條碼技術在彈藥生產數字化車間管理中的應用

曾鵬飛，蒿宇宇，郝永平，史春景，劉錦春

(1.沈陽理工大學機械工程學院， 沈陽 110159； 2.沈陽理工大學CAD/CAM技術研究與開發中心， 沈陽 110159；3.北方華安工業集團有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾 161000)

彈藥是軍工產品中產量最大、品種最多的一類。目前，彈藥生產過程中的數字化和可追溯性管理能力有待提高，對彈藥生產過程中的數據難以進行及時有效分析[1]。隨著信息化的發展，在彈藥生產、運輸、存儲、質量、壽命、勤務與維護、報廢與銷毀等全壽命周期中，實現數據的數字化、規范化和可追溯性是彈藥生產管理的必然趨勢[2]。條碼因其具有存儲信息量大、可靠性強、使用靈活等特點，已被廣泛應用于物流業及電子商務等領域[3-5]。一些專家學者也開始將條碼技術引入到車間生產過程中，秦開涌等[6]實現了將條形碼技術應用于車間生產信息采集系統中；楊展等[7]針對小批量離散型制造企業提出了基于條碼技術的數據采集方法，設計和開發了生產數據采集原理系統；莊存波等[8]針對復雜產品裝配中物料動態跟蹤困難，提出了基于流程和條碼的復雜產品離散裝配過程中的物料動態跟蹤與管理技術。本文針對彈藥生產過程中信息采集時效性、信息化管理程度和質量問題追溯等問題需求，提出了基于條碼的彈藥生產數字化車間管理方法，利用彈藥標識編碼及其相關技術規范實現彈藥生產過程的全方位信息管理和可追溯性。

1 彈藥條碼設計

利用彈藥標識編碼技術對彈藥生產信息進行編碼處理，實現對彈藥生產信息采集與傳輸、監管與全過程可追溯。彈藥生產過程的每道工序產生的信息和數據必須被記錄[9]，通過對彈藥進行編碼，將彈藥所有有關信息通過條碼方式進行存儲。在對彈藥條碼進行設計的時候，需要盡可能地把彈藥生產過程所有涉及的信息存儲到條碼中，以便于對彈藥從零件加工開始到成品出庫進行全過程的實時質量跟蹤和控制。當彈藥質量出現問題時，通過掃描彈藥條碼實現生產全過程的可追溯，找到問題出現的關鍵環節。彈藥條碼設計分為彈藥條碼主信息設計和彈藥條碼附加信息設計兩個部分。

1.1 彈藥條碼主信息設計

彈藥條碼主信息設計主要包括對彈藥的彈丸編碼設計、彈藥的引信編碼設計、彈藥的發射裝藥編碼設計和彈藥的包裝箱(托盤)編碼設計。彈藥條碼的主信息設計是用于對彈藥生產各道工序信息和數據的存儲。

1.1.1 彈丸編碼方法與規則

彈丸編碼主要由分類信息碼、使用信息碼、生產信息碼和校驗碼等四個部分組成，如圖1所示。彈丸編碼共有21位，由阿拉伯數字0-9構成，其中分類信息碼4位，使用信息碼5位，生產信息碼11位，校驗碼1位。彈丸編碼設計符合彈藥標識編碼技術規范等文件的標準要求[10-13]。

分類信息碼由口徑和彈藥種類兩部分構成。口徑代碼用于區分彈藥的口徑，彈藥種類代碼用于區分彈丸種類。

使用信息碼又稱彈丸質量，彈丸的實際質量以kg為單位，小數點后保留2位，位數不足時在前面補“0”；例如，彈重45.50 kg，使用信息碼則表示為04550。

生產信息碼由批次、年代、生產廠、順序四部分構成。生產批次劃分遵循實際生產時間段相同產品方可組成一個批次，在規定限度內具有同一性質和質量，并在同一生產周期中連續生產出來的一定數量的產品為一批。彈丸的批次碼由生產廠根據實際生產情況確定，批次有2位代碼。年代有2位代碼，取4位年代號的后兩位數。生產廠有2位代碼，用于區分不同生產廠。順序號用于區分彈丸在同一批次生產中所處的前后順序，彈丸的順序碼由生產廠根據實際生產情況確定。

圖1 彈丸編碼內容及格式

1.1.2 校驗碼的計算方法

校驗碼有1位代碼，位于編碼從左向右數的第21位。校驗碼數字值的計算方法如下：

1) 包含校驗碼的所有數字從右向左編碼，分別為1，2，…，21位；

2) 從第2位開始，所有偶數位的權數設置為3，從第3位開始，所有奇數位的權數設置為1；

3) 將對應位置的代碼數字與相應的權數相乘，并定義所有乘積相加求和為：

(1)

式(1)中，xi為21位彈丸編碼中偶數位的值，i=2,4,6,8,…,20；yj為21位彈丸編碼中從第3個位置開始的奇數位的值，j=3,5,7,9,…,21。

4) 對上一步的和z，利用MOD10求余數a，即：

a=z%10

(2)

