淺析工業(yè)4.0 時代的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

石琰美

（廣東省惠州市大亞灣區(qū)中海油惠州石化有限公司，廣東惠州 516084）

工業(yè)4.0 將信息物理系統(tǒng)引入了生產(chǎn)系統(tǒng)，提升了人工智能、自動化和人機交互的應(yīng)用水平。這使得價值鏈中的各個元素得以識別和交互，有利于生產(chǎn)過程中利用信息化技術(shù)進行客戶化定制。當生產(chǎn)過程可以更有效地使用集成數(shù)據(jù)，管理人員就能更有效地做出詳盡的、由數(shù)據(jù)驅(qū)動的決策。

工業(yè)4.0 技術(shù)使得制造者通過改善制造過程的靈活性、產(chǎn)率、質(zhì)量，更快的對客戶需求作出反饋，同樣也形成了采取新商業(yè)模式、生產(chǎn)過程和其他創(chuàng)新的基礎(chǔ)。這些益處使得制造者傾向于投資工業(yè)4.0 技術(shù)，以使產(chǎn)品滿足客戶需求的水平進一步提升。

本文旨在介紹工業(yè)4.0 時代的大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，這些技術(shù)使得過去無法獲取的生產(chǎn)環(huán)境信息得以收集，引發(fā)了改進生產(chǎn)過程質(zhì)量的新契機。通過這些技術(shù)可以讓傳統(tǒng)的生產(chǎn)設(shè)備變成可自主學(xué)習(xí)的設(shè)備，改進整體性能的同時也減少了設(shè)備維護管理。這些變化為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息創(chuàng)建了一個開放性的智能制造平臺，不但可以進行實時監(jiān)控，還可以追溯產(chǎn)品的狀態(tài)和位置。

1 工業(yè)4.0 技術(shù)和精益管理的結(jié)合

精益管理是制造業(yè)深入人心的管理理念，許多組織都采用了豐田生產(chǎn)體系，該體系強調(diào)減少浪費、準時化、看板和其他問題解決方法。精益生產(chǎn)過程更加標準化和透明化，把活動集中于關(guān)鍵步驟。在工業(yè)4.0 技術(shù)給制造業(yè)帶來變革的同時，精益管理工具用以降低變革所伴隨的風(fēng)險如下。

1.1 準時化

準時化通過確保必要的庫存以避免生產(chǎn)過剩，送料機器人可以自動進行物流搬運。降低發(fā)生人為錯誤和空車運轉(zhuǎn)的概率，利用信息物理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)可監(jiān)控運送貨物的狀態(tài)并指導(dǎo)送料機器人有效工作，建立起自組織的、可靠的生產(chǎn)邏輯網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

1.2 看板

看板促進材料和信息的持續(xù)流動。在制造業(yè)中，通過保持預(yù)定的庫存水平來實現(xiàn)連續(xù)的物料流動，以保證不間斷的供應(yīng)。通過基于數(shù)字孿生的模擬或虛擬實時顯示，可以更具前瞻性地規(guī)劃新的看板周期，并將其無縫集成到現(xiàn)有的生產(chǎn)環(huán)境中。因此可以對在制品進行持續(xù)監(jiān)控，同時提高材料流動的透明度。

1.3 全面生產(chǎn)性維護

全面生產(chǎn)性維護TPM：可以使用幾種工業(yè)4.0 技術(shù)來增強運營商的能力。例如，虛擬現(xiàn)實VR、增強現(xiàn)實AR 和頭戴式顯示器將可視化信息嵌入真實環(huán)境，實現(xiàn)實時交互，用于提供清晰、豐富的使用、維護說明[1]。在設(shè)備制造與裝配場景中，利用VR/AR 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對工廠的合理規(guī)劃，包括對每個部件的運行軌跡、維護及儲存，從而重構(gòu)整個生產(chǎn)流程體系，提高質(zhì)量與效率。

