基于JAVA的精益造船MES系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

夏家俊　宋庭新　朱清波

摘 要：傳統(tǒng)小型船舶制造企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)存在生產(chǎn)模式粗放、生產(chǎn)流程混亂、生產(chǎn)計(jì)劃不當(dāng)、生產(chǎn)周期較長(zhǎng)以及庫(kù)存波動(dòng)量大等諸多問(wèn)題。為此，采用基于JAVA語(yǔ)言的SSM架構(gòu)并結(jié)合精益造船思想，根據(jù)企業(yè)自身業(yè)務(wù)需求，開(kāi)發(fā)一款適用于小型船舶制造企業(yè)的MES車(chē)間制造執(zhí)行系統(tǒng)，用于改善車(chē)間生產(chǎn)管理，提升船舶制造企業(yè)管理信息化水平和生產(chǎn)效率，增強(qiáng)小型船企市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

關(guān)鍵詞：JAVA;MES系統(tǒng);精益造船;軟件開(kāi)發(fā);信息化管理

DOI：10. 11907/rjdk. 191573

中圖分類(lèi)號(hào)：TP319 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??????????????? 文章編號(hào)：1672-7800（2020）003-0150-04

Design and Implementation of Lean Shipbuilding MES System Based on JAVA

XIA Jia-jun，SONG Ting-xin，ZHU Qing-bo

（School of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430074， China）

Abstract： Traditional small-scale shipbuilding enterprises are subjected to problems such as extensive production mode， chaotic production process， improper production planning， long production cycle and large inventory fluctuations. In order to solve such problems， according to the companys own business needs， this paper uses? SSM architecture based on JAVA language combined with lean shipbuilding ideas developed a MES workshop manufacturing execution system for small shipbuilding enterprises， which is used to improve workshop production management， the management information level and production efficiency of shipbuilding enterprises， and improve the market competitiveness of small ship enterprises to a certain extent.

Key Words： JAVA; MES system; lean shipbuilding; software development; information management

0 引言

從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，美國(guó)和日韓等國(guó)家率先將精益生產(chǎn)理論與船舶制造相結(jié)合，在廠區(qū)內(nèi)普遍實(shí)現(xiàn)了以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的模塊化、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)[1]。如韓國(guó)推行的智能船舶2.0方案，日本施行的i-shipping計(jì)劃，以及歐美提高船舶產(chǎn)品焊接、涂裝、單元模塊制造過(guò)程的智能化程度等[2]。中船集團(tuán)自1995年開(kāi)始學(xué)習(xí)先進(jìn)的現(xiàn)代化造船模式，經(jīng)過(guò)數(shù)十年發(fā)展，中國(guó)在先行分段數(shù)字化與自動(dòng)化領(lǐng)域取得突破，精益造船模式在以中船工業(yè)、中船重工為主的造船企業(yè)中得到了快速發(fā)展，但其整體集成度與世界一流水平尚存在一定差距。大多數(shù)本土中小型造船企業(yè)依然沿用傳統(tǒng)粗放的生產(chǎn)管理模式，隨著勞動(dòng)力成本的不斷上升，競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)日益下降[3]。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，在企業(yè)信息化管理浪潮的推動(dòng)下，大量企業(yè)開(kāi)始采用MES系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)進(jìn)度、生產(chǎn)計(jì)劃、庫(kù)存及產(chǎn)品質(zhì)量等方面的精細(xì)化管理，使資源得到最大程度上的合理分配，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度，提高車(chē)間生產(chǎn)效率[4]。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 需求分析

