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(tǒng)設(shè)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，將現(xiàn)場質(zhì)量檢驗與生產(chǎn)作業(yè)緊密集成，形成一個完整的質(zhì)量信息采集體系，不僅實現(xiàn)了正向、實時的生產(chǎn)跟蹤、質(zhì)量監(jiān)控，還可以實現(xiàn)各類信息的逆向追溯，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(xù)性，生產(chǎn)加工信息與產(chǎn)品本身的物理無關(guān)性導(dǎo)致實物流與信息流嚴重脫節(jié)，管理人員無法對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)控和管理。傳統(tǒng)的質(zhì)量信息采集和處理方式難以實現(xiàn)生產(chǎn)過程實時監(jiān)控的目標，降低了質(zhì)量控制的效果。先進管理思想的不斷涌現(xiàn)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(yīng)用于質(zhì)量信息采集過程中，重新設(shè)計并構(gòu)建質(zhì)量信息采集業(yè)務(wù)模型，并解決復(fù)雜環(huán)境下的圖像識別及數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，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(shè)計思路

　　1.1物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入

　　物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識別技術(shù)（RFID）、紅外感應(yīng)技術(shù)、全球定位系統(tǒng)和激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)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(yīng)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處理的方式，這種方式不僅耗費大量的工時，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(jiān)管過程中，利用現(xiàn)代信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等對產(chǎn)品生產(chǎn)過程的貢量信息進行無間歇自動采集，在保證信息采集實時性的同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集的自動化、智能化處理，為生產(chǎn)過程監(jiān)控和質(zhì)量追溯提供實時數(shù)據(jù)支持。

　　1.2系統(tǒng)設(shè)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)過程中的在制品和關(guān)鍵/重要零部件進行實時跟蹤，以掌控生產(chǎn)節(jié)拍及相應(yīng)生產(chǎn)物流信息，保障生產(chǎn)的有序高效運行;與此同時，采集在制品生產(chǎn)的過程數(shù)據(jù)和零部件數(shù)據(jù)，可以為產(chǎn)品質(zhì)量追溯提供支持。系統(tǒng)總體設(shè)計思路是利用產(chǎn)品號標識監(jiān)控產(chǎn)品的生產(chǎn)過程和物流過程，基本流程是應(yīng)用激光雕刻技術(shù)將按一定規(guī)則生成的產(chǎn)品號雕刻在在制品或關(guān)鍵/重要零部件上，在不方便或無法通過雕刻進行信息記錄時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、入庫等各個環(huán)節(jié)利用PDA等設(shè)備對產(chǎn)品號、質(zhì)量等信息進行采集、識別，實現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)過程信息的快速收集與實時監(jiān)控。

　　質(zhì)量控制作為企業(yè)經(jīng)營過程的重要組成部分，貫穿于產(chǎn)品生命周期的全過程，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(tǒng)的質(zhì)量控制在結(jié)構(gòu)、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(xiàn)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行研究和再設(shè)計。研究內(nèi)容主要包含如下4個方面。

　　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，基于BPR思想研究離散制造企業(yè)的質(zhì)量控制活動，研究物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下企業(yè)質(zhì)量管理的規(guī)律，通過對“載體一過程一活動一業(yè)務(wù)對象一數(shù)據(jù)”的深入分析，描述企業(yè)質(zhì)量管理和控制的需求。

　　b.構(gòu)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)品形成過程為主線，建立基于產(chǎn)品生產(chǎn)制造過程的質(zhì)量信息采集模型。借助先進的技術(shù)手段完成產(chǎn)品形成全過程的質(zhì)量信息的采集與處理，實現(xiàn)質(zhì)量監(jiān)控與持續(xù)改進的目標。

　　c.研究復(fù)雜環(huán)境下的圖像識別技術(shù)。

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

　　d.研究基于SOCKET的PDA等采集設(shè)備與系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

　　由于離散制造企業(yè)加工場地的分散性，以及大型設(shè)備設(shè)施對信號的干擾影響，基于無線的通訊方式很難滿足快速、準確的要求，因此系統(tǒng)在處理PDA等自動采集設(shè)備與PC間數(shù)據(jù)傳輸時采用基于USB連接方式。基于實時性、可靠性、可擴展性等方面的要求，系統(tǒng)采用SOCKET通訊協(xié)議，應(yīng)用XML定義客戶機服務(wù)器之間的消息和數(shù)據(jù)交換格式。

