產品網絡化制造鏈的云端化信息矩陣構建方法與流程

本發明屬于電子數據處理技術領域，涉及一種產品制造過程信息矩陣結構樹模型，尤其涉及一種產品網絡化制造鏈的云端化信息矩陣及其應用構建方法，主要是面向網絡化制造的產品制造過程信息采集、存儲及分析方法。

背景技術：

隨著制造業“信息化”和“智能化”的不斷深入，網絡化制造、協同制造、眾包眾籌以及云制造等新的制造模式層出不窮，新制造模式均呈現出“個性化”和“離散化”的發展趨勢。在網絡化制造的環境下，產品制造過程都是以“制造鏈”的形式存在，所以建立一套產品網絡化制造鏈的信息獲取、存儲及分析的系統，以實現“制造鏈”上下游企業間信息共享的實時性，制造過程的敏捷化和制造信息的增值。

當前，在制造領域使用最廣的還是一維條形碼，其本身所含信息量很少，產品的大量信息常常存儲在遠程的數據庫服務器。目前國內外的一些現場產品信息查詢終端，大多數將部分產品的信息下載存儲到現場終端設備，然后通過查詢終端設備中的數據來顯示相應產品信息。但是上述形式存在著信息存儲空間有限、產品信息完整性和實時性差等不足。二維條形碼技術作為一種成熟、低廉的產品自動化識別技術，提供了快速、準確的數據編碼和數據采集手段，在各個領域得到廣泛的應用；近年來隨著移動互聯網的快速發展，尤其是在社交和移動支付領域的應用尤為普及。采用二維條形碼技術很好地解決上述二者的不足，二維條形碼具有以下優點：1)高密度編碼，信息容量大(qr標準下最大尺寸是version40,即尺寸為177*177的二維碼，按照40*40的標準來算的話，理論上的物理容量約3706個字節)；2)編碼范圍廣；3)容錯能力強，具有糾錯功能；4)譯碼可靠性高；5)可引入加密措施；6)成本低，易制作，持久耐用。

網絡化制造環境下產品在“制造鏈”上的移動都是通過物流來完成的。采用批量運輸產品如果僅僅用二維碼來記錄單個產品信息，那么在物流過程中將會占據很長的時間。結合運用rfid和二維碼技術可以很好地解決這一問題，在產品的制造加工過程中用二維碼來記錄產品加工信息，而在物流過程中用rfid電子標簽來記錄產品物流信息。通過二維碼與rfid電子標簽的綁定便可以完整記錄產品制造過程中所有信息。

本發明主要應用于網絡化制造環境下，通過本發明的方法建立產品制造過程信息矩陣結構樹模型，將產品空間上離散的制造信息集成云端。再對集成的信息進行分析、處理，讓參與離散型制造模式的企業共享集成的信息，從而為企業帶來更多的附加值。

技術實現要素：

本發明的目的是提供產品網絡化制造鏈的云端化信息矩陣及其應用方法。通過在本發明中，產品是按照根據訂單拆解成一個或者多個批次進行生產，二維碼用來唯一記錄單個產品制造信息，rfid標簽用于記錄單個批次的物流信息。結合rfid標簽與二維碼的優點可以快速獲取產品制造過程信息，并可以在移動端進行相應數據操作。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

1)確定產品生產訂單，根據企業實際生產安排確定工廠，綁定rfid讀寫器編號與工廠編號，

綁定二維碼讀寫設備與工位編號。綁定好的rfid讀寫器、工廠和二維碼讀寫器的對應關系如下：

其中：

a)rreaderid表示rfid讀寫器的編號；

b)factoryid表示產品制造過程中不同工廠的編號；

c)creaderid表示同一工廠不同工位上二維碼讀寫器的編號。

d)表示rfid讀寫器編號與工廠編號之間是一對多的關系，因為rfid電子標簽主要用于記錄物流信息，所以一般單個工廠至少有兩臺以上的rfid讀寫器，分別用于記錄產品到達與產品離開時的狀態信息。

e)表示二維碼讀寫設備編號與工廠編號之間是一對多的關系，具體的m可以表示某一工廠的工位數。

2)產品粘貼二維碼，并初始化二維碼信息。初始化的過程是將產品的靜態信息和動態信息的鏈接生成特定的二維碼，掃描二維碼便可以獲取產品的靜態信息以及訪問云端存儲的連接。

