第6章 生產(chǎn)制造大數(shù)據(jù)

第6章生產(chǎn)制造大數(shù)據(jù)本章內(nèi)容6.1生產(chǎn)制造大數(shù)據(jù)的構(gòu)成6.2生產(chǎn)制造大數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域6.3生產(chǎn)制造大數(shù)據(jù)的應(yīng)用案例本章小結(jié)本章練習(xí)企業(yè)信息化(Enterprisesinformatization)，企業(yè)信息化實質(zhì)上是將企業(yè)的生產(chǎn)過程、物料移動、事務(wù)處理、現(xiàn)金流動、客戶交互等業(yè)務(wù)過程數(shù)字化，通過各種信息系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)加工生成新的信息資源，提供給各層次的人們洞悉、觀察各類動態(tài)業(yè)務(wù)中的一切信息，以做出有利于生產(chǎn)要素組合優(yōu)化的決策，使企業(yè)資源合理配置，以使企業(yè)能適應(yīng)瞬息萬變的市場經(jīng)濟(jì)競爭環(huán)境，求得最大的經(jīng)濟(jì)效益。6.1.1企業(yè)信息化數(shù)據(jù)1）企業(yè)信息化的基礎(chǔ)是企業(yè)的管理和運行模式，而不是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)本身，其中的計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)僅僅是企業(yè)信息化的實現(xiàn)手段。2）企業(yè)信息化建設(shè)的概念是發(fā)展的，它隨著管理理念、實現(xiàn)手段等因素的發(fā)展而發(fā)展。3）企業(yè)信息化是一項集成技術(shù)：企業(yè)建設(shè)信息化的關(guān)鍵點在于信息的集成和共享，即實現(xiàn)將準(zhǔn)確的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及時傳輸?shù)较鄳?yīng)的決策人手中，為企業(yè)的運作決策提供數(shù)據(jù)支撐。4）企業(yè)信息化是一個系統(tǒng)工程：企業(yè)的信息化建設(shè)是一個人機(jī)合一的有層次的系統(tǒng)工程，包括企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和員工理念的信息化；企業(yè)決策、組織管理信息化；企業(yè)經(jīng)營手段信息化；設(shè)計、加工應(yīng)用信息化。6.1.1企業(yè)信息化數(shù)據(jù)企業(yè)信息化要素6.1.1企業(yè)信息化數(shù)據(jù)企業(yè)信息化整合傳統(tǒng)認(rèn)為企業(yè)信息化程度劃分為四個階段：基礎(chǔ)應(yīng)用階段、關(guān)鍵應(yīng)用階段、擴(kuò)展整合及優(yōu)化升級階段和戰(zhàn)略應(yīng)用階段基礎(chǔ)應(yīng)用。在此階段，企業(yè)主要進(jìn)行的信息化應(yīng)用內(nèi)容有基礎(chǔ)的協(xié)同OA、簡單會計核算、企業(yè)網(wǎng)站、簡單薪資核算和簡單的員工考核等。關(guān)鍵應(yīng)用階段。這一階段企業(yè)的信息化應(yīng)用主要有全面會計核算、基本成本和資金管理、企業(yè)核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)（采購、生產(chǎn)、營銷、庫存等）和人力資源管理等。擴(kuò)展整合及優(yōu)化升級應(yīng)用階段，信息化應(yīng)用解決了關(guān)鍵應(yīng)用階段信息系統(tǒng)未集成的問題，主要應(yīng)用內(nèi)容包含了全程供應(yīng)鏈應(yīng)用、CRM、PLM、電子商務(wù)等集成的ERP應(yīng)用。最后是戰(zhàn)略應(yīng)用階段，這處于此階段的企業(yè)，在經(jīng)歷了較為長期的信息化應(yīng)用之后，其信息化應(yīng)用將通過商務(wù)智能、全面的績效管理和隨需而變的架構(gòu)及機(jī)制等應(yīng)用來全面體現(xiàn)其效益。6.1.1企業(yè)信息化數(shù)據(jù)企業(yè)信息化整合企業(yè)信息化的重點就是人與信息化軟件的相結(jié)合，才能達(dá)到最大的效果。舉個例子：很多企業(yè)都開始部署ERP，但是單純的ERP是無法給企業(yè)帶來信息化的效果，是需要有人來高效的執(zhí)行才能達(dá)到信息化的效果。并且，ERP中缺少了溝通的步驟，所以企業(yè)想要做信息化除了要有ERP，更關(guān)鍵的是需要溝通，可以將ERP與wetask相結(jié)合，這樣才能達(dá)到信息化的目的。