　　2、系統(tǒng)業(yè)務(wù)過程設(shè)計

　　離散制造企業(yè)生產(chǎn)過程復(fù)雜，生產(chǎn)數(shù)據(jù)多，且數(shù)據(jù)的收集、維護和檢索工作量大，為了能快速、準確地采集數(shù)據(jù)，還必須規(guī)范整個采集的過程。針對離散制造企業(yè)生產(chǎn)組織的特點，經(jīng)過歸類分析，將產(chǎn)品質(zhì)量信息的采集和處理主要劃分為如下6個基本環(huán)節(jié)。

　　a.產(chǎn)品號生成。

　　利用激光雕刻機將按照規(guī)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?qū)匆?guī)則打印的條形碼粘貼或系掛在零部件上，解決人工編寫、刻錄、噴涂容易造成的重號、錯號等問題。產(chǎn)品號生成需具備自動生成、手工編輯、自動校正、錯重號報警等功能，能夠?qū)⒈九慰讨频漠a(chǎn)品號準確地傳遞到后續(xù)工序或檢驗檢測點。

　　b.加工過程信息采集。

　　在待檢驗工位，檢驗員利用PDA、掃描儀等自動采集設(shè)備對產(chǎn)品號進行采集與識別，同時掃描工、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質(zhì)量因素進行超差處理，可使用PDA等對存儲有質(zhì)量信息分類的條形碼進行掃描，并將超差處理方式存儲在系統(tǒng)中，與產(chǎn)品號自動關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品號采集結(jié)果自動形成對在制品或關(guān)鍵/重要零部件加工進度及質(zhì)量狀況的監(jiān)控。

　　c.試驗信息采集。

　　對完工產(chǎn)品需要展開最終試驗。利用PDA等設(shè)備采集產(chǎn)品號，并通過USB或RS-232接口與試驗設(shè)備連接，實現(xiàn)試驗信息的自動采集。若試驗不合格，則自動記錄試驗中的不合格信息，便于返修和產(chǎn)品質(zhì)量追溯。針對外場試驗，系統(tǒng)還需要提供試驗數(shù)據(jù)的導(dǎo)入、導(dǎo)出功能。

　　d.抽檢。

　　針對試驗合格的產(chǎn)品，按產(chǎn)品類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PDA等設(shè)備采集產(chǎn)品號信息，并記錄檢驗結(jié)果信息，對抽檢不合格的產(chǎn)品需維護不合格原因、修復(fù)措施以及修復(fù)的結(jié)果等信息，同時建立跟蹤、監(jiān)控檔案。

　　e.包裝及校驗。

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

　　f.入庫及出廠發(fā)運。

　　在入庫及出廠發(fā)運環(huán)節(jié)，系統(tǒng)通過對包裝箱號信息的采集，自動關(guān)聯(lián)到包裝箱內(nèi)產(chǎn)品的產(chǎn)品號信息，自動檢索產(chǎn)品整個生產(chǎn)過程的加工和檢驗信息，生成并打印產(chǎn)品合格證書及各類說明書材料。

　　3、系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究

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

　　由于待采集的產(chǎn)品號是通過激光雕刻在金屬表面，根據(jù)產(chǎn)品類型的不同，字體、大小不盡相同，且產(chǎn)品在各生產(chǎn)車間流轉(zhuǎn)，圖像采集時面臨油污、強弱光等復(fù)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(tǒng)在傳統(tǒng)的基于投影分析字符分割法M1的基礎(chǔ)上采用遞歸回掃的辦法進行二次字符分割，并結(jié)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(fù)雜背景下的字符切割問題。再選擇中值濾波、閾值分割、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理、邊緣檢測、輪廓跟蹤、區(qū)域填充等預(yù)處理方法，將目標從復(fù)雜背景中分離出來。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(shù)特征，組成目標識別的特征向量，為目標識別提供有效數(shù)據(jù)。在上述研究的基礎(chǔ)上，深入研究基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標識別技術(shù)，設(shè)計基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類器。最后，考慮到單一分類器識別往往難以取得滿意的效果，提出一種改進的基于投票的多分類器集成算法，從而提高了目標識別的可靠性。

　　由于信息采集點分散，數(shù)目眾多，數(shù)據(jù)采集過程與生產(chǎn)過程存在時空上的交叉，傳統(tǒng)實現(xiàn)方式下的數(shù)據(jù)實時性、準確性將受到很大制約，因此系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集與業(yè)務(wù)處理相分離的技術(shù)手段，在PDA上完成數(shù)據(jù)采集與部分信息的維護，在PC機上完成數(shù)據(jù)驗證、業(yè)務(wù)處理等其他功能?？紤]到加工場地的分散性以及大型設(shè)備設(shè)施對信號的干擾影響，系統(tǒng)在PDA與PC之間通過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，實現(xiàn)信息的快速采集。

　　4、系統(tǒng)應(yīng)用情況

　　該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于成都某兵器制造的生產(chǎn)線。系統(tǒng)的成功應(yīng)用，使企業(yè)能及時準確地采集生產(chǎn)過程的質(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)線的整體生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量，提高了決策的及時性、科學(xué)性。隨著企業(yè)應(yīng)用的深人，該系統(tǒng)計劃與企業(yè)其他信息系統(tǒng)進行集成應(yīng)用，實現(xiàn)企業(yè)協(xié)作效率的提高和管理模式的改進。

　　5、結(jié)束語

　　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。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，通過將質(zhì)量管理與生產(chǎn)組織的充分融合，實現(xiàn)加工過程各類信息的標注和實時采集，對提高制造過程的柔性、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)各個層次的領(lǐng)導(dǎo)對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)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(shè)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(tǒng)的構(gòu)建具有一定的參考意義和借鑒價值。