產品的制造過程信息的記錄是由二維碼和rfid標簽共同承擔的，產品信息表示如下：

productinfo＝(staticinfodynamicinfo)(1)

其中，staticinfo與產品本身屬性相關的信息(簡寫為si)，在整個生命周期的流程中不會改變。另外staticinfo同時存儲在云端和二維碼中，所以不用連接云端數據庫的時候也是可以獲取這部分信息，使得現場人員在斷網的條件下也能對被加工的產品進行相應操作。

staticinfo＝(pidnamesizebomidtype…)(2)

其中：

a)pid表示產品編號，具有唯一標識。

b)name、size、bomid和type分別表示產品的名稱，尺寸，物料清單和類型。

3)產品經過工廠i各個工位的加工，更新加工信息mii到云端數據庫。

其中：mii為產品制造過程中工廠i內的加工信息，其信息是由工廠i內不同工位加工過程中產生的。所以mii也可以表示如下式：

其中：

a)用于表示工廠i的工位j上的制造信息。

b)是狀態變量，當標明產品的制造流程中不包含工廠i的工位j，即：

c)值得一提的是，當產品的制造流程中不包括工廠i時，有mii的第一列的值都為0，即那么mii＝(0)。

d)表示某一產品到達工位j的時刻，即產品到達工位j掃碼的時刻；表示該產品完成加工后的掃碼時刻。那么該產品在工位j實際加工的時間可以近似地表示為：

e)分別表示產品在工廠i的工位j操作工編號。

f)表示產品在工廠i的工位j作為零部件被裝配到的另一產品上，取值為該另一產品的編號；值得注意的是，當產品作為零部件裝配到其他產品上時，產品的信息便停止更新，即其信息矩陣不再變化。當時，表示產品未裝配到任何產品上。

g)表示產品在工廠i的工位j裝配上了另一產品，取值為該另一產品的編號。當時，表示產品未裝配任何零件。

產品批量打包，粘貼rfid電子標簽綁定二維碼編號與電子標簽編號。整個系統中的產品編號與rfid標簽編號的對應關系如下：

其中：

a)rid表示rfid電子標簽的編號，具有唯一性；

b)pid表示二維碼的編號，也是唯一標識的；

c)表示產品編號與rfid標簽編號是多對一的關系，l為批量打包產品數。

物流運輸到工廠k，記錄物流信息loginfo，并計算到達工廠k的時間tk。loginfo記錄形式如下：

其中：

a)lik用于表示工廠i與工廠k之間的物流信息，形式如下：

lik＝(sikridlstiletktradidemid…)(8)

b)sik是lik狀態變量，當sik＝0，標明產品的制造流程中工廠i與工廠k之間不存在物流關系，即：

c)lsti表示打包后的批量產品在從工廠i出發的時刻，以電子標簽經過物流門的時刻來計；letk表示打包后的批量產品在到達工廠k的時刻，同樣以電子標簽經過物流門的時刻來計。該批次產品在工廠i與工廠k之間的物流時間便可以計算如下式：

ltik＝letk-lsti(9)

d)tradik和emid分別表示產品在工廠i與工廠k之間運輸過程中運輸工具編號和操作工編號。

4)當制造加工或者物流過程中產生意外情況，造成產品到達工廠k的實際時間超過預期時間，即時，工廠k則需要對于之前編制的生產計劃做調整，以減少因為缺貨造成的停工損失。

5)整個流程中所有dynamicinf的變動都會被實時記錄到云端數據庫，并可以被相關權限的參與人員使用，為生產計劃和決策提供更全面、實時的信息。

6)基于產品bom結構圖，將采集在云端數據庫的產品和零部件的productinfo根據裝配關系建立關聯關系，最終形成產品制造過程信息矩陣結構樹。通過信息矩陣結構樹可以完整地記錄產品及其零部件的所有制造信息，便于產品進行產品信息追蹤。

本發明最終達成的效果是：

1.以一種矩陣的形式來存儲產品制造過程中的數據，將產品制造過程中的動態信息分為制造信息和物流信息，采用矩陣形式不僅能更全面地記錄產品的制造過程信息，還可以很直觀地將數據的產生過程記錄下來，方便產品日后的信息追蹤。