按照生產(chǎn)工藝特點(diǎn)劃分，船舶制造屬于生產(chǎn)周期很長(zhǎng)的離散型生產(chǎn)模式，同時(shí)制造工藝復(fù)雜、涉及工種繁多，與標(biāo)準(zhǔn)化的流水線生產(chǎn)相比存在著巨大差異，導(dǎo)致其生產(chǎn)計(jì)劃制定較為困難。同時(shí)生產(chǎn)任務(wù)以時(shí)間節(jié)點(diǎn)形式派發(fā)，未能精細(xì)化明確每周和每日生產(chǎn)目標(biāo)，因而難以控制日常生產(chǎn)進(jìn)度。由于無(wú)法確定日計(jì)劃生產(chǎn)量，使得物料可能出現(xiàn)延遲或堆積情況，庫(kù)存波動(dòng)較大[5]。上下工序之間信息溝通不及時(shí)，可能出現(xiàn)生產(chǎn)不均衡的狀況，導(dǎo)致制品堆積以及下游工序等待作業(yè)的情況，造成資源浪費(fèi)。為此類(lèi)中小型造船企業(yè)開(kāi)發(fā)一款精益造船MES系統(tǒng)，有助于解決上述問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的精益造船MES系統(tǒng)包括任務(wù)包管理、生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)、條碼管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理與統(tǒng)計(jì)分析管理6個(gè)核心業(yè)務(wù)[6]，具體如下：

（1）任務(wù)包管理。將船體按照生產(chǎn)類(lèi)型分類(lèi)，根據(jù)具體船體類(lèi)型，按照工藝模式劃分任務(wù)包，任務(wù)包中包含由BOM物料表組成的各個(gè)部件，可以查詢(xún)船型以及對(duì)應(yīng)任務(wù)包，也可查詢(xún)?cè)撊蝿?wù)包中所含部件數(shù)以及部件所用工時(shí)。管理人員運(yùn)用精益造船模式，按照設(shè)計(jì)圖紙對(duì)船體進(jìn)行作業(yè)分解，得到諸如船體基本結(jié)構(gòu)任務(wù)包、船體舵裝配任務(wù)包、船體舾裝布置任務(wù)包、輪機(jī)艉軸裝配任務(wù)包、電氣設(shè)備任務(wù)包等作業(yè)量較為均衡的任務(wù)包。其中船體基本結(jié)構(gòu)任務(wù)包下又包含船側(cè)板、舷側(cè)強(qiáng)肋骨、舷側(cè)縱骨、艙壁扶強(qiáng)材、甲板強(qiáng)橫梁等幾十個(gè)部件[7]。根據(jù)船體名稱(chēng)和型號(hào)錄入船體基本信息，根據(jù)任務(wù)包名稱(chēng)及其所屬船型錄入任務(wù)包基本信息，根據(jù)部件名稱(chēng)、型號(hào)、加工時(shí)間、加工數(shù)量、是否外協(xié)、所屬工段、所屬船型、所屬任務(wù)包錄入部件基本信息。該模塊是生產(chǎn)計(jì)劃模塊的子模塊，訂單會(huì)按照任務(wù)包下的部件實(shí)現(xiàn)作業(yè)分解，可查看任務(wù)包下所含具體部件，以及部件總數(shù)和部件加工總時(shí)長(zhǎng)，方便管理人員為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線均衡作出優(yōu)化調(diào)整。

（2）生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)[8]。根據(jù)客戶(hù)訂單，按照船型分類(lèi)、制定的任務(wù)包及所含部件進(jìn)行訂單分解，生成作業(yè)計(jì)劃，對(duì)作業(yè)計(jì)劃進(jìn)行排產(chǎn)，即可發(fā)布為派工單;管理人員錄入訂單基本信息，包括訂單名稱(chēng)、所需船型、客戶(hù)名稱(chēng)、交付日期等;選擇訂單分解，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)船型任務(wù)包下部件所對(duì)應(yīng)的工段生成相應(yīng)工單;點(diǎn)擊工單排產(chǎn)選項(xiàng)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)該部件的總工時(shí)等約束，實(shí)現(xiàn)部件在該工段上的排產(chǎn)并生成派工單，同時(shí)管理人員可手動(dòng)對(duì)排產(chǎn)時(shí)間進(jìn)行靈活調(diào)整;派工單發(fā)布后，即可在對(duì)應(yīng)工段終端看板上查看任務(wù)計(jì)劃;根據(jù)發(fā)布的派工單，系統(tǒng)生成甘特圖，連接外部打印設(shè)備即可對(duì)甘特圖和派工單進(jìn)行打印。

