張盈盈，李 萌，許 林，路 遙

(1.北京大豪科技股份有限公司，北京 100015；2.北京廣利核系統(tǒng)工程有限公司，北京 100094)

0 引言

隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，誕生了一種可以通過數(shù)字、圖表、標(biāo)識等能被員工直接感知信息的可視化管理方法。該方法可快速地傳達(dá)信息，相對于傳統(tǒng)的管理手段，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢。因此，從20世紀(jì)90年代開始，可視化管理已經(jīng)成為日常生產(chǎn)管理中廣泛使用的工具之一[1-2]。

相對于國外，國內(nèi)生產(chǎn)制造企業(yè)的可視化管理起步較晚。某縫制電控制造企業(yè)上線了制造執(zhí)行系統(tǒng)(manufacturing execution system,MES)。該系統(tǒng)對接了已有的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)應(yīng)用和產(chǎn)品(system applications and products in data processing，SAP)系統(tǒng)以獲取上游計劃指令，從而完成對生產(chǎn)執(zhí)行的管控。經(jīng)過應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)雖然可以有效地采集生產(chǎn)車間執(zhí)行層面的各類數(shù)據(jù)，但是對于生產(chǎn)管理人員而言缺少直觀的可視化管理工具。而對于公司各級領(lǐng)導(dǎo)而言，除了枯燥、單調(diào)的報表以外，也沒有形式多樣、一目了然的綜合數(shù)據(jù)平臺，更無法對外展示公司的生產(chǎn)制造能力。

對此，本文設(shè)計了一種生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)的可視化平臺。該可視化平臺可以利用直觀的信息傳達(dá)手段，提高生產(chǎn)制造和管理效率。該可視化平臺不但可以在縫制電控制造領(lǐng)域應(yīng)用，而且具備較高的、在其他行業(yè)推廣的價值。

1 制造數(shù)據(jù)可視化平臺的相關(guān)研究

1.1 主要功能

生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化平臺通常應(yīng)用于設(shè)備生產(chǎn)車間，以提高生產(chǎn)制造的效率和管理效率。該平臺主要具備數(shù)據(jù)采集和維護、數(shù)據(jù)處理和圖形化展示三大功能[3]。

①數(shù)據(jù)采集和維護功能：支持多種數(shù)據(jù)接口方式，可從SAP和MES等外部系統(tǒng)同步業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；為線下手工管理的業(yè)務(wù)提供數(shù)據(jù)文件批量導(dǎo)入功能，并可對數(shù)據(jù)文件進(jìn)行編輯；實現(xiàn)當(dāng)班人員信息維護功能，可針對不同日期、不同產(chǎn)線、不同班次進(jìn)行人員進(jìn)行出勤情況的維護，同時支持人員頭像上傳。

②數(shù)據(jù)處理功能：實現(xiàn)對不同來源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除差異，保證數(shù)據(jù)一致性；實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理過程中異常情況的日志記錄，由人工進(jìn)行異常處理后可手動觸發(fā)再次同步。

③圖形化展示功能：實現(xiàn)以多種形式的圖形、圖表以及動畫，對不同數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行展示；實現(xiàn)對多頁數(shù)據(jù)的自動滾動以及多指標(biāo)間的自動切換；支持動態(tài)刷新，可自定義刷新頻率。

1.2 設(shè)計難點

生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化平臺的設(shè)計難點如下。

①可視化數(shù)據(jù)來自于多個異構(gòu)系統(tǒng)。平臺需能夠支持多種類型的數(shù)據(jù)同步接口。同步任務(wù)要兼顧時效性和系統(tǒng)性能，既不能對生產(chǎn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)產(chǎn)生壓力，又必須保證數(shù)據(jù)同步的及時性。

②多系統(tǒng)間的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需要充分考慮其標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，要保證經(jīng)過可視化展示的數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)完全一致。

③展示內(nèi)容的設(shè)計要考慮硬件設(shè)備的呈現(xiàn)能力和場地環(huán)境的光影因素，圖形、圖表以及動畫要能夠根據(jù)數(shù)據(jù)刷新形成流暢的視覺效果。

