李彥林 董緒琪 李 艷

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

為充分發(fā)揮數(shù)據(jù)對質(zhì)量提升的驅(qū)動作用，該文參照動車組故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)，對廠內(nèi)制造過程（車體、轉(zhuǎn)向架和總裝）和供應(yīng)商制造過程的數(shù)據(jù)進行采集、建模分析，搭建產(chǎn)品制造關(guān)鍵過程質(zhì)量PQM 模型，推動產(chǎn)品質(zhì)量管控模式由符合性向優(yōu)質(zhì)一致性轉(zhuǎn)變，助力數(shù)據(jù)驅(qū)動型企業(yè)建設(shè)。該模型可實現(xiàn)健康評估、趨勢預(yù)測、異常報警、過程改進和批量一致。健康評估即形成過程質(zhì)量健康狀態(tài)的量化、精準評估；趨勢預(yù)測即預(yù)測未來質(zhì)量，提前對出現(xiàn)的不良趨勢進行改進；異常報警即預(yù)防差錯和缺陷的流轉(zhuǎn)；過程改進即對自動觸發(fā)設(shè)計、工藝及現(xiàn)場“六要素”進行改進；批量一致即實現(xiàn)平臺、項目和供應(yīng)商之間過程質(zhì)量的一致性管控。

模型的搭建基于產(chǎn)品特性類數(shù)據(jù)，包括計量值數(shù)據(jù)（如線性尺寸、形位公差和原材料理化數(shù)據(jù)等）以及計數(shù)值數(shù)據(jù)（如探傷缺陷數(shù)、不合格件數(shù)等）。

過程能力指數(shù)（CPK）是指工序在某一特定時間內(nèi)處于穩(wěn)定狀態(tài)下的實際加工能力。該指數(shù)自20 世紀就廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)的制造業(yè)（從最初的機械行業(yè)，再到之后的電子行業(yè)），已具備成熟的理論基礎(chǔ)。該文以動車組車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)的PQM 模型為例，闡述了CPK 在動車組制造過程中的車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)中的運用。

1 PQM 模型整體設(shè)計

1.1 模型搭建

1.1.1 數(shù)據(jù)源獲取及處理

數(shù)據(jù)源來源于多個現(xiàn)有系統(tǒng)（QMS 系統(tǒng)、EMS 系統(tǒng)和MRO 系統(tǒng)等）和人工錄入數(shù)據(jù)，需要將所有的數(shù)據(jù)抽取到大數(shù)據(jù)平臺才可進行后續(xù)操作，即使用數(shù)據(jù)治理工具ETL 通過作業(yè)調(diào)度將各數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)放置到大數(shù)據(jù)平臺各ODS 表中。如果有新增數(shù)據(jù)源，就需要新建ODS 級別對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，確認數(shù)據(jù)所來自的業(yè)務(wù)系統(tǒng)及對應(yīng)的數(shù)據(jù)表后走企業(yè)內(nèi)部流程，通過后即可將數(shù)據(jù)添加到大數(shù)據(jù)平臺。

在應(yīng)用ETL 工具對數(shù)據(jù)進行加工處理，并結(jié)合各數(shù)據(jù)源業(yè)務(wù)需求處理對應(yīng)的ODS 表后，將處理后的數(shù)據(jù)放入表【DM_D_MFT_QUA_CPK_BASIS_INFO】中。處理過程中需要加入日期、區(qū)域、數(shù)據(jù)源名稱以及獲取方式（現(xiàn)有系統(tǒng)、電子表格等）等信息，用于后臺模型維護界面新增。

經(jīng)過一系列的任務(wù)調(diào)度，數(shù)據(jù)會被放入結(jié)果表、異常結(jié)果表中，以滿足預(yù)警和統(tǒng)計分析需要。

1.1.2 CPK 模型建立

模型的建立需要在ETL 數(shù)據(jù)治理平臺上操作，使用SQL 語言建立存儲過程，指定輸入?yún)?shù)、結(jié)果存儲表及異常結(jié)果存儲表，編寫計算邏輯及預(yù)警邏輯。輸入?yún)?shù)為區(qū)域、數(shù)據(jù)源名稱、日期及分析字段名稱等，并自定義選擇分析維度為項目集還是單個項目，從模型配置參數(shù)配置表中獲取已經(jīng)配置好的預(yù)警上、下限，規(guī)格上、下限及子組個數(shù)，執(zhí)行寫好的存儲程序，即模型計算規(guī)則后，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入指定的結(jié)果數(shù)據(jù)庫表【DM_D_MFT_QUA_CPK_RESULT_QCC2】中，將異常結(jié)果數(shù)據(jù)寫入指定的數(shù)據(jù)庫表【DWD_D_MFT_QUA_EXCEPTION_INFO_CPK】中。

