船舶制造車間資源數(shù)據(jù)采集與場地狀態(tài)信息采集

郭 威，王冬梅，董家琛，侯 星，任文彬

(1.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032；2.上海船舶工藝研究所，上海 200032)

0 引 言

船舶制造企業(yè)車間各項資源布局的差異性和作業(yè)相似性導致相關(guān)資源數(shù)據(jù)呈離散型動態(tài)分布，給數(shù)據(jù)采集帶來較大不便，為使車間各項資源可及時采集和跟蹤，需要在所有資源庫中定義完整的工藝信息和動態(tài)信息，并利用互聯(lián)互通的船舶基礎(chǔ)平臺，建立車間網(wǎng)格化的傳感器網(wǎng)絡(luò)、定位系統(tǒng)、紅外感應系統(tǒng)和語音視頻系統(tǒng)等，對車間資源的物理自然狀態(tài)和設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)實時跟蹤和管理，解決船舶制造車間資源數(shù)據(jù)與場地狀態(tài)信息的采集、跟蹤及管理等技術(shù)問題，保證實時數(shù)據(jù)可快速準確進入車間資源庫，實現(xiàn)車間資源實時監(jiān)控跟蹤。

1 船舶制造車間資源數(shù)據(jù)采集技術(shù)

1.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)概述

數(shù)據(jù)采集在其他生產(chǎn)行業(yè)已廣泛應用，例如：電子產(chǎn)品裝配；汽車、摩托車、電動車裝配生產(chǎn)；電視機、音響、洗衣機等家電生產(chǎn)；食品、化工、包裝等。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要從傳感器、待采集設(shè)備、被測單元中進行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)信息的存儲與管理。車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中：LAN(Local Area Network)為局域網(wǎng)；WAN(Wide Area Network)為廣域網(wǎng)；CAN(Controller Area Network)為控制器局域網(wǎng)。

圖1 車間設(shè)備數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示例

在生產(chǎn)現(xiàn)場，信息采集主要包括人、機、料、法、環(huán)等，采集技術(shù)主要為條碼、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)、超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)和自動化裝置接口集成等。

生產(chǎn)現(xiàn)場根據(jù)各工序流程分布對應設(shè)置不同的生產(chǎn)和生產(chǎn)輔助設(shè)備，包括預處理設(shè)備、下料設(shè)備、加工和切割設(shè)備、沖壓設(shè)備、運輸設(shè)備、焊接設(shè)備、存儲設(shè)備等。各種設(shè)備由于生產(chǎn)廠家不同往往擁有不同的設(shè)備通信接口形態(tài)和通信協(xié)議類型，為滿足車間設(shè)備信息采集的需要，針對不同的形態(tài)需要采用對應的通信協(xié)議。

1.2 條碼技術(shù)

條碼技術(shù)是在計算機應用實踐中產(chǎn)生和發(fā)展起來的一種自動識別技術(shù)。條碼利用按規(guī)則排列的條、空或?qū)址M成可存儲對應信息的標記，當前主流為一維碼和二維碼。

(1)應用領(lǐng)域

條碼技術(shù)自1948年研制、1966年應用以來，憑借靈活、高效、可靠、成本低廉的特點，逐漸成為現(xiàn)代社會較常見的信息管理手段。條碼技術(shù)不斷發(fā)展，目前已成為物流倉儲、商品零售、工業(yè)制造、產(chǎn)品溯源、電子商務、醫(yī)療健康和交通系統(tǒng)等場景應用中的基礎(chǔ)技術(shù)。

(2)應用優(yōu)勢

在現(xiàn)代以設(shè)備自動化和智能化為基礎(chǔ)的工業(yè)自動化生產(chǎn)模式中，條碼技術(shù)具有可靠準確、數(shù)據(jù)輸入速度快、經(jīng)濟便宜、靈活實用、設(shè)備簡單和易于制作等顯著優(yōu)勢。