2 縫制電控制造數(shù)據(jù)可視化平臺的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

生產(chǎn)制造數(shù)據(jù)可視化平臺通過軟件方式，對已有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和未實施信息化的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理以及圖形化展示。該平臺向業(yè)務(wù)人員提供了可視化管理的支撐工具。用戶可通過看板及大屏幕及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)制造過程中的異常情況。平臺系統(tǒng)根據(jù)對數(shù)據(jù)對象的處理方式，分為采集、處理、存儲和展示幾大模塊?？梢暬脚_系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 可視化平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

首先，由于受到企業(yè)信息化現(xiàn)狀的制約——既有先進(jìn)的商業(yè)企業(yè)資源計劃(enterprise resource planning，ERP)系統(tǒng)，又存在手工處理的業(yè)務(wù)流程——以一種通用的數(shù)據(jù)采集方式或平臺產(chǎn)品來收集全部相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可行性不高。因此，可視化平臺提供了系統(tǒng)接口服務(wù)模塊和線下數(shù)據(jù)采集模塊。其次，平臺提供了數(shù)據(jù)處理模塊，對應(yīng)用規(guī)則不一致但業(yè)務(wù)含義相同的數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化、一致性處理。再次，為了滿足減少數(shù)據(jù)交互帶來的通信壓力、對元數(shù)據(jù)的保留以及數(shù)據(jù)展示響應(yīng)時間短等要求，平臺將采集到的原始數(shù)據(jù)和處理后的數(shù)據(jù)保存在平臺專有的數(shù)據(jù)庫中。最后，平臺通過圖形化處理將數(shù)據(jù)展示在終端顯示設(shè)備上。

2.2 軟件設(shè)計

可視化平臺的主要功能分為數(shù)據(jù)采集處理和頁面展示兩大部分。數(shù)據(jù)采集處理功能主要負(fù)責(zé)通過多種采集方式將數(shù)據(jù)讀取到平臺中，并根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行處理。頁面展示功能借助豐富的圖形、圖表組件，對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。因此，平臺采用前后端分離的方式進(jìn)行系統(tǒng)實現(xiàn)。系統(tǒng)由獨立的前端工程和后端工程組成，兩者通過數(shù)據(jù)接口通信，降低技術(shù)耦合。前端工程包括用戶接口(user interface， UI)和可視化頁面。后端工程包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)讀取功能[5]。

數(shù)據(jù)采集功能模塊交互如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集功能模塊交互圖

2.2.1 數(shù)據(jù)采集功能設(shè)計

可視化平臺的設(shè)計初衷就是要避免從各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)直接抓取原始數(shù)據(jù)進(jìn)行展示的問題。這種方式既增加了外圍系統(tǒng)的壓力，又無法保證可視化的效果。數(shù)據(jù)采集模塊提供了從業(yè)務(wù)系統(tǒng)和采集設(shè)備中讀取數(shù)據(jù)的功能，將獲取到的數(shù)據(jù)保存到平臺內(nèi)。根據(jù)技術(shù)成熟度和現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的信息化程度，數(shù)據(jù)采集方式分為以下四種。

①成熟的外部系統(tǒng)，如SAP和MES。這類系統(tǒng)自身的技術(shù)架構(gòu)完善，通過定義良好的數(shù)據(jù)接口與外部交互。為了降低與這類系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)的復(fù)雜程度、保持各系統(tǒng)的松散耦合，可視化平臺采用了面向服務(wù)架構(gòu)(service oriented architecture,SOA)。SOA技術(shù)將數(shù)據(jù)接口識別為各種服務(wù)，根據(jù)不同系統(tǒng)的技術(shù)特性選擇相應(yīng)的服務(wù)實現(xiàn)方式，并利用標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議進(jìn)行通信。同時，SOA架構(gòu)可以對服務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，靈活性強、擴展性好[6]。從面向服務(wù)的角度來看，可視化平臺既是服務(wù)的提供者，又是服務(wù)的消費者。作為服務(wù)使用方，可視化平臺通過遠(yuǎn)程功能調(diào)用(remote function call，RFC)從SAP系統(tǒng)讀取生產(chǎn)主數(shù)據(jù)、銷售業(yè)務(wù)原始單據(jù)[7]；通過Web Service訪問MES的生產(chǎn)訂單信息。同時，可視化平臺向MES提供了超文本傳輸協(xié)議(hyper text transfer protocol，HTTP)接口，通過接口調(diào)用，MES可以實時向平臺發(fā)送工單信息。