5) 如果余數a為0，則校驗位值為0；否則，用10-a的值作為校驗碼。

以彈丸編碼16110455003161307500X為例，則可以識別出彈丸代表的相應信息：2016年123廠生產的第03批155殺爆彈，彈重45.50 kg，共計7500發。具體編碼示例，如表1所示。

1.2 彈藥附加信息碼的設計

設計彈藥附加信息碼的主要目的在于：當彈藥質量出現問題時能夠通過彈藥條碼的掃描識別可以快速追溯到承制部門和具體責任人，也便于彈藥生產過程車間管理的數字化和智能化。彈藥附加條碼信息的主要內容包括人員身份序列號、彈藥序列號、彈藥ID、人員姓名、動工時間、完工時間、日完工數量、描述信息等。人員身份序列號、彈藥序列號和人員姓名用于質量問題的追溯，而動工時間、完工時間和日完工數量則用于檢測每道工序的生產進度、在制品情況、計劃完成情況以及工作效率等。

表1 彈丸編碼示例

2 彈藥生產數字化車間管理系統設計

生產車間是企業生產管理與生產制造的樞紐，是企業物流、信息流、工作流和控制流的交匯點。彈藥生產屬于多品種小批量、以訂單為主來組織生產，屬于典型的離散型生產方式[14]，對于離散型車間這種離散加工、多品種、小批量生產，產品質量和生產率很大程度上依賴工人的技術水平；以往車間在數據采集上主要以手工上報為主，這樣采集來的數據時間間隔大，并且難以保障數據的準確性和實時性。條碼技術的應用可以通過條碼識讀設備將識別的數據信息存儲到計算機中，使數據管理自動化，減少人工操作時間，提高生產數據收集的準確性。最終實現生產數據與生產控制的無縫銜接。

2.1 基于MRP和JIT的彈藥生產計劃編制方法

武器彈藥生產有著嚴格的交貨期限要求，準確合理的生產計劃是實現最終目標的有效保障，必須圍繞物料來組織制造資源實現準時生產。結合物料需求計劃(MRP)和準時制生產(JIT)來綜合制定系統的生產計劃[15,16]。根據彈藥主生產計劃中規定的最終產品交貨日期，來規定各項作業必須完成的時間，編制最終產品的零部件的生產計劃，確定企業內部生產部門應完成的各種零部件產品的生產時間和數量，并且計劃各種外協零部件的采購數量和采購時間，其原理如圖2所示。

圖2 彈藥生產計劃制定原理

通過對生產計劃的制定和控制來消除浪費，降低成本，提高企業的經濟效益和市場競爭力。MRP便于集成CAD/CAM和自動化加工中的信息，有著強大的信息處理功能，而在生產控制方面存在缺陷。針對離散型加工車間動態的、易變的生產環境，結合MRP和JIT各自的優點來合理的構建彈藥生產計劃制定的管理過程，如圖3所示。首先從物料需求計劃中分解出自制件生產計劃，再按車間任務進行下達，然后根據零件需求的數量和時間，通過倒推的方式進行安排生產。

圖3 車間生產計劃制定與控制流程

2.2 基于條碼技術的數字化生產車間管理系統

根據企業生產車間數字化管理的實際需求和條碼技術的應用要求，本文開發了相應的彈藥數字化車間生產管理系統，系統主要包括系統管理、條碼資源管理、計劃與調度管理、信息管理、質量控制、人員管理和綜合查詢與統計等七個功能模塊，其系統功能結構如圖4所示。條碼技術的應用貫穿系統功能的各個模塊，在彈藥正式投產前打印出配套的條碼跟蹤卡，此跟蹤卡伴隨彈藥生產的工藝全過程及每道工序和生產工位，工作人員通過條碼掃描設備識讀跟蹤卡上的條碼信息，即可獲取之前每道生產工序的數據信息，并需在跟蹤卡記錄本道工序，直至產品生產完成包裝入庫。在本系統的系統管理功能模塊中的數據庫設計里實現條碼代碼與彈藥生產實際信息的一一對應且唯一關聯。在條碼資源管理、計劃與調度管理、信息管理、質量控制等模塊的底層信息流通都通過掃描相應的彈藥條碼實現。在人員管理模塊設定系統內的每位工作人員以特定的身份序列號，通過彈藥條碼和人員身份序列號的按需管理，便可以通過掃描彈藥條碼來查詢相關的工作人員信息，從而實現質量信息的可追溯性管理。在綜合查詢與統計功能模塊里，通過掃描彈藥條碼將識別的彈藥實際信息存入數據庫，然后根據系統綜合查詢與統計功能采用瀏覽器便可實現對彈藥生產過程數據的實時查看和按需統計。

圖4 彈藥數字化車間生產管理系統功能結構

2.3 系統主要數據關系模型

為了能夠清楚地反映出彈藥數字化生產中各個環節和活動對信息采集、加工、處理和查詢的要求，以及信息流動情況和數據之間的相互關聯關系，同時使得條碼技術及其相關的使用技術能夠更好地融入到彈藥數字化生產車間的管理之中，本文建立了彈藥生產主信息、生產調度信息、彈丸信息、引信信息和發射裝藥以及彈藥質量信息等的系統主要數據關系模型，如圖5所示。

