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使用传感器监控的 Smarter Planet 解决方案,第 4 部分

执行资产跟踪,实现流程优化

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简介

本系列的 第 3 部分 讨论了如何使用家庭医疗设备集成来改善医疗看护的总体效率。本文将查看实时资产位置跟踪集成如何改进工作流运作,比如生产系统中的工作流。

为了实现一个精简、高效和响应性好的生产流程流,必须确切地了解目前所拥有的流程组成和集合(assembly),以及它们的位置。增加对流程组成、集合、校准工具甚至员工的位置的可见性可以改善生产流程的效率,并为生产线管理提供额外的实时数据,这些额外的实时数据是流程改进的基础。为了改进运营效率,works-in-progress 一定不能被中断,并且必须具有可预见性。管理人员需要能够分析库存程度、周期时间、等待时间、产量、设备和人员利用率,以及流程各个方面所涉及的许多其他因素。

本文描述了被集成到 IBM® WebSphere® Sensor Events 的资产位置跟踪如何被用于创建更智能的生产解决方案。这篇文章将涵盖以下主题:

  • 讨论生产解决方案及其组成。
  • 定义解决方案的架构。
  • 描述一个示例用例,演示解决方案的特定方面。
  • 为所述的用例提供样例代码。

生产流程监视

如今,在一个典型的生产企业中,运营经理负责协调所有地面操作(floor operation)。这包括确保正确的人员,正确的组件、工具以及设备都处于正确的位置。这种协调对于任何生产流程都至关重要;如果没有这种协调的话,生产运营无法满负荷运行,或者会生产出低劣的产品。

让我们以汽车制造为例。生产一辆汽车的成本非常可观,并且汽车制造商投入了大量的资源来为他们试图生产的汽车模型设计合适的生产线。这种设计会设定生产线的精确组成部分,这些组成部分将在一个精确的时间、精确的位置与具有适当技能的人员交互。可以想象得到,这是一项艰巨的任务。如果缺乏精确性,生产输出就会减少,或者产品质量受到影响。

想象一下下面这些情况,运营经理可以从一个中心位置监视生产现场,他可以看到门口机(door station)有多少个门,以及查看产品质量是否合格并且没有门被损坏,经理可以查看相应的人员是否位于他们的位置并且当生产线再次开始移动时他们没有在休息,并且可以在停止一只正在运行的机械手之前提醒经理,如果实现所有这些描述,会怎么样呢?假设您安装了一个特殊的汽车部件,它需要一组特殊的工具。产品线经理会在生产开始之前确保所有工具都到位。想象一下,您已经开始了具体的生产,但是所需要的工具仍然没有准备好。生产不得不中断,这样才能找到所需的工具。

这些只是一个智能生产解决方案中涉及的监视、检查和协调方面的一部分示例。和所有其他 Smarter Planet 解决方案一样,可见性是关键;因此,运营经理对流程操作获得了前所未有的可见性。通过使经理们更好地理解每个位置的操作,这个解决方案可以帮助防止生产线停顿和质量问题。

本文通过一个汽车制造示例讨论并演示了更加智能的生产,但是对于任何生产流程来说,必须要认识到所有必需的组件、工具、设备和人员必须在适当的位置和精确的时间进行交互。这种可见性提供了这种认知并使生产流程变得更加智能

Instrumented仪表化

正如我们在前几篇文章中讨论的一样,实现智能化的第一步是实现仪表化。仪表化为了解生产流程中的每一个步骤提供了基础。在生产流程中,仪表就是指可编程的逻辑控制器、传送带、分流器(diverter)等设备,以及 RFID 和条形码扫描器。活跃的 RFID 标签可以提供给定资产的实时位置并在工厂内跟踪它的流程。仪表化不仅仅与应用到生产部件和人员的设备和标签有关,还与监视必要设备的运行状态的传感器有关。如今的大多数生产设备都能够监视设备的状态。然而,更智能的 planet 解决方案则更进一步,不仅监视设备的状态,还可以检验所有部件、人员和工具的位置。仪表化是实现可见性的第一步。

