陳維杰， 錢(qián) 娣， 張 濤， 卜 佳， 林 海

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

2013年德國(guó)在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上正式推出 “工業(yè)4.0”，旨在利用信息化技術(shù)搭建智慧型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互，建立“智慧工廠”，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的“自我優(yōu)化”。隨后，我國(guó)也提出“中國(guó)制造2025”，加快高端制造業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)代化的管件車間應(yīng)更主動(dòng)地迎合這一趨勢(shì)，在“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略對(duì)接“工業(yè)4.0”的大背景下，憑借成熟的軟件技術(shù)的支持，填補(bǔ)傳統(tǒng)生產(chǎn)管理模式的不足，充分發(fā)揮現(xiàn)有生產(chǎn)工藝的優(yōu)勢(shì)，走出一條可持續(xù)、低能耗、高盈利、面向未來(lái)的發(fā)展道路。

目前，由于船舶行業(yè)管件產(chǎn)品數(shù)量龐大、規(guī)格繁多、品類復(fù)雜[1]，船用管件加工廠一般較難組織批量式生產(chǎn)，如何降低生產(chǎn)和管理成本、提高產(chǎn)量和設(shè)備利用率是工廠必須關(guān)心的首要問(wèn)題。因此，在船用管件的加工過(guò)程中需充分利用部件的相似性，將單件式生產(chǎn)方式優(yōu)化為批量式生產(chǎn)方式。

傳統(tǒng)生產(chǎn)方式存在以下問(wèn)題：在成品管交貨時(shí)，總裝模式下的造船廠需要按照管件加工廠安裝管件的順序及管件的分段、管件所屬系統(tǒng)等安裝關(guān)系組織交貨，而在管件加工過(guò)程中，需要按照管件的相似性(如管件規(guī)格、管件形狀類型、管件表面處理方式等)組織生產(chǎn)，這樣勢(shì)必需要打破管件的安裝關(guān)系重新分組安排生產(chǎn)。按照加工相似性劃分管件，解決管件的批量加工與交貨之間的不同要求，是采用人工排定計(jì)劃的生產(chǎn)方式難以較為妥善解決的。

為解決上述問(wèn)題，管理人員須按照設(shè)備加工能力和當(dāng)前負(fù)載情況制定或調(diào)整加工計(jì)劃。這個(gè)過(guò)程受到的約束條件較多，管件的生產(chǎn)狀態(tài)因種種原因(車間生產(chǎn)的復(fù)雜性、動(dòng)態(tài)隨機(jī)性、多目標(biāo)性及約束性等)無(wú)法及時(shí)準(zhǔn)確有效地反饋給管理人員，需要對(duì)管件集合從多方面進(jìn)行匯總分析。這個(gè)過(guò)程用傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理方式很難完成。

因此，對(duì)如何將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)引入到管件加工過(guò)程中，在整個(gè)管件工程范圍內(nèi)構(gòu)建管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)加以探究。

1 管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)概述

管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)是為提高管件車間加工生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)環(huán)節(jié)成本、減少資源浪費(fèi)、改善產(chǎn)品品質(zhì)并最終提升行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力而設(shè)計(jì)的一套基于精確生產(chǎn)方式的管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)從設(shè)計(jì)信息中獲取加工工藝數(shù)據(jù)，采用加工工藝相似性原理進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃安排，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工，從而實(shí)現(xiàn)部分工位無(wú)紙化加工，保證有序高效的生產(chǎn)活動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)提高企業(yè)生產(chǎn)效率和生產(chǎn)管理水平的目標(biāo)。

該系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理技術(shù)，建立管件批量生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)并提供數(shù)據(jù)支撐，對(duì)管件的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、加工數(shù)據(jù)及加工狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一集中管理，提供方便的查詢、分析等手段。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源來(lái)自工藝數(shù)據(jù)，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息的固有特征，對(duì)管件生產(chǎn)工藝信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、層次化、模塊化的描述，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的分析獲得管件加工數(shù)據(jù)和要求。

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu)，即客戶端服務(wù)器端架構(gòu)。服務(wù)器端有數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)層，單獨(dú)處理對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)事務(wù)；有業(yè)務(wù)邏輯層，專門(mén)處理業(yè)務(wù)邏輯，并方便擴(kuò)展和調(diào)整。客戶端負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互及與相關(guān)加工設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，通過(guò)遠(yuǎn)程調(diào)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的交互。