2.實現了離散型制造模式下分布在不同工廠信息的集成，通過建立一套完善的產品制造過程信息系統，實時采集產品生產過程中的數據，然后儲存于云端，共享于產品制造過程參與的所有企業。

3.對集成后的信息進行分析后，便可以使得信息增值。例如通過對產品在每個工廠中每個工位的加工信息的處理，便可以對產品按不同工場做價值流分析，作為工廠優化制造流程的依據。另外，由于信息實現了云端共享，當產品在某一過程中因意外而造成的延遲會第一時間通知到后繼工廠。

附圖說明

圖1為產品制造過程信息處理流程圖；

圖2為某一產品矩陣制造過程示意圖；

圖3為產品制造過程模型示意圖；

圖4為產品a的bom結構圖；

圖5為基于產品bom的信息矩陣結構樹。

具體實施方式

下面結合附圖和實施方式對本發明進一步說明。

圖1是本發明的具體實施方式，包括步驟如下：

步驟1：本發明中rfid標簽被用于不同工廠之間產品批量運輸的標識，提高了產品在不同工廠的出入庫效率和產品存放的安全性；二維碼作為產品標識，記錄產品的唯一編碼和制造過程信息云端數據庫的url，然后通過移動端掃碼連接云端數據庫便可以獲取產品完整的制造過程信息。

步驟2：根據產品的生產流程，確定其在不同工廠的處理流程以及供應鏈上各個環節前后的位置關系，確定rfid讀寫器的部署，綁定讀寫器編號與工廠編號。在同一工廠的不同工位部署二維碼掃描設備，用于更新產品信息，并且可以查看當前產品前序工位的加工信息和前序工廠的物流信息。整個系統中，rfid讀寫器、工廠和二維碼讀寫器的對應關系如下：

其中：

其中：

a)rreaderid表示rfid讀寫器的編號；

b)companyid表示產品制造過程中不同地點的編號；

c)creaderid表示同一工廠不同工位上二維碼讀寫器的編號。

d)表示rfid讀寫器編號與工廠編號之間是多對一的關系，因為rfid電子標簽主要用于記錄物流信息，所以一般單個工廠至少有兩臺以上的rfid讀寫器，分別用于記錄產品到達與產品離開時的狀態信息。

e)表示二維碼讀寫設備編號與工廠編號之間是多對一的關系，具體的m可以表示某一工廠的工位數。

步驟3：產品的制造過程信息的記錄是由二維碼和rfid標簽共同承擔的，產品信息表示如公式(1)所示：

productinfo＝(staticinfodynamicinfo)(1)

其中，staticinfo與產品本身屬性相關的信息，如公式(2)，在整個生命周期的流程中不會改變。另外staticinfo同時存儲在云端和二維碼中，所以不用連接云端數據庫的時候也是可以獲取這部分信息，使得現場人員在斷網的條件下也能對被加工的產品進行相應操作。

staticinfo＝(pidnamesizebomidtype…)(2)

其中：

c)pid表示產品編號，具有唯一標識。

d)name、size、bomid和type分別表示產品的名稱，尺寸，物料清單和類型。

與staticinfo對應的是dynamicinfo，是生命周期的不同階段和工廠的加工而生成的信息和不同工廠之間的物流信息，所以dynamicinfo表示形式如公式(3)所示：

dynamicinfo＝(manuinfologinfo)(3)

3.1在本發明中manuinfo的采集和更新是通過二維碼技術來實現的，每個工位都設有二維碼讀寫設備用以獲取產品的信息，并將加工信息添加到產品的記錄中。manuinfo的矩陣表示形式公式(4)所示：