6.1.1企業(yè)信息化數(shù)據(jù)企業(yè)信息化的目的1）技術(shù)的進(jìn)步有助于產(chǎn)品和服務(wù)質(zhì)量的提高；2）技術(shù)的進(jìn)步使產(chǎn)品的生命周期普遍縮短，由于更新?lián)Q代的加快，企業(yè)也不得不重視產(chǎn)品的再開發(fā)；3）技術(shù)的進(jìn)步可以改進(jìn)生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)流程，可以研制出更有效的生產(chǎn)工具應(yīng)用于生產(chǎn)，從而可以大大提高生產(chǎn)效率。4）企業(yè)只有不斷地進(jìn)行技術(shù)開發(fā)、技術(shù)引進(jìn)、技術(shù)改造，才能在市場競爭中保持強(qiáng)勁有力的態(tài)勢，使企業(yè)永遠(yuǎn)立于不敗之地。企業(yè)間的競爭應(yīng)當(dāng)包括產(chǎn)品競爭、價格競爭、品種競爭、服務(wù)競爭、市場競爭和信譽競爭等諸多方面。隨著人們一邊完成工業(yè)化進(jìn)程，一邊步入信息時代，這種種競爭的方面也都不可避免地被打上了信息化的烙印。企業(yè)要在日新月異的科技時代里求得生存和發(fā)展，就必須參與企業(yè)間的科技競爭，把生產(chǎn)和經(jīng)營牢牢植根于科學(xué)技術(shù)的沃土之上，使企業(yè)在優(yōu)勝劣汰的競爭中永遠(yuǎn)充滿活力。6.1.1企業(yè)信息化數(shù)據(jù)企業(yè)信息化的建設(shè)（1）生產(chǎn)過程控制的信息化（2）企業(yè)管理的信息化（3）企業(yè)供應(yīng)鏈管理的信息化（4）企業(yè)信息化組織建設(shè)及硬件配套（5）企業(yè)的成長路徑6.1.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)問題工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究是一個跨學(xué)科的工程，它涉及自動化、通信、計算機(jī)以及管理科學(xué)等領(lǐng)域。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用需要解決眾多關(guān)鍵技術(shù)問題。6.1.2工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究是一個跨學(xué)科的工程，它涉及自動化、通信、計算機(jī)以及管理科學(xué)等領(lǐng)域。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用需要解決眾多關(guān)鍵技術(shù)問題。6.1.3生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)集成在生產(chǎn)制造中，由于開發(fā)時間或開發(fā)部門的不同，往往有多個異構(gòu)的、運行在不同的軟硬件平臺上的信息系統(tǒng)同時運行，這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源彼此獨立、相互封閉，使得數(shù)據(jù)難以在系統(tǒng)之間交流、共享和融合，從而形成了“信息孤島”。隨著信息化應(yīng)用的不斷深入，企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)與外部信息交互的需求日益強(qiáng)烈，急切需要對已有的信息進(jìn)行整合，聯(lián)通“信息孤島”，共享信息。數(shù)據(jù)集成，即通過應(yīng)用間的數(shù)據(jù)交換從而達(dá)到集成，主要解決數(shù)據(jù)的分布性和異構(gòu)性的問題，其前提是被集成應(yīng)用必須公開數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即必須公開表結(jié)構(gòu)，表間關(guān)系，編碼的含義等。6.1.3生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)集成生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)集成是把不同來源、格式、特點性質(zhì)的數(shù)據(jù)在邏輯上或物理上有機(jī)地集中，從而為企業(yè)提供全面的數(shù)據(jù)共享。在生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)集成領(lǐng)域，已經(jīng)有了很多成熟的框架可以利用。通常采用聯(lián)邦式、基于中間件模型和數(shù)據(jù)倉庫等方法來構(gòu)造集成的系統(tǒng)，這些技術(shù)在不同的著重點和應(yīng)用上解決數(shù)據(jù)共享和為企業(yè)提供決策支持。在這里將對這幾種數(shù)據(jù)集成模型做一個基本的分析。生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)集成模型分類聯(lián)邦數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中間件模式數(shù)據(jù)倉庫模式6.2.1生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)集成大數(shù)據(jù)、云計算等新興信息技術(shù)快速興起，與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)迅速結(jié)合，產(chǎn)生了眾多新型生產(chǎn)制造模式，如智能制造、數(shù)字孿生等，數(shù)據(jù)驅(qū)動成為解決復(fù)雜問題的有效途徑與重要手段。