Interconnected互相连接

如果没有一个完整的、综合的全局流程视图(其中包含实时资产位置),那么很难管理、协调和优化整个系统中的流程。在一个复杂流程中,某一个位置出现的问题和低效率会随着资产在生产线中的流动而被放大。为了使整个流程增值,这些设备和系统需要互相连接和集成,这样经理就可以对整个流程有一个比较清晰的了解。相互连接性意味着将部件、工具和人员的实时位置信息与设备健康状况和库存程度整合在一起。所有这些数据的相互连接需要集中到一个位置,这样就可以对数据进行过滤和纠正。

Intelligent智能

一旦被监视的数据可以由生产线运营经理查看,整个系统将变得智能化。您可以自动化常规的传感器监视,否则这些监视会浪费时间和资源。实时位置跟踪意味着部件、集合和产品可以在流程的每一步中进行跟踪。如果一个集合用的时间太长以至于无法完成一个步骤(周期时间),那么显然会成为一个问题。然而,步骤之间的时间(停留时间)的延长同样很重要,因为这将产生一个流程问题 —— 临时库存保持不变但资金变得紧张 —— 并且延长了整个生产线的总的周期时间。对此实现仪表化可以轻松地跟踪长期趋势并更准确地预测库存消耗和产量。

下一小节将查看传感器事件处理如何有助于流程流的执行。

解决方案架构

图 1. 更智能的生产参考架构
图 1. 更智能的生产参考架构
图 1. 更智能的生产参考架构

这个生产参考架构的组成元素(图 1)包括:

  • 数据捕捉

    在实现一个智能生产系统时,Data Capture and Delivery 组件是面向被连接设备的主要集成点,是传感器设备和 WebSphere Sensor Events 服务器之间的处理链的第一站。Data Capture and Delivery 是 WebSphere Sensor Events 的一个组件,包含一个软件堆栈,这个软件堆栈驻留在传感器设备中,或接近于传感器设备。它提供了一个框架来为设备通信构建设备适配器,并为面向低延迟需求的业务逻辑提供了一个位置。它还积极地管理扫描器、传送带、分流器等设备。在一个智能生产系统中,传感器将监视部件、容器和人员在整个生产流程中的移动。Data Capture and Delivery 组件提供了一个框架来规范化、过滤、整理和总结这些数据,去掉无关的数据或是压缩数据量来减轻带宽和服务器负载。它还可以缓冲数据,处理不可靠的通信,这样就不需要由应用程序逻辑来执行这项工作。

  • WebSphere Sensor Events

    由于已经在本系列的早期文章中介绍了这一主题,并且它在解决方案架构中的角色并没有在智能生产解决方案中发生变化,因此本文将不会介绍 WebSphere Sensor Events Gateway 组件的功能和用途。然而,WebSphere Sensor Events 服务器的角色和提供的服务确实发生了改变。在更智能的生产解决方案中,WebSphere Sensor Events 可以提供诸如过滤、整理、区域确定(zone determination)和资产可视化等服务。当在生产流程中跟踪移动资产时,资产位置通常通过 Data Capture and Delivery 从位置跟踪设备转发,可以使用一个相对位置坐标参考(比如生产现场的一个指定的原点的 X、Y、Z 引用),或者使用对一个已确定的物理空间(比如工作站、房屋、车间、工作区)的参考。对于相对坐标参考,WebSphere Sensor Events 可以用于将这些参考点分解为已知的物理空间。在下面展示的例子中,我们假设资产位置事件已经确定了 “区域”。因此,您将看到这些位置事件如何与 IBM WebSphere Business Events 和 IBM WebSphere Business Monitor 集成来产生业务价值。

  • WebSphere Business Events

    WebSphere Business Events 提供了在生产流程期间发现部件、容器和人员流中的重要模式的能力。当所有必要部件或人员在需要时没有出现在所需位置时,WebSphere Business Events 将发出警报。其他定制规则可以基于停留时间之类的内容;例如,如果某个部件或人员在工作站中停留了过长的时间,那么预示着出现了问题并且需要派人查看问题。WebSphere Business Events 提供了框架来定义和执行一组完成的规则,这组规则可以管理和监视这些生产流程。

