基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的離散制造企業(yè)質(zhì)量信息采集系統設計

　　圍繞離散制造企業(yè)質(zhì)量精細化管理的要求，引入物聯(lián)網(wǎng)的思想，借助于激光雕刻技術(shù)、圖像識別技術(shù)、條碼技術(shù)等，以產(chǎn)品號為主線(xiàn)，將現場(chǎng)質(zhì)量檢驗與生產(chǎn)作業(yè)緊密集成，形成一個(gè)完整的質(zhì)量信息采集體系，不僅實(shí)現了正向、實(shí)時(shí)的生產(chǎn)跟蹤、質(zhì)量監控，還可以實(shí)現各類(lèi)信息的逆向追溯，為質(zhì)量分析、責任判定等提供支持。

　　離散制造業(yè)的生產(chǎn)具有不連續性，生產(chǎn)加工信息與產(chǎn)品本身的物理無(wú)關(guān)性導致實(shí)物流與信息流嚴重脫節，管理人員無(wú)法對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控和管理。傳統的質(zhì)量信息采集和處理方式難以實(shí)現生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)監控的目標，降低了質(zhì)量控制的效果。先進(jìn)管理思想的不斷涌現和信息技術(shù)的快速發(fā)展為企業(yè)精細化管理提供了有力支持，將物聯(lián)網(wǎng)（Internet of things，lOT）技術(shù)應用于質(zhì)量信息采集過(guò)程中，重新設計并構建質(zhì)量信息采集業(yè)務(wù)模型，并解決復雜環(huán)境下的圖像識別及數據傳輸等問(wèn)題，對企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量和管理水平的提升具有重要意義。

　　1、設計思路

　　1.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入

　　物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)射頻識別技術(shù)（RFID）、紅外感應技術(shù)、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

　　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)滲透到了生活中的各個(gè)行業(yè)，在提高生活質(zhì)量等方面起到了不可代替的作用，但在產(chǎn)品質(zhì)量檢測方面的應用還基本處于空白狀態(tài)。當前離散制造企業(yè)質(zhì)量信息的采集大都采用人工輸入和手動(dòng)處理的方式，這種方式不僅耗費大量的工時(shí)，降低了生產(chǎn)、管理效率，而且容易：造成信息采集的滯后性和不準確性。將物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)引入到離散制造企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量監管過(guò)程中，利用現代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)等對產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程的貢量信息進(jìn)行無(wú)間歇自動(dòng)采集，在保證信息采集實(shí)時(shí)性的同時(shí)，還能夠實(shí)現數據采集的自動(dòng)化、智能化處理，為生產(chǎn)過(guò)程監控和質(zhì)量追溯提供實(shí)時(shí)數據支持。

　　1.2系統設計思路

　　要提高離散制造企業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量管理水平，就必須對生產(chǎn)過(guò)程中的在制品和關(guān)鍵/重要零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，以掌控生產(chǎn)節拍及相應生產(chǎn)物流信息，保障生產(chǎn)的有序高效運行;與此同時(shí)，采集在制品生產(chǎn)的過(guò)程數據和零部件數據，可以為產(chǎn)品質(zhì)量追溯提供支持。系統總體設計思路是利用產(chǎn)品號標識監控產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程和物流過(guò)程，基本流程是應用激光雕刻技術(shù)將按一定規則生成的產(chǎn)品號雕刻在在制品或關(guān)鍵/重要零部件上，在不方便或無(wú)法通過(guò)雕刻進(jìn)行信息記錄時(shí)可將打印的條形碼粘貼或系掛在零部件上，在產(chǎn)品生產(chǎn)、檢驗、試驗、驗收、入庫等各個(gè)環(huán)節利用PDA等設備對產(chǎn)品號、質(zhì)量等信息進(jìn)行采集、識別，實(shí)現產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程信息的快速收集與實(shí)時(shí)監控。

　　質(zhì)量控制作為企業(yè)經(jīng)營(yíng)過(guò)程的重要組成部分，貫穿于產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程，與企業(yè)環(huán)境緊密相關(guān)，特別是計算機技術(shù)的快速發(fā)展，對質(zhì)量管理的發(fā)展也有很大的影響，在該環(huán)境下的質(zhì)量控制與傳統的質(zhì)量控制在結構、運作機制、作用范圍等方面有很大的不同。因此，需要綜合運用質(zhì)量管理、現代集成管理等相關(guān)理論與方法，借助于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，對離散制造企業(yè)質(zhì)量控制及管理模式進(jìn)行研究和再設計。研究?jì)热葜饕缦?個(gè)方面。

　　a.研究物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下離散制造企業(yè)質(zhì)量管理需求。

　　以產(chǎn)品號為主線(xiàn)，基于BPR思想研究離散制造企業(yè)的質(zhì)量控制活動(dòng)，研究物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下企業(yè)質(zhì)量管理的規律，通過(guò)對“載體一過(guò)程一活動(dòng)一業(yè)務(wù)對象一數據”的深入分析，描述企業(yè)質(zhì)量管理和控制的需求。

　　b.構建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下質(zhì)量信息采集業(yè)務(wù)模型。