（3）條碼管理。依據(jù)部件類(lèi)型、時(shí)間戳生成條形碼[9]，粘貼至部件和任務(wù)包上，實(shí)時(shí)追蹤部件在產(chǎn)線工序上的生產(chǎn)情況。工段上操作的作業(yè)人員選擇船體類(lèi)型和任務(wù)包類(lèi)型，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)選擇結(jié)果與時(shí)間戳自動(dòng)生成條形碼，連接打印機(jī)將條形碼打印并粘貼在對(duì)應(yīng)部件上。在部件開(kāi)始生產(chǎn)時(shí)用掃碼槍掃描條形碼，生產(chǎn)結(jié)束時(shí)再次掃描，記錄工段生產(chǎn)時(shí)間，以及部件所在工段生產(chǎn)進(jìn)度。該模塊是統(tǒng)計(jì)分析管理模塊的子模塊，可幫助統(tǒng)計(jì)車(chē)間生產(chǎn)數(shù)據(jù)，方便在看板終端查看實(shí)時(shí)生產(chǎn)情況。

（4）庫(kù)存管理。統(tǒng)計(jì)倉(cāng)庫(kù)中由工單消耗的原材料數(shù)量、進(jìn)入倉(cāng)庫(kù)的半成品與成品數(shù)量及出入庫(kù)時(shí)間。當(dāng)工位上依據(jù)派工單執(zhí)行生產(chǎn)任務(wù)或完成任務(wù)時(shí)，庫(kù)管人員需要對(duì)原料開(kāi)具出庫(kù)信息或?qū)Π氤善放c成品開(kāi)具入庫(kù)信息，包括出入庫(kù)單號(hào)、部件類(lèi)型、部件編碼、出入庫(kù)數(shù)量、出入庫(kù)時(shí)間及操作人員等基本信息[10]。在進(jìn)行出庫(kù)操作時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判斷出庫(kù)數(shù)量是否符合庫(kù)存余量;在進(jìn)行入庫(kù)操作時(shí)，判斷入庫(kù)部件類(lèi)型是否符合產(chǎn)品類(lèi)型等。若不符合系統(tǒng)判斷，則出現(xiàn)彈窗提示。

（5）質(zhì)量管理。依據(jù)作業(yè)完成情況，制定質(zhì)檢時(shí)間與質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢查，并生成質(zhì)檢報(bào)告。質(zhì)檢人員為不同工段的不同產(chǎn)品設(shè)定質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)并記錄質(zhì)檢信息。當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)不符合標(biāo)準(zhǔn)的情況時(shí)，可根據(jù)產(chǎn)品條形碼追溯查詢(xún)，排查原料是否存在問(wèn)題、生產(chǎn)操作流程是否規(guī)范、機(jī)器設(shè)備設(shè)施是否出現(xiàn)異常等。

（6）統(tǒng)計(jì)分析管理[11]?？筛鶕?jù)條碼，通過(guò)車(chē)間看板顯示屏查看各工段生產(chǎn)進(jìn)度及工位上的庫(kù)存情況，并查看整個(gè)車(chē)間的訂單任務(wù)完成率，優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度。系統(tǒng)通過(guò)各工段上掃描的條碼、錄入的質(zhì)檢信息與出入庫(kù)信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。在車(chē)間大屏上展示各工段生產(chǎn)進(jìn)度，包括今日任務(wù)量、已完成數(shù)量、總體完成率等數(shù)據(jù)信息。在各工段終端顯示器上顯示該工段今日任務(wù)數(shù)量、已完成量、與標(biāo)準(zhǔn)任務(wù)進(jìn)度比等數(shù)據(jù)信息。在管理員后臺(tái)會(huì)根據(jù)工段上錄入的條碼信息展示各部件完成率、各工段完成情況，根據(jù)質(zhì)檢信息展示各工段返工率、產(chǎn)品合格率等信息。這些數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息可幫助管理人員從整體上直觀了解產(chǎn)品生產(chǎn)進(jìn)度，從而對(duì)瓶頸工位作出優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線均衡。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