隨著數(shù)控機(jī)床、傳感器、數(shù)據(jù)采集器和其他設(shè)備器件的大量應(yīng)用，制造企業(yè)在生產(chǎn)過程中積累了大量的制造數(shù)據(jù)。這些制造數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出典型的大數(shù)據(jù)特性，數(shù)據(jù)背后隱含的關(guān)聯(lián)規(guī)則與制造知識尚待發(fā)現(xiàn)，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘以有效指導(dǎo)產(chǎn)品工藝的迭代和優(yōu)化設(shè)計，進(jìn)而提高產(chǎn)品工藝設(shè)計對制造環(huán)境的適應(yīng)性。產(chǎn)品及工藝設(shè)計6.2.1生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)集成產(chǎn)品及工藝設(shè)計1）從制造系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)出發(fā)形成制造大數(shù)據(jù)，分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，其中非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通過特征提取與信息提取等方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理來實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)融合；2）對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇與抽樣，使抽樣樣本既能體現(xiàn)整體的分布情況，又不增加數(shù)據(jù)分析計算的復(fù)雜度；3）對抽樣后的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗與預(yù)處理；4）通過數(shù)據(jù)變換使數(shù)據(jù)降維，成為低維數(shù)據(jù)；5）進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘計算，挖掘數(shù)據(jù)中隱含的規(guī)律、模式和模型；6）以數(shù)據(jù)可視化方式輔助設(shè)計決策，推動產(chǎn)品的自適應(yīng)設(shè)計。6.2.2設(shè)備診斷與健康管理目前面臨的挑戰(zhàn)1）當(dāng)下的研究普遍應(yīng)用單一的物理源信號進(jìn)行某設(shè)備的診斷，具備較小的數(shù)據(jù)量，基于此對診斷專家而言，其在診斷過程中可挑選具備價值的信號落實。2）出于信號處理技術(shù)特征提取，結(jié)合某特殊問題，進(jìn)行專家診斷，有效分析機(jī)械設(shè)施故障體系，掌控處理信號的基礎(chǔ)，在該層面，進(jìn)行特征提取算法的設(shè)計，落實故障特征。3）機(jī)械大數(shù)據(jù)更多體現(xiàn)為由多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)(例如聲場、震動、熱圖像等)代表。4）在大數(shù)據(jù)時期，設(shè)施故障更多地表現(xiàn)出不確定性、耦合、并發(fā)性。5）當(dāng)下具備的諸多職能診斷模式均對單一標(biāo)記識別進(jìn)行了研究。6）當(dāng)下的預(yù)測數(shù)據(jù)驅(qū)動壽命的模式為在退化數(shù)據(jù)下探求某單一構(gòu)件的失效問題和規(guī)律。6.2.2設(shè)備診斷與健康管理潛在方向與發(fā)展趨勢1）大型標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建數(shù)據(jù)為機(jī)械數(shù)據(jù)診斷分析的主要資源和基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)庫的建立和規(guī)劃針對故障演化體系、技術(shù)創(chuàng)新診斷、科研協(xié)作等均具備顯著的戰(zhàn)略含義。2）評估大數(shù)據(jù)的可靠性。3）智能表示設(shè)備故障信息。4）可視化分析。6.2.3離散車間運行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、預(yù)測及調(diào)控智能車間體系離散制造流程體系6.2.3離散車間運行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、預(yù)測及調(diào)控多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合（1）時序數(shù)據(jù)的融合。