數(shù)據(jù)，并繪制成可視化生產(chǎn)報表。系統(tǒng)用戶可以在系統(tǒng)內查看模具生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)信息，通過查詢獲取各項核心考核指標及詳細數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對模具生產(chǎn)過程的計劃管理、執(zhí)行管理和齊套組裝進行管理，為用戶和管理者提供決策支持，如圖6所示。

通過使用所開發(fā)的模具生產(chǎn)運維管理系統(tǒng)，替代了原本人工統(tǒng)計制作生產(chǎn)報表的工作，每天從企業(yè)信息數(shù)據(jù)庫內自動提取模具生產(chǎn)數(shù)據(jù)并統(tǒng)計計算各項核心考核指標的時間不超過600 s，且頁面數(shù)據(jù)加載、可視化制圖時間不超過10 s，極大地提高了模具生產(chǎn)管理的可視化水平。

4 結語

針對模具生產(chǎn)過程中管理可視化程度低、生產(chǎn)數(shù)據(jù)利用率低及生產(chǎn)過程管控粗放等問題，設計了模具生產(chǎn)可視化管理方案，并構建了模具生產(chǎn)運維管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對模具生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動分析計算、可視化應用，通過實例對系統(tǒng)的可靠性進行了驗證，結論如下：

(1)基于對注塑模具生產(chǎn)流程的分析，構建了模具生產(chǎn)管理的可視化實現(xiàn)方案，并確定了模具生產(chǎn)的計劃階段、執(zhí)行階段和齊套組裝階段生產(chǎn)管理所需的各項核心考核指標。

(2)基于數(shù)據(jù)可視化實現(xiàn)方案，采用Echarts可視中，化軟件構建了數(shù)據(jù)可視化模型，并通過Ajax動態(tài)交互技術將計算處理獲得的核心考核指標數(shù)據(jù)導入模型生成圖形圖表，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化應用。

(3)借助Visual Studio工具完成模具生產(chǎn)運維管理系統(tǒng)的開發(fā)，系統(tǒng)實施后，能在600 s內自動提取各類模具生產(chǎn)數(shù)據(jù)并統(tǒng)計計算各項核心考核指標，且頁面可視化加載時間不超過10 s，提高了模具生產(chǎn)的管理質量和可視化水平。