　　以產(chǎn)品形成過(guò)程為主線(xiàn)，建立基于產(chǎn)品生產(chǎn)制造過(guò)程的質(zhì)量信息采集模型。借助先進(jìn)的技術(shù)手段完成產(chǎn)品形成全過(guò)程的質(zhì)量信息的采集與處理，實(shí)現質(zhì)量監控與持續改進(jìn)的目標。

　　c.研究復雜環(huán)境下的圖像識別技術(shù)。

　　由于產(chǎn)品號是通過(guò)激光刻錄在產(chǎn)品的表面，導致在采集產(chǎn)品號圖像時(shí)可能受到油污、強弱光等不利因素的影響，因此需要研究復雜背景下的目標圖像識別技術(shù)，主要包括圖像預處理技術(shù)、圖像特征提取技術(shù)、目標識別技術(shù)和多分類(lèi)器集成技術(shù)等。

　　d.研究基于SOCKET的PDA等采集設備與系統間數據傳輸技術(shù)。

　　由于離散制造企業(yè)加工場(chǎng)地的分散性，以及大型設備設施對信號的干擾影響，基于無(wú)線(xiàn)的通訊方式很難滿(mǎn)足快速、準確的要求，因此系統在處理PDA等自動(dòng)采集設備與PC間數據傳輸時(shí)采用基于USB連接方式?；趯?shí)時(shí)性、可靠性、可擴展性等方面的要求，系統采用SOCKET通訊協(xié)議，應用XML定義客戶(hù)機服務(wù)器之間的消息和數據交換格式。

　　2、系統業(yè)務(wù)過(guò)程設計

　　離散制造企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程復雜，生產(chǎn)數據多，且數據的收集、維護和檢索工作量大，為了能快速、準確地采集數據，還必須規范整個(gè)采集的過(guò)程。針對離散制造企業(yè)生產(chǎn)組織的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)歸類(lèi)分析，將產(chǎn)品質(zhì)量信息的采集和處理主要劃分為如下6個(gè)基本環(huán)節。

　　a.產(chǎn)品號生成。

　　利用激光雕刻機將按照規則生成的產(chǎn)品號雕刻在在制品或關(guān)鍵/重要零部件上，或將按規則打印的條形碼粘貼或系掛在零部件上，解決人工編寫(xiě)、刻錄、噴涂容易造成的重號、錯號等問(wèn)題。產(chǎn)品號生成需具備自動(dòng)生成、手工編輯、自動(dòng)校正、錯重號報警等功能，能夠將本批次刻制的產(chǎn)品號準確地傳遞到后續工序或檢驗檢測點(diǎn)。

　　b.加工過(guò)程信息采集。

　　在待檢驗工位，檢驗員利用PDA、掃描儀等自動(dòng)采集設備對產(chǎn)品號進(jìn)行采集與識別，同時(shí)掃描工、檢驗人員工號及產(chǎn)品質(zhì)量信息。如果檢驗員需要對某個(gè)質(zhì)量因素進(jìn)行超差處理，可使用PDA等對存儲有質(zhì)量信息分類(lèi)的條形碼進(jìn)行掃描，并將超差處理方式存儲在系統中，與產(chǎn)品號自動(dòng)關(guān)聯(lián)。系統根據產(chǎn)品號采集結果自動(dòng)形成對在制品或關(guān)鍵/重要零部件加工進(jìn)度及質(zhì)量狀況的監控。

　　c.試驗信息采集。

　　對完工產(chǎn)品需要展開(kāi)最終試驗。利用PDA等設備采集產(chǎn)品號，并通過(guò)USB或RS-232接口與試驗設備連接，實(shí)現試驗信息的自動(dòng)采集。若試驗不合格，則自動(dòng)記錄試驗中的不合格信息，便于返修和產(chǎn)品質(zhì)量追溯。針對外場(chǎng)試驗，系統還需要提供試驗數據的導入、導出功能。

　　d.抽檢。

　　針對試驗合格的產(chǎn)品，按產(chǎn)品類(lèi)型選擇不同的抽檢方案，并按抽檢方案組織和抽取試驗用產(chǎn)品。通過(guò)PDA等設備采集產(chǎn)品號信息，并記錄檢驗結果信息，對抽檢不合格的產(chǎn)品需維護不合格原因、修復措施以及修復的結果等信息，同時(shí)建立跟蹤、監控檔案。

　　e.包裝及校驗。

　　在包裝環(huán)節，對即將進(jìn)行裝箱的產(chǎn)品號進(jìn)行在線(xiàn)采集，并自動(dòng)校驗所采集產(chǎn)品號是否在合格產(chǎn)品列表中，對不符合項進(jìn)行報警。包裝完成后再對包裝箱箱號（預先用條形碼形式打出）進(jìn)行在線(xiàn)掃描，建立箱號、產(chǎn)品號之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于后續管理和追蹤。

　　f.入庫及出廠(chǎng)發(fā)運。

　　在入庫及出廠(chǎng)發(fā)運環(huán)節，系統通過(guò)對包裝箱號信息的采集，自動(dòng)關(guān)聯(lián)到包裝箱內產(chǎn)品的產(chǎn)品號信息，自動(dòng)檢索產(chǎn)品整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的加工和檢驗信息，生成并打印產(chǎn)品合格證書(shū)及各類(lèi)說(shuō)明書(shū)材料。