②對于技術(shù)棧落后的老舊系統(tǒng)以及無法進(jìn)行二次開發(fā)的應(yīng)用，可視化平臺利用通用的中間件技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。在數(shù)據(jù)庫讀取上采用的是Mybatis-Spring中間件。這是一種將具體業(yè)務(wù)處理和底層邏輯解耦的組件技術(shù)，屏蔽了底層數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)細(xì)節(jié)，支持對多種數(shù)據(jù)庫的操作，并通過數(shù)據(jù)映射接口和映射配置，在業(yè)務(wù)處理過程中快速進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫。系統(tǒng)定時將第三方數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)采集到本地數(shù)據(jù)庫。為保證數(shù)據(jù)安全，在被訪問系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中要進(jìn)行數(shù)據(jù)視圖設(shè)計和訪問授權(quán)設(shè)計。

③信息化程度不高或正處于信息化建設(shè)過程中的業(yè)務(wù)流程，數(shù)據(jù)基本是以電子表格、文本文件或紙質(zhì)文檔的形式保存?？梢暬脚_通過集成基于JAVA的第三方開源項目實現(xiàn)對已有Excel或文本文件的批量導(dǎo)入。通過被廣泛應(yīng)用和認(rèn)可的開源項目，可以大幅提高系統(tǒng)實現(xiàn)的效率并保證項目的質(zhì)量屬性。同時，可視化平臺開發(fā)數(shù)據(jù)表單錄入功能以支持用戶手工錄入數(shù)據(jù)。收集到的數(shù)據(jù)通過HTTP接口傳遞至后端進(jìn)行保存。前后端約定采用JavaScript對象表示法(JavaScript object notation， JSON)作為數(shù)據(jù)交換格式[8]。

④在生產(chǎn)車間配備有支持標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的溫濕度采集設(shè)備?？梢暬脚_通過基于MODBUS/TCP協(xié)議實現(xiàn)與設(shè)備的通信。根據(jù)設(shè)備廠商所提供的通信協(xié)議手冊，經(jīng)過對協(xié)議數(shù)據(jù)幀中的報文頭、功能碼和數(shù)據(jù)的解析，可實時獲取當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)。這種方式通用性好，可以擴展到各類硬件采集設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取中。

2.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理功能設(shè)計

可視化平臺采集到的數(shù)據(jù)來自各種不同的業(yè)務(wù)系統(tǒng)和設(shè)備，缺少統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系。為保證可視化展示數(shù)據(jù)的一致性，首先要完成數(shù)據(jù)處理工作。標(biāo)準(zhǔn)化處理功能將數(shù)據(jù)按照業(yè)務(wù)含義和邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)換，依據(jù)最新的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式和可視化需求對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其保存到平臺的數(shù)據(jù)庫中。經(jīng)過一致性處理后的數(shù)據(jù)在邏輯上可以清晰表達(dá)原有業(yè)務(wù)含義，并可被方便、快捷地轉(zhuǎn)換成前端數(shù)據(jù)圖表的數(shù)據(jù)源，從而更加符合可視化的要求。這提高了數(shù)據(jù)加載的速度，使頁面渲染更加流暢[9]。

數(shù)據(jù)處理被設(shè)計在數(shù)據(jù)采集之后。當(dāng)通過各種方式完成數(shù)據(jù)采集工作后，由系統(tǒng)自動生成一個定時任務(wù)并放入隊列中逐一處理。這種處理方式借鑒了消息隊列的思想。數(shù)據(jù)一致性處理工作不屬于即時性操作，并不需要在完成數(shù)據(jù)采集工作后立刻進(jìn)行。因此，異步處理更為合適。數(shù)據(jù)處理速度直接受到數(shù)據(jù)量大小的影響。當(dāng)數(shù)據(jù)較多時，必然會降低系統(tǒng)性能，將處理工作按任務(wù)劃分后串行執(zhí)行。這一方面可以有效減少系統(tǒng)請求響應(yīng)時間，另一方面也降低了數(shù)據(jù)庫讀寫壓力。

