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制造执行系统(Manufacturing Execution System， MES)是生产活动与管理活动信息沟通的桥梁，是实施90年代中期开始，利用可视化技术发现大量制造信息信息化的最有效手段之一。MES能通过信息传递，对从订单下达到产品完成整个的生产过程进行优化管理，并根据当前的准确数据对车间进行指导和处理，质量管理作为MES的核心功能之一，其主要功能是把从现场收集到的数据进行实时分析，以保证产品的质量控制并确定生产中需要注意的问题。MES拥有所有制造过程的基本的即时和历史的数据，形成了巨大的数据集合。但海量的数据超出了人工分析处理的能力，抽象数据背后隐含的质量信息难以有效、直观地表示，造成质量管理系统的信息难以传达、系统交互性和可视性差，控制效果和效益受到很大限制。随着信息技术和人机交互技术的发展，20世纪80年代末提出了可视化(Visualization)的概念，自上世纪90年代中期开始，利用可视化技术发现大量制造信息中隐含的规律以及进行可视制造和决策，已成为制造业信息化技术中新的热点。但纵观国内外的研究成果，主要集中在装配过程和计划调度可视化等方面，在可视化技术与质量管理过程相结合的研究成果尚不多见，同时这也成为企业成功实施质量控制的一个无法避免的障碍。为此，本文根据某汽配企业车间制造过程质量管理的实际需求，在基于MES的质量管理系统和现代质量管理理论的基础上，提出了可视化质量管理系统(Visual Quality Management System，VQMS)的概念，给出了基于MES的可视化质量管理系统的功能模型、实现流程和数据模型等系统实现的关键技术。
1 系统需求
汽配企业属于多品种及多种订单形式的离散模式生产型企业，客户和产品种类数量大、产品质量信息源头多、信息变化快，这些信息如不能及时有效地传达给质量管理者，会使企业的生产经营蒙受损失。要适应信息时代和企业信息化的要求，主要还存在以下需求：
1)实时、动态性的需求目前在大多数工业企业中，质量管理大多是通过质量计划下达、序后生产检验和质量统计报表等形式进行的静态质量管理和控制，控制效果和效益受到很大限制。质量管理系统需要能够能实时采集制造过程中的数据，及时掌握质量的状态并反映制造过程的问题，实现对生产质量动态地进行控制。
2)可视化的需求海量的质量数据枯燥又难以理解，数据背后包含的信息难以表达。系统可借助于信息技术把质量信息以人们惯于接受的表格、图形、图像、动画等可视化方法将质量及其内在的联系进行表现，为质量管理者提供依据。
3)交互性的需求传统的质量管理系统中管理者是被动的接受单方面信息，用户难以交互的方式管理质量数据。
鉴于此，企业必须借助于基于MES的可视化质量管理(MVQMS)系统，满足企业对质量管理的实时动态性、可视化和交互性的需求。
2 基本概念与模型
在基于MES的质量管理系统中应用的可视化是指信息可视化(Information Visualization，IV)。信息可视化是指利用计算机支撑的、交互的、对抽象数据的可视表示，来增强人们对这些抽象信息的认知。信息可视化基本参考模型如图1所示。
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图1 信息可视化参考模型 模型主要由原始数据、数据表、可视化结构和视图4个模块组成。首先，原始数据通过数据转换映射为数据表，描述了数据间的相关性；之后，数据表通过可视化映射转换为可视化结构，这一过程是信息可视化的核心；最后，通过视图转换设置图形参数，把可视化结构转换为视图，从而用户可以从特定的角度来查看数据库中的数据信息可视化结果，来服务于特定的任务。可视化质量管理中要解决的主要问题就是质量数据的映射、变换及交互控制。
可视化质量管理(Visual Quality Management，VQM)，就是用可视化的交互图形描述质量管理中的各种数据、抽象思维和管理理念。可视化质量管理的内涵包括以下几个方面：
1)对质量进行可视化处理是一种手段而不是目的。本系统的开发不是为了实现可视化本身，而是要通过可视化使质量管理的过程直观而快速，使质量人员实时了解质量状况、及时发现质量问题。
2)质量可视化不是质量数据的还原，而是要求能够创造性地把隐藏在质量数据背后信息挖掘出来，服务于质量管理和企业决策。
3)可视化质量管理是一个交互操作的过程。传统的质量管理系统中管理者是被动的接受单方面信息，互操作性差。交互方式有利于视觉思维，信息可视化将质量数据的多个属性或变量进行分类、排序、组合和显示，以方便用户以交互的方式管理质量数据。
4)可视化质量管理中的可视化主要是指信息可视化，可视化的内容不仅是具体质量数据，还有质量标准、文件及过程中的设备、人员等信息。
5)可视化的表现方法是多样的。可视化的表现手法可以是图形、图像、动画、声音、颜色等各种方式，根据需要在不同的状况下选择合适的可视化方式。
3 基于MES的可视化质量管理系统框架结构
根据MES现场管理中质量模块的基本定义，结合现代质量控制理论，提出基于MES的可视化质量管理系统的基本框架，如图2所示。
