可视化技术在军工车间生产中的应用研究

李济龙，马　军，袁家鹏，徐海军，曹满友，鄢　泳，孙　波

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 海淀 100089；2.重庆铁马工业集团有限公司，重庆 400050)



可视化技术在军工车间生产中的应用研究

李济龙1，马军2，袁家鹏2，徐海军2，曹满友2，鄢泳1，孙波1

(1.中国兵器工业新技术推广研究所，北京 海淀 100089；2.重庆铁马工业集团有限公司，重庆 400050)

在军工企业车间生产中，车间制造执行系统(MES)得到了广泛应用，但是还存在一些问题。为了提高军工企业车间协同制造、精益化生产和数字化制造的水平，将可视化概念引入到车间生产中，通过将可视化生产流程融入到整个车间MES系统信息流中，形成反馈循环模型，提高企业车间内部信息交互和协同制造水平；同时，提出将虚拟仿真可视化和可视化数据挖掘应用到车间生产中，通过对车间生产工艺等的可视化仿真提高车间工艺实施的准确性和熟练度；可视化数据挖掘的引入有助于实现以人为中心的知识获取、提炼，为企业车间精益生产提供数据支持。

可视化；MES；军工车间；可视化流程；反馈循环

随着我国武器装备的不断发展，军工企业承担了越来越多的科研任务，军工车间经常面临科研批产混线生产的问题。军工产品混线生产往往具有生产通用性不强、产品结构复杂、加工难度大、生产工艺离散、产品种类多和生产批量小等特点。各军工企业在既要满足科研生产任务的快速产出，又要满足批量产品的稳定产出的双重要求下，提出了制造执行系统(MES)对车间的生产进行信息化管理方案。综合各军工单位MES建设和使用情况来看，MES系统并不能完全实现协同制造、精益化生产和数字化制造的要求。主要存在如下问题：1)信息透明度不够，生产物流和信息流脱节，信息流落后于生产物流；2)知识提取能力不足，对企业生产中产生的数据挖掘能力不足，无法进行有效的分析和提炼；3)信息交互手段落后，抽象的数据和文字不利于员工有效的获取和理解信息；4)生产线的性能仿真与评估优化能力不足，精益改进缺乏数据支撑。

针对上述问题，部分企业将可视化看板等技术运用到MES系统中，但是整体可视化水平不高，不能完全实现企业车间协同制造、精益化管理和数字化制造的目标。本文将可视化的概念融入到车间生产管控中，通过可视化流程的引入来解决企业生产信息流通滞后的问题，进而形成MES信息流和实物流循环反馈机制，实现车间生产信息流和实际生产流的协调统一，从而实现有效管理、快速反应，为管理决策提供实时、准确的生产信息，为企业相关信息系统提供车间级的支撑数据。这对同类军工制造企业MES系统建设具有一定的借鉴意义。

1　生产可视化流程

可视化(Visualization)是利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术[1]。可视化是利用计算机交互式地显示抽象数据，从而使人们增强对抽象信息的认知，将信息以直观的视觉方式表现出来，使人们能够充分利用视觉和感知能力去观察、处理信息，从而发现信息之间的关系和隐藏的模式。可视化引入到车间生产中有助于实现生产信息的透明化，提高车间内部信息流通的速度；同时利用可视化数据挖掘技术发掘企业车间数据，有利于发现瓶颈问题，提高企业生产效率和质量。

