大數據環境下刀具倉儲與采購智能協同研究

朱思征++王山山++敖麗娜++鄔春學++徐燁

摘要：刀具是柔性制造企業中重要的工具資源，信息化是柔性制造企業的顯著特征。論文在大數據環境下，利用刀具信息管理系統與其他如ERP、CAM、PDM等信息系統沉積的數據，分析了刀具消耗與生產計劃存在的線性回歸關系，并研究刀具庫存與采購的智能協同閾值的發現公式，根據生產計劃預測刀具的消耗，科學配置刀具的庫存量以加快資金周轉提高經濟效益。

關鍵詞：大數據；刀具信息管理；智能協同

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

DOI： 10.3969/j.issn.1003-6970.2016.02.007

引言

2015年，隨著國務院正式印發“中國制造2025”，以互聯網與制造業結合為亮點的中國工業即將迎來一輪發展大潮。柔性制造加工中心、復雜制造加工中心、快速制造加工中心等機械加工中心的地位與發展前景向好。機械加工中心的快速普及使得機械加工的自動化程度日益提高，標準化、模塊化、多樣化的刀具被大量應用到生產中去，刀具作為一種易耗品已成為加工企業的重要生產資源。作者在對浙江臺州模具協會調研走訪多家企業后發現，為盡可能減少對流動資金的占用，企業一般只會倉儲很少的刀具庫存，而刀具一旦未能及時供應，工廠的生產將受到極大的影響。因此，建立一種庫存、配送智能協同機制，實現按需、按時、安全配送刀具將會對企業的生產帶來積極的影響。論文研究大數據環境下，利用刀具信息管理系統與其他如ERP（Enterprise Resource Planning，企業資源計劃）、CAM（computer Aided Manufacturing，計算機輔助制造）、PDM（Product Data Management，產品數據管理）等信息系統沉積的數據，研究刀具庫存預警與智能采購的協同機制，從而實現刀具倉儲、配送的智能化管理。

l 刀具信息管理系統

刀具信息管理系統是以計算機應用技術為基礎，對刀具的采購、出入庫、裝配、使用、校準、報廢等過程進行信息化管理，幫助企業有效地改善刀具管理流程，降低刀具使用成本的管理軟件。傳統的刀具管理軟件大部分著眼于刀具管理系統的某一方面，較少考慮刀具使用過程中不同業務各個階段的約束和關聯，容易造成刀具信息孤島。從全球范圍來看，國外白20世紀九十年代以后刀具管理系統得到較快的發展，KATMS（Kennametal Automated Tool ManagementSolutions）、 ETMS （Enterprise Tool ManagementSoftware）、TDM（Tool Data Management System）等系統得到廣泛應用。在國內，刀具管理系統的研究雖然起步較晚，但許多科學院所學校和企業投入大量人力物力去研究和開發，如西北工業大學的周占峰研究了面向ERP的刀具信息管理系統，同濟大學的姜源等提出了基于RFID的刀具信息管理系統，復旦大學的姜艷萍對汽車制造行業的刀具信息管理系統進行了深入研究等。

現代刀具管理系統在研究企業具體需求的基礎上，提出了基于刀具生命周期的管理機制，在圖1所示的過程中通過技術手段對每一把刀具進行編碼，實現了刀具從采購、庫存、應用、檢測維護到報廢的全生命周期管理。由于企業使用刀具型號、種類多樣，每種刀具的庫存數量有限，因此刀具采購是相對高頻的應用，采購信息管理涉及了供應商、物流配送、支付等環節。刀具庫存管理是企業刀具信息管理系統的核心應用，包含了出庫、入庫等業務流程，在當前物聯網蓬勃發展的環境下，條形碼、射頻識別等技術均被應用于庫存的出入庫管理。刀具的參數信息管理是刀具信息管理系統的關鍵，刀具相關的參數表、外形圖、裝配圖、輔助工具清單等相關數據是刀具管理系統與其它諸如ERP、CAM、CAPP（Computer AidedProcess Planning，計算機輔助工藝過程設計）、PDM等系統交互的基礎，也是刀具精細化管理必備的條件。企業在生產過程中，常常對刀具進行組裝與管理，而產品生產的刀具組裝模式相對穩定，因此對每組組裝刀具作為整體進行管理，可以大幅提高組裝刀具的生產準備效率。除上述功能外，一套完整的刀具信息管理系統還要包含報廢、刀具維護信息、系統基礎數據、授權、用戶管理等其它模塊。

