造船車間海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)

金風(fēng)明， 曹新朝， 譚小野， 馬 健

(北京中船信息科技有限公司， 北京 100861)

0 引 言

傳統(tǒng)的造船車間對(duì)于生產(chǎn)信息的管理多采用手工記載，從而導(dǎo)致時(shí)間的浪費(fèi)、人力成本以及生產(chǎn)預(yù)算的增加，同時(shí)存在生產(chǎn)信息不準(zhǔn)確以及生產(chǎn)管理困難等問題。隨著造船模式的轉(zhuǎn)變以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，造船業(yè)也由傳統(tǒng)造船模式向數(shù)字化造船模式轉(zhuǎn)變，而數(shù)字化造船的核心技術(shù)之一是大數(shù)據(jù)技術(shù)，即船舶生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)化存儲(chǔ)與傳輸[1]。

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在造船車間的應(yīng)用尚不成熟，國內(nèi)外造船企業(yè)開始對(duì)數(shù)字化造船進(jìn)行實(shí)踐與研究，但是大數(shù)據(jù)技術(shù)在造船車間的應(yīng)用仍然沒有成熟的案例[2]。數(shù)字化造船車間與傳統(tǒng)造船車間相比，在節(jié)約時(shí)間成本與提高生產(chǎn)效率方面具有明顯優(yōu)勢，但是，數(shù)字化造船車間本身也具有數(shù)據(jù)傳輸慢、傳輸不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，為船舶生產(chǎn)帶來諸多不便。海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)針對(duì)造船車間數(shù)據(jù)特點(diǎn)及數(shù)據(jù)傳輸過程中的主要問題，在對(duì)造船車間數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定向傳輸，有效解決造船車間海量數(shù)據(jù)傳輸不準(zhǔn)確、傳輸速度慢等問題，從而實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速、精準(zhǔn)傳輸。

1 造船車間數(shù)據(jù)及其傳輸

1.1 造船車間數(shù)據(jù)類型及特點(diǎn)

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、殼舾涂一體化造船模式以及以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的分段建造生產(chǎn)模式，使得造船業(yè)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)化。

根據(jù)船舶制造工序的復(fù)雜性，從加工前、加工中、加工后等3個(gè)階段分析車間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。

(1) 在進(jìn)行鋼材加工前，首先須將生產(chǎn)相關(guān)信息發(fā)送至各生產(chǎn)工序。比如：船舶建造三維模型，必須在生產(chǎn)加工之前分發(fā)到各生產(chǎn)作業(yè)區(qū)人員的平板電腦、看板等信息設(shè)備；將大量的號(hào)料圖、套料冊以及明細(xì)表等信息在加工生產(chǎn)之前發(fā)送至各生產(chǎn)作業(yè)區(qū)信息接收設(shè)備；將大量數(shù)控指令以代碼形式發(fā)送至各數(shù)控設(shè)備，工人根據(jù)指令進(jìn)行數(shù)控操作，從而縮小殘次品的比例。將這些生產(chǎn)相關(guān)信息發(fā)送到工人接收信息的設(shè)備上，使得工人可根據(jù)相關(guān)信息精準(zhǔn)、合理地進(jìn)行加工作業(yè)。

(2) 在加工過程中，須對(duì)原材料、生產(chǎn)設(shè)備、終端設(shè)備(手持終端、平板、看板等)、人員、運(yùn)輸工具等進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)人員或者運(yùn)輸車輛進(jìn)行視頻監(jiān)控，以保證其在安全區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。對(duì)于設(shè)備的監(jiān)控主要包括以下過程：對(duì)設(shè)備進(jìn)行高頻率的采樣，獲取點(diǎn)數(shù)，通過大量數(shù)據(jù)分析，從而監(jiān)控設(shè)備可以正常運(yùn)行以及及時(shí)獲取生產(chǎn)信息；對(duì)于現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控，主要包括監(jiān)控現(xiàn)場的溫度、風(fēng)力、有害氣體等。

(3) 完工后，須對(duì)零部件、中間產(chǎn)品等進(jìn)行質(zhì)檢，員工完工后則須將工件的加工信息、圖片或者視頻等發(fā)送至生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，與工件要求的相關(guān)文件進(jìn)行比對(duì)，從而進(jìn)行質(zhì)檢等操作。

在船舶制造的各階段過程中有海量的行數(shù)據(jù)、文本、音頻、視頻等須傳輸，根據(jù)各數(shù)據(jù)是否可用二維表結(jié)構(gòu)邏輯表達(dá)、實(shí)現(xiàn)，可將其分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(行數(shù)據(jù))、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(文本、音頻、視頻、圖像等)[3]。

