基于可視化看板的車間物流管理系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

李楊梅，劉成娟，侯 星，董家琛，周 清

(1.上海船舶工藝研究所, 上海 200032; 2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司, 上海 200032;3.福州職業(yè)技術學院, 福建 福州 350108)

0 引 言

船體分段制造車間的生產物流是促進中間產品之間流通的紐帶，是分段建造進入下一個流程的關鍵，也是保證船舶建造按節(jié)拍生產的潤滑劑。以托盤為核心的車間生產物流是整個車間制造的重中之重，其目標是為建造車間提供暢通無阻的物料流轉，保證車間生產順利、高效地進行。同時，在防止物料損壞、丟失以及設備事故的基礎上，減少物料搬運的數(shù)量、頻率和距離可降低搬運費用，節(jié)約管理成本[1-2]。

1 船舶車間物流管理現(xiàn)狀及智能化需求

1.1 船企物流管理現(xiàn)狀

造船企業(yè)的物流包括造船企業(yè)與供應商之間的采購供應物流、生產過程中中間產品存儲的生產物流以及船舶總裝下水后造船企業(yè)與船舶所有人之間的銷售物流。造船企業(yè)與船舶所有人之間的銷售物流較少，對物流服務無特殊要求，因此主要的物流活動是生產物流。造船企業(yè)按照企業(yè)布局、制造過程和工藝流程的要求，實現(xiàn)建造原材料、外購件、外協(xié)件和各級中間產品在船廠內部、倉庫與車間、車間與車間之間的流動[2]。造船企業(yè)的物流主要有以下特點：企業(yè)物流以生產物流為主；涉及物資種類多、采購量大，供應商管理難；船舶交付后，庫存降為零，具有異樣性；造船屬于單件小批量生產，通用件少，物料產品具有對應性。

基于造船企業(yè)的物流特點，國內較多船廠提出了建設物流信息化、智能化的需求并進行研究，部分船廠已在車間內應用物流管理系統(tǒng)，在一定程度上對降低成本、縮短周期、提升造船效率有作用。但物流管理并沒有廣泛應用于行業(yè)中，各船廠的使用情況參差不齊，而且由于自身建造模式和建造方法的特殊性，物流管理也需要定制。

1.2 車間物流管理智能化需求

船舶建造是一個復雜的過程，從原料進廠、零件放樣、下料切割、部件裝焊、分段建造到總組、搭載等過程的每道工序、每個過程、每項操作都受管理、技術和人員等方面的主、客觀因素的影響。其中，車間建造是整個船舶建造的基礎，車間物流管理是船舶生產物流管理中十分重要的部分。

本文對多家船廠進行調研，以國內某大型造船企業(yè)為例，提出針對船體分段智能車間管理的物流管理看板的基本需求。以船體分段車間的船體零部件生產物流為研究對象，物流看板應：輔助車間作業(yè)人員對整個車間場地、運輸設備、托盤等資源進行優(yōu)化配置，同時提高生產、配送計劃的準確執(zhí)行率；協(xié)助相關管理人員對整個車間的制造進度及項目完成情況及時獲知和追溯；完成對船體零部件生產物流的實時監(jiān)測跟蹤，為提高車間工作效率、保證生產大節(jié)點提供可靠保證[1]。本文提出的物流看板功能包括：中間產品托盤狀態(tài)監(jiān)控；車間內場地狀態(tài)監(jiān)控；分段建造進度狀態(tài)管控。以看板的形式將生產過程中托盤、場地、中間產品展現(xiàn)出來，實現(xiàn)對制造車間的托盤、場地、中間產品的有效管控。

2 物流看板關鍵技術

為實現(xiàn)中間產品、場地、進度狀態(tài)等的實時監(jiān)控，物流看板系統(tǒng)應解決視圖和存儲、緩存處理、智能調度以及其與車間管控軟件的數(shù)據(jù)聯(lián)通等問題。

