0 引言
隨著市場競爭的日益激烈，現代制造企業需要不斷提高對不確定性因素的快速反應和處理能力，以維持和提高企業綜合競爭力。當前，制造企業面對的不確定性因素越來越多，這些因素包括企業內部條件變化的不確定性和企業外部環境變化的不確定性兩大方面。生產過程中的人員、設備、質量、物料等異常事件是現代制造企業內部不確定性因素的重要組成部分。對于大多制造企業來說，車間生產過程的復雜性和不可預測性導致物料異常、設備異常、人員變更、生產計劃變更和緊急任務插入等異常情況時有發生。然而，目前生產車間主要采用傳統手工模式進行異常事件管理，因此難以及時獲取異常事件信息，更難以及時做出處理和有效預測。車間異常事件的發生時常會造成生產停工，甚至長時間停產，從而影響企業生產任務的執行和產品質量及訂單交貨期。因此，現代制造企業迫切需要一種對車間生產異常事件進行有效管理的實時管理系統，以實現對生產異常事件的采集、傳遞、監控、評價和預警等一體化集成運行，從而提高企業對異常事件的快速反應和處理能力。
當前，國內外已有許多專家和學者在車間生產現場信息管理和監控方面進行了大量地研究，并取得了許多研究成果。
1 系統的體系結構
目前制造企業車間生產異常事件管理存在的問題主要體現在以下三個方面：
(1)異常事件信息采集手段落后大多數制造企業主要依靠傳統的手工方式(如紙質統計報表等)采集車間生產異常事件信息，這種方式采集效率低、出錯率高且信息滯后。
(2)異常事件信息傳遞方式落后在異常信息的傳遞方面，制造企業大多也采用傳統的人工和電話等信息傳遞方式，傳遞速度慢且信息易失真，使得相關管理人員不能及時、準確地響應異常事件。
(3)缺少異常事件處理信息化支持平臺當車間生產異常事件發生時，由于缺少一個支持異常事件處理的信息化平臺，管理人員與生產現場事件處理人員和操作工人之間難以實時進行信息交互和業務協同，以致難以對異常事件及時做出響應和快速制定出有效解決方案。
針對以上問題，本文建立了如圖1所示的一種車間生產異常事件實時管理系統的體系結構。該體系結構有以下幾個特點：
圖1 車間生產異常事件實時管理系統體系結構
(1)在采集車間生產異常事件信息方面，采用了一種基于多功能交互式信息終端的信息采集方式。該終端是筆者所在課題組前期的一項國家發明專利(專利名稱：網絡化制造系統中的多功能交互式信息終端，專利號ZL02113585.1)。該終端可用于車間數據和音視頻等信息的采集、傳遞與監控，從而為企業內和企業間各種制造活動提供網絡化信息交互支持。通過車間現場布置的多功能交互式信息終端，現場工人可以將車間生產現場的異常信息及時錄入系統，并與管理人員進行實時信息交互，從而實現生產異常事件信息快速、準確、及時地采集和定位。
(2)在傳遞車間生產異常事件信息方面，采用了多種實時信息傳遞方式。系統可以通過計算機網絡、手機短消息、警報裝置、LED大屏幕等多種信息傳遞方式，將生產現場采集的異常信息及時傳遞給相關管理人員，也可以將管理人員制定的異常事件處理方案和指令及時傳遞給現場的相關操作人員。通過多方式的信息傳遞，管理人員及決策層可不受地點限制，能及時、準確和全面掌控企業車間生產現場異常事件狀況。
(3)在處理車間生產異常事件信息方面，應用了一套實時管理支持系統。系統主要功能包括異常信息采集、異常信息傳遞、異常事件處理、綜合查詢分析、專家知識庫、基礎數據管理和系統集成接口等功能模塊。通過本系統可以為生產異常事件信息的采集、傳遞、處理和分析等提供一個集成化應用支持平臺，同時也能為管理人員與生產現場事件處理人員和操作工人之間的信息交互和業務協同搭建一個信息化橋梁。另外，通過系統提供的專家知識庫，一方面當發生異常事件時，可以借助專家知識和歷史經驗快速制定有效地解決方案；另一方面也可以進行有效地預測并及時預警，進一步預防和減少了異常事件的發生。
2 系統的運行流程
車間生產異常事件實時管理系統的運行流程如圖2所示。
圖2 車間生產異常事件實時管理系統運行流程