2 管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)采用公共功能層與定制開(kāi)發(fā)功能層分離的方法組織項(xiàng)目開(kāi)發(fā)。公共功能層面向同類加工工廠的共同需求，保證軟件系統(tǒng)的通用性，使得面向整個(gè)行業(yè)內(nèi)的普遍工廠進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)成為可能。與公共功能層不同，定制開(kāi)發(fā)功能層是建立在公共功能層基礎(chǔ)上的一些定制開(kāi)發(fā)，是單獨(dú)對(duì)應(yīng)于當(dāng)前實(shí)施工廠而特定開(kāi)發(fā)的，并不適用于其他類型企業(yè)。采用這種功能層分離的方式，在保證軟件對(duì)特定工廠的深度適用性的同時(shí)，保證系統(tǒng)對(duì)同類工廠差別性的廣泛適用性。

管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)按功能可劃分為人員權(quán)限、基本管理、數(shù)據(jù)導(dǎo)入、計(jì)劃管理、倉(cāng)庫(kù)管理、加工管理、報(bào)表生成等7大模塊。每個(gè)模塊可由若干個(gè)子模塊組成：人員權(quán)限包括主管權(quán)限管理、普通人員權(quán)限管理、生產(chǎn)加工人員權(quán)限管理等；基本管理包括部門(mén)管理、生產(chǎn)線管理等；數(shù)據(jù)導(dǎo)入指通過(guò)Excel將每根管件的基礎(chǔ)信息導(dǎo)入至數(shù)據(jù)庫(kù)；計(jì)劃管理指對(duì)每個(gè)項(xiàng)目的周期計(jì)劃制訂相應(yīng)的加工步驟和節(jié)點(diǎn)；倉(cāng)庫(kù)管理包括庫(kù)存明細(xì)、入庫(kù)管理、規(guī)格管理、出入庫(kù)明細(xì)查詢等；加工管理包括管件狀態(tài)提交、管件狀態(tài)明細(xì)、表面處理、手動(dòng)下料、加工進(jìn)度等；報(bào)表生成指通過(guò)每道工序的數(shù)據(jù)最終輸出報(bào)表并下達(dá)生產(chǎn)和加工任務(wù)。

3 管件生產(chǎn)加工管理數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)是管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)得以正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，存放著大量的基本信息及與管件加工生產(chǎn)過(guò)程相關(guān)的動(dòng)態(tài)信息，還存放著企業(yè)業(yè)務(wù)活動(dòng)和生產(chǎn)活動(dòng)過(guò)程中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中數(shù)據(jù)的一致性和共享性。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)模型的良好設(shè)計(jì)，可盡量減少數(shù)據(jù)的冗余，消除數(shù)據(jù)不一致。數(shù)據(jù)庫(kù)采用Microsoft SQL Server 2008。系統(tǒng)采用C/S模型，通過(guò)服務(wù)器端對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問(wèn)，提高數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)速度，保證企業(yè)內(nèi)人員對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和更改的實(shí)時(shí)性和一致性。

數(shù)據(jù)庫(kù)模型的設(shè)計(jì)要求是根據(jù)產(chǎn)品加工工藝的相似性進(jìn)行空間分道，實(shí)現(xiàn)對(duì)車間生產(chǎn)資源的優(yōu)化組合，提高生產(chǎn)效率。分析加工過(guò)程中物流的流向和流量，找出生產(chǎn)過(guò)程中需要獲取信息、協(xié)調(diào)和控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，以這些環(huán)節(jié)為信息站點(diǎn)，就可將一個(gè)連續(xù)的管件生產(chǎn)過(guò)程看成離散點(diǎn)的信息控制過(guò)程。

從工藝圖紙獲得管件的全部設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，將該設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)整理成統(tǒng)一的格式，然后對(duì)其進(jìn)行分析，獲取每個(gè)管件的材料、口徑、長(zhǎng)度、法蘭焊接、表面處理方式、校管方式及管件類型等信息。利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息的固有特征，對(duì)管件批量生產(chǎn)工藝信息進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、層次化、模塊化的描述，最終形成管件批量生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)庫(kù)。

采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)對(duì)管件批量生產(chǎn)工藝的需要進(jìn)行分析和描述。根據(jù)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理的不同要求，可將管件對(duì)象分為基本屬性、幾何屬性、加工屬性、裝配連接屬性及管理屬性等。同時(shí)，為保證數(shù)據(jù)的一致性和規(guī)范性，還需要設(shè)置必要的基礎(chǔ)信息， 圖1為管件對(duì)象的數(shù)據(jù)模型。

圖1 管件對(duì)象數(shù)據(jù)模型

該數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括以下幾個(gè)部分的信息：

(1) 主管；

(2) 管零件；

(3) 管件基本數(shù)據(jù)：管徑、壁厚、材料等；

(4) 管件裝配數(shù)據(jù)：管段和連接件、管段和附件、分段、托盤(pán)等；

(5) 管件加工數(shù)據(jù)：下料長(zhǎng)度、法蘭相對(duì)轉(zhuǎn)角、法蘭相初始角；

(6) 其他：基礎(chǔ)編碼、統(tǒng)計(jì)管理要求等。

數(shù)據(jù)庫(kù)信息模型按所描述的對(duì)象主要分為以下7個(gè)模型：

(1) 管件信息模型。該模型用于描述：管件整體性的相關(guān)信息，如工程名、區(qū)域名、圖紙編號(hào)、管件名、管件類型、表面處理、壓力試驗(yàn)及封口要求等；管件(管段/附件)的加工詳細(xì)信息，如名稱、加工長(zhǎng)度、材料、規(guī)格型號(hào)、類型(直/彎等)、質(zhì)量、條形碼等；加工工藝流程的信息，如加工順序、加工設(shè)備及配套部件等。