2.1 視圖和存儲過程

視圖和存儲過程技術主要解決數(shù)據(jù)查詢及報表數(shù)據(jù)速度慢的問題，提高數(shù)據(jù)查詢速度和系統(tǒng)性能。

2.1.1 視圖

視圖是將多個表的數(shù)據(jù)聯(lián)結成一張類似表的結構，不提供持久化，可看成是原生表數(shù)據(jù)頂層的抽象。編寫創(chuàng)建視圖的SQL腳本，讀取腳本內容放置在數(shù)據(jù)表中，另創(chuàng)建一個視圖，解決EF Code First不完全支持視圖的問題。

2.1.2 存儲過程

業(yè)務流程處理語句在存儲過程中使用SQL編寫，語句只編譯一次，服務器不需要在每次執(zhí)行時進行分析和編譯，避免了SQL語句在網(wǎng)絡中傳輸然后再解釋的低效率問題。

2.1.3 應用實例

(1) 看板計劃與實際顯示。計劃與實際顯示的數(shù)據(jù)是每項工程、每個分段或部件的3行數(shù)據(jù)(倒推計劃、策劃計劃、實際計劃)，全部工程的分段或部件計劃信息量比較龐大，通過Windows通信開發(fā)平臺(Windows Communication Foundation，WCF)服務解析并返回數(shù)據(jù)需要等待的時間長。為提高查詢性能，計劃采用建立視圖和存儲過程方式的方案：根據(jù)3行計劃建立倒推視圖、策劃視圖和實際視圖，通過存儲函數(shù)調用視圖，再通過調用存儲函數(shù)來獲取界面顯示數(shù)據(jù)。方案如圖1所示。

圖1 看板計劃與實際設計方案

(2) 看板報表展示。報表數(shù)據(jù)是通過查詢條件對基礎數(shù)據(jù)進行篩選、過濾，獲取后再通過WCF服務傳輸至客戶端，系統(tǒng)性能將大幅降低。根據(jù)業(yè)務流程，在SQL中建立視圖和存儲過程，如圖2所示。對應的存儲過程為報表模板1，…，報表模板n，報表顯示的數(shù)據(jù)通過調用存儲過程而獲取顯示。

圖2 看板報表設計方案

2.2 Redis技術

2.2.1 Redis

非關系型數(shù)據(jù)庫(NoSQL)將數(shù)據(jù)存儲于緩存之中，而傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫(SQL)將數(shù)據(jù)庫存儲在硬盤中，查詢速度遠不及NoSQL數(shù)據(jù)庫。

NoSQL數(shù)據(jù)庫包含Redis、MongoDB、memcached等，其中Redis采用鍵值存儲方案，將全部數(shù)據(jù)保存在內存中，是理想的緩沖層實現(xiàn)方案；同時Redis還支持多種數(shù)據(jù)類型、操作簡便，具有對緩存內容及數(shù)據(jù)持久進行細節(jié)調整的能力，整體執(zhí)行效率高。Redis能夠對靜態(tài)數(shù)據(jù)進行緩存處理，提高數(shù)據(jù)查詢速度和效率。

2.2.2 實例展示

(1) 看板顯示?？窗鍞?shù)據(jù)需按天滾動播放，將數(shù)據(jù)保存在Redis的緩存中，在沒有數(shù)據(jù)更新的情況下，不必從SQL數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)，該方式可提高查詢速度。

(2) 工程狀態(tài)顯示。工程狀態(tài)顯示整個系統(tǒng)關注點狀態(tài)的更新記錄，關注點可設置為對工程狀態(tài)的跟蹤，如工程計劃的數(shù)據(jù)更改和分段、批次的更改，包含更改的用戶、更改前后的數(shù)據(jù)值等。對物流看板管理系統(tǒng)下的任意工程進行狀態(tài)跟蹤，若數(shù)據(jù)保存在Redis中，只需將最新數(shù)據(jù)更新至SQL中，超過有效期限(本系統(tǒng)設置為30 000 s)后，Redis數(shù)據(jù)將被自動刪除。

(3) 切割機采集的中間數(shù)據(jù)保存。切割機采集的中間數(shù)據(jù)可臨時存儲在Redis中。在對數(shù)據(jù)進行處理后，將最新數(shù)據(jù)存儲在SQL中，超過有效期限后，Redis數(shù)據(jù)將被自動刪除。