通過應(yīng)用現(xiàn)代信息通信技術(shù)，充分與網(wǎng)絡(luò)空間虛擬技術(shù)進行融合，實現(xiàn)對企業(yè)現(xiàn)代設(shè)備管理從以前傳統(tǒng)的較為粗糙的管理模式逐漸向智能化方向轉(zhuǎn)型，有助于實現(xiàn)信息化以及全局性管理，充分實現(xiàn)工業(yè)化和信息化的深度融合，保障設(shè)備管理過程中傳統(tǒng)管理和“互聯(lián)網(wǎng)+”的管理模式結(jié)合得更加緊密，從而為企業(yè)實現(xiàn)更大的設(shè)備投資效益奠定基礎(chǔ)且發(fā)揮實效[2]。

2 由信息物理系統(tǒng)驅(qū)動的智能工廠

信息物理系統(tǒng)CPSS 一個綜合計算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)。它們嵌入到周圍的物理世界及其正在進行的過程中，可以通過服務(wù)來訪問本地網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)上可用的信息。信息物理系統(tǒng)CPSS 是工業(yè)4.0 智能工廠的基本組成部分。

信息物理系統(tǒng)CPSS 通常被描述為“物理和工程系統(tǒng)，其操作由計算和通信核心進行監(jiān)控、控制、協(xié)調(diào)和集成”。研究人員將CPSS 概念化為五級架構(gòu)以指導(dǎo)部署：

（1）智能連接，這是CPSS 的基礎(chǔ)。它要求制造商從機器獲取可靠的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以直接從傳感器、數(shù)控機床等設(shè)備或ERP 在內(nèi)的軟件系統(tǒng)中獲取。

（2）數(shù)據(jù)到信息的轉(zhuǎn)換，從機器的原始數(shù)據(jù)中獲得的有操作性的信息。

（3）連接網(wǎng)絡(luò)，連接的級別相當于中央信息中心。信息從網(wǎng)絡(luò)上的每臺連接的機器傳送到信息中心，通過處理數(shù)據(jù)得到解析信息，信息中描述了系統(tǒng)中每臺機器的狀態(tài)。

（4）認知，分析信息并用適當?shù)姆绞匠尸F(xiàn)給用戶以做出決策。因為獲得了信息和每臺機器的狀態(tài)，維護任務(wù)可以更容易地確定優(yōu)先順序。

（5）配置，從網(wǎng)絡(luò)信息層級向物理設(shè)備層級提供反饋，并執(zhí)行監(jiān)督控制，以幫助機器自我調(diào)整，將認知決策應(yīng)用于機器操作。

在制造業(yè)中采用信息物理系統(tǒng)CPSS 可以改變數(shù)據(jù)的獲取、分析和共享方式，管理者可以根據(jù)實時數(shù)據(jù)分析做出更恰當?shù)臎Q策。智能網(wǎng)絡(luò)使得CPSS 得以實現(xiàn)，它用數(shù)字來描述實物。數(shù)字孿生意味著要具備智能水平，以便在操作和程序?qū)用鎸崿F(xiàn)自我意識、自我比較、自我管理和自我適應(yīng)。因此，物理層級和網(wǎng)絡(luò)層級被整合在一起發(fā)揮協(xié)同作用。這些系統(tǒng)生成大量數(shù)據(jù)，需要復(fù)雜的技術(shù)來處理和傳輸。當生產(chǎn)過程的所有細節(jié)都透明時，就可以更加有效地控制和管理。

數(shù)字孿生還實現(xiàn)了智能模擬算法SBO，可用于對設(shè)備和決策進行試驗，而不會對生產(chǎn)造成負面影響。據(jù)此可以找到近似最優(yōu)的解決方案，減少創(chuàng)建許多不同假設(shè)場景的耗時工作。從一開始設(shè)計新的制造設(shè)施時就采用SBO，支持組織從傳統(tǒng)大規(guī)模生產(chǎn)向大規(guī)模定制生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)變[3]，同時保持盈利能力。

3 物聯(lián)網(wǎng)資產(chǎn)與維護優(yōu)化

更智能化的設(shè)備維護可能是將物聯(lián)網(wǎng)和信息物理系統(tǒng)CPSS 引入制造環(huán)境的最大優(yōu)勢之一。當工具、設(shè)備和軟件直接或通過適配器連接到互聯(lián)網(wǎng)時，修復(fù)性維護、預(yù)防性維護和間隔時間都可以得到改善。

