工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺架構(gòu)研究

唐萬鵬，鄧仲平

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528137）

工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺架構(gòu)研究

唐萬鵬，鄧仲平

（佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山528137）

工業(yè)4.0背景下，大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和智能制造為傳統(tǒng)質(zhì)量管理帶來了新的挑戰(zhàn)和契機。針對產(chǎn)品、設(shè)計-生產(chǎn)、制造服務(wù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系存在的問題，充分吸收前人的研究成果，提出物聯(lián)網(wǎng)-大數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品與設(shè)計-生產(chǎn)質(zhì)量管理聯(lián)動模式，構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造服務(wù)質(zhì)量管理模式，進而設(shè)計了工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺架構(gòu)，以期為新時代背景下的質(zhì)量管理理論和實踐提供理論依據(jù)。

工業(yè)4.0；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；智能制造；質(zhì)量管理；集成平臺

質(zhì)量管理是指確定質(zhì)量方針、目標(biāo)和職責(zé)，并通過質(zhì)量體系中的質(zhì)量策劃、控制、保證和改進來使其實現(xiàn)的全部活動[1-2]。其發(fā)展經(jīng)歷了質(zhì)量檢驗階段、統(tǒng)計質(zhì)量控制階段和全面質(zhì)量管理/Sigma階段。在過去幾十年，傳統(tǒng)質(zhì)量管理無論是實踐界還是學(xué)術(shù)界均得到了飛速的發(fā)展。隨著工業(yè)4.0時代的到來，新ICT技術(shù)（如物聯(lián)網(wǎng)）、大數(shù)據(jù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)等對制造業(yè)設(shè)計-生產(chǎn)方式、生產(chǎn)要素配置方式、制造服務(wù)方式帶來了顛覆性的沖擊，進而驅(qū)使產(chǎn)品、設(shè)計-生產(chǎn)和制造服務(wù)質(zhì)量管理進行變革[3]。這些挑戰(zhàn)主要包括其在思維方式上從線性思維向非線性思維轉(zhuǎn)變，在決策模式上從基于經(jīng)驗決策向基于大數(shù)據(jù)的智能轉(zhuǎn)變，在流程與解決方案上從序貫離散型向分布式連續(xù)型資源配置轉(zhuǎn)變，在應(yīng)對結(jié)構(gòu)上從反饋響應(yīng)向前饋干預(yù)轉(zhuǎn)變等。在這種情形下，如何構(gòu)建工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺，是現(xiàn)代質(zhì)量管理實踐的迫切需求，也是新時代背景下質(zhì)量管理模式或體系發(fā)展的驅(qū)動力。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從不同視角對工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理進行了有意義的探索，但還處于起步階段。特別地，Vining等人從八個方面梳理和總結(jié)了制造業(yè)質(zhì)量工程問題的研究進展，并對此領(lǐng)域未來研究方向進行了預(yù)測，強調(diào)了未來研究工作中數(shù)據(jù)的重要性[3-4]。在工業(yè)4.0背景下的產(chǎn)品質(zhì)量管理方面，Doukas等提出了大規(guī)劃定制產(chǎn)品生產(chǎn)的有效全球制造網(wǎng)絡(luò)配置識別方法[5]。Li等試圖找到大數(shù)據(jù)與產(chǎn)品生命周期管理中相關(guān)數(shù)據(jù)的結(jié)合點，以期將傳統(tǒng)的質(zhì)量管理與現(xiàn)代（或物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)環(huán)境下的）質(zhì)量管理方法相結(jié)合或融合[6]。Xu等指出物聯(lián)網(wǎng)運用于食物（出廠后的產(chǎn)品或成品）供應(yīng)鏈中所面臨的問題，強調(diào)了物聯(lián)網(wǎng)對食物質(zhì)量管理提供了有力的技術(shù)支撐[7]。在工業(yè)4.0背景下的設(shè)計-生產(chǎn)質(zhì)量管理方面，Cheng等在大數(shù)據(jù)環(huán)境下面向生產(chǎn)過程提出了一種基于人工智能-計算實驗和并行工程的智能質(zhì)量管理系統(tǒng)[8]。Li等研究了基于制造業(yè)大數(shù)據(jù)分析云服務(wù)平臺的科學(xué)工作流程管理系統(tǒng)架構(gòu)及其調(diào)度問題[9]。在工業(yè)4.0背景下的制造服務(wù)質(zhì)量管理方面，Xu等針對制造網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)質(zhì)量問題提出了多層級的服務(wù)框架，其為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和智能制造環(huán)境下的制造服務(wù)質(zhì)量管理提供了理論支撐[10]。Liu等探究了云制造環(huán)境下制造服務(wù)質(zhì)量感知的服務(wù)組合優(yōu)化模型和方法[11]。Tao等將制造服務(wù)管理分為服務(wù)產(chǎn)生階段、服務(wù)預(yù)應(yīng)用階段、服務(wù)應(yīng)用階段和售后服務(wù)階段[12]。

