要素感知技術在船舶生產管控中的應用

蔡凱錢，張 翼，沈 寒

（滬東中華造船（集團）有限公司，上海 200129）

0 引 言

智能管控模式依托物聯網等新一代信息技術，全面采集現場生產要素信息，實時傳輸工程計劃管理數據，智能決策并反饋管控指令，驅動設備精準執(zhí)行這些指令，推動生產管理由傳統(tǒng)的“管人”向“管設備”轉變。對生產要素信息進行感知是智能管控模式必不可缺的環(huán)節(jié)，信息采集精確與否直接決定管控指令的可行性。本文對現有的生產管控體系進行研究，分析當前條件下船廠的生產管控機制，歸納智能管控布局的需求，闡述基于生產要素感知的智能管控模式的具體內涵。

1 感知技術的發(fā)展和生產管控應用現狀

當前各國正大力發(fā)展工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control System, ICS），發(fā)展了諸如分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）、監(jiān)控和數據采集系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）及工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)（Industrial Automation and Control System, IACS）等許多控制系統(tǒng)的配置和架構，將一些最先進的信息技術和電信功能擴展到普通機電物理系統(tǒng)中[1]，通過各種物理控制元件（機電、液壓和氣動）的組合活動，實現多樣化的工業(yè)目標[2]，這使得智能建筑、智能交通系統(tǒng)和智能生產線等“智能趨勢”逐漸增多。

隨著傳感和計算領域的技術不斷進步，感知技術得到快速發(fā)展。在工業(yè)機器人領域，感知能力的不斷提高和軟件需求的不斷增長為機器人提供了越來越強的感知和推理能力[3]。第一代焊接機器人需要人工示教，進而作業(yè)；第二代可根據工藝模型數據，通過配套的傳感器匹配工件信息進行自動焊接；最新的焊接機器人可通過多維度的傳感網絡獲得工件的焊接位置、焊腳高度和焊接形式等工藝信息，自主規(guī)劃焊接動作，進行自適應焊接生產[4-5]。雖然感知能力已得到長足發(fā)展并將繼續(xù)高速發(fā)展，但對工業(yè)生產中所有生產因素的感知分析是不切實際的，因此對生產要素的感知才是在生產管控的智能布局下尤為重要的。

2 當前主流船廠的生產管控機制

本文以上海江南長興船廠為例，研究其生產管控機制的組織體系、運行方式和保障措施。

1) 生產管控機制的組織體系。生產管控框架是指生產主管部門統(tǒng)籌整個建造計劃的排布，協(xié)調各生產部門將其細化成相應的生產計劃，部門作業(yè)區(qū)根據部門計劃將生產任務分解到所轄各班組（見圖1）。在各部門推進自己的生產計劃的過程中，生產主管部門也參與其中，承擔整體協(xié)調和保障生產大節(jié)點的任務。

圖1 生產管控組織框架

2) 運行方式。生產管控的運行模式為“計劃-實施-檢查-改進”的持續(xù)優(yōu)化模式（見圖2）。

圖2 生產管控運行模式

(1) 第一階段：計劃（明晰職能），明確風險管控主體職能。

(2) 第二階段：實施（過程建設），構建風險管控工作流程，明確各過程主要工作內容和實施方案。

(3) 第三階段：檢查（考核評審），優(yōu)化內容及任務的考核，對優(yōu)化內容和實施方案進行完善。

(4) 第四階段：改進（獎懲改進），建立保障制度，確保安全生產責任體系得以實施，推動持續(xù)改進。

3) 保障措施。主要以定期檢查和高頻率生產協(xié)調會的形式進行監(jiān)管；通過

檢查發(fā)現問題，責令整改或提前介入；通過生產調度會議協(xié)調溝通，平衡各方資源，保證生產有序開展。

以上是大框架下的生產管控機制，具體到生產工位，以該廠平直車間推進應用的焊機智能管控生產模式為例，分析其存在的問題。

該船廠梳理具有智能化管控改造潛力的焊機，開發(fā)數字焊機協(xié)議轉換接口和控制指令下載技術，打通主服務器與焊機之間的管控通道，形成焊縫組包、焊接過程監(jiān)測和焊機管控3個階段的智能管控模式。在實際應用中，面向不同的船型，焊機可從主服務器中下載相應的焊接工藝規(guī)范（Welding Procedure Specification, WPS），并由主控端對焊機不同通道定義相應的WPS，再由施工者根據現場施工需要選用合適的焊機通道，以實現不同焊接位置與相應WPS的匹配，從而保證焊接過程中的工藝遵循率。

然而，目前該模式還處于不完全智能的管控模式狀態(tài)，雖然其組包過程中依據工時標準和換算標準的任務工時分配基本上能實現智能優(yōu)化決策，但產品與 WPS的匹配因信息采集度不高，在模糊匹配下常常出現同一任務可配對多份 WPS的情況，會對現場施工產生一定的困擾。在該實例中，焊機在配置階段已由管控層定義為電流和電壓在選定通道內不超限，即實際的感知層采集的數據在管控層的應用度較低，當然自身的感知層也相對薄弱，其采集的數據在深度上和廣度上都較為有限，目前主要用于生產之后的分析和決策，無法做到實時動態(tài)感知，與優(yōu)化決策和智能管控的要求有很大距離。