其中：mii為產品制造過程中工廠i內的加工信息，其信息是由工廠i內不同工位加工過程中產生的。

所以mii也可以表示如下式：

其中：

a)用于表示工廠i的工位j上的制造信息。

b)是狀態變量，當標明產品的制造流程中不包含工廠i的工位j，即：

c)值得一提的是，當產品的制造流程中不包括工廠i時，有mii的第一列的值都為0，即那么mii＝(0)。

d)表示某一產品到達工位j的時刻，即產品到達工位j掃碼的時刻；表示該產品完成加工后的掃碼時刻。那么該產品在工位j實際加工的時間可以近似地表示為：

e)分別表示產品在工廠i的工位j操作工編號。

f)表示產品在工廠i的工位j作為零部件裝配到的產品號的產品上。值得注意的是，當產品作為零部件裝配到其他產品上時，產品的信息便停止更新，即其信息矩陣不再變化。當時，表示產品未裝配到任何產品上。

g)表示產品在工廠i的工位j裝配的產品號的零部件。當時，表示產品未裝配任何零件。

3.2在本發明中，loginfo是由部署在不同工廠的rfid讀寫器讀取rfid電子標簽的方式來實現物流信息獲取與更新，批量包裝的產品所以每個rfid電子標簽編號綁定多個二維碼標簽編號。整個系統中的二維碼、rfid標簽的對應關系如下：

其中：

a)rid表示rfid電子標簽的編號，具有唯一性；

b)pid表示產品編號，也是唯一標識的；

c)表示產品編號與rfid標簽編號是多對一的關系，l為批量打包的產品數量。

3.3loginfo表示形式如公式(7)所示：

其中：

e)lik用于表示工廠i與工廠k之間的物流信息，形式如下：

lik＝(sikridlstiletktradidemid…)(8)

f)sik是lik狀態變量，當sik＝0，標明產品的制造流程中工廠i與工廠k之間不存在物流關系，即：

g)lsti表示打包后的批量產品在從工廠i出發的時刻，以電子標簽經過物流門的時刻來計；letk表示打包后的批量產品在到達工廠k的時刻，同樣以電子標簽經過物流門的時刻來計。該批次產品在工廠i與工廠k之間的物流時間便可以計算如下式：

ltik＝letk-lsti(9)

h)tradik和emid分別表示產品在工廠i與工廠k之間運輸過程中運輸工具編號和操作工編號。

步驟4：按照3.1)和3.2)節中的方式記錄產品的manuinfo和loginfo，那么產品的dynamicinfo便可以通過二者的相加得到。計算如下：

步驟5：在完成產品的dynamicinfo記錄，結合產品的staticinfo，便記錄了一個產品的制造過程的所有信息。為了方便計算，這里先將staticinfo和dynamicinfo的增廣為(n+1)×(n+1)維的矩陣。

staticinfo經過變換后的結果如下：

其中：

si＝(pidnamesizebomidtype…)(14)

dynamicinfo經過變換后的結果如下：

步驟6：完成步驟5后便可將產品的制造過程信息疊加到一個矩陣中，即productinfo可以用矩陣表示為：

通過以上矩陣運算便將一個產品的制造過程信息用矩陣表示，而且本發明的信息記錄方式全程都是通過二維碼掃描設備和rfid讀寫器來完成的，無需通過現場工作人員輸入，大大加快了信息的處理速度；此外，信息是實時通過云來存儲，后面工廠或者工位可以查看此前所記錄的所有信息。

最終結果是每一個產品都會在productinfo矩陣中形成一天從si到mnn的線路。以圖2為例，從產品信息productinfo矩陣中，我們可以知道：該產品的分別在工廠m11、m22、m44和m66等進行了加工，然后通過l12、l24和l46的物流運輸串聯各工廠。

基于產品bom結構圖，將采集在云端數據庫的產品和零部件的productinfo根據裝配關系建立關聯關系，最終形成產品制造過程信息矩陣結構樹。通過信息矩陣結構樹可以完整地記錄產品及其零部件的所有制造信息，便于產品進行產品信息追蹤。

分析矩陣中向量的屬性可以進一步獲取以下更有價值的信息，以時間屬性為例：

a)產品的制造加工時間整個制造過程周期便可以計算如下：

某一產品在工廠i增值時間(valueaddedtime)，即各個工位實際加工時間之和：

某一產品在生制造程中的總的增值時間(valueaddedtime)，即各個工廠增值時間之和：

vattotal＝mt1+mt2+mt3+…+mtn(21)

再計算產品在制造過程的非增值時間(non-valueaddingtime)，即產品制造周期減去增值時間：

nat＝ttotal-vattotal(22)