(2) 過(guò)程信息模型。該模型用于描述管件在管理和加工過(guò)程中的狀態(tài)，主要有采集器配置、采集數(shù)據(jù)信息、記錄管件狀態(tài)等。采集器在使用前必須經(jīng)過(guò)本系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行設(shè)置，確定其使用人、工位等。采集器用掃描的方式將管段上的條形碼信息進(jìn)行采集和保存。操作人員每天將保存在采集器中的數(shù)據(jù)通過(guò)本系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)對(duì)管件狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置。

(3) 物料信息模型。該模型用于描述管件材料或零件的信息，主要有管件的分類(管段、附件等)、材料、規(guī)格型號(hào)、出入庫(kù)和庫(kù)存等。

(4) 計(jì)劃信息模型。該模型用于描述計(jì)劃信息，主要有月、周的詳細(xì)計(jì)劃等。計(jì)劃以船和圖號(hào)為單位，通過(guò)圖號(hào)關(guān)聯(lián)到管件。

(5) 工程項(xiàng)目信息模型。該模型用于描述與工程有關(guān)的管理信息，主要有工程、船名、區(qū)域及圖號(hào)等。

(6) 基礎(chǔ)編碼信息模型。該模型用于對(duì)每根管件及零件的長(zhǎng)度、彎度、半徑等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行編碼。

(7) 人員信息模型。該模型用于描述一些與管理軟件本身運(yùn)行有關(guān)的信息，如登錄名、密碼及人員與角色關(guān)系等，角色屬性決定可以操作該軟件的權(quán)限。

4 管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)待開(kāi)發(fā)功能

在“中國(guó)制造2025”及“工業(yè)4.0”的大背景下，結(jié)合管件生產(chǎn)加工管理工作中不斷出現(xiàn)的需求，應(yīng)進(jìn)一步完善并提升管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)的復(fù)雜功能及實(shí)際應(yīng)用效果，體現(xiàn)在以下幾方面：

(1) 根據(jù)管件不同的生產(chǎn)工藝要求，通過(guò)數(shù)據(jù)分析直接調(diào)取相應(yīng)管件生產(chǎn)加工模塊，自動(dòng)生成最優(yōu)生產(chǎn)線，在耗時(shí)最短的情況下高質(zhì)量地開(kāi)展新的生產(chǎn)任務(wù)。

(2) 全生產(chǎn)場(chǎng)景的可視化成為現(xiàn)實(shí)，通過(guò)數(shù)字化模擬生產(chǎn)模式，可大幅降低各類生產(chǎn)試運(yùn)行的試錯(cuò)成本，提升產(chǎn)效產(chǎn)能。

(3) 提升系統(tǒng)處理復(fù)雜問(wèn)題能力，可更好地適用于各種實(shí)際生產(chǎn)場(chǎng)景。

(4) 及時(shí)新建或改造符合 “工業(yè)4.0” 相關(guān)要求的生產(chǎn)線及車間。

(5) 促進(jìn)人工智能的進(jìn)一步發(fā)展，以人工智能為基礎(chǔ)的各種算法可對(duì)整條生產(chǎn)線持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，并有效地降低能源及其他資源的消耗。

(6) 需要更多具備打造生產(chǎn)管理模塊、熟悉大數(shù)據(jù)技術(shù)并能夠合理使用相應(yīng)研發(fā)工具等能力的生產(chǎn)管理人員。

(7) 可賦予工程師更多創(chuàng)新空間。

5 結(jié) 語(yǔ)

從現(xiàn)代管件生產(chǎn)加工業(yè)務(wù)流程的調(diào)查和分析出發(fā)，分析管件生產(chǎn)加工過(guò)程中的主要信息對(duì)象及其相互關(guān)系，根據(jù)管件生產(chǎn)加工過(guò)程中的信息化現(xiàn)狀和要求，提出管件生產(chǎn)加工車間信息化體系的架構(gòu)，對(duì)管件信息集成和應(yīng)用方法進(jìn)行研究，建立管件車間生產(chǎn)加工與管理系統(tǒng)和與此相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)。該系統(tǒng)對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)加工軟件進(jìn)一步的研發(fā)方向進(jìn)行預(yù)判，希望能給予相關(guān)從業(yè)者以一定的啟示。