3 面向船舶生產的要素感知布局

生產要素感知技術是船舶智能制造管控模式研究的重要內容，本文將生產要素定義為人、機、料、法、環(huán)和信等6個，結合船廠生產流程中對人員、材料、工裝設備和中間產品等數據的需求，分析論證條形碼、二維碼、射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）和傳感器等技術應用的可行性，對比分析各項技術的優(yōu)缺點，提出以下要素感知布局的構想。

1) 人：人員在生產管控系統(tǒng)中扮演的是執(zhí)行者和決策者的角色，在物聯網感知層需獲取的是人員的身份信息和物流活動執(zhí)行的狀態(tài)信息等。人員主要通過RFID射頻標簽標識，在物流過程中通過相應的識別設備讀取身份信息，并與操作的物流業(yè)務相關聯，實時跟蹤人員的作業(yè)過程。

2) 機：以電磁吊行車、平板車和叉車等運輸工具為例，主要是采集位置、速度和路線等信息。涉及的相關技術包括北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）和室內GPS（indoor GPS,iGPS）等定位技術，以及相應的速度解算、路線跟蹤算法等，需根據具體的工藝過程，結合物流業(yè)務選擇合適的技術，得到精確導航和路徑規(guī)劃等指導作業(yè)的能力。

3) 料：鋼板配套堆場、鋼板預處理、鋼板理料堆場和鋼板切割環(huán)節(jié)，鋼板的標識可采用條碼、二維碼和抗金屬RFID標簽技術。在采用RFID標簽時，需研究貼標的位置和鋼板遮擋等情況，通過對比功能、成本和操控性等屬性，提供適合現場環(huán)境的應用方案。

4) 法：研究RFID、條形碼和二維碼標識等技術的可行性，根據不同的產品定位，在成本和業(yè)務支撐能力等方面對3種技術進行評價，各船廠可根據實際情況選擇適合業(yè)務需要的最佳方案。

5) 環(huán)：堆場和緩沖區(qū)在物流系統(tǒng)中具有關鍵作用，利用物聯網對其進行高效管理，主要涉及對網格化的實時監(jiān)控與規(guī)劃利用，條形碼、二維碼和RFID等對網格的標識作用是相同的，通過對比分析各種方案對業(yè)務的支撐能力和實施的可行性，為船廠業(yè)務實現提供應用指導意見。

6) 信：中間產品在流轉過程中一般只需攜帶船號、分段號和部件號等固定信息，通過條形碼和二維碼標識是比較經濟的方案，但如何高效地錄入中間產品信息和保證中間產品流通過程中信息的完整性尚需進一步探索。

由上述各方面感知技術的布局可實現船舶生產流程中生產要素的初步感知，對于構建全新的智能生產管控模式而言具有重要意義。

4 生產要素感知組網

生產要素感知組網是構建智能生產管控模式的必經階段，需因地制宜地采用不同的組網方案，在切割機和焊機等設備密集布置的區(qū)域，考慮到生產過程對無線信號的干涉，應采用有線網絡布置，以保證信息的有效存儲和傳輸；在信號屏蔽少的工位，無線信號覆蓋度較好，可搭建無線網絡，便捷地傳輸數據；在有條件且有必要的生產區(qū)域，可同時布置有線網絡和無線信號覆蓋區(qū)域。但是，綜合考慮船廠的復雜環(huán)境和部分區(qū)域的保密要求，要素感知的組網將以有線網絡為主；隨著主服務器和光纖的搭建，構建的有線傳感網絡將在信息高密度傳輸區(qū)域發(fā)揮重要作用。智能管控新模式以“要素感知-智能決策-精準執(zhí)行”的流程運轉（見圖3），持續(xù)優(yōu)化、不斷提升對設備的掌控能力，要素感知階段基于各項傳感技術對人、機、料、法、環(huán)和信等各項生產要素信息進行采集，通過數據通道將數據傳輸至管控層；管控層采用復合算法分析數據，優(yōu)化計算，輸出指令到執(zhí)行層；執(zhí)行層接收指令，驅動設備調整，以完善生產狀態(tài)；感知層對生產狀態(tài)進行感知驗證，并反饋信息給管控層；管控層和執(zhí)行層根據反饋的信息做相應調整，持續(xù)優(yōu)化改進，保持生產狀態(tài)良好。在該模式中：管控層是智能管控體系的計算系統(tǒng)，分析決策整個系統(tǒng)的運作指令；執(zhí)行層是智能管控體系的運動系統(tǒng)，實現各項調整、改進和最終的生產活動；要素感知為執(zhí)行層提供決策依據，并對執(zhí)行層的執(zhí)行效果進行驗證，是整個生產管控體系的核心信息來源。

5 結 語

本文基于感知技術和計算領域的發(fā)展，探索通過船舶生產要素布局，實現船舶生產要素感知組網，構建“要素感知-智能決策-精準執(zhí)行”的智能管控新模式。智能生產管控布局的全面落實能實現現場生產要素全面感知，為后續(xù)智能制造的推進夯實信息基礎，極大地提高生產車間的智能化水平，使船舶建造過程中的生產管控變得更加方便、精益，中間產品的質量和生產周期變得更加穩(wěn)定、可靠，大大提高我國船舶制造業(yè)的國際競爭力。