縫制電控制造數據可視化平臺的設計與應用

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.北京廣利核系統工程有限公司，北京 100094)

0 引言

隨著現代計算機技術的不斷發展，誕生了一種可以通過數字、圖表、標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信息，相對于傳統的管理手段，具有明顯的技術優勢。因此，從20世紀90年代開始，可視化管理已經成為日常生產管理中廣泛使用的工具之一[1-2]。

相對于國外，國內生產制造企業的可視化管理起步較晚。某縫制電控制造企業上線了制造執行系統(manufacturing execution system,MES)。該系統對接了已有的數據處理系統應用和產品(system applications and products in data processing，SAP)系統以獲取上游計劃指令，從而完成對生產執行的管控。經過應用發現，該系統雖然可以有效地采集生產車間執行層面的各類數據，但是對于生產管理人員而言缺少直觀的可視化管理工具。而對于公司各級領導而言，除了枯燥、單調的報表以外，也沒有形式多樣、一目了然的綜合數據平臺，更無法對外展示公司的生產制造能力。

對此，本文設計了一種生產制造數據的可視化平臺。該可視化平臺可以利用直觀的信息傳達手段，提高生產制造和管理效率。該可視化平臺不但可以在縫制電控制造領域應用，而且具備較高的、在其他行業推廣的價值。

1 制造數據可視化平臺的相關研究

1.1 主要功能

生產數據可視化平臺通常應用于設備生產車間，以提高生產制造的效率和管理效率。該平臺主要具備數據采集和維護、數據處理和圖形化展示三大功能[3]。

①數據采集和維護功能：支持多種數據接口方式，可從SAP和MES等外部系統同步業務數據；為線下手工管理的業務提供數據文件批量導入功能，并可對數據文件進行編輯；實現當班人員信息維護功能，可針對不同日期、不同產線、不同班次進行人員進行出勤情況的維護，同時支持人員頭像上傳。

②數據處理功能：實現對不同來源業務數據的規范化、標準化處理，消除差異，保證數據一致性；實現數據處理過程中異常情況的日志記錄，由人工進行異常處理后可手動觸發再次同步。

③圖形化展示功能：實現以多種形式的圖形、圖表以及動畫，對不同數據指標進行展示；實現對多頁數據的自動滾動以及多指標間的自動切換；支持動態刷新，可自定義刷新頻率。

1.2 設計難點

生產數據可視化平臺的設計難點如下。

①可視化數據來自于多個異構系統。平臺需能夠支持多種類型的數據同步接口。同步任務要兼顧時效性和系統性能，既不能對生產業務系統產生壓力，又必須保證數據同步的及時性。

②多系統間的業務數據需要充分考慮其標準化和規范化，要保證經過可視化展示的數據與業務系統的原始數據完全一致。

③展示內容的設計要考慮硬件設備的呈現能力和場地環境的光影因素，圖形、圖表以及動畫要能夠根據數據刷新形成流暢的視覺效果。

2 縫制電控制造數據可視化平臺的設計

2.1 系統架構

生產制造數據可視化平臺通過軟件方式，對已有的業務系統和未實施信息化的業務數據進行采集、處理以及圖形化展示。該平臺向業務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現生產制造過程中的異常情況。平臺系統根據對數據對象的處理方式，分為采集、處理、存儲和展示幾大模塊?？梢暬脚_系統架構如圖1所示[4]。

圖1 可視化平臺系統架構圖

首先，由于受到企業信息化現狀的制約——既有先進的商業企業資源計劃(enterprise resource planning，ERP)系統，又存在手工處理的業務流程——以一種通用的數據采集方式或平臺產品來收集全部相關業務數據可行性不高。因此，可視化平臺提供了系統接口服務模塊和線下數據采集模塊。其次，平臺提供了數據處理模塊，對應用規則不一致但業務含義相同的數據進行了標準化、一致性處理。再次，為了滿足減少數據交互帶來的通信壓力、對元數據的保留以及數據展示響應時間短等要求，平臺將采集到的原始數據和處理后的數據保存在平臺專有的數據庫中。最后，平臺通過圖形化處理將數據展示在終端顯示設備上。

2.2 軟件設計

可視化平臺的主要功能分為數據采集處理和頁面展示兩大部分。數據采集處理功能主要負責通過多種采集方式將數據讀取到平臺中，并根據業務邏輯進行處理。頁面展示功能借助豐富的圖形、圖表組件，對處理后的數據進行可視化呈現。因此，平臺采用前后端分離的方式進行系統實現。系統由獨立的前端工程和后端工程組成，兩者通過數據接口通信，降低技術耦合。前端工程包括用戶接口(user interface， UI)和可視化頁面。后端工程包括數據采集、數據處理、數據存儲和數據讀取功能[5]。

數據采集功能模塊交互如圖2所示。

圖2 數據采集功能模塊交互圖

2.2.1 數據采集功能設計

可視化平臺的設計初衷就是要避免從各個業務系統直接抓取原始數據進行展示的問題。這種方式既增加了外圍系統的壓力，又無法保證可視化的效果。數據采集模塊提供了從業務系統和采集設備中讀取數據的功能，將獲取到的數據保存到平臺內。根據技術成熟度和現有業務系統的信息化程度，數據采集方式分為以下四種。