2.3 分段運輸智能調度技術

2.3.1 分段運輸總體方案

基于某船廠產品生產現(xiàn)狀，總結業(yè)務過程中存在的問題，結合某船廠在船舶及海洋工程行業(yè)的豐富經(jīng)驗，提出分段運輸和堆場管理解決方案，其流程如圖3所示。

圖3 分段運輸和堆場管理解決方案流程

對成型的離胎分段進行實時信息準確控制，通過系統(tǒng)建設幫助船廠實現(xiàn)以下應用效果[3]：

(1) 合理規(guī)劃場地布局。對船廠場地物理屬性信息、分段產品特點進行分析，結合船舶建造流程，仿真規(guī)劃場地分配，建立場地分類屬性、利用優(yōu)先級別等體系。

(2) 優(yōu)化調度方案。通過分段調度管理，合理匹配作業(yè)場地并生成較優(yōu)的調度方案，確定分段調度計劃，減少分段無效轉運次數(shù)。

(3) 合理分配資源，提高利用率。根據(jù)船廠資源現(xiàn)狀，合理匹配資源，實現(xiàn)資源統(tǒng)籌管理，提高設備資源的利用率。

2.3.2 可視化仿真技術

(1) 虛擬廠區(qū)界面。界面提供用戶可自定義規(guī)劃廠區(qū)的功能，同時可定義區(qū)域并命名；能夠量取兩點之間直線距離與實際距離；按工位劃分分段堆場；提供大量可標識圖元，如“障礙物”“路燈”“地面坡度”等；具備界面縮放和拖放功能。

(2) 分段實際俯視平面輪廓圖。按照分段詳細組立流程(Detail Assembly Procedure，DAP)自動生成分段離胎后的俯視平面輪廓圖。

(3) 平板車模型。建立平板車信息，包括平板車起重能力等一些技術參數(shù)。

(4) 看板展示。在廠區(qū)及辦公區(qū)的必要位置設立看板，看板顯示廠區(qū)平面圖和分段實時布置情況。

2.3.3 數(shù)據(jù)實時傳送技術

(1) 移動終端。為每輛平板車配備1臺移動終端，可查看廠區(qū)布置圖及分段分布現(xiàn)狀，同時可對分段移位進行記錄；可使用Phone、Pad、PDA等設備接收和發(fā)送生產信息；駕駛員登陸移動終端完成當前人員信息錄入，形成駕駛員-平板車-當前時間的一一對應關系。

(2) 數(shù)據(jù)更新。提供離線記錄數(shù)據(jù)的方法，更新分段廠區(qū)分布情況及運輸情況，防止后期無線網(wǎng)絡故障。

2.4 中間數(shù)據(jù)庫

車間生產物流看板管理系統(tǒng)作為工場信息化系統(tǒng)的一個分支，處理工場生產管理相關的業(yè)務邏輯層，但基本數(shù)據(jù)來源為其他業(yè)務層，如制造過程數(shù)據(jù)文檔管理系統(tǒng)(manufacturing Process Data document Management system，PDM)系統(tǒng)。層與層之間應實現(xiàn)無縫數(shù)據(jù)對接，因此，為保證數(shù)據(jù)的準確性和實時性，將物流看板管理系統(tǒng)與該船廠PDM船體物流信息做接口集成。構建公共數(shù)據(jù)庫，通過PDM系統(tǒng)輸入工作信息，物流看板管理系統(tǒng)負責讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)流程

3 物流看板總體方案設計

3.1 總體方案設計

通過統(tǒng)計托盤、場地、中間產品的信息，構建車間內場地電子地圖，綜合車間資源，在生產計劃與實際的基礎上制定車間物流配送計劃，以物流看板為支撐，實現(xiàn)對整個車間物流狀態(tài)的監(jiān)控與跟蹤。具體如圖5所示。