綜上所述，現(xiàn)代造船車間數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、類型多、增長率快且傳輸頻繁等特點(diǎn)，對(duì)造船車間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)、快速提出較大的挑戰(zhàn)。

1.2 造船車間數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)

船舶分段制造車間涉及很多數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，比如預(yù)處理、切割以及焊接等制造過程中數(shù)據(jù)、語音及視頻的傳輸，車間計(jì)劃、派工、領(lǐng)工、完工、質(zhì)檢、工位協(xié)調(diào)之間命令的上傳下達(dá)，以及制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES),企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(Enterprise Resources Planning, ERP)等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與交互需求等。由于數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣，同時(shí)數(shù)據(jù)間的供需關(guān)系復(fù)雜多樣，造船車間數(shù)據(jù)傳輸極易出現(xiàn)擁塞發(fā)生。擁塞問題的發(fā)生容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組時(shí)間延長、數(shù)據(jù)丟失以及上層應(yīng)用系統(tǒng)性能變差等問題，從而引起數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間長、傳輸系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得數(shù)據(jù)傳輸效率下降。

擁塞問題主要由存儲(chǔ)空間不足、帶寬容量不足、處理器處理能力弱等原因直接造成[4]，擁塞情況如圖1所示。多個(gè)輸入數(shù)據(jù)由1個(gè)輸出端口輸出時(shí)，極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)端口處因存儲(chǔ)空間不足而丟失，當(dāng)在一定程度增加存儲(chǔ)容量時(shí)，能一定程度緩解這種問題，但不能徹底解決問題，當(dāng)無限增大存儲(chǔ)容量時(shí)，反而加大擁塞程度，并造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。當(dāng)?shù)退冁溌穼?duì)高速數(shù)據(jù)流輸入時(shí)，信道帶寬大于信道容量，在網(wǎng)絡(luò)低速鏈路處就會(huì)形成帶寬瓶頸，從而發(fā)生擁塞[5]。如果路由器的CPU在執(zhí)行排隊(duì)緩存、更新路由表等功能時(shí)，處理速度跟不上高速鏈路，也會(huì)產(chǎn)生擁塞[6]。一旦發(fā)生擁塞往往會(huì)不斷加重，如果不加以控制，就會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生癱瘓。

圖1 網(wǎng)絡(luò)擁塞情況示例

2 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)

海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)對(duì)收集來的數(shù)據(jù)根據(jù)其數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類，根據(jù)需求方發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，對(duì)供求雙方的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行對(duì)比匹配，將匹配度最高的數(shù)據(jù)通過合適的傳輸機(jī)制傳遞給需求方。該技術(shù)降低數(shù)據(jù)終端的計(jì)算能力要求，減輕傳輸過程中的帶寬壓力，同時(shí)降低造船車間海量數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量，提高傳輸?shù)目煽啃?，從根本上解決傳輸擁塞問題。

2.1 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸系統(tǒng)

海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)組織結(jié)構(gòu)

海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)供給端、數(shù)據(jù)需求端、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)等3部分組成。其中，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)分類子模塊、需求生成子模塊、匹配度計(jì)算子模塊和傳輸機(jī)制選擇子模塊。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分類子模塊把數(shù)據(jù)根據(jù)類型分類，并根據(jù)需求信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配度計(jì)算，選擇匹配度最高值對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

海量數(shù)據(jù)分類傳輸技術(shù)從信息收集、信息分類到信息傳輸具體流程如圖3所示，具體工作流程如下：

圖3 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)工作流程

(1) 數(shù)據(jù)供給方首先采用射頻識(shí)別技術(shù)、傳感技術(shù)對(duì)云端資源的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)屬性進(jìn)行感知，獲取資源的標(biāo)識(shí)信息，并由傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至本地?cái)?shù)據(jù)中心，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)各種標(biāo)識(shí)信息、傳感數(shù)據(jù)信息的分析、預(yù)處理聚合等操作，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接入云網(wǎng)，為數(shù)據(jù)定向傳輸提供基礎(chǔ)。

(2) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，最終存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，其具體實(shí)現(xiàn)步驟為：① 根據(jù)數(shù)據(jù)類型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，如圖4所示，然后根據(jù)資源描述的語義特征，構(gòu)建描述各種數(shù)據(jù)類型的本體文檔，該文檔主要包括各數(shù)據(jù)類型的描述方式、語言表達(dá)等。② 根據(jù)數(shù)據(jù)的本體文檔對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分類、存儲(chǔ)。