1.1.3 模型計算規(guī)則

CP 是在不考慮偏移（規(guī)格中心值就是均值）的情況下的短期過程能力指數(shù)。CP 反映的過程能力就是目前能夠達到的最高水平，除非系統(tǒng)措施進行了剔除普通原因的操作。

CPK 是在考慮偏移（規(guī)格中心值不是均值）的情況下的短期過程能力指數(shù)。過程能力的實際情況是通過CPK 體現(xiàn)出來的。提高CPK 值可以減少偏移。一般可采取剔除特殊原因的局部措施來提高CPK 值。

CPK 模型計算規(guī)則需要在ETL 平臺使用SQL 語言來編寫。

1.1.3.1 取數(shù)規(guī)則

取當日起往前推移近30 天的數(shù)據(jù)，并取每天最新X 個子組數(shù)據(jù)，計算日CPK 值，系統(tǒng)支持X 值可選擇性，選項分別為16、32、64、125 和250 個子組或自定義子組個數(shù)，實現(xiàn)了分析的靈活性、多樣性，可在不同需求情況下給予數(shù)據(jù)支持。

1.1.3.2 計算規(guī)則

根據(jù)以上2 組代碼計算出的結(jié)果值（最大值、最小值、均值、標準差），并根據(jù)CP/CPK 計算公式分別計算出C和C，然后取較小的值即為CPK 結(jié)果。

CP/CPK 的計算如公式（1）～公式（3）所示。

式中：C為無偏移上單側(cè)短期過程能力指數(shù)；T為最大值；μ 為子組均值；σ 為子組標準差。

式中：C為無偏移下單側(cè)短期過程能力指數(shù)；T為最小值。

式中：CPK 為有偏移短期過程能力指數(shù)。

CP 與CPK 的區(qū)別如下：如果CP=CPK，此時必須滿足的條件為K=0，則只有在計量值為雙側(cè)公差，且標準中心和分布中心完全重合的情況下才可實現(xiàn)。如果K=1，意為僅在質(zhì)量特性分布中心位于標準上限或下限的情況下。如果K>1，則質(zhì)量特性分布中心肯定位于標準范圍之外。而且K值越小越好。

實際有效的標準范圍不能直接拿來利用，在實際生產(chǎn)中，質(zhì)量標準中心與分布中心一般情況下不會完全重合。在產(chǎn)生偏移的情況下，不可用分布在中心左側(cè)能力的增加值去彌補右側(cè)工序能力的損失值，僅可用兩者中較小值來計算工序能力指數(shù)。這個工序能力指數(shù)的別稱為修正工序能力指數(shù)，記為CPK。修正工序能力指數(shù)指的就是一般的工序能力指數(shù)。

CPK 永遠小于或等于CP，CPK 在任何情況下都大于或等于0。

判定標準與處置見表1。

1.2 模型配置

1.2.1 基礎(chǔ)維護界面

該系統(tǒng)支持區(qū)域維護、模型類型維護和項目集自定義維護，可進行新增、刪除和修改。

1.2.1.1 區(qū)域維護

每個區(qū)域?qū)?yīng)1 個狀態(tài)，此狀態(tài)字段為啟用或不啟用下拉選項。如果某區(qū)域狀態(tài)改為不啟用后，則該區(qū)域下的所有數(shù)據(jù)源均不可配置模型，即該區(qū)域數(shù)據(jù)不可使用；如果區(qū)域狀態(tài)改為啟用后，則該區(qū)域下的所有數(shù)據(jù)源可正常使用，可進行后面的操作計算。

1.2.1.2 模型類型維護

每個模型類型對應(yīng)1 個狀態(tài)，此狀態(tài)字段為啟用或不啟用下拉選項。如果該模型狀態(tài)改為不啟用后，則所有區(qū)域下該模型均不可使用；如果模型狀態(tài)改為啟用后，則所有區(qū)域下該模型均可正常使用。