(1)當生產線發生異常事件時，通過布置在生產現場的多功能交互式信息終端實時采集相關信息，并通過計算機網絡傳送到系統服務器；服務器端管理系統通過計算機網絡和移動通信接口等多種方式將信息發送到管理人員的電腦或手機上。
(2)相關責任人員收到異常信息后，根據情況分派處理人員，會同相關人員對異常事件進行及時處理并及時反饋處理結果。同時相關責任人記錄事件發生的原因及事件的處理結果，并將此類異常事件處理過程和解決方案存入異常事件專家知識庫中，以便指導今后同類異常事件的處理。
(3)當不同類型的車間生產異常事件解決方案積累到一定程度時，基于專家知識庫和利用模糊綜合評價方法等可進行車間異常事件的預測，并向相關負責人發出預警信息，相關負責人便可以在生產異常事件發生之前采取預防措施避免異常事件的發生，從而進一步減少因生產異常事件所造成的損失。
3 系統實現的關鍵技術
3.1 基于多功能交互式信息終端的生產異常事件信息實時采集技術
車間異常事件信息的實時、動態獲取是對異常事件進行快速、有效處理的基礎。傳統車間異常事件管理一直是通過手工方式完成的，信息采集的實時性不強，且容易出錯。本文提出了一種基于多功能交互式信息終端的信息采集方式。因為該終端具有以下特點：①功耗低，能全封閉長期穩定運行于惡劣的車間生產環境；②具有數據采集、信息交互和設備集成等多種功能；③可通過標準接口集成車間各種加工設備，實時采集設備運行參數，對設備運行狀態進行監控。所以基于該終端能較方便地實現企業管理層與生產現場事件處理人員和操作工人之間的實時信息交互。基于多功能交互式信息終端的生產異常事件信息實時采集與交互模式如圖3所示。
圖3 基于多功能交互式信息終端的生產異常事件信息實時采集與交互模式
對于數字化程度和接口開放程度較高的設備的故障信息，可通過傳感器、網口、串口等實時自動采集，然后通過車間局域網上傳到生產異常事件實時管理系統的數據庫服務器，并及時傳遞給相關管理人員進行處理。處理指令通過系統實時下達到多功能交互式信息終端，指導操作工人處理設備故障。對于物料異常信息、質量異常信息、人員異常信息，以及數字化程度和接口開放程度較低的普通設備的故障信息等，可由現場管理和操作工人通過多功能交互式信息終端人機交互界面進行錄入，并及時上傳到數據庫服務器。因為這些異常信息的錄入是采取人工錄入方式，所以這些異常事件信息的采集具有一定的延時，但與傳統的手工管理模式相比，這些異常事件信息的采集和傳送的及時性和準確性都有明顯提高。
3.2 基于移動通信接口技術的生產異常事件信息實時傳遞方法
本系統中的生產異常事件信息傳遞功能是通過計算機網絡、手機短消息、警報裝置、LED大屏幕等多種方式實現的。以下主要對基于移動通信接口技術的異常事件短消息傳遞方式進行闡述。在構建系統時，采用了移動通信接口技術，可以將生產現場信息以手機短信的形式實時地發送到相關管理人員的手機上，同時也能接收綁定手機發送過來的處理指令，這樣可以實現企業生產信息的實時管理和反饋。利用本方法，企業各個部門的工作人員都能通過全球移動通訊系統(Global Systerm for Mobile colnnlunications，GSM)或碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA)移動通信網絡，以短消息形式實時訪問系統。本方法在一定程度上可以解決因地理位置不確定或計算機網絡難以接入等原因而造成生產異常事件信息不能及時傳遞的問題，但因為短信息傳遞方式可能會受到通訊盲區等因素的影響，或接收人員查閱時間可能存在滯后，所以用短消息傳遞異常事件信息的實時性的保證就需要一些補充機制，例如可采取接收方回復確認的方式，以確定異常事件短消息是否被相關人員收到，若沒有得到回復則可及時選擇其他通知方式。基于移動通信接口技術的短消息傳遞模式如圖4所示。
圖4 基于移動通信接口技術的短消息傳遞模式