车间可视化流程和企业数字化制造过程是契合的，其主要包括4个步骤：数据采集、业务(数据)处理和变换、可视化映射和用户感知。军工车间的可视化流程概念图如图1所示。

图1　可视化流程概念图

1)数据采集。数据是可视化的对象，数据可以通过仪器采样、资料整理、人工输入和其他系统交互等方式采集。数据的采集直接决定了数据的格式、维度、量级和精度等，并在很大程度上决定了可视化结果的质量。在设计一个可视化解决方案的过程中，了解数据的来源、采集方法和数据属性，才能有针对性地解决问题。在军工车间数据采集过程中，通过物料编码技术对物料进行统一管理，保证了数据的准确和正确性。再以物料条形码/二维码扫描、无线射频识别技术(RFID)等方式对物料信息进行采集，从而可以较快速、实时和准确地获取物料零部件的领发、验收和工艺步骤等数据信息。车间的数据来源不仅限于车间内部，还有部分来源于其他企业信息系统。通过系统接口与其他信息系统进行信息交互，有助于信息的透明化，推进企业协同化生产[2-3]。

2)数据处理和变换。数据处理和变换对采集的数据进行一些预处理操作，包括数据校验和提取特征等。数据处理和变换的主要目的是选择合适的数据处理模式，揭示隐藏数据特征，使数据更方便地为之后的可视化映射做准备。在车间生产中，系统根据企业不同的业务需求进行不同的处理[4]。

3)可视化映射。可视化映射是整个可视化流程的核心。该步骤将数据的数值、时间和工艺步骤等映射为可视化视觉通道的不同元素，使用户通过可视化洞察数据和数据背后隐含的现象和规律。

通过一些可视化模型的构建，用户可以选择适合的模型来显示数据内容，从而可以从不同方面来了解数据的特征及规律等。

4)用户感知。用户感知从数据的可视化结果中提取信息、知识和灵感。可视化和其他数据分析处理方法最大的不同是用户的关键作用，可视化映射后的结果只有通过用户感知后才能转换为知识和灵感。可视化的对象或者研究的问题并非数据本身，而是数据背后的社会自然现象和过程。

2　可视化反馈循环模型

可视化流程引入车间生产的目标是形成一个反馈循环系统。反馈循环系统通过数据、系统和人员三者的相互交互，解决数据不能流畅传递，生产制造时常会出现订单更新变化不及时，生产信息及异常不能及时反馈，车间生产状况难以实时监控等问题[5]。可视化反馈循环模型图如图2所示。

图2　反馈循环模型图

数据采集后经过转换、映射可视化后推送给用户，用户通过和数据交互了解当前车间生产的情况，并根据生产情况做出相应处理指导生产。对于管理者、调度者等需要对数据进行更深入了解的人员来说，可以通过可视化的数据挖掘模型对数据进行深度分析。用户通过模型可视化参与到模型构建中，对模型参数等进行调节，体现了人是最终决策者的重要作用。

在知识经济时代，企业的核心竞争力更多体现在无形的知识资源上，车间信息系统长期运行中积累的大量设备监控、材料定额、工时定额、加工周期和成本消耗等数据，是企业的核心资源。

反馈循环通过数据挖掘可视化对数据进行充分挖掘分析进而提炼知识，为企业的计划排产、质量管理、成本控制和绩效评价等业务活动提供量化依据，也为整个数字化制造系统运行提供了数据支持。这对于实现制造知识资源的收集提炼、集成共享以及精益化生产具有重要意义[6]。

3　可视化技术在车间中的应用

3.1可视化看板

针对车间内部信息流通缓慢，信息透明度不足的问题，采用可视化看板可以有效促进车间内部的信息流通和协同工作。可视化看板主要包括：计划跟踪看板、生产异常看板、物料跟踪看板和车间产线看板。

1)计划跟踪看板。其主要功能是在计调室通过LED看板的形式向管理人员提供生产任务额批次计划完成情况，帮助管理者不去现场也能看到车间生产的过程和计划完成情况。

2)生产异常看板。其主要功能是在计调室通过LED看板的形式实时反映出车间现场操作过程中出现的技术异常问题，使技术组能够第一时间获得现场的异常信息，从而减少沟通时间，帮助统计分析。

3)物料跟踪看板。其分为备料任务跟踪看板和配料计划跟踪看板，计调组根据生产任务中的产品BOM和数量得到当月所有的生产物料，根据总的生产所需物料向临时库下达备料任务，任务跟踪过程会显示在备料任务跟踪看板上，及时反映当前的备料情况。