1.2.1.3 模型新增

如果新增模型時，該處僅配置模型的名稱，則需要在ETL 數(shù)據(jù)治理平臺去開發(fā)新的模型邏輯，制定具體的模型規(guī)則。

1.2.1.4 項目集自定義維護

項目集是指在某一區(qū)域下，將工藝標準相同的幾個項目放到一起，組成1 個項目集。該項目集可作為配置模型的項目單位，可配置多個項目。點擊新增按鈕，選擇區(qū)域，填寫項目集名稱，選擇項目，設(shè)置狀態(tài)為可用，最后點擊保存按鈕。

項目集名稱要求是唯一的，不能重復命名。同時編輯時項目集名稱不允許修改。

關(guān)于項目集與CPK 模型配置的“啟用”和“停用”系統(tǒng)邏輯如下：1） 如果項目集的狀態(tài)由“啟用”變更為“停用”狀態(tài)，則該項目集配置的CPK 模型的狀態(tài)變更為“停用”狀態(tài)。2） 如果此時將CPK 模型配置界面的狀態(tài)改為“啟用”，則會提示錯誤信息“該項目集***已關(guān)閉，請啟用該項目集”。3） 如果該項目集的狀態(tài)由“停用”更改為“啟用”，則該項目集配置的CPK 模型的狀態(tài)仍為“停用”，需要手動去修改CPK 模型的狀態(tài)。

1.2.2 模型自定義配置

模型設(shè)有區(qū)域自定義配置。如果選擇區(qū)域為車體，那么后續(xù)的所有配置都只適用于車體業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。同一區(qū)域具有多個數(shù)據(jù)源，配置人員可根據(jù)業(yè)務(wù)需求選擇不同數(shù)據(jù)源。不同數(shù)據(jù)源可對模型配置不同項目集或者項目（項目下可區(qū)分車型）、CPK 預(yù)警上限、CPK 預(yù)警下限、規(guī)格上線、規(guī)格下限和子組個數(shù)等。具體的配置操作步驟如下。

1.2.2.1 數(shù)據(jù)源配置界面

模型配置的首頁導航欄為區(qū)域，列表字段為區(qū)域、數(shù)據(jù)源名稱和模型個數(shù)，刪除操作，支持數(shù)據(jù)源新增。

新增數(shù)據(jù)源時，以區(qū)域車體為例，選中區(qū)域車體，點擊“新增”按鈕，即可選擇車體區(qū)域下的不同數(shù)據(jù)源名稱。選擇1 個數(shù)據(jù)源名稱后，點擊“確定”即完成在區(qū)域車體下新增1 個數(shù)據(jù)源。

1.2.2.2 新增模型界面

數(shù)據(jù)源新增完成后，可點擊數(shù)據(jù)源名稱，系統(tǒng)會彈出模型配置列表界面，包括字段。點擊“新增”，進入新增模型界面，模型類型選擇過程能力指數(shù)CPK，配置分析維度項目集或項目（可具體到車型），配置參數(shù)（CPK 預(yù)警上限、CPK 預(yù)警下限、規(guī)格上線、規(guī)格下限、子組個數(shù)和分析字段），且預(yù)警上、下限和規(guī)格上、下限均可人工錄入。規(guī)格上限為必須錄入字段，用于計算CPK。預(yù)警上、下限則在預(yù)警邏輯中使用，可只配置下限，也可都配置。如果不配置，則默認無預(yù)警邏輯。子組個數(shù)有下拉框選項，可選擇16、32、64、125 和250 等子組個數(shù)，也可自定義除選項外的子組個數(shù)。分析字段必須為1 個，同時要求為數(shù)值類型。每個模型都可配置1 個或多個推送人，用于預(yù)報警信息推送。

數(shù)據(jù)源配置完成后進入模型列表，其中除新增模型字段外還有字段狀態(tài)，開啟狀態(tài)代表該模型啟用，關(guān)閉狀態(tài)代表該模型不啟用?？梢耘渲? 個或者2 個以上CPK 模型。如果配置1 個CPK 模型，模型為開啟狀態(tài)時，前臺可調(diào)用數(shù)據(jù)；模型為關(guān)閉狀態(tài)時，前臺不可調(diào)用數(shù)據(jù)。如果配置2 個以上CPK 模型，則模型只要有1 個是開啟的，前臺就可調(diào)用開啟模型數(shù)據(jù)，模型只有在全部關(guān)閉狀態(tài)下，前臺才不可調(diào)用數(shù)據(jù)。