短消息在傳遞過程中主要包括兩個處理過程，即短信息接收過程和短信息發送過程。短消息接收業務流程是用戶發出的短信息，通過相應的GSM/CDMA網絡、短信中心和相應的地區短信網關轉發給SP，再經過短消息服務(Short Massaging Service，SMS)應用系統短信接口模塊傳送到應用系統數據庫服務器，應用系統根據短信息指令進行響應；短消息發送業務流程是應用系統通過SMS應用系統短信接口模塊發出短信息，經過SP、短信網關轉發給相應的地區短信中心，繼而發送給用戶。在SMS短信接口模塊和SP短信接口之間采用基于TCP/IP協議的超文本傳輸協議(HyperText Transfer Protocol，HTTP)，以POST/GET方法，通過80端口進行通訊，雙方互為客戶端/服務器。
3.3 基于模糊綜合評價的生產異常事件預警方法
模糊綜合評價方法是一種定性和定量相結合的決策分析方法，該方法已大量應用于復雜、隨機事件的預警中。本文將模糊綜合評價方法運用于生產異常事件預警中，對一些決策者的經驗判斷進行量化，能夠更準確地對生產過程中即將發生的異常事件進行預測，并及時向各相關人員發出預警信息。基于模糊綜合評價的生產異常事件預警實現的具體過程如下：
(1)對車間生產異常事件進行分類管理
對異常事件的分類管理是車間生產異常事件管理和預警的基礎。車間生產異常事件一般可分為設備異常、物料異常、質量異常、人員異常、工裝異常等幾大類。每一個大類根據具體情況又可分為多個小類，如設備異常可分為機械故障、電氣故障、動力問題和控制系統故障等；物料異常可分為自制件缺件和外購件缺件等。如圖5所示為某車用空調企業車間生產異常事件的分類圖。車間生產異常事件的管理和預警一般需要細化到各個異常事件小類。
圖5 某車用空調企業車間生產異常事件分類圖
(2)確定車間生產異常事件影響因素及其隸屬函數
以上每種生產異常事件一般都由多種因素引起，例如設備異常中的機械故障，其對應的影響因素一般有工作狀態噪音、機器運行時間、工作環境指標等。設車間生產異常事件類型為m種，對應的影響因素有以種，異常事件類型y和影響因素X可分別表示為：
Y＝(Y1，Y2，...，Ym)，X＝(x1，x2，...，xn)。
車間生產異常事件每一影響因素都需要建立一個合適的隸屬函數，影響因素隸屬函數向量H(X)可表示為
u(X)＝(u1(x1)，u2(x2)，...，un(xn))。(1)
(3)確定異常事件類型和影響因素對應的模糊關系矩陣
利用模糊信息處理方法，確定異常事件類型和影響因素對應的模糊關系矩陣為
矩陣R中以影響因素為行，以異常事件為列。其中rij(i＝1，2，...，m，j＝1，2，...，n)是專家根據經驗給出的，表示在所有造成異常的事件中，第i種異常事件的影響因素中第j種影響因素所占的權重，故有
為提高準確性，可選k位專家來分別給出各自的模糊關系矩陣Ri(i＝1，2，...，k)，再進行加權平均，權重wi(i＝1，2，...，k)可根據各位專家的可信度來確定。例如，請4位專家根據各自經驗分別給出模糊關系矩陣R1，R2，R3，R4，再根據他們的可信度分別給出權重w1，w2，w3，w4(w1+w2+w3+w4＝1)，則
R＝w1R1+w2R2+w3R3+w4R4。(2)
(4)建立X對于y的綜合評價模型
根據模糊數學原理可以建立X對于Y的綜合評價模型為
V(X)＝H(X)·R。(3)
根據最大隸屬度原則，當Vi＝max{V1，V2，...，Vm}時，說明第i種類型的異常事件發生的可能性最大。
(5)設置闕值
本文采用參數表征法表征最終的評價結果。參數表征法的作用就是將評價集合中的分散元素值轉變成一個可比的綜合值，以便進行比較。由此，需要確定評價集的等級加權向量來對評價集合進行加權。根據車間生產異常事件安全管理特點，將綜合值劃分為五個部分，對應評價指標的五個警戒級別：警戒級[1，0.8]，低警戒級[0.8，0.6]，過渡級[0.6，0.4]，基本安全級[0.4，0.2]，安全級[0.2，0]。
(6)預警結果輸出