按照小型船舶企業(yè)的業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了任務(wù)包管理、生產(chǎn)計(jì)劃與排產(chǎn)、條碼管理、庫(kù)存管理、質(zhì)量管理和統(tǒng)計(jì)分析管理6個(gè)功能模塊。工位作業(yè)人員、生產(chǎn)管理人員、后臺(tái)維護(hù)人員等不同角色用戶(hù)登錄系統(tǒng)時(shí)根據(jù)權(quán)限執(zhí)行工作任務(wù)[12]。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要通過(guò)生成的條形碼對(duì)部件及在制品進(jìn)行產(chǎn)品追蹤，實(shí)現(xiàn)出入庫(kù)登記與在制品識(shí)別。車(chē)間工段終端的作業(yè)人員登錄系統(tǒng)后，根據(jù)角色權(quán)限獲取生產(chǎn)任務(wù)，用掃碼槍掃描部件上的條形碼確定當(dāng)前工段上的產(chǎn)品信息，并顯示在車(chē)間大屏上。若生產(chǎn)未能及時(shí)完成，則回退至生產(chǎn)階段重新排產(chǎn)。其中生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)主要流程如圖2所示。

2.3 技術(shù)分析

MES系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具選擇支持多插件、可跨平臺(tái)，且有較高靈活性的Intellij Idea 2017，服務(wù)器端選擇企業(yè)級(jí)的系統(tǒng)架構(gòu)JAVA EE。Tomcat為系統(tǒng)提供Web服務(wù)器支持，同時(shí)采用高效的SSM框架，由MAVEN管理項(xiàng)目所需的jar包。瀏覽器客戶(hù)端采用Bootstrap框架開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Oracle 11g，結(jié)合Mybatis的SQL語(yǔ)句，使開(kāi)發(fā)效率和靈活度得到了極大提高[13]。系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇Windows10操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器為Oracle 11g，Web服務(wù)器為T(mén)omcat7.0，JDK版本為1.8.0。

（1）Spring是一個(gè)輕量級(jí)控制反轉(zhuǎn)（IoC）和面向切面（AOP）的容器框架。各模塊依賴(lài)關(guān)系通過(guò)簡(jiǎn)單的配置文件進(jìn)行描述，使其可以更清晰地將外部信息集中起來(lái)[14]。

（2）SpringMVC是為用戶(hù)開(kāi)發(fā)提供的主流框架，其分離了視圖、模型、控制器3種角色，將業(yè)務(wù)處理從界面交互中獨(dú)立出來(lái)，封裝到模型和控制器設(shè)計(jì)中去，使其之間互相解耦，可以獨(dú)立擴(kuò)展[15]。

（3）MyBatis是持久層框架，其支持自定義SQL語(yǔ)句、存儲(chǔ)過(guò)程以及高級(jí)映射。MyBatis 避免了幾乎所有 JDBC 代碼和手動(dòng)設(shè)置參數(shù)以及獲取結(jié)果集，只使用簡(jiǎn)單的XML或注解配置與映射原始信息，將接口和Java的POJO類(lèi)映射成數(shù)據(jù)庫(kù)中的記錄[16]。