2 大數據環境下刀具倉儲與采購配送智能協同研究

人、機、物三元世界的高度融合引發了數據以前所未有的速度進行持續性累積式增長，信息社會已進入大數據（Big Data）時代。大數據本身就是一個抽象概念，近幾年來很多國際頂級學術期刊如Nature和Science等相繼出版專刊研究大數據，工業界與政府機構也密切關注大數據問題。然而，眼下學術、工業等各界專家在大數據定義問題上尚未達成一個完全共識。比較知名的大數據定義來源于研究機構Gartner，其定義如下：大數據是需要新處理模式才能具有更強的決策力、洞察發現力和流程優化能力的海量、高增長率和多樣化的信息資產。雖然大數據的定義尚未統一定論，但更好地應用大數據才是關鍵。大數據的戰略意義不在于其數據信息有多么龐大，而在于獲取這海量數據后面的知識與意義。換言之，提高數據的“加工能力”，通過“加工”實現數據的“增值”是大數據研兗的重要意義。

2.1 數據來源：刀具信息系統及其關聯環境

大數據的重要特點數據來源廣泛、數據類型復雜、數據結構多樣，處理與應用大數據首先需要面對的便是從廣泛的數據源進行數據的抽取與集成，經過實體與關系的關聯、聚合之后采用統一定義的結構來存儲這些數據。柔性制造企業多基于數控機床等信息化設備進行生產，企業信息化程度較高，在企業的信息化系統中，ERP、PDM、CAM等系統與刀具信息管理系統之間存在數據信息的共享與交換，一般聯系如圖2所示。

ERP是一種面向離散型生產和流程型生產特點的制造業等企業，將物流，資金流，信息流進行全面一體化管理的信息系統。ERP是企業大數據的主要來源，其一般包含：生產控制管理（計劃、制造）、物流管理（分銷、采購、庫存管理）和財務管理（會計核算、財務管理）。由于柔性生產所需刀具型號、種類、組合等復雜性因素，ERP系統未能實現對刀具的有效管理，大多企業仍將刀具中心進行單獨管理并獨立部署刀具信息管理系統，但生產計劃、能力需求計劃等計劃的制定一般均基于ERP系統。一件產品從設計到生產之間需要確定每一道生產工序及生產工藝，CAM與CAPP系統在與刀具信息管理系統融合后，在生產工藝的安排上已盡量考慮現有刀具的數據，為智慧化生產提供支持。PDM是幫助工程師和其他人員管理產品數據和產品研發過程的工具，能跟蹤設計、制造所需的大量數據和信息，并能有效的組織工藝過程卡片、零件藍圖、三維數模、刀具清單、質量文件和數控程序等生產作業文檔，實現企業車間現場無紙化生產。刀具信息管理系統通過與其他信息系統的交互，可以合理管理每把刀具的行蹤、統計刀具利用情況、優化刀具使用。如與CAM、PDM系統相互結合，可以控制在生產過程中的刀具的流通及刀具的安裝、預調、分解、損耗等等。

2.2 數據分析應用：刀具庫存的理論合理閾值與采購配送的協同

柔性制造企業使用ERP、CAPP、CAM、PDM等系統積累了大量的數據，這些數據必須轉化為企業的知識才能指導企業運行。數據挖掘技術是大數據處理與分析的主要方法，指從大量隨機的實際應用數據中提取隱含在其中的潛在有用信息和知識的過程。相同的數據集合從不同角度對其進行挖掘，可以得出不同的信息或知識，通常的數據分析方法主要有偏差分析、特征、聚類、分類、回歸分析、關聯規則、Web頁挖掘等，各類不同的分析方法面向特定領域具有特定前提或約束條件。企業對刀具信息的管理希望達到在保證生產不間斷正常運行的基礎上，根據生產計劃預測刀具的消耗，科學配置刀具的庫存量以加快資金周轉提高經濟效益。運用數據挖掘中常用的回歸分析等算法，對生產計劃與刀具的消耗情況進行客觀分析，刀具消耗與刀具庫存能根據生產計劃的變化從而與采購協同變換，不但采購刀具過程變的簡單而有效，還能防止漏訂刀具，或者錯定一些不必要的刀具。