圖4 系統(tǒng)供需雙方數(shù)據(jù)分類方式示例

(3) 需求方提出請(qǐng)求，需求生成模塊對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行需求信息修正，并生成需求清單，根據(jù)需求清單，建立基于數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)多層次語義匹配模型。根據(jù)每層匹配度與設(shè)定閾值的比較進(jìn)行匹配過濾，符合條件才能進(jìn)入下一層匹配，經(jīng)過多層過濾得到最優(yōu)數(shù)據(jù)匹配結(jié)果，并在供給方手機(jī)建立的數(shù)據(jù)庫查詢匹配度最高的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

(4) 根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行傳輸機(jī)制的選擇，傳輸機(jī)制選擇模塊是本系統(tǒng)采用定向分類傳輸技術(shù)的核心部分，也是本系統(tǒng)能夠避免擁塞的根本原因。如圖5所示，根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型選擇不同的傳輸機(jī)制，供給方進(jìn)行尋址，并與需求方建立連接，將數(shù)據(jù)快速傳遞給需求方。

圖5 系統(tǒng)的傳輸機(jī)制選擇流程示例

2.2 效果及優(yōu)點(diǎn)

該海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)從根本上解決了海量數(shù)據(jù)傳輸過程中的擁堵問題，具體從以下幾個(gè)方面體現(xiàn)。

(1) 將收集到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型分類儲(chǔ)存，同屬一類的數(shù)據(jù)按照一定的存儲(chǔ)原則進(jìn)行儲(chǔ)存，以便統(tǒng)一規(guī)劃和保存。

(2) 按需傳輸，只有當(dāng)需求方提出數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并且通過計(jì)算匹配度，得到匹配度最高的供給方數(shù)據(jù)，即最符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，減少冗余傳輸，降低擁堵發(fā)生的概率。

(3) 對(duì)于不同類型的數(shù)據(jù)，采用適合的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行傳輸，使數(shù)據(jù)傳輸過程簡潔高效。

3 技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

目前，造船車間作業(yè)指導(dǎo)僅僅通過二維圖紙、作業(yè)指導(dǎo)書等進(jìn)行，而船舶制造等大型工業(yè)制造過程復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)作業(yè)指導(dǎo)方式顯然不能夠滿足工人對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝要求的理解，而以三維作業(yè)指導(dǎo)書為載體的三維工藝信息用更符合人思維模式的表達(dá)方式來傳遞制造信息，若能將整船的三維模型甚至制造過程的三維動(dòng)畫效果都展示到每個(gè)工位端，工人就能更好地把握整體的制造信息，而三維模型及動(dòng)畫占用帶寬比較大，在高寬帶組網(wǎng)等硬件條件滿足的情況下，仍有可能發(fā)生傳輸擁堵，降低交互效率，影響生產(chǎn)進(jìn)度。利用該海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)，根據(jù)工人的加工過程，將工人需要的三維模型、指導(dǎo)書等信息定向傳輸給工人的終端，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類型不同，選擇合適的傳輸協(xié)議，則會(huì)大幅降低擁堵的概率。

圖6為作業(yè)指導(dǎo)應(yīng)用定向分類傳輸技術(shù)的過程。該作業(yè)指導(dǎo)過程通過組網(wǎng)將產(chǎn)品制造的工藝信息與工人的操作終端聯(lián)系起來。三維作業(yè)指導(dǎo)書編制完成后，當(dāng)操作工人或者管理人員需要查看三維指導(dǎo)書或者相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，提出作業(yè)指導(dǎo)請(qǐng)求，則該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將請(qǐng)求信息與指導(dǎo)書中相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到匹配度最高的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，選擇恰當(dāng)?shù)膫鬏敊C(jī)制，將作業(yè)指導(dǎo)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的終端(包括移動(dòng)終端、大屏顯示終端、專用終端等)，完成海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)在作業(yè)指導(dǎo)方面的應(yīng)用。

圖6 作業(yè)指導(dǎo)應(yīng)用定向分類傳輸技術(shù)過程

在三維數(shù)字化成為作業(yè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的趨勢下，將三維模型等大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付üの粍t成為最關(guān)鍵的技術(shù)之一，故在高寬帶組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，使用定向分類傳輸技術(shù)可有效避免傳輸擁堵，使得工人順暢地訪問和使用作業(yè)指導(dǎo)系統(tǒng)，加快生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

4 結(jié) 語

分析數(shù)字化造船車間數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸特點(diǎn)，提出海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)，該技術(shù)在對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)定向傳輸，并通過造船車間作業(yè)指導(dǎo)海量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用實(shí)例，證實(shí)該技術(shù)能夠有效解決海量數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸速度慢、準(zhǔn)確率低等問題，有效避免擁塞問題。

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