4)车间产线看板。是指在车间现场放置看板，实时反映产线上的实际情况和计划完成情况。通过产线看板可以及时反映出各个工位的工作状态信息等，管理人员可以在第一时间对装配问题进行解决，从而减少处理问题的时间，使装配效率得到最大化。

3.2虚拟仿真可视化

许多军工产品的设计研发都可以通过三维建模来实现，但是由于企业车间信息化程度相对落后于研发部和工艺部门；因此，大部分车间工艺文件还是以二维图样的形式下发，这种方式效率不高且容易出错，也不利于车间工人熟悉工艺。这往往导致车间在进行科研件试制时由于工艺不合格，使得试制往复，拖延产品研制时间。对于批量生产的产品，由于工人对工艺熟练度掌握不够，导致出现产品质量问题等[7]。

通过虚拟仿真可视化技术，将加工总装工艺线路通过仿真模拟，以可视化的方式在工位机或显示屏上进行演示，提高车间工人对相关工艺的理解，从而提高生产效率，保证产品质量。

3.3可视化数据挖掘

为了实现军工企业“协同制造，精益生产”的要求，需要不断对车间生产进行优化。一旦发现生产中的瓶颈，应对生产数据进行深入挖掘，实现生产信息实时交互、生产过程透明的管理，结合企业实际需要，对企业车间生产管理提供各种可视化表示，做到对生产计划制订情况、执行情况、工段作业情况、物料、刀具、质量和设备等几乎所有的生产信息进行综合分析展示，为车间层的管理与决策提供可靠的量化数据。

如果传统的数据挖掘完全依赖机器智能来获取数据中的知识，则理论模型和算法复杂，学习过程时间长，而且机器智能在面临许多复杂情况时仍然远不及人脑水平；此外，数据挖掘的结果通常带有噪声，必须人工解释和滤波，而这需要高效的人工交互界面才能完成。在数据挖掘过程中，使用可视化技术，可以帮助用户更紧密地参与到整个数据挖掘过程中，更好地发挥人的感知与判断能力。它使数据挖掘过程从以计算机为中心转向以人为中心。可视化的引入使整个数据挖掘过程清晰可见[8]。

4　结语

通过将可视化流程引入到车间生产中，形成了一个循环反馈模型，从而实现生产过程和结果的实时信息交互和管理，提高了车间数字化制造水平。利用可视化数据挖掘技术，可以实现挖掘过程的可视化，使用户可以紧密地参与到整个数据挖掘过程中，更有利于知识的提取。

[1] 肖廷哲. 基于自然纹理的二维多元数据交互可视化[D]. 杭州：浙江工业大学，2013.

[2] 曾国平, 黎小华.流程主导的数字化车间综合集成与协同[J]. 航空制造技术,2014(14):46-50.

[3] 钟辉. 无线射频识别在整车生产制造执行系统中的应用研究[D]. 重庆：重庆大学，2012.

[4] 陈为, 张嵩, 鲁爱东. 数据可视化的基本原理与方法[M]. 北京：科学出版社,2013.

[5] 谢光文, 马淑玲, 朱铎先. 军工行业MES系统的5大关键技术[J]. 新技术新工艺, 2012(7):14-18.

[6] 张星, 曾鹏飞, 郝永平. 面向离散型制造业精益生产管理集成化系统研究[J]. 制造业自动化, 2015,37(9):18-22.

[7] 王占礼. 面向虚拟制造的数控加工仿真技术研究[D]. 长春:吉林大学,2007.

[8] 耿学华, 傅德胜. 可视化数据挖掘技术研究[J]. 计算机应用与软件, 2006,23(2):21-23.

责任编辑郑练

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

李济龙(1989-)，男，工程师，硕士，主要从事数据可视化、MES系统等方面的研究。

2016-05-06