①成熟的外部系統，如SAP和MES。這類系統自身的技術架構完善，通過定義良好的數據接口與外部交互。為了降低與這類系統數據通信實現的復雜程度、保持各系統的松散耦合，可視化平臺采用了面向服務架構(service oriented architecture,SOA)。SOA技術將數據接口識別為各種服務，根據不同系統的技術特性選擇相應的服務實現方式，并利用標準接口協議進行通信。同時，SOA架構可以對服務進行統一管理，靈活性強、擴展性好[6]。從面向服務的角度來看，可視化平臺既是服務的提供者，又是服務的消費者。作為服務使用方，可視化平臺通過遠程功能調用(remote function call，RFC)從SAP系統讀取生產主數據、銷售業務原始單據[7]；通過Web Service訪問MES的生產訂單信息。同時，可視化平臺向MES提供了超文本傳輸協議(hyper text transfer protocol，HTTP)接口，通過接口調用，MES可以實時向平臺發送工單信息。

②對于技術棧落后的老舊系統以及無法進行二次開發的應用，可視化平臺利用通用的中間件技術實現數據集成。在數據庫讀取上采用的是Mybatis-Spring中間件。這是一種將具體業務處理和底層邏輯解耦的組件技術，屏蔽了底層數據庫訪問技術細節，支持對多種數據庫的操作，并通過數據映射接口和映射配置，在業務處理過程中快速進行數據的讀寫。系統定時將第三方數據庫中的數據采集到本地數據庫。為保證數據安全，在被訪問系統的數據庫中要進行數據視圖設計和訪問授權設計。

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

④在生產車間配備有支持標準通信協議的溫濕度采集設備?？梢暬脚_通過基于MODBUS/TCP協議實現與設備的通信。根據設備廠商所提供的通信協議手冊，經過對協議數據幀中的報文頭、功能碼和數據的解析，可實時獲取當前的溫濕度數據。這種方式通用性好，可以擴展到各類硬件采集設備的數據讀取中。

2.2.2 數據標準化處理功能設計

可視化平臺采集到的數據來自各種不同的業務系統和設備，缺少統一的數據標準化體系。為保證可視化展示數據的一致性，首先要完成數據處理工作。標準化處理功能將數據按照業務含義和邏輯進行轉換，依據最新的數據標準、數據格式和可視化需求對數據進行處理，并將其保存到平臺的數據庫中。經過一致性處理后的數據在邏輯上可以清晰表達原有業務含義，并可被方便、快捷地轉換成前端數據圖表的數據源，從而更加符合可視化的要求。這提高了數據加載的速度，使頁面渲染更加流暢[9]。

數據處理被設計在數據采集之后。當通過各種方式完成數據采集工作后，由系統自動生成一個定時任務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。數據一致性處理工作不屬于即時性操作，并不需要在完成數據采集工作后立刻進行。因此，異步處理更為合適。數據處理速度直接受到數據量大小的影響。當數據較多時，必然會降低系統性能，將處理工作按任務劃分后串行執行。這一方面可以有效減少系統請求響應時間，另一方面也降低了數據庫讀寫壓力。

2.2.3 數據可視化展示功能設計

前端數據可視化處理流程如圖3所示。

圖3 數據可視化處理流程圖

前端工程通過異步JavaScript和XML(asynchronous JavaScript and XML， AJAX)調用后端接口服務獲取數據進行展示。平臺根據業務變化的頻率設定前端數據刷新的頻率。不同圖表指標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據交換，保證了整個頁面的穩定顯示。此外，對于變動較小的數據，采用了前端緩存處理的方式，通過在文件中保存JSON字符串的方式將數據存在客戶端本地，避免頻繁向后端請求相同數據，減少了多次請求大量數據帶來的服務壓力。

可視化平臺通過多種形式的圖形表格對業務數據進行生動形象的展示，向用戶直觀并且及時地展現業務情況?？梢暬O計既要滿足對數據的準確描述，又要考慮觀看者的關注點和習慣、與顯示設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顯示比例設計，可以同時滿足多種尺寸的終端設備進行展示且效果相同，無需因為硬件更換而重新調整頁面。②可視化平臺整體采用深藍色調背景，通過對比色來顯示圖表中的各項指標，利用柱狀圖、折線圖、水滴圖和數據表格等多種方式豐富數據展示效果。③可視化平臺按照用戶瀏覽頁面習慣進行排版布局。④可視化平臺通過強對比色突出顯示異常指標，以獲取快速、及時的關注[11]。

3 應用效果

數據可視化平臺是生產制造目視管理的重要組成部分。其完善了產線管控手段，實現了對生產數據的直觀體現。該平臺通過對生產指標的圖形化展示讓現場人員能夠快速掌握當前的生產情況，及時發現異常。此外，平臺集中匯總了多系統間的核心業務數據，形成了對業務鏈全貌的完整展示。管理者可以通過統一的數據平臺了解整體業務情況，從而提升管理效率。

可視化平臺的建設推動了公司對業務數據的深度應用。該平臺將原本分散甚至孤立的數據在經過標準化加工和一致性處理后集中存儲，通過統計分析及可視化手段對數據進行多角度的展示，充分發揮了數據的價值，從而挖掘出更多信息用以支持決策。同時，通過把原有業務系統中的數據統計分析工作轉移到平臺，可大幅減少在SAP和MES等系統中數據讀取、處理等任務對業務執行效率的干擾，使系統資源更多地服務于業務運轉。

4 結論

本文基于面向服務架構，提出了縫制電控制造數據可視化平臺的設計方案。該方案實現了數據采集、數據處理和可視化展示等功能，在滿足數據標準化的同時解決了數據同步的時效性問題，顯示效果流暢。目前，該平臺已成功應用于某縫制電控制造生產線，極大地提高了生產線的管控效率，充分發揮了數據價值，得到了使用者的一致認可。此外，該平臺也適用于其他的設備制造行業，具備較高的推廣價值。