綜合以上便可以進行該產品制造過程中的價值流分析。

b)在系統實際運行過程中，會根據一段時期的歷史數據獲取產品在各個工廠的平均加工時間和各工廠之間的平均物流時間這些數據可以作為系統運行時預計到達各工廠時間的依據。

以圖2為例，產品到達工廠4的估計時刻根據產品當前所處的狀態不同，計算有如下兩種形式：當產品還在工廠2加工時：

或者，當產品在從工廠2到工廠4的運輸過程中時：

c)在產品的制造過程中，一旦訂單確定，其到達每一個工廠的時間和物流時間都是可以預計。通過云端的實時分享，后續工廠可以獲取當前產品的所在位置和狀態，并且可以估算到達其工廠的時間，以此來安排生產。

d)當制造加工或者物流過程中產生意外情況，造成時間的延遲，即時，工廠k則需要對于之前編制的生產計劃做調整，以減少因為缺貨造成的停工損失。

案例說明

按照實施方式，將本發明的方法通過實例來進行驗證。假設現在通過本發明的信息系統生產a產品10000件，產品a的bom圖如圖4所示。以其中產品a的部件b為例來演示其系統信息采集及分析流程，b在被裝配到a之前，可以視為一個產品。具體生產流程如下：

步驟1：確定其在不同工廠的處理流程以及供應鏈上各個環節前后的位置關系，由公式(25)可以看出，產品b的制造過程要經過m11～m55五個工廠，然后工廠之間以物流來串聯。

其中：

a)si＝(b00001b100bom001type…)

b)在產品進入生產流程之前，productinfo中的除了靜態信息si，其余均為即：m11～m55都為l12，l23，l34和l45也都為這些信息將會在制造過程中逐步被添加到productinfo矩陣中。

步驟2：當產品開始進入生產流程時，經過工廠1的加工，將會產生制造信息m11。

步驟3：當產品在工廠1生產完成后，通過物流運輸到工廠2，其中物流信息記錄如下：

l12＝(1r0012017/3/1/8：07：052017/3/1/9：05：26trad001em2001…)(27)

步驟4：當a產品在工廠1生產完成后，按照批量為100將b產品打包，然后一起運往工廠2。

步驟5：重復步驟2和4，便可以獲得產品編號b00001的b產品整個制作過程信息：

其中：

a)m11～m55的制造信息如表1：

表1：產品編號b00001的b產品的制造信息匯總表

步驟2：當產品開始進入生產流程時，經過工廠1的加工，將會產生制造信息m11。

b)l12，l23和l34物流信息記錄如表2所示：

表2：產品編號b00001的b產品的物流信息匯總表

步驟5：通過以上矩陣運算便將一個產品的制造過程信息用矩陣表示，而且本發明的信息記錄方式全程都是通過二維碼掃描設備和rfid讀寫器來完成的，無需通過現場工作人員輸入，大大加快了信息的處理速度；此外，信息是實時通過云來存儲，后面工廠或者工位可以查看此前所記錄的所有信息。

步驟6：經過類似的流程，也可以獲取產品a中所有零件和部件的信息矩陣，最終可以獲得產品a的信息矩陣結構樹，如圖5所示。

步驟7：分析矩陣中向量的屬性可以進一步獲取以下更有價值的信息：

a)產品的制造加工時間整個制造過程周期便可以計算如下：

某一產品在生制造程中的總的增值時間(valueaddedtime)，即各個工廠增值時間之和：

vattotal＝mt1+mt2+mt3+…+mtn＝32m46s(30)

再計算產品在制造過程的非增值時間(non-valueaddingtime)，即產品制造周期減去增值時間：

nat＝ttotal-vattotal＝11h3m29s

綜合以上對進行該產品的價值流分析：

b)從表1可以很清晰地看出，產品編號為b00001的部件b是在工廠1的工位4裝配了產品編號為d00121的零件d，在工廠3的工位2裝配了產品編號為e10471零件e，最后在工廠5的工位3上被裝配到產品a上。類似的，對于產品a與各零部件之間的裝配關系也是可以從信息矩陣中獲取的。當如圖5所示的產品信息矩陣結構樹建立后，便可以實現產品信息的追蹤。