有了工業(yè)4.0 技術(shù)，可以大大減少識別問題和修復(fù)性維護所需的時間。在智能工廠中，當設(shè)備發(fā)生故障時，它可以自動向相關(guān)車間和維護人員發(fā)送警報，有時還會自動采取行動糾正故障[4]。

預(yù)防性維護可以延長設(shè)備的使用壽命，降低生命周期成本。通過對大數(shù)據(jù)進行深入分析，設(shè)備能夠評估自身的完好狀況和失效情況，并可以利用其他設(shè)備的數(shù)據(jù)來避免潛在的維護問題。

工業(yè)4.0 強大的連通性將使跨設(shè)備收集和分析數(shù)據(jù)成為可能，從而實現(xiàn)更快、更靈活、更高效的決策。這反過來將降低成本（可以通過價格傳遞給客戶），提高生產(chǎn)力，促進工業(yè)增長，增強組織的競爭力[5]。

由于任務(wù)的實時性，設(shè)備的智能規(guī)劃和控制需要高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。特別是對于維護任務(wù)，在合理的時間范圍內(nèi)收集、清理、集成必要的高質(zhì)量數(shù)據(jù)以制定可執(zhí)行的操作策略有一定的困難。

4 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理

對于工業(yè)4.0，上述應(yīng)用場景表明，數(shù)據(jù)是驅(qū)動和維持組織影響力的工具。因此，工業(yè)4.0 面臨的最大挑戰(zhàn)是確保數(shù)據(jù)本身的完整性。除非從制造系統(tǒng)及其物聯(lián)網(wǎng)或CPSS 獲取的數(shù)據(jù)是可靠的，否則高度連接的智能系統(tǒng)所帶來的任何信息都沒有價值。

制造環(huán)境中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能很復(fù)雜。數(shù)據(jù)錯誤、信息缺失、不一致、噪聲相關(guān)問題可能會影響從該數(shù)據(jù)生成分析報告的質(zhì)量。數(shù)據(jù)必須滿足用戶的需求并符合目的，即具有足夠高的質(zhì)量以產(chǎn)生有用的結(jié)論。根據(jù)ISO 25012，數(shù)據(jù)質(zhì)量被定義為“在特定條件下使用時，數(shù)據(jù)滿足規(guī)定和隱含需求的能力”。

因此，數(shù)據(jù)質(zhì)量管理變得越來越重要。一種系統(tǒng)的、以質(zhì)量為導(dǎo)向的數(shù)據(jù)管理方法將數(shù)據(jù)視為一種資產(chǎn)，并在從采集到歸檔和處置的整個生命周期對其進行評估。數(shù)據(jù)質(zhì)量管理是一種整體實踐，僅從初始數(shù)據(jù)質(zhì)量評估開始，如果沒有適當?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量管理，即使是微小的錯誤也可能累積，可能導(dǎo)致收入損失、流程效率低下。因此，數(shù)據(jù)質(zhì)量管理的重點是為客戶提供卓越的價值，同時間接地提高流程效率。對數(shù)據(jù)質(zhì)量的過程控制至關(guān)重要，最重要的是，為了確保高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，企業(yè)需要在組織的各個層面對數(shù)據(jù)質(zhì)量管理原則做出要求，并制定隨著時間的推移減少數(shù)據(jù)缺陷的流程和程序。

5 數(shù)據(jù)質(zhì)量管理方法

如果基于特定數(shù)據(jù)做出的決策要得到信任，那么數(shù)據(jù)質(zhì)量必須得到保證。實現(xiàn)這一點有四個關(guān)鍵步驟：

5.1 狀態(tài)重建和數(shù)據(jù)分析

確定給定數(shù)據(jù)集的上下文和元數(shù)據(jù)的活動和過程。狀態(tài)重建描述了對觀測數(shù)據(jù)的上下文信息的收集。在進行任何數(shù)據(jù)質(zhì)量測量或監(jiān)測活動之前，數(shù)據(jù)分析是必不可少的。數(shù)據(jù)分析過程中收集的信息包括不同或缺失值、屬性的數(shù)據(jù)類型或出現(xiàn)的模式及其頻率。