為實現(xiàn)時序數(shù)據(jù)與其他類型數(shù)據(jù)的匹配和融合，需對時序數(shù)據(jù)進(jìn)行下采樣，運用平均值、方差等方法反映某一階段的加工狀態(tài)。（2）圖像數(shù)據(jù)的融合。隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在計算機(jī)視覺領(lǐng)域的應(yīng)用，機(jī)器的圖像感知能力有了跨越式發(fā)展，可運用機(jī)器進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的信息提取，將非結(jié)構(gòu)化的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)信息。6.2.3離散車間運行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、預(yù)測及調(diào)控數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理數(shù)據(jù)降維與特征提取數(shù)據(jù)清洗指將“臟數(shù)據(jù)”清除以提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，包括數(shù)據(jù)異常值與缺失值的處理、去噪等。對于數(shù)據(jù)異常值，可以采用距離度量或聚類的方法檢測數(shù)據(jù)集中的離群點，刪除與數(shù)據(jù)集中心距離過大的數(shù)據(jù)點。對于數(shù)據(jù)集中的缺失值，插值是數(shù)據(jù)處理的有效手段，通過數(shù)據(jù)填充使數(shù)據(jù)集趨于完整。針對數(shù)據(jù)中的噪聲，可以使用平滑濾波等算法進(jìn)行去噪。制造大數(shù)據(jù)中通常包含大量重復(fù)的數(shù)據(jù)點，對于這種數(shù)據(jù)集要進(jìn)行數(shù)據(jù)降重，減少數(shù)據(jù)冗余。制造過程中采集的各種數(shù)據(jù)通常具有一定的相關(guān)性，如焊接過程中的電壓與電流、機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速與切削速度等。這種相關(guān)性會造成維度的冗余，增加不必要的計算，因而數(shù)據(jù)降維就顯得尤為重要。數(shù)據(jù)降維指從高維的數(shù)據(jù)空間中保留合適的特征數(shù)據(jù)并剔除冗余數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)維度。降維后的數(shù)據(jù)既能保留原有信息量，又能避免維數(shù)災(zāi)難。6.2.3離散車間運行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、預(yù)測及調(diào)控制造數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析模型經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗和特征提取后，數(shù)據(jù)庫中的能耗數(shù)據(jù)與工藝數(shù)據(jù)(包括機(jī)床數(shù)據(jù)、工件數(shù)據(jù)以及工藝流程數(shù)據(jù))依然是相互脫離的，為此，通過構(gòu)建制造數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析模型，可以實現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析與可視化展示，從而支持后續(xù)的生產(chǎn)過程監(jiān)控與能效評估?？紤]到實際的生產(chǎn)工藝流程，該模型自下而上共包含4層：源數(shù)據(jù)層、關(guān)聯(lián)層、實體層和指標(biāo)層。6.2.4企業(yè)生產(chǎn)及物料計劃調(diào)度ML建模語言已廣泛應(yīng)用在國防、金融、交通等多個領(lǐng)域，具有可視化建模、概念明確、標(biāo)準(zhǔn)化、圖形結(jié)構(gòu)清晰、語義豐富、獨立于開發(fā)過程等特點。本研究采用UML建模方法對智能感知網(wǎng)環(huán)境下的船廠物料調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，以簡單、直觀的模型表征物料配送過程中的各制造要素實體，為系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)。