利用各類數據分析方法，可以進行各類的預測分析。在數據挖掘的分析過程中，經常會遇到多個變量影響某一現象發展與變化的情況，回歸分析是研究兩種或兩種以上變量之間相互依賴的統計分析方法，是在大量數據的基礎上利用數理統計方法建立因變量與白變量之間的回歸關系函數表達式（稱回歸方程式）。論文根據刀具信息管理系統及其關聯環境整理大數據涉及刀具信息管理的部分數據表及其關聯關系如圖3所示。

把兩個或兩個以上定比例的數量關系用函數形勢表示出來，就是回歸分析要解決的問題。由上圖可歸納出生產計劃與刀具損耗需求之間的基本關系：企業生產計劃P（Plan）中制定了零件A（Accessory）的類型、數量，每一件零件的生產由生產工藝決定了生產工序WP（Work Process），每一道工序要求使用特定的刀具并有道具理論損耗，在實際生產中執行工序時產生了實際消耗。由此令Xt表示刀具t的實際平均損耗，則生產計劃P與刀具損耗X之間可建立如下的函數關系：

令WP表示生產工序，假設每道生產工序需要n種刀具，每種刀具的數量為k，則公式1：

WP=kiXi十kzXz+…+ knXn

令A表示零件，假設每件零件有m道工序，每道工序的加工次數為1，則零件A與刀具消耗X之間的關系公式2為：

A=ι1WP1+ι2WP2+…+ιmWPm

=ι1（k1X1+k2X2+…+knXn）1+ι2[k1X1+k2X2+…+knXn）2+…+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m

令P表示企業每天排定的生產計劃，設每批次生產計劃有w種零件，每種零件的個數為u，則生產計劃P與刀具消耗X之間的關系公式3為：

p=w1A1+W2A2+…+wuAu

=w1（k1X1+k2X2+…+knXn）1+ι2（k1X1+k2X2+…+knXn）2+…

+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m）1+W2（ι1（k1X1+k2X2+…+knXn）1

+ι2（k1X1+k2X2+…+knXn）2+…+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m）2

+…+wu（ι1（k1X1+k2X2+…+knXn）1+ι2（k1X1+k2X2+…+knXn）2+…

+ιm（k1X1+k2X2+…+knXn）m）u

上述公式中，k、1、w均為自然數，所以可得出P與X之間存在線性回歸關系。獲知P，可以根據公式3測算出所需的每一把刀具的損耗X。生產計劃中每件零件加工所需刀具損耗量表需要匯總統計零件生產所需刀具列表中每一把刀具的平均損耗量、最小損耗量、損耗周期等數據，整個信息抽取過程如次，把ERP系統的生產計劃中零件信息連接CAPP系統中刀具參數及生產工藝要求，形成零件一刀具列表，然后與CAM與PDM中每把刀具的實際損耗進行關聯，最終形成<零件ID、刀具類型ID、生產計劃ID、平均損耗>數據表。根據上述過程，也可以得出k、w、1及每把刀具的平均消耗值。

根據刀具庫存管理可以形成<刀具類型ID、刀刃類型ID、庫存量、刀柄類型ID、庫存量>數據表可以得出刀具的庫存信息，令∑wιkXt表示生產計劃P中刀具t的一天預測消耗量，另Yt表示刀具t的庫存量，則η=Yt/∑wιk Xt公式表示刀具t的庫存與消耗之間的對比周期。根據采購信息可以形成<刀刃類型ID，供應商ID，供應周期，供應均價，產品評價>采購數據表可以得出刀具的平均采購周期。令y表示刀具t的平均采購周期，σ表示用戶白定義安全周期，則采購協同值θ=（η+σ）/γ，當時，系統啟動協同采購機制，通知采購人員進行采購。通過上述過程，從而實現刀具庫存管理、生產計劃、采購管理的協同。

3 結語

刀具是柔性制造企業中重要的工具資源，信息化是柔性制造企業的顯著特征。論文在大數據環境下，利用刀具信息管理系統與其他如ERP、CAM、PDM等信息系統沉積的數據，分析了刀具消耗與生產計劃存在的線性回歸關系，并研究刀具庫存與采購的智能協同閾值發現的公式，根據生產計劃預測刀具的消耗，科學配置刀具的庫存量以加快資金周轉提高經濟效益。