圖5 車間生產物流看板管理系統(tǒng)總體方案設計

3.2 軟件系統(tǒng)架構

在系統(tǒng)設計方面充分考慮船廠特點，平臺架構層次包括物流數(shù)據(jù)來源、現(xiàn)場網(wǎng)絡管控、物流看板管理應用等3層架構，如圖6所示。

圖6 車間生產物流看板管理系統(tǒng)平臺架構

物流數(shù)據(jù)來源：主要開發(fā)集成接口，從生產執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)、企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(Enterprise Resources Planning system，ERP)、工程生產管理系統(tǒng)(Production Management System，PMS)、PDM系統(tǒng)中獲取托盤、中間產品、場地等的數(shù)據(jù)信息或模型，包含托盤配送計劃、車間生產計劃、胎位計劃、場地資源等相關信息。確保車間生產物流看板管理系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)的完整性、可集成性、可理解性、可擴展性及易用性等。

現(xiàn)場網(wǎng)絡管控：主要研究車間現(xiàn)場一體機的布置、網(wǎng)絡的布置及軟件系統(tǒng)的安裝，搭建車間現(xiàn)場與辦公室監(jiān)控之間信息互通與共享的信息交互橋梁。

物流看板管理應用：主要研究如何將數(shù)據(jù)接口集成過來的基礎數(shù)據(jù)進行有效利用，通過對數(shù)據(jù)進行分析、篩選、處理和優(yōu)化，構建現(xiàn)場位置、數(shù)量、狀態(tài)等基礎服務架構，建立抽象的業(yè)務集成接口模型，支撐船廠生產物流管控需求。

3.3 托盤及中間產品信息管理

3.3.1 托盤信息統(tǒng)計

船體分段車間的托盤種類較多，根據(jù)托盤種類和用途進行編號，并設置其具有唯一性不允許更改，編號對托盤自身信息也是有效的管理。

3.3.2 中間產品信息統(tǒng)計

船廠分段制造車間生產過程包含較多中間產品，包括零件、部件、小組立、中組立等。這些中間產品在進入下一道工序時，需以托盤的形式運輸至下一個工位。將中間產品的數(shù)據(jù)本系統(tǒng)進行集成，為產品中間看板提供數(shù)據(jù)基礎。

3.4 車間場地電子地圖構建

基于地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)構建的思路和方法，對車間場地信息進行摸排，將每個工位所在的位置進行一一標識，每個工位、流水線通道、軌道、設備所占的場地尺寸在電子地圖中得以體現(xiàn)，完成對車間內通道、軌道、工位、設備在電子地圖中的描述，建立車間電子地圖數(shù)據(jù)庫，形成車間電子地圖的顯示模型，實現(xiàn)車間建造場地上的固定資源在系統(tǒng)中的可視化。

3.5 車間物流配送

車間物流配送以托盤為單位進行管理，實現(xiàn)車間物流配送過程的可視化需掌握托盤的現(xiàn)有位置、托盤下道流向等信息?；谕斜P配送的相關信息及數(shù)據(jù)(PMS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù))，在本系統(tǒng)中對托盤在車間物流過程中的狀態(tài)和位置進行實時管控，通過對托盤狀態(tài)的跟蹤，查看產品托盤配送情況，在托盤狀態(tài)管理模塊查詢托盤的當前位置與信息，并以船型看板的形式進行展示[4]。

4 物流看板管理系統(tǒng)

車間生產物流看板管理系統(tǒng)主要包含7個功能模塊：基礎數(shù)據(jù)模塊、配送流程管理模塊、托盤狀態(tài)看板模塊、場地狀態(tài)看板模塊、產品/船型看板模塊、人員權限管理模塊、統(tǒng)計分析模塊。

4.1 基礎數(shù)據(jù)模塊

該模塊主要對中間產品種類、托盤種類、場地種類、船型信息、工位信息、零部件信息、船舶所有人/船檢信息等基礎信息進行維護與配置，如圖7所示。

圖7 基礎數(shù)據(jù)模塊

4.2 配送流程管理模塊

該模塊主要對車間內配送物流流程進行管理，以船體分段車間物流配送流程為中心，可查詢托盤、產品、場地的列表信息，如下料庫存量(含庫存數(shù)量和庫存物量)、組立庫存量、分段在胎量等，如圖8所示。