5.2 數(shù)據(jù)測量或評估

側(cè)重于數(shù)據(jù)質(zhì)量工具的評價能力，與用戶如何解析結(jié)果無關(guān)。通過評估測量結(jié)果并得出評估結(jié)論。此階段進行數(shù)據(jù)質(zhì)量的初步評估和數(shù)據(jù)質(zhì)量問題的影響分析。

5.3 數(shù)據(jù)清理

數(shù)據(jù)清理是從記錄表或數(shù)據(jù)庫中檢測和更正錯誤的、不準確、不相關(guān)或格式不正確記錄的過程。這可能需要替換、修改或刪除數(shù)據(jù)。目的是檢測、消除錯誤和不一致。

5.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控

根據(jù)用戶定義的約束條件對數(shù)據(jù)進行連續(xù)監(jiān)控。

必須在數(shù)據(jù)可能使用的場景下評估數(shù)據(jù)的適用性和實用性。由數(shù)據(jù)驅(qū)動的設(shè)備因為數(shù)據(jù)不足和不準確可能會在制造過程中造成嚴重的故障和產(chǎn)品質(zhì)量問題，如果沒有數(shù)據(jù)質(zhì)量評估，組織就無法正確理解數(shù)據(jù)質(zhì)量如何影響其滿足市場的能力。

這四個步驟的數(shù)據(jù)質(zhì)量管理方法對工業(yè)4.0 技術(shù)非常重要，因為這樣才能確保數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)更好地反映工藝和設(shè)備的當前狀態(tài)。通過擁有可靠的信息，可以更方便的主動了解系統(tǒng)內(nèi)的異常情況，從而提高整體效率和性能。

6 數(shù)據(jù)質(zhì)量標準

ISO 25000 系列標準，簡稱 SQuaRE，即軟件產(chǎn)品的質(zhì)量要求和評估標準，可以用于定義和評估數(shù)據(jù)產(chǎn)生、獲取和集成過程中的數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，確定數(shù)據(jù)質(zhì)量保證標準，評估數(shù)據(jù)是否符合法律或相關(guān)要求。

ISO/IEC 25012中的數(shù)據(jù)質(zhì)量模型比較適合制造業(yè)大數(shù)據(jù)，在ISO/IEC 25012 中，固有數(shù)據(jù)質(zhì)量是指當數(shù)據(jù)在特定條件下使用時，數(shù)據(jù)的質(zhì)量特征具有滿足規(guī)定和隱含需求的內(nèi)在潛力程度，依賴于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量解決了在給定過程中使用的適應(yīng)性問題。

作為擴展，ISO/IEC 25024 提供了一些措施來量化數(shù)據(jù)的外部和內(nèi)部質(zhì)量，由于數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)價值只能根據(jù)工業(yè)4.0 中的使用環(huán)境進行評估，有學(xué)者提出使用三條準則來評估大數(shù)據(jù)集的使用質(zhì)量，即上下文一致性、操作一致性和時間一致性。對于這些準則中的每一條，都應(yīng)選擇適當?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量維度來評估。

根據(jù)設(shè)計，ISO/IEC 25012 中的定義非常通用，為企業(yè)的特定使用環(huán)境留出了空間，并為進一步的具體研究留有空間。

7 結(jié)束語

本文研究了工業(yè)4.0 技術(shù)與數(shù)據(jù)質(zhì)量管理之間的關(guān)系。探討了適用于確?，F(xiàn)代制造業(yè)組織數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵要素。隨著新設(shè)備越來越依賴數(shù)據(jù)來監(jiān)控和簡化運營，優(yōu)化其資產(chǎn)的性能和壽命，組織應(yīng)該了解信息是如何獲取、處理和用于做出業(yè)務(wù)決策的。

數(shù)據(jù)質(zhì)量管理是一個持續(xù)的過程，組織需要在所有層級建立獲取數(shù)據(jù)的原則，隨著時間的推移不斷減少數(shù)據(jù)缺陷。確保源頭的數(shù)據(jù)質(zhì)量，對于提高數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要。