圖5 系統主要數據關系模型

這也是本系統的主要的數據關系模型。通過數據關系模型的構建，可以清楚地辨識整個數據存儲的結構關系，是整個系統資源信息共享的基礎，其好壞將直接影響整個系統功能的性能、運行效率和實現效果。根據該彈藥生產企業的產品特點、生產車間管理需求和條碼設計的原則，選擇SQL Server 2008數據庫管理系統作為本系統的數據庫服務系統，以提高事務處理的能力和實現更好的安全性控制。

3 彈藥數字化車間生產管理系統實現

3.1 底層架構

彈藥數字化車間生產管理系統的實施基于J2EE開發平臺，采用MVC(模型-視圖-控制器)模式和SSH(Struts2+Spring4+Hibernate5)[17,18]組合架構。系統采用B/S(Browser/Server)結構模式，基于Java Web分層設計原理將整個系統結構分為用戶層、攔截器層、控制反轉層、業務處理層、持久化類層、映射關系層和數據庫等七個層次，如圖6所示。

當有請求從用戶瀏覽器端發送過來時，可由攔截器層在服務器的web.xml文件中配置的Filter來進行過濾篩選后將響應返回給瀏覽器，或者將請求映射到控制反轉層，根據struts.xml文件中的配置轉發給相應的Struts2 Action進行處理，并調用業務處理層中的Service來進行業務處理，Service調用持久化類層中的*DAO.java，通過*DAOImpl.java來實現對數據庫的操作。持久化類層通過映射關系層中的Hibernate XML Mapping映射機制實現實體類中的屬性名與數據庫相關數據的映射關系。

系統在控制反轉層、業務處理層和持久化類層之間的接口通信時，彼此類之間的關系依賴Spring IOC容器來實現相互關系的注入，Spring IOC則主要通過相應的Spring-Context.xml文件配置來實現三個層次之間的信息傳遞。這樣大大降低了類與類之間的耦合度，提高了代碼的可重用性。

圖6 系統層次結構

3.2 系統實現

彈藥數字化車間生產管理系統以Windows 7為系統服務器的操作系統，采用Microsoft SQL Server 2008作為后臺數據庫管理系統、Apache Tomcat 7.0作為系統服務器、JDK/JRE 1.7.0作為Java部署和運行環境等進行了系統實施的相關工作，并完成了在微軟IE和谷歌Chrome等瀏覽器環境下的系統測試工作。除此之外，在系統完善與開發效率方面，系統應用面向切面編程(Aspect Oriented Programming,AOP)的思想，并使用Spring AOP動態代理機制實現細粒度的權限控制與事務等的通用邏輯[19]。

彈丸條碼主信息條碼生成功能界面，只有將彈丸編碼的分類信息碼、使用信息碼、生產信息碼和校驗碼全部選擇后才可對彈丸條碼主信息進行二維碼生成，少任何一項系統都會報錯，如圖7所示。通過下拉列表的形式進行點選，以提高輸入的準確性，選入的項為彈丸的實際信息，點擊查看按鈕會自動跳轉到二維碼生成界面，但在二維碼生成界面是以彈丸實際信息對應的代碼形式來進行顯示的，點擊二維碼生成按鈕即可生成相應二維碼。其中條形碼生成按鈕可生成一維碼，在車間生產中主要使用二維碼，一維碼為輔，如圖8所示。

圖7 彈丸條碼主信息初始生成

圖8 彈丸條碼主信息生成

彈藥信息顯示界面是通過條碼閱讀設備識別彈藥跟蹤卡進而對彈藥主信息和附加信息進行顯示的界面。彈藥主信息顯示功能界面有對彈藥種類和數量進行分類查詢功能，如圖9所示為根據年代查詢顯示的彈丸信息。附加信息顯示界面則有對彈藥生產過程中涉及的部門和個人進行指定查詢的功能，如圖10所示。附加信息顯示界面可為彈藥生產進度統計、在制品統計、計劃完成情況以及質量問題的快速準確追溯提供依據。

圖9 彈丸主信息查詢顯示界面

圖10 彈丸附加信息顯示界面

4 結論

本文參考彈藥標識編碼技術規范等標準，設計了彈藥條碼的主信息組成和彈藥附加碼包含的信息內容，并設計了確定校驗碼值的MOD10計算方法。基于MRP和JIT等精益生產相關理論完成了系統需求的分析，構建了具有系統管理、條碼資源管理、計劃與調度管理、信息管理、質量控制、人員管理和綜合查詢與統計等功能模塊的管理系統，同時完成了數據庫的設計。系統開發基于J2EE平臺，采用B/S系統結構，結合MVC設計模式和SSH底層架構進行了系統實施。下一步將選擇適合的打碼設備，并完成與系統的銜接工作。通過基于條碼技術的彈藥生產數字化車間管理系統的實現，為企業實現對彈藥生產數據的數字化、信息化和網絡化管理奠定了基礎。