陳維杰， 錢 娣， 張 濤， 卜 佳， 林 海

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

2013年德國在漢諾威工業(yè)博覽會上正式推出 “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)時交互，建立“智慧工廠”，從而實(shí)現(xiàn)整個生產(chǎn)過程的“自我優(yōu)化”。隨后，我國也提出“中國制造2025”，加快高端制造業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)代化的管件車間應(yīng)更主動地迎合這一趨勢，在“中國制造2025”戰(zhàn)略對接“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，走出一條可持續(xù)、低能耗、高盈利、面向未來的發(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)心的首要問題。因此，在船用管件的加工過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)方式存在以下問題：在成品管交貨時，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。這個過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、動態(tài)隨機(jī)性、多目標(biāo)性及約束性等)無法及時準(zhǔn)確有效地反饋給管理人員，需要對管件集合從多方面進(jìn)行匯總分析。這個過程用傳統(tǒng)的生產(chǎn)管理方式很難完成。

因此，對如何將計(jì)算機(jī)信息技術(shù)引入到管件加工過程中，在整個管件工程范圍內(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)競爭力而設(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，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)自動化加工，從而實(shí)現(xiàn)部分工位無紙化加工，保證有序高效的生產(chǎn)活動，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)庫管理技術(shù)，建立管件批量生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫并提供數(shù)據(jù)支撐，對管件的設(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)過對設(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)庫訪問層，單獨(dú)處理對數(shù)據(jù)庫的訪問事務(wù)；有業(yè)務(wù)邏輯層，專門處理業(yè)務(wù)邏輯，并方便擴(kuò)展和調(diào)整?？蛻舳素?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發(fā)功能層分離的方法組織項(xiàng)目開發(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，使得面向整個行業(yè)內(nèi)的普遍工廠進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)成為可能。與公共功能層不同，定制開發(fā)功能層是建立在公共功能層基礎(chǔ)上的一些定制開發(fā)，是單獨(dú)對應(yīng)于當(dāng)前實(shí)施工廠而特定開發(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，在保證軟件對特定工廠的深度適用性的同時，保證系統(tǒng)對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、倉庫管理、加工管理、報表生成等7大模塊。每個模塊可由若干個子模塊組成：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；基本管理包括部門管理、生產(chǎn)線管理等；數(shù)據(jù)導(dǎo)入指通過Excel將每根管件的基礎(chǔ)信息導(dǎo)入至數(shù)據(jù)庫；計(jì)劃管理指對每個項(xiàng)目的周期計(jì)劃制訂相應(yīng)的加工步驟和節(jié)點(diǎn)；倉庫管理包括庫存明細(xì)、入庫管理、規(guī)格管理、出入庫明細(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、手動下料、加工進(jìn)度等；報表生成指通過每道工序的數(shù)據(jù)最終輸出報表并下達(dá)生產(chǎn)和加工任務(wù)。

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

管件生產(chǎn)加工管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫是管件生產(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)過程相關(guān)的動態(tài)信息，還存放著企業(yè)業(yè)務(wù)活動和生產(chǎn)活動過程中的靜態(tài)和動態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)加工過程中數(shù)據(jù)的一致性和共享性。通過對數(shù)據(jù)庫模型的良好設(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)庫采用Microsoft SQL Server 2008。系統(tǒng)采用C/S模型，通過服務(wù)器端對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)統(tǒng)一訪問，提高數(shù)據(jù)庫的訪問速度，保證企業(yè)內(nèi)人員對數(shù)據(jù)的訪問和更改的實(shí)時性和一致性。

數(shù)據(jù)庫模型的設(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。分析加工過程中物流的流向和流量，找出生產(chǎn)過程中需要獲取信息、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)，就可將一個連續(xù)的管件生產(chǎn)過程看成離散點(diǎn)的信息控制過程。

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，然后對其進(jìn)行分析，獲取每個管件的材料、口徑、長度、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。

采用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)對管件批量生產(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，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為管件對象的數(shù)據(jù)模型。

圖1 管件對象數(shù)據(jù)模型

該數(shù)據(jù)庫主要包括以下幾個部分的信息：

(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、托盤等；

(5) 管件加工數(shù)據(jù)：下料長度、法蘭相對轉(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)庫信息模型按所描述的對象主要分為以下7個模型：

(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、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、加工長度、材料、規(guī)格型號、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) 過程信息模型。該模型用于描述管件在管理和加工過程中的狀態(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)過本系統(tǒng)對其進(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)通過本系統(tǒng)上傳至數(shù)據(jù)庫中，同時對管件狀態(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、出入庫和庫存等。

(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)劃以船和圖號為單位，通過圖號關(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)域及圖號等。

(6) 基礎(chǔ)編碼信息模型。該模型用于對每根管件及零件的長度、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)待開發(fā)功能

在“中國制造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，自動生成最優(yōu)生產(chǎn)線，在耗時最短的情況下高質(zhì)量地開展新的生產(chǎn)任務(wù)。

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

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

(4) 及時新建或改造符合 “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

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)加工過程中的主要信息對象及其相互關(guān)系，根據(jù)管件生產(chǎn)加工過程中的信息化現(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)和與此相對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)對關(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。