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图2 基于MES的可视化质量管理系统体系结构 模型反映了质量管理信息系统内部的逻辑关系。由MES数据采集软硬件系统将从生产车间采集到的实时数据连同CAPP生成的工序级质量标准等一起构成数据库系统，这些数据是可视化质量管理的依据；可视化质量标准指导生产车间和质量检验的操作；对于可视化质量检验、可视化质量统计与分析和可视化质量追溯过程中发现的问题，质量管理人员结合可视化质量标准和专家系统，查找问题原因并给出质量改进建议，反馈给生产系统，建立了完整的制造质量持续改进体系。
4 基于MES的可视化质量管理系统功能模型
根据以上对基于MES的可视化质量管理系统的分析，结合质量管理的流程，提出系统的功能模型，如图3所示。
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图3 基于MES的可视化质量管理系统功能模型 模型通过功能的模块化组件化设计来提高系统的柔性，以满足在不同离散制造企业的适用性。系统由可视化质量标准、可视化质量检验、可视化质量统计与分析、可视化质量追溯和质量诊断与质量改进5个主要部分及若干详细功能组成。下面分别分析各个模块的主要内容及其实现流程。
4.1 可视化质量标准
根据质量标准的来源和应用范围，可视化质量标准分为可视化质量文件、可视化产品质量标准和可视化工艺质量标准。其中，可视化质量文件包括可视化国际标准、可视化国家标准、可视化行业标准和可视化企业内部标准等；可视化产品质量标准包括可视化功能标准、可视化材料表和可视化公差标准等；可视化工艺质量标准包括可视化工艺参数、可视化操作标准和可视化检验标准等。可视化质量标准的过程模型如图4所示。
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图4 可视化质量标准的过程模型 4.2 可视化质量检验
可视化质量检验对生产过程中的原材料质量、在制品的工序质量、成品质量进行在线可视化判定，以确保从原料到成品入库一系列制造过程的质量。根据质量检验的阶段和对象的不同，可视化质量检验分为原材料可视化检验、工序质量可视化检验和成品质量可视化检验3个部分，依次完成对原材料、半成品和成品的质量检验。可视化质量检验的过程模型如图5所示。
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图5 可视化质量检验过程模型 4.3 可视化质量统计与分析
根据质量统计和分析的阶段不同，将可视化质量统计与分析分为可视化过程控制状态分析、可视化过程能力和可视化质量原因分析3个部分。在可视化过程控制状态中，对于大批量生产其可视化控制状态工具设计为休哈特控制图，对于小批量的产品其可视化控制状态工具设计为预控图。在可视化过程能力分析中，可视化工具通过将过程能力指数用图形对比来实现。在可视化质量原因分析模块，可视化工具设计为质量管理中常用的除控制图外的老7种工具和新7种工具。可视化质量统计与分析过程模型如图6所示。
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图6 可视化质量统计与分析过程模型 4.4 可视化质量追溯
质量追溯是为了发现在制造环节产生的质量问题及根源，实时纠正制造系统中的故障。可视化质量追溯的过程模型如图7所示。对于制造或使用中发现的问题，通过可视化追溯系统交互方式操作，可按批号、设备、工序、日期、订单号、加工人员或检验人员等条件进行查询。系统数据库结合该产品质量BOM，可以追溯到产品原材料信息、设备信息、工装信息、操作人、检验人、检验设备、加工数据和不合格品处置单号等信息。通过对这些数据的可视化处理，以直观交互的界面呈现追溯报告。
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图7 可视化质量追溯过程模型 4.5 质量诊断与过程调整
对于可视化的质量检验、质量统计与分析和质量追溯成仙的问题，必须进行质量追溯呈现的问题，必须进行质量诊断与调整。通过数据中的专家系统，查找问题的根本原因并给出相应的解决方案，运用PDCA循环的质量管理模式，逐次削减制造系统的变动性，最终达到稳定的制造性能和合适的过程能力。
5 基于MES的可视化质量管理系统数据模型
在对汽车配企业产品质量管理进行系统分析的基础上，得出基于MES的可视化质量管理系统概念数据模型的E-R图，如图8所示。需要说明的是，图中只给出与可视化质量管理系统有关的主要数据表，而其他为了满足表达完整性和系统开发需求设计的辅助性表未予呈现。
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图8 基于MES的可视化质量管理系统数据模型 6 系统买现技术
由于C/S(Client/Server，客户机/服务器)结构的交互性、安全性和实时性等方面较好，采用3层C/S结构。使用ASP.NET为前台开发工具，后台数据库用SQL Server 2008进行数据库管理，前后台之间通过ADO.NET进行数据和信息交换。通过程序设计并充分利用GDI+、OWC等绘图工具，完成可交互图形图表绘制，呈现可视化界面，以直观交互方式传递大量信息。
7 结语
文中提出了基于MES的可视化质量管理系统的基本概念，给出了系统架构、功能模型、实现流程及数据模型。作为MES系统中的子系统之一，系统实时分析从制造现场收集到的数据，以可视化方式管理质量标准、质量检验、质量统计与分析和质量追溯，改进了传统质量管理系统信息滞后且难以直观交互的弊端，有效地改善了企业质量管理的状况。
3/7/2012
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