圖8 配送流程管理模塊

4.3 托盤狀態(tài)看板模塊

對船舶分段建造下的全部托盤信息進行統(tǒng)一管理，各托盤的所屬信息(所屬項目、分段、工位等)、狀態(tài)(上胎、離胎等)可直觀查詢，如圖9所示。

圖9 托盤狀態(tài)看板模塊

4.4 場地狀態(tài)看板模塊

在車間場地電子地圖上點擊任意場地，根據(jù)不同的顏色標識，查看該場地區(qū)域內或工位上的當前加工狀態(tài)，如圖10所示。

圖10 場地狀態(tài)看板模塊

4.5 產品/船型看板模塊

在船型圖上點擊任意分段，根據(jù)不同的顏色標識，可查看該分段所處的當前狀態(tài)，如圖11所示。

圖11 產品/船型看板模塊

4.6 人員權限管理模塊

該模塊用于實現(xiàn)軟件使用人員的信息管理和權限管理，保證數(shù)據(jù)維護的安全性，如圖12所示。

圖12 人員權限管理模塊

4.7 統(tǒng)計分析模塊

該模塊可根據(jù)用戶需要，對托盤、單船、分段下托盤等信息進行統(tǒng)計工作，如圖13所示。圖13所示為材料加工的分析數(shù)據(jù)，包含設備工作量、各班組工作量、切割工作信息等，可使工作信息更直觀、工作量統(tǒng)計更方便。

圖13 材料加工看板

5 國內船廠物流智能化建議

造船業(yè)經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，由勞動密集型產業(yè)逐步向信息密集型產業(yè)靠攏，船廠的建造模式也逐步由離散型向連續(xù)性轉變。本文中的車間生產物流看板管理系統(tǒng)基于生產車間實際，對提升車間生產效率、降低物流成本、促進資源合理配置等卓有成效。該管理系統(tǒng)雖具有一定的適用性，但若需提升船廠的物流智能化管理能力，還需從技術和管理等多方面建設來支持[5]?？偨Y建議如下：

(1) 船廠基礎技術。加強CAD、CAM等計算機輔助設計和建造技術，建立統(tǒng)一的質量管理體系標準，這些技術是數(shù)字化建造工藝實施的基礎；完善項目管理系統(tǒng)，促進生產各環(huán)節(jié)的協(xié)同作業(yè)，保證信息流通；建立精益化工作標準，滿足新型建造模式的工作劃分要求，提升工作效率。

(2) 船廠物流管理保障。加強物流資源配置，形成合理的物流運輸分配機制和運送機制，結合計劃與生產，實現(xiàn)精準運送；降低庫存成本，優(yōu)化存儲和物流配置，以零庫存為目標，實現(xiàn)成本最優(yōu)化。

(3) 零庫存生產管理。整合船廠各方面信息，重構管理與組織體系，提升人員管理水平，促進生產管理實施；實時掌握市場供求信息，加強船廠對市場的反應機制；建立合格供應商名錄，保障物料的準時供應，避免資源浪費。

6 結 論

基于造船企業(yè)生產物流業(yè)務流程，突破船舶物流看板中的相關展示、存儲及調度技術，研發(fā)了船舶車間生產物流看板管理系統(tǒng)，并將其成功應用于某大型船廠的分段制造車間。從企業(yè)管理角度來看，管理人員、設計人員以及生產人員都可通過可視化的方式，方便地實現(xiàn)隨時遠程查詢管理，并可根據(jù)后續(xù)生產節(jié)奏制定有效的計劃和完善準備工作。本文的研究成果能夠為企業(yè)建設智能船廠，尤其是物聯(lián)網(wǎng)技術的應用提供有力的技術支持，符合未來制造業(yè)及船舶工業(yè)生產技術的發(fā)展趨勢，適應當前船舶工業(yè)轉型升級的需要，具有廣闊的應用前景。