在模型列表中點擊推送人員信息的“查看”按鈕可查看已配置的推送人員信息，包括字段項目類別、區(qū)域、項目名稱、車型、推送部門、推送人員及聯(lián)系電話。

2 應(yīng)用效果

根據(jù)上述方案的自定義配置情況和計算結(jié)果，即根據(jù)配置的子組數(shù)計算出日CPK 結(jié)果值，可生成近30 日CPK 值監(jiān)控圖。進而需要對監(jiān)控圖進行分析，以便針對生產(chǎn)過程中潛在的不穩(wěn)定情況及時采取措施。

表1 CPK評級標準

該系統(tǒng)設(shè)定的CPK 預(yù)警條件有2 種，第1 種是CPK 值大于最大值，第2 種是CPK 值小于基準值，這2 種情況符合其中任何一種均會預(yù)警。根據(jù)圖1 可知，2022 年3 月10日CPK 值均為1.4125，大于基準值1.1000，過程能力處于A 和B 之間，說明生產(chǎn)過程穩(wěn)定性一般，需要保持其控制狀態(tài)，并盡量往A 靠攏提升；如果CPK 值達到或大于最大值，則說明生產(chǎn)過優(yōu)，而實際生產(chǎn)很難達到CPK指數(shù)為最大值的情況，需要進一步核實驗證。如果判定無誤，可考慮降低成本。當CPK 值處于過程能力為A+時，屬于最理想的狀態(tài)，只需要持續(xù)保持這種生產(chǎn)過程即可。當CPK 值處于過程能力為A 時，屬于生產(chǎn)過程穩(wěn)定性良好，狀態(tài)相對比較穩(wěn)定，可盡量往A+靠攏提升。當CPK 值小于基準值時，說明生產(chǎn)中有不合格品產(chǎn)生，過程有妥善管理及改變的必要，符合第2 條預(yù)警條件，系統(tǒng)預(yù)警會根據(jù)配置的推送人信息推送給對應(yīng)負責人，維度分為項目集、項目或項目下的某一車型，以滿足各種情況下的需求。

除如圖1 所示的CPK 監(jiān)控圖，系統(tǒng)還對預(yù)警情況做了匯總頁面，實時展示預(yù)警信息，以供管理者實時把控生產(chǎn)作業(yè)質(zhì)量。

負責人處理CPK 預(yù)警信息時除從待辦進入外，還可以從匯總表下查看預(yù)警詳情，跟隨每條預(yù)警詳情進入處置頁面，提交預(yù)警處置。

系統(tǒng)還針對預(yù)警信息處置時長做了進一步統(tǒng)計分析，分月度、區(qū)域、各模型單個預(yù)警處置時間等對處置時長進行統(tǒng)一管控，無形中可起到督促員工及時處置問題、提高工作效率的作用，進而達到提高生產(chǎn)效率的目的。

圖1 CPK 監(jiān)控圖

3 結(jié)語

根據(jù)CPK 計算邏輯可知，CPK 應(yīng)用的前提是要有可以量化的數(shù)據(jù)來支撐過程的監(jiān)控點，要有對應(yīng)的雙側(cè)或單側(cè)公差以及確定對應(yīng)的標準，生產(chǎn)過程要處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。

根據(jù)CPK 的計算規(guī)則可知，要想在動車組車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)中運用好CPK，必須充分考慮動車組生產(chǎn)過程中車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)的特點，制定出有效的數(shù)據(jù)采集及處理方案，使獲取的數(shù)據(jù)能對生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的預(yù)測有保障。

在生產(chǎn)過程中也可將CPK 與其他控制方法相結(jié)合，使CPK 的計算不是1 個靜態(tài)過程，而是1 個動態(tài)的監(jiān)控，才能更加及時地發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程穩(wěn)定性的波動，對波動的處理也就更具主動性。

綜上所述，該文基于CPK 模型，并結(jié)合動車組車體內(nèi)高尺寸數(shù)據(jù)的特點，設(shè)計了適用的監(jiān)控方案。在CPK 的應(yīng)用過程中，基于CPK 結(jié)果值報表分析，對預(yù)警點進行了研判，及時解除預(yù)警，使CPK 值保持在一個適宜的水平，在確保生產(chǎn)過程穩(wěn)定的同時，在一定情況下還可以達到降低質(zhì)量成本的目的。