  • WebSphere Business Monitor

    WebSphere Business Monitor 为生产监管者提供了各种设施来更轻松地监视 WebSphere Business Events 或 WebSphere Sensor Events 输出,从而找出可疑的趋势。监视可以采用各种指示板、图表或图形的形式。生产监管者随后可以使用这些数据来支持决策制定,从而优化流程、库存控制和人员调度。来自 WebSphere Business Monitor 的数据可以被转发给其他系统或 IBM Cognos®,以使用来自其他系统的数据进行深入分析。

  • IBM Cognos Business Intelligence

    来自 Data Capture and Delivery 的位置事件抵达 WebSphere Sensor Events 服务器并被持久化。WebSphere Business Events 将根据所需的一组规则监视事件。WebSphere Business Monitor 在一个指示板中显示所有生产资源的位置。尽管传感器数据为监管者提供了大量以前没有的信息,但是仅仅使用传感器数据还不足以令监管者执行流程效率分析。要让监管者能够针对流程优化提供具有可行性的建议,解决方案必须能够提供分析功能。IBM Cognos 是一个为生产监管者提供必要的分析功能的平台,从而能够根据生产调度和输出性能给出快速但准确的建议。

在生产线中利用实时位置跟踪

实时定位系统 (RTLS) 使用无线技术(比如 Wi-Fi、超宽带、RFID、蓝牙和 GPS)来实时识别并跟踪生产资源或人员的位置。在一个 RTLS 解决方案中,被跟踪的生产资源或人员通常使用相同的方式发送无线信号。例如,一个用电池驱动的标签,可能会被附加到所跟踪的生产资源或人员上。发出的无线信号由 RTLS 解决方案的定位组件接收并分析,以确定被跟踪的生产资源或人员的位置。RTLS 解决方案使用空间坐标或区域信息识别某种生产资源的位置。

常见的 RTLS 实现使用电池驱动的标签和一个内置的无线电发射器以及一个位置传感器阵列。后者被部署到所监视领域的各个位置。由标签发出的无线信号被传感器接收,然后转发到位置组件,后者使用各种方法来计算标签的位置。这些计算可能基于可见性(标签是否位于传感器的视线中)、信号强度或者信号从标签发送到传感器的时间量。不管使用哪一种方法,位置组件都负责确定标记的位置并使信息可用于应用程序。例如,一个消费应用程序可能确定某个被标记的资产被允许存放的区域,并当资产位于这些区域以外时触发一个警报。

在下面将给出的样例场景中,一个 RTLS 解决方案将被用于跟踪一辆汽车在随着装配线移动时的位置。装配线被分为 5 个工作区。RTLS 解决方案使用了一组传感器(每个工作区分配一个传感器)来接收汽车车架上附加的活动 RFID 标签发出的无线信号。传感器将接收到的无线信号传递给位置组件,后者确定汽车目前位于哪个工作区。位置组件被配置为仅当汽车进入某个工作区时生成事件。这些事件被用于确定所需的部件和需要在给定工作区中对汽车进行的工作。生产线监管者随后可以使用一个简单的 Business Monitor Business 空间显示来监视汽车在这个包含 5 个步骤的生产流程中的移动情况。本场景中使用的工作区包括:

  • 车架装配
  • 侧板装配
  • 车身装配
  • 油漆作业
  • 检查

样例场景

为了演示更智能的生产,本例将跟踪一辆汽车沿着装配线在工作区中的移动。本场景的两个重要方面是:

  • 显示汽车的当前位置(按区)。
  • 在汽车跳过某个区(生产过程通常为一个有序的过程)时显示一条错误。

为了实现这个场景,将使用下面的软件堆栈:

  • WebSphere Sensor Events
  • WebSphere Business Events
  • WebSphere Business Monitor

为了展示汽车的状态,将使用一个 GUI 应用程序显示汽车当前所在的区以及汽车沿着装配线的移动是否有效。

图 2 展示了从创建开始事件流如何流经软件堆栈并显示出来:

  1. 当汽车随着装配线开始移动时,一个活跃的 RFID 标签将传递它的位置。一个 RTLS 将检测 RFID 标签的移动并确定所在区域。输入一个区域后,RTLS 将向 WebSphere Sensor Events 发送一个区域进入事件。
  2. WebSphere Sensor Events 接收到该事件,对其进行转换,然后将其发送给 WebSphere Business Events。
  3. WebSphere Business Events 将评估规则来实现场景。样例包含两条规则:一条用于转发区域进入事件,另一条用于确定汽车是否漏掉了某个生产步骤。结果将被发送给 WebSphere Business Monitor。
  4. 对于 WebSphere Business Monitor,将创建监视模型应用程序。这些应用程序从传入的事件收集指标和关键性能指标(KPI)。这些指标和 KPI 值可用于显示在指示板中。
  5. 指示板环境(WebSphere Business Monitor 的一部分)为从指标和 KPI 中构建 GUI 提供了一个灵活的系统。
图 2. 事件流
图 2. 事件流
图 2. 事件流

因此,首先发生的事件是汽车沿着装配线移动,最后发生的事件是更新指示板 GUI。

实现样例

要运行样例应用程序,需要执行下面的步骤来满足前提条件:

  1. 将 WebSphere Sensor Events V6.2(及其必备软件)安装到其自己的 IBM WebSphere Application Server 配置文件。
  2. 将 WebSphere Business Monitor V6.2 安装到它自己的 WebSphere Application Server 配置文件,或安装到包含 WebSphere Sensor Events 的配置文件。
  3. 安装 IBM Rational® Application Developer V7.5.1。
  4. 将 WebSphere Business Monitor Toolkit V6.2 安装到 Rational Application Developer。
  5. 按照下面的步骤创建 IBM WebSphere MQ(同 WebSphere Sensor Events 一起安装)和 WebSphere Business Monitor 之间的连接。http://www.ibm.com/developerworks/library/i-bam618/ 不要对 WebSphere MQ 链接启用安全性。

您需要为以下这些必要的参数提供值:

  • 运行 WebSphere Sensor Events 的服务器的 IP 地址。
  • 运行 WebSphere Sensor Events 的配置文件的默认应用程序端口。
  • 运行 WebSphere Sensor Events 的服务器的主机名。
  • 运行 WebSphere Business Monitor 的服务器的 IP 地址。
  • 运行 WebSphere Business Monitor 的配置文件的默认应用程序端口。
  • WebSphere Business Events 登录凭证(默认用户 ID/密码为 admin/admin)。

设置样例

  1. 启动服务器。

    对 WebSphere Sensor Events 和 WebSphere Business Monitor 启动 WebSphere Application Server 配置文件。

  2. 定制 WebSphere Sensor Events。

    WebSphere Sensor Events 包括了一个可重用组件(RUC)库,每个库都执行一个特定的功能。这些 RUC 处理检索自 WebSphere Application Server SI (Service Integration) 总线的消息。负责将消息发送给 WebSphere Business Events 的 RUC 被称为 WBERUC。要让 WBERUC 接收这个样例应用程序的消息,JMS 激活规范的消息选择器必须进行修改:

    1. 在一个 Web 浏览器中,导航到 WebSphere Application Server 管理控制台(比如 http://wseServer:9060/admin)。
    2. 选择 Resources > JMS > Activation specifications
    3. 滚动激活规范列表并选择 WBERUCAS
    4. 将消息选择器修改为:ibmse LIKE '%SmarterManufacturing/ZoneEntry'
    5. 单击 OK
    6. 保存配置更改。
  3. 部署 WebSphere Business Events 项目。

    要从 WebSphere Business Events 将输出发送到 WebSphere Business Monitor,必须使用当前服务器的主机名更新 WebSphere Business Event 的操作的属性:

    1. 启动 WebSphere Business Events Design Data 应用程序(WebSphere Business Events 随 WebSphere Sensor Events 一起安装)。
    2. 打开名为 SmarterManufacturing_WBEProject.xml 的样例 WebSphere Business Events 项目。
    3. 从库中删除任何已有的 WebSphere Business Events 对象:
      1. 选择 Tools > Repositories
      2. 选择 WBE Runtime 选项卡。
      3. 输入运行 WebSphere Sensor Events 的配置文件的主机名和 IP 地址。
      4. 单击 OK
      5. 输入 WebSphere Business Events 凭证。
      6. 单击 Login
      7. 选择所有资产。
      8. 单击 Delete
      9. 确认删除操作。
      10. 单击 Close 以退出 Repository 窗口。
    4. 更新 ZoneAlert_Action 属性:
      1. 在 Touchpoints 窗口中,展开 WebSphere Sensor Events Server
      2. 右键单击 ZoneAlert_Action 并选择 Action Properties
      3. 选择 Connection 选项卡。
      4. 单击 Configure
      5. 单击 Provider
      6. 对于 URL,为运行 WebSphere Business Monitor 的服务器输入 IIOP URL(例如 iiop://wbmServer:2810)。
      7. 单击 OK 以关闭 Provider 窗口
      8. 单击 OK 以关闭 Message Queue Action Connection。
      9. 单击 OK 以关闭 Action Properties 窗口。
    5. 遵循步骤 3d 中使用的相同流程(用于更新 ZoneAlert_Action 属性)更新 ZoneEntry_Action 的属性。
    6. 部署 WebSphere Business Events 对象:
      1. 选择 Tools > Repositories
      2. 选择 Project 选项卡。
      3. 现在所有资产。
      4. 单击 Add In
      5. 单击 Close 以退出 Repository 窗口。
    7. 保存 WebSphere Business Events 项目并退出 Design Data 应用程序。
  4. 在 WebSphere Business Events 中重新加载库资产。

    在部署库资产后,WebSphere Business Events 必须被重启才能获得任何新的资产:

    1. 在 Web 浏览器内,导航到 WebSphere Business Events 管理控制台(例如 http://wseServer:9080/wbe)。
    2. 使用 WebSphere Business Event 凭证登录;在单击 Login 之前,将 Tool 列表切换为 Administration
    3. 单击 WebSphere Business Events 管理控制台的左上角的 Console 图标。
    4. 单击控制台窗口的右上角的 Reload 图标。
    5. 等待,直到显示一条表示库已成功加载的消息。
    6. 退出 WebSphere Business Events 管理控制台。
  5. 更新 XML 名称空间。

    模型应用程序的入站事件的 XML 名称空间非常重要。该名称空间必须精确匹配由 WebSphere Business Events 发送的内容:

    1. 启动 Rational Application Developer 并从 本文附带的SmarterManufacturing_RAD.zip 项目交换文件导入项目。
    2. 转到 Business Monitoring 透视图。
    3. 在 Project Explorer 视图中,展开 Smarter Manufacturing > Event Definitions
    4. 在 XSD 编辑器中打开 Action_ZoneAlert_Action.xsd 文件。
    5. 将所有出现 wse62 的位置修改为运行 WebSphere Sensor Events 的服务器的主机名。
    6. 关闭 XSD 编辑器,保存更改。
    7. 忽略任何错误;它们将在稍后纠正。
    8. 对 Action_ZoneEntry_Action.xsd 文件重复步骤 5d 到 5g。
    9. 在 Project Explorer 视图中,展开 Smarter Manufacturing > Monitor Models
    10. 在监视器模型编辑器中打开文件 Smarter Manufacturing Model.mm
    11. 在编辑器窗口的底部选择 Smarter Manufacturing Model.mm 选项卡。
    12. 将所有出现 wse62 的位置修改为运行 WebSphere Sensor Events 的服务器的主机名。
    13. 关闭监视器模型编辑器,保存修改。
  6. 生成 J2EE™ 模型应用程序。

    在更新 XML 名称空间后,生成组成模型应用程序的 J2EE 类:

    1. 在 Rational Application Developer 中,右键单击 Smarter Manufacturing Model.mm 并选择 Generate Monitor J2EE Projects
    2. 单击 Finish 并等待过程结束。
  7. 导出 J2EE 模型应用程序。

    生成 J2EE 模型应用程序后,创建包含模型应用程序的 J2EE EAR 文件:

    1. 在 Rational Application Developer 中,选择 File > Export > Java EE > EAR file
    2. 单击 Next
    3. 选择 Smarter Manufacturing Model Application EAR 项目。
    4. 输入一个目标地址。
    5. 单击 Finish
  8. 安装 J2EE 模型应用程序:

    将 J2EE 模型应用程序安装到运行 WebSphere Business Monitor 的 WebSphere Application Server 配置文件:

    1. 在 Web 浏览器中,导航到 WebSphere Application Server 管理控制台。
    2. 选择 Applications > Install New Application 并安装模型应用程序 J2EE EAR。
    3. 完成之后,选择 Applications > Monitor Models
    4. 对于 Smarter Manufacturing Model,单击版本链接。
    5. 单击 Manage schema
    6. 选择 Run script to delete the schema during uninstallation。(这一步骤用于在卸载 J2EE 应用程序时简化清理工作)。
    7. 单击 OK
  9. 安装业务空间。

    业务空间是基于 Web 的用户界面,包含了用于显示模型应用程序结果的指示板。包含指示板(显示标签的当前区域)的业务空间可用于样例应用程序:

    1. 在 Web 浏览器内,打开 WebSphere Business Monitor Business Space(例如 http://wbmServer:9081/BusinessSpace)。
    2. 单击 Manage Business Spaces
    3. 单击 Import Business Space 工具栏图标。
    4. 导入文件 SmarterManufacturing_BusinessSpace.data
    5. 单击 developerWorks 以访问新移植的 Business Space。
    6. 可以使用 Smarter Manufacturing 页面附带的 Instances 小部件显示模型数据。
  10. 重启服务器配置文件。

    要使所做出的所有配置更改生效,需要重启服务器配置文件:

    1. 重启运行 WebSphere Sensor Events 的 WebSphere Application Server 配置文件。
    2. 重启运行 WebSphere Business Monitor 的 WebSphere Application Server 配置文件。
  11. 启动连接器。

    发送自 WebSphere Business Events 的事件将由另一个名为 Connectors 的应用程序处理。在继续之前启动 Connectors 应用程序。

运行样例应用程序

样例应用程序包含一个基于 Web 的 GUI,用于模拟汽车在装配线的移动。当运行应用程序时,只需要将汽车图标拖拽到装配线的不同位置。拖动汽车将向 WebSphere Sensor Events 发送一个事件,开始事件在整个系统中的流动。

要运行 GUI 模拟器:

  1. 解压缩 本文附带的SmarterManufacturing_WorkFlowSimulator.zip
  2. 打开 WorkFlowSimulator\WebContent\WorkFlowSimulator.html
  3. 沿着装配线拖拽汽车。
图 3. 装配线 GUI
图 3. 装配线 GUI
图 3. 装配线 GUI

要查看指示板的输出:

  1. 在 Web 浏览器中,打开 WebSphere Business Monitor Business Space(例如 http://wbmServer:9081/BusinessSpace)。
  2. 选择 developerWorks Business Space。
  3. 选择 Smarter Manufacturing dashboard 页面(图 4)。
  4. 指示板页面将更新以显示移动汽车的结果:
    • Zone:显示汽车被移入的区域的名称。
    • Status:显示 “OK”(没有跳过区域)或 “Error!”(跳过了区域)。
    耐心一些;页面需要几秒钟的事件执行刷新。
图 4. 更智能的生产 Web 页面
图 4. 更智能的生产 Web                     页面
图 4. 更智能的生产 Web 页面

结束语

可以想象得到,本演示仅仅是提供可见性的第一步。如前所述,下一步是提供对人员、工具和设备的相同的位置感知,然后使用 WebSphere Business Events 来确保所有必需的生产资源在每个位置都可用。如果希望继续这个实践,可以向样例应用程序添加人员和工具数据。本文的下载文件提供了源代码。

总的来说,本文描述了如何使用实时位置资产跟踪来助力流程流执行。尽管本文讨论的是生产流程中的资产跟踪,但是实时资产跟踪可以用于广泛的流程流场景。类似的需要存在于医疗、航天 & 国防、能源、交通和公共事业行业。

一般而言,通过实时资产跟踪实现的优点包括:

  • 通过提供现有资源的当前位置,改善资产利用率和雇员生产力。
  • 通过减少资产流失、缩减和由此产生的过度采购,降低成本支出。
  • 对基于位置的事件和自动触发的工作流实施业务规则并满足法规需求。
  • 通过使用合适的工具将适当的资源分配到正确的位置,最小化停产时间。
  • 预防资产短缺,并改善审计和遵从性能力。
  • 提供实时位置可见性。
  • 通过分析提供 KPI,以及与库存、利用率和异常有关的可见性。

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