通過上述方法對車間生產異常事件的評價指標進行綜合評價后，就會得到該生產異常事件當時的模糊綜合評價值，即該生產異常事件當時的警戒級別狀態值，并將評價值存入數據庫。評價結果可用圖6所示的預警信號圖的方式輸出。在信號圖輸出的過程中，可根據該生產異常事件以前的模糊綜合評價值的歷史記錄及其變化規律，生成該生產異常事件的警戒狀態在未來一段時間內的發展趨勢，即形成該生產異常事件的一種參考異常時間預案。通過該預警信號圖，決策者就能夠直觀地了解各生產異常事件的狀態和未來的走勢，為決策提供參考依據，及時采取相應的措施，確保生產過程處于安全和有序的狀態。
圖6 車間某生產異常事件預警信號圖
圖6中Ⅰ區代表警戒級，Ⅱ區代表低警戒級，Ⅲ區代表過渡級，Ⅳ區代表基本安全級，Ⅴ區代表安全級。管理人員根據本圖便可以判斷出未來一個時間段內該生產異常事件發生的可能性。例如，如果評價結果處于Ⅱ區，說明這一時段有發生該生產異常事件的危機，必須提前查找原因并采取相應的預防措施。
4 應用實例
目前，本文的研究成果已在重慶南方英特空調有限公司得到了應用，效果良好。南方英特空調是一家典型的汽車零部件制造企業，主要生產汽車空調系統和發動機冷卻系統。由于該企業在車間生產現場實時監控方面比較落后，當車間發生生產異常事件時，管理人員及高層領導難以在第一時間準確和全面地獲取相關信息并及時做出反應，由此造成車間生產線的停頓或停工，影響了企業的生產進度。為此企業實施了車間生產異常事件實時管理系統，包括異常信息采集、異常信息傳遞、異常事件處理、專家知識庫和綜合查詢分析等功能，大大提升了企業對車間生產異常事件的快速反應和處理能力。企業在實施車間生產異常事件實時管理系統的過程中，關鍵點主要有以下三方面：①生產異常事件信息的動態采集；②生產異常事件信息的實時傳遞；③生產異常事件的綜合查詢統計分析與預警。
(1)車間生產異常信息的動態采集
利用在生產現場布置的多功能交互式信息終端，可準確、及時地獲取車間生產異常事件信息。基于多功能交互式信息終端的生產異常事件采集場景如圖7所示。
圖7 基于多功能交互式信息終端的生產異常事件采集場景
(2)生產異常事件信息實時傳遞
當生產現場發生異常事件或系統對某生產異常事件發出預警時，系統可自動把異常事件相關信息通過計算機網絡、LED大屏幕、聲光警報裝置和手機短消息等方式傳遞給相關人員。企業管理人員能及時了解車間生產現場的異常狀況，并及時進行決策和處理。如圖8所示為管理人員手機接收到生產異常事件的短信息界面。
圖8 生產異常事件手機短信息界面
(3)生產異常事件的綜合查詢分析與預警
圖9所示為某時間段車間現場各種異常事件發生情況的查詢界面和統計柱狀圖。其中在異常事件的查詢界面罩使用背景顏色來區分異常事件的處理狀態，背景為深灰色的代表需要處理的異常事件，背景為淺灰色的代表處理過程中的異常事件，背景為白色的代表不需要處理或已經處理過的異常事件；異常事件統計柱狀圖表示從2007年12月26日～2008年2月26日的生產異常事件統計表。同時本系統還實現了對車間每一種生產異常事件的預警，其預警結果以圖6所示的預警信號圖的方式輸出；管理人員根據預警信號圖可以判斷出未來一個時間段內某生產異常事件發生的可能性，并及時或提前查找原因，采取相應的預防措施。
圖9 異常事件查詢界面與統計柱狀圖
5 結束語
本文構建了一種能支持異常事件信息動態采集、實時傳遞、快速處理和綜合杳詢分析的車間生產異常事件實時管理系統，建立了該系統的體系結構和運行流程。該系統通過在生產現場布置的多功能交互式信息終端，能實現生產異常事件信息的實時采集，以及支持生產現場事件處理人員和操作工人與管理層人員之間的實時信息交互和、業務協同；通過計算機網絡和手機短消息等多種方式，實現了生產異常事件信息的實時傳遞；通過系統提供的生產異常事件專家知識庫和模糊綜合評價方法，可以對生產異常事件進行系統的分析和預測。該系統在重慶市某車用空調制造企業中得到了成功應用，大大提升了企業對車間生產異常事件的快速反應和處理能力，有效保證了企業車間生產的正常運轉。
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本文標題：車間生產異常事件實時管理系統研究
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