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Oracle 11g作為數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。后臺(tái)人員錄入船體、任務(wù)包、物料等基礎(chǔ)信息，提交訂單。生產(chǎn)管理人員根據(jù)訂單請(qǐng)求，分解訂單與相應(yīng)任務(wù)包，安排生產(chǎn)計(jì)劃。作業(yè)人員在工位接收派工單，按照計(jì)劃完成生產(chǎn)，圖4展示了生產(chǎn)模塊數(shù)據(jù)流[17]。

（1）數(shù)據(jù)持久層。MyBatis框架首先創(chuàng)建SqlSessionFactory實(shí)例，其作用相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接池，然后通過(guò)配置的XML文件獲取一個(gè)Sqlsession。執(zhí)行sql語(yǔ)句所必需的方法都包含在其中，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作后需要釋放數(shù)據(jù)庫(kù)連接[18]。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層。數(shù)據(jù)訪問(wèn)采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫(kù)接口，當(dāng)需要與數(shù)據(jù)源交互時(shí)，便可使用DAO接口。它的使用可以降低業(yè)務(wù)邏輯組件和數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)邏輯的耦合度，更加專(zhuān)注于編寫(xiě)數(shù)據(jù)訪問(wèn)代碼。定義接口類(lèi)之后，在Mybatis的Mapper配置文件中添加配置即可[19]。

（3）控制層。在查詢(xún)客戶(hù)信息時(shí)，通過(guò)表單臨時(shí)存儲(chǔ)客戶(hù)表中每個(gè)字段的信息，因此需要一個(gè)表單實(shí)體類(lèi)作為可重用組件。當(dāng)里面每個(gè)字段都定義了get和set方法之后，Spring會(huì)自動(dòng)進(jìn)行封裝[20]。

表1給出了物料表material的核心字段。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

在系統(tǒng)中登錄后臺(tái)維護(hù)人員賬號(hào)，添加鋁合金船體，并給該船體添加一個(gè)船體基本結(jié)構(gòu)任務(wù)包，然后給該任務(wù)包添加具體部件，得到部分測(cè)試用例如表2所示[21]。

后臺(tái)維護(hù)人員在填寫(xiě)完船體類(lèi)型與任務(wù)包類(lèi)型后，在該任務(wù)包下添加詳細(xì)部件。下拉選擇船體類(lèi)型，根據(jù)船體類(lèi)型顯示對(duì)應(yīng)任務(wù)包，下拉并選擇部件所屬任務(wù)包，填寫(xiě)部件名稱(chēng)、編碼與數(shù)量，以及部件單件工時(shí)，選擇自產(chǎn)或外購(gòu)。根據(jù)部件工藝，勾選要分配的工段。

在系統(tǒng)中部件添加頁(yè)面如圖5所示。

錄入一艘船體的基本數(shù)據(jù)后，生產(chǎn)管理人員登錄系統(tǒng)，模擬訂單提交，訂單根據(jù)所屬船體任務(wù)包進(jìn)行訂單分解，得到部件工單，對(duì)不同工段上的部件工單進(jìn)行排產(chǎn)并點(diǎn)擊發(fā)布，工段上便可收到作業(yè)任務(wù)。同時(shí)可以生成不同工段上各個(gè)部件的生產(chǎn)甘特圖，如圖6所示。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用高效的SSM框架，結(jié)合精益生產(chǎn)思想設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了精益造船MES系統(tǒng)。該系統(tǒng)可有效改善造船企業(yè)的車(chē)間管理狀況，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，對(duì)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行了優(yōu)化重組。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各模塊功能均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，可為中小型船舶制造企業(yè)的制造過(guò)程信息化提供參考。

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（責(zé)任編輯：黃 健）

收稿日期：2019-04-21

基金項(xiàng)目：湖北省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（鄂交科教2017-538-6-1）

作者簡(jiǎn)介：夏家?。?994-），男，湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)楣芾砜茖W(xué)與工程;宋庭新（1972-），男，博士，湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，研究方向?yàn)楣I(yè)工程;朱清波（1982-），男，碩士，湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，研究方向?yàn)橹圃鞓I(yè)信息化。