從上述文獻可知，大多數(shù)學(xué)者未考慮產(chǎn)品與設(shè)計-生產(chǎn)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，缺乏從動態(tài)視角研究制造服務(wù)質(zhì)量相關(guān)問題，以及基于系統(tǒng)觀點構(gòu)建產(chǎn)品、生產(chǎn)-設(shè)計和制造服務(wù)的質(zhì)量管理集成平臺?；诖耍疚奶骄课锫?lián)網(wǎng)-大數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品和設(shè)計-生產(chǎn)質(zhì)量管理聯(lián)動模式，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造服務(wù)質(zhì)量管理模式和工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺架構(gòu)。

1 物聯(lián)網(wǎng)-大數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品與設(shè)計-生產(chǎn)質(zhì)量管理聯(lián)動模式

文獻[3]指出，未來的制造環(huán)境即使是對簡單的產(chǎn)品也將通過機器或智能的方式提高生產(chǎn)率，通過處理和分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（如高技術(shù)傳感器等）采集到的大量的產(chǎn)品和過程數(shù)據(jù)，可以提取產(chǎn)品和過程質(zhì)量改進相關(guān)的有價值的信息。另一方面，產(chǎn)品是設(shè)計-生產(chǎn)過程的產(chǎn)物，兩者是密不可分的。第一，本文將設(shè)計-生產(chǎn)過程分為技術(shù)準(zhǔn)備過程（如產(chǎn)品研發(fā)、工藝設(shè)計）、基本生產(chǎn)過程（如毛坯制造、零部件制造）、輔助生產(chǎn)過程（如設(shè)備維修、動力工具生產(chǎn)）、生產(chǎn)服務(wù)過程（如運輸物流、倉庫管理）四個階段；第二，各階段可分解為多個活動的有機組合，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集各個活動單元的實時數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析，從而實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和設(shè)計-生產(chǎn)過程質(zhì)量的在線感知與改進。在這種情形下，結(jié)合SWRL（Semantic Web Rule Language）推理技術(shù)、系統(tǒng)分析方法、系統(tǒng)動力學(xué)理論等構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)-大數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品與設(shè)計-生產(chǎn)質(zhì)量管理聯(lián)動模式，見圖1.

圖1 物聯(lián)網(wǎng)-大數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品與設(shè)計-生產(chǎn)質(zhì)量管理聯(lián)動模式

2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造服務(wù)質(zhì)量管理模式

服務(wù)質(zhì)量的概念來源于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它的目的主要是增加網(wǎng)絡(luò)整體效用和實現(xiàn)預(yù)期的績效。對于制造網(wǎng)絡(luò)而言，約束條件與其他網(wǎng)絡(luò)的約束相似包括有限的資源、多個工作競爭和沖突目標(biāo)等。制造應(yīng)用取決于用戶間傳送數(shù)據(jù)的溝通網(wǎng)絡(luò)，解決服務(wù)質(zhì)量問題對制造網(wǎng)絡(luò)而言是非常重要的，不僅僅是因為確保溝通網(wǎng)絡(luò)的績效，而且也是實現(xiàn)各種制造資源的有效管理。缺少有效服務(wù)質(zhì)量機制的系統(tǒng)績效會降低，制造資源可能變得不可用。物聯(lián)網(wǎng)為制造服務(wù)質(zhì)量的實時感知提供了可能，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為制造服務(wù)質(zhì)量實時分析提供了技術(shù)支撐，智能制造為制造服務(wù)質(zhì)量管理提供了平臺和應(yīng)用場景。

一方面，在文獻[12]的基礎(chǔ)上，將制造服務(wù)的生命周期分為產(chǎn)生（事前）、預(yù)應(yīng)用與應(yīng)用（事中）和售后（事后）三個階段。其中，制造服務(wù)產(chǎn)生階段包括服務(wù)建模與數(shù)字化描述、資源可視化、數(shù)據(jù)過濾與加工、數(shù)據(jù)傳輸、資源感知與連接；制造服務(wù)預(yù)應(yīng)用與應(yīng)用階段包括服務(wù)搜尋與匹配、服務(wù)評價、服務(wù)選擇與組合、服務(wù)調(diào)度與服務(wù)交易；物流服務(wù)、服務(wù)執(zhí)行與監(jiān)測、服務(wù)容錯等問題；制造服務(wù)售后階段包括服務(wù)釋放和服務(wù)分解。另一方面，將制造服務(wù)生命周期的長度刻畫為多個離散時點的序貫組合，進而描述其過去、現(xiàn)在和未來的狀態(tài)。此外，制造服務(wù)的數(shù)字化特征可從多個維度進行描述，這同時決定了制造服務(wù)的數(shù)據(jù)源是多個的，包括了結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。基于此，本文提出了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造服務(wù)質(zhì)量管理模式（見圖2），試圖借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等實現(xiàn)制造服務(wù)質(zhì)量的實時感知與評價、控制與改進。