6.2.4企業(yè)生產(chǎn)及物料計劃調(diào)度按照數(shù)據(jù)對象的不同，將智能感知網(wǎng)環(huán)境下的物料調(diào)度數(shù)據(jù)劃分為以下幾類：（1）物料信息模型（2）設(shè)備數(shù)據(jù)模型（3）工具工裝數(shù)據(jù)模型（4）人員數(shù)據(jù)模型（5）物料配送車輛數(shù)據(jù)模型（6）配送任務(wù)執(zhí)行數(shù)據(jù)模型6.2.5服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造（1）大數(shù)據(jù)環(huán)境子網(wǎng)（2）服務(wù)型制造主體子網(wǎng)（3）服務(wù)型制造資源子網(wǎng)（4）服務(wù)型制造能力子網(wǎng)（5）服務(wù)型制造價值子網(wǎng)（6）大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的服務(wù)型網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造6.3.1輪胎行業(yè)數(shù)字化工廠核心：物料自動轉(zhuǎn)運機(jī)器人系統(tǒng)物料自動轉(zhuǎn)運機(jī)器人系統(tǒng)的主要使命是完成密煉車間、半部件車間、成型車間、硫化車間等車間設(shè)備之間輪胎生產(chǎn)所需物料自動、智能供應(yīng)，形成集物料搬運機(jī)器人系統(tǒng)、RFID電子標(biāo)簽識別系統(tǒng)、智能供料信息管理系統(tǒng)以及與企業(yè)信息系統(tǒng)接口集成為一體的新型車間成套物流裝備。從而構(gòu)成輪胎生產(chǎn)數(shù)字化車間的關(guān)鍵物流裝備，并滿足口常生產(chǎn)所需的大批量、多品種物料供應(yīng)，實現(xiàn)生產(chǎn)過程物料信息的全過程信息綁定與追溯，為成品輪胎質(zhì)量管控和成品檔案管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)依據(jù)。6.3.1輪胎行業(yè)數(shù)字化工廠核心：物料自動轉(zhuǎn)運機(jī)器人系統(tǒng)6.3.1輪胎行業(yè)數(shù)字化工廠自動調(diào)度核心技術(shù)自動轉(zhuǎn)運機(jī)器人管理監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)AMS平臺采用模塊化軟件結(jié)構(gòu)，包括管理系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)以及自動作業(yè)調(diào)度系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)與作業(yè)自動調(diào)度系統(tǒng)分別以以太網(wǎng)TCP/IP方式與管理系統(tǒng)連接通信，管理系統(tǒng)主要功能是作業(yè)管理、交通管理、通信管理、系統(tǒng)診斷，監(jiān)控系統(tǒng)以圖形化方式顯示自動轉(zhuǎn)運機(jī)器人實時運行狀態(tài)，作業(yè)調(diào)度調(diào)度系統(tǒng)負(fù)責(zé)作業(yè)調(diào)度下發(fā)、作業(yè)歷史記錄以及與第三方軟件系統(tǒng)進(jìn)行接口，實現(xiàn)轉(zhuǎn)運過程的無人化和自動化。6.3.1輪胎行業(yè)數(shù)字化工廠智能供料管理信息系統(tǒng)智能供料管理信息系統(tǒng)的主要功能是對物料自動轉(zhuǎn)運機(jī)器人系統(tǒng)中設(shè)備進(jìn)行動態(tài)管理與調(diào)度，及時、準(zhǔn)確完成各種物料的搬運作業(yè)，利用RFID識別技術(shù)實現(xiàn)物料從入庫、庫存、出庫全業(yè)務(wù)流程的信息追溯，并對庫存數(shù)據(jù)、作業(yè)數(shù)據(jù)、貨位數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計分析，為企業(yè)上游信息化系統(tǒng)提供底層的數(shù)據(jù)支撐，為數(shù)字化車間各部門提供有價值的決策信息，以便決策者對生產(chǎn)進(jìn)行宏觀調(diào)控。6.3.2半導(dǎo)體晶圓智能化生產(chǎn)調(diào)度基本制造工藝6.3.2半導(dǎo)體晶圓智能化生產(chǎn)調(diào)度數(shù)據(jù)驅(qū)動的半導(dǎo)體晶圓智能化生產(chǎn)系統(tǒng)6.3.2半導(dǎo)體晶圓智能化生產(chǎn)調(diào)度半導(dǎo)體晶圓智能化生產(chǎn)機(jī)理系統(tǒng)主要包括以下幾個功能模塊：系統(tǒng)管理，基礎(chǔ)信息管理，數(shù)據(jù)規(guī)則管理，加工任務(wù)管理，數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，監(jiān)控管理，應(yīng)用接口。6.3.2半導(dǎo)體晶圓智能化生產(chǎn)調(diào)度半導(dǎo)體晶圓智能化生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)6.3.2半導(dǎo)體晶圓智能