2.2.3 數(shù)據(jù)可視化展示功能設(shè)計

前端數(shù)據(jù)可視化處理流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)可視化處理流程圖

前端工程通過異步JavaScript和XML(asynchronous JavaScript and XML， AJAX)調(diào)用后端接口服務(wù)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行展示。平臺根據(jù)業(yè)務(wù)變化的頻率設(shè)定前端數(shù)據(jù)刷新的頻率。不同圖表指標(biāo)具有不同刷新時間間隔。AJAX可以在不重新加載整個頁面的情況下完成與后端的數(shù)據(jù)交換，保證了整個頁面的穩(wěn)定顯示。此外，對于變動較小的數(shù)據(jù)，采用了前端緩存處理的方式，通過在文件中保存JSON字符串的方式將數(shù)據(jù)存在客戶端本地，避免頻繁向后端請求相同數(shù)據(jù)，減少了多次請求大量數(shù)據(jù)帶來的服務(wù)壓力。

可視化平臺通過多種形式的圖形表格對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行生動形象的展示，向用戶直觀并且及時地展現(xiàn)業(yè)務(wù)情況?？梢暬O(shè)計既要滿足對數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確描述，又要考慮觀看者的關(guān)注點和習(xí)慣、與顯示設(shè)備的適配以及整體的視覺效果等多方面因素[10]。①可視化頁面按照主流的16:9顯示比例設(shè)計，可以同時滿足多種尺寸的終端設(shè)備進(jìn)行展示且效果相同，無需因為硬件更換而重新調(diào)整頁面。②可視化平臺整體采用深藍(lán)色調(diào)背景，通過對比色來顯示圖表中的各項指標(biāo)，利用柱狀圖、折線圖、水滴圖和數(shù)據(jù)表格等多種方式豐富數(shù)據(jù)展示效果。③可視化平臺按照用戶瀏覽頁面習(xí)慣進(jìn)行排版布局。④可視化平臺通過強對比色突出顯示異常指標(biāo)，以獲取快速、及時的關(guān)注[11]。

3 應(yīng)用效果

數(shù)據(jù)可視化平臺是生產(chǎn)制造目視管理的重要組成部分。其完善了產(chǎn)線管控手段，實現(xiàn)了對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的直觀體現(xiàn)。該平臺通過對生產(chǎn)指標(biāo)的圖形化展示讓現(xiàn)場人員能夠快速掌握當(dāng)前的生產(chǎn)情況，及時發(fā)現(xiàn)異常。此外，平臺集中匯總了多系統(tǒng)間的核心業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成了對業(yè)務(wù)鏈全貌的完整展示。管理者可以通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺了解整體業(yè)務(wù)情況，從而提升管理效率。

可視化平臺的建設(shè)推動了公司對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的深度應(yīng)用。該平臺將原本分散甚至孤立的數(shù)據(jù)在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化加工和一致性處理后集中存儲，通過統(tǒng)計分析及可視化手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行多角度的展示，充分發(fā)揮了數(shù)據(jù)的價值，從而挖掘出更多信息用以支持決策。同時，通過把原有業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工作轉(zhuǎn)移到平臺，可大幅減少在SAP和MES等系統(tǒng)中數(shù)據(jù)讀取、處理等任務(wù)對業(yè)務(wù)執(zhí)行效率的干擾，使系統(tǒng)資源更多地服務(wù)于業(yè)務(wù)運轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

本文基于面向服務(wù)架構(gòu)，提出了縫制電控制造數(shù)據(jù)可視化平臺的設(shè)計方案。該方案實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和可視化展示等功能，在滿足數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的同時解決了數(shù)據(jù)同步的時效性問題，顯示效果流暢。目前，該平臺已成功應(yīng)用于某縫制電控制造生產(chǎn)線，極大地提高了生產(chǎn)線的管控效率，充分發(fā)揮了數(shù)據(jù)價值，得到了使用者的一致認(rèn)可。此外，該平臺也適用于其他的設(shè)備制造行業(yè)，具備較高的推廣價值。