　　3、系統實(shí)現關(guān)鍵技術(shù)研究

　　3.1 基于BP網(wǎng)絡(luò )的復雜背景下的圖像識別技術(shù)

　　由于待采集的產(chǎn)品號是通過(guò)激光雕刻在金屬表面，根據產(chǎn)品類(lèi)型的不同，字體、大小不盡相同，且產(chǎn)品在各生產(chǎn)車(chē)間流轉，圖像采集時(shí)面臨油污、強弱光等復雜因素的影響，字符分割、字符識別方法的優(yōu)劣直接影響到信息采集的準確性和及時(shí)性。針對采集到的圖像存在模糊、缺損、粘合或污跡干擾的情況，系統在傳統的基于投影分析字符分割法M1的基礎上采用遞歸回掃的辦法進(jìn)行二次字符分割，并結合連通域分析，利用字符的固定高度和間距比例關(guān)系等先知知識，較好地解決了產(chǎn)品號在復雜背景下的字符切割問(wèn)題。再選擇中值濾波、閾值分割、數學(xué)形態(tài)學(xué)處理、邊緣檢測、輪廓跟蹤、區域填充等預處理方法，將目標從復雜背景中分離出來(lái)。提取到目標的多種形狀特征后，剔除特征間的冗余，經(jīng)優(yōu)選后選取形狀參數特征，組成目標識別的特征向量，為目標識別提供有效數據。在上述研究的基礎上，深入研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的目標識別技術(shù)，設計基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的分類(lèi)器。最后，考慮到單一分類(lèi)器識別往往難以取得滿(mǎn)意的效果，提出一種改進(jìn)的基于投票的多分類(lèi)器集成算法，從而提高了目標識別的可靠性。

　　由于信息采集點(diǎn)分散，數目眾多，數據采集過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程存在時(shí)空上的交叉，傳統實(shí)現方式下的數據實(shí)時(shí)性、準確性將受到很大制約，因此系統采用數據采集與業(yè)務(wù)處理相分離的技術(shù)手段，在PDA上完成數據采集與部分信息的維護，在PC機上完成數據驗證、業(yè)務(wù)處理等其他功能?？紤]到加工場(chǎng)地的分散性以及大型設備設施對信號的干擾影響，系統在PDA與PC之間通過(guò)USB接口連接，采用SOCKET的通訊協(xié)議，定義遵循XML標準的3種消息：WaitForInput、Datalnput、DataAccept，實(shí)現信息的快速采集。

　　4、系統應用情況

　　該系統已經(jīng)成功應用于成都某兵器制造的生產(chǎn)線(xiàn)。系統的成功應用，使企業(yè)能及時(shí)準確地采集生產(chǎn)過(guò)程的質(zhì)量信息，提高了質(zhì)量管理的效率，降低了裝配差錯率，提高了生產(chǎn)線(xiàn)的整體生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，提高了決策的及時(shí)性、科學(xué)性。隨著(zhù)企業(yè)應用的深人，該系統計劃與企業(yè)其他信息系統進(jìn)行集成應用，實(shí)現企業(yè)協(xié)作效率的提高和管理模式的改進(jìn)。

　　5、結束語(yǔ)

　　物聯(lián)網(wǎng)的思想及相關(guān)技術(shù)的引入對企業(yè)管理模式的創(chuàng )新、業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化等產(chǎn)生了重大影響和促進(jìn)。引人物聯(lián)網(wǎng)思想，借助于激光雕刻技術(shù)、圖像識別技術(shù)、條碼技術(shù)等，通過(guò)將質(zhì)量管理與生產(chǎn)組織的充分融合，實(shí)現加工過(guò)程各類(lèi)信息的標注和實(shí)時(shí)采集，對提高制造過(guò)程的柔性、可靠性和產(chǎn)品質(zhì)量的可追溯性具有重要的作用，能夠為企業(yè)建立一個(gè)快速反映、有彈性、精細化的制造業(yè)環(huán)境，輔助企業(yè)各個(gè)層次的領(lǐng)導對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，幫助質(zhì)管人員快速收集和分析質(zhì)量信息，為企業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升提供支持。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下質(zhì)量信息采集業(yè)務(wù)模型的設計及關(guān)鍵技術(shù)研究對離散制造企業(yè)質(zhì)量管理系統的構建具有一定的參考意義和借鑒價(jià)值。