圖2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造服務(wù)質(zhì)量管理模式

3 工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺架構(gòu)

工業(yè)4.0的主要關(guān)鍵詞包括智能制造、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等。從智能制造的定義可知，智能制造是最終實現(xiàn)的目標(biāo)，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)為智能制造提供技術(shù)支撐，同時大數(shù)據(jù)也是智能制造的環(huán)境要素。在這種情形下，本文認為物聯(lián)網(wǎng)為質(zhì)量管理研究提供了海量數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)技術(shù)；大數(shù)據(jù)為質(zhì)量管理研究提供了處理和分析已獲得基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的手段，同時為其提供了一種數(shù)據(jù)環(huán)境；物聯(lián)網(wǎng)是大數(shù)據(jù)的重要來源，大數(shù)據(jù)技術(shù)可支持物聯(lián)網(wǎng)上海量數(shù)據(jù)的更深應(yīng)用，大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合充滿了無限可能；物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)助力物聯(lián)網(wǎng)，由物聯(lián)網(wǎng)引發(fā)的大數(shù)據(jù)潮流將助推云計算等信息通信新技術(shù)的融合和發(fā)展，從而推動智能制造的發(fā)展，進而實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造與質(zhì)量管理的協(xié)同持續(xù)發(fā)展。同時，考慮產(chǎn)品、設(shè)計-生產(chǎn)與服務(wù)質(zhì)量管理的內(nèi)在機理，構(gòu)建工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺[13-14]，見圖3.

圖3 工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺架構(gòu)

從圖3中可以看出，整個架構(gòu)包括五個層次，分別為物理資源層、網(wǎng)絡(luò)資源層、智能制造平臺層、服務(wù)應(yīng)用層和訪問層。其中，物理資源層包括設(shè)備、技術(shù)、人力資源、物料、機器、服務(wù)器、PC和移動終端等元素；網(wǎng)絡(luò)資源層包括GIS信息、機器信息、設(shè)備信息、物料信息、人力資源信息、專家案例庫、質(zhì)量管理法規(guī)庫；智能制造平臺包括設(shè)計、生產(chǎn)、管理和服務(wù)環(huán)節(jié)及其管理系統(tǒng)（詳見圖3）；服務(wù)應(yīng)用層包括航天、汽車制造、輪船制造、機械制造、消費類電子產(chǎn)品等；訪問層包括各類產(chǎn)品質(zhì)量管理、設(shè)計-生產(chǎn)過程質(zhì)量管理、制造服務(wù)質(zhì)量管理相關(guān)主體。

4 結(jié)束語

本文首先對大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和智能制造等新ICT技術(shù)下的質(zhì)量管理進行了現(xiàn)狀分析，并找出其存在的問題；這對這些問題，分別從產(chǎn)品、設(shè)計-生產(chǎn)、制造服務(wù)及其三者的組合視角，構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)-大數(shù)據(jù)驅(qū)動的產(chǎn)品與設(shè)計-生產(chǎn)質(zhì)量管理聯(lián)動模式，構(gòu)建多源異構(gòu)數(shù)據(jù)驅(qū)動的制造服務(wù)質(zhì)量管理模式，工業(yè)4.0背景下的質(zhì)量管理集成平臺架構(gòu)，能為新時代背景下的現(xiàn)代質(zhì)量管理研究提供新的思路或方法，從而輔助政府或管理者進行決策，進而知道質(zhì)量管理實踐活動。

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Research on the Structure of Integrated Platform of Quality Management in Industry 4.0

TANG Wan-peng，DENG Zhong-ping
（Foshan Polytechnic，F(xiàn)oshan Guangdong 528137，China）

New challenges and opportunities for traditional quality management are proposed by big data，internet of things and intelligent manufacturing in industry 4.0.For the existed problems of relationships among products，design-production and manufacturing service，this paper develops the integrated mode of quality management of products and design-production based on internet of things and big data driven.Then，multi-source heterogeneous data-driven mode of quality management of manufacturing service is designed.This paper furthers to propose the structure of integrated platform of quality management in industry 4.0.Thus，it intends to provide the theoretical and practical insights on the development of quality management in the new era.

industry 4.0；internet of things；big data；intelligent manufacturing；quality management；integrated platform

TP39

：A

：1672-545X（2017）01-0223-03

2016-10-25

唐萬鵬（1975-），男，廣西人，碩士，講師，研究方向為自動化。