(3)企業(yè)應用

應用現(xiàn)代化管理理念，采用條碼技術(shù)，可解決企業(yè)管理中的收發(fā)、倉儲和統(tǒng)計等問題。企業(yè)管理難點如表1所示。

表1 企業(yè)管理難點

(4)掃描方式

條碼技術(shù)是信息數(shù)據(jù)自動識讀和自動輸入計算機的重要方法和手段，常用掃描方式為無線掃描、離線掃描和在線掃描。

(5)船舶制造車間應用場景

一維碼(條碼)應用于車間圖紙下發(fā)及紙質(zhì)文件維護過程，對圖紙進行全生命周期管理。二維碼應用于車間設(shè)備及鋼板、型材、小組立和中組立等中間產(chǎn)品零件，一方面可在車間設(shè)備的維保管理過程中實現(xiàn)電子管理，另一方面可為實現(xiàn)中間產(chǎn)品零件的精確分揀及全流程追溯奠定基礎(chǔ)。

1.3 RFID技術(shù)

(1)技術(shù)原理

RFID技術(shù)原理為閱讀器與標簽之間進行非接觸式數(shù)據(jù)通信，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)達到識別目標的目的，根據(jù)識別距離分為短距和長距[1]。

(2)系統(tǒng)構(gòu)成

基本的RFID系統(tǒng)由3個部分組成：標簽、閱讀器和天線。

(3)應用領(lǐng)域

射頻電子標簽的讀寫具有如下特點：與方向無關(guān)、不易損壞、遠距離讀取、支持多標簽同時讀取等。RFID技術(shù)被廣泛應用于倉庫管理、產(chǎn)品跟蹤、生產(chǎn)線自動化、物料管理、供應鏈自動管理、防偽識別和醫(yī)療等多個領(lǐng)域[2]。條碼、二維碼和RFID的對比如表2所示。

表2 條碼、二維碼和RFID的對比

(4)船舶制造車間應用場景

應用于車間場地和以托盤為單位的資源信息采集過程，RFID與托盤綁定生成固定編碼，在車間物流中進行信息傳遞。

1.4 UWB技術(shù)

(1)應用優(yōu)勢

UWB技術(shù)是一種無線載波通信技術(shù)，具有系統(tǒng)復雜度低、發(fā)射信號功率譜密度低、對信道衰落不敏感、截獲能力低和定位精度高等優(yōu)點，尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場所的高速無線接入[3]。

(2)系統(tǒng)構(gòu)成

UWB系統(tǒng)包含3個組成部分：傳感器、有源定位標簽和定位平臺，在傳統(tǒng)的應用環(huán)境中可穩(wěn)定達15 cm的三維定位精度。

(3)船舶制造車間應用場景

應用于運輸車輛和人員的定位。

1.5 自動化裝置接口集成技術(shù)

在車間資源方面，需要對場地和設(shè)備等狀態(tài)信息中的自動化裝置進行數(shù)據(jù)采集，主要包括：

(1)利用自動化設(shè)備進行采集

利用條碼讀寫器、RFID讀寫器及其嵌入式采集終端，通過光、電磁和溫度等技術(shù)，對信息載體進行自動識別，通過內(nèi)部硬件和軟件的解析，將獲取的信息顯示給用戶。

(2)利用生產(chǎn)設(shè)備獲取

隨著數(shù)控伺服系統(tǒng)的不斷發(fā)展，可利用設(shè)備終端提供的接口直接獲取數(shù)據(jù)，采用對象連接與嵌入的過程控制(OLE(Object Linking and Embedding)for Process Control，OPC)接口及一些必要的軟件配置，利用上位機直接對設(shè)備數(shù)據(jù)進行采集。

2 船舶制造車間場地狀態(tài)信息采集技術(shù)

2.1 場地分類及網(wǎng)格化技術(shù)

船舶制造車間場地主要分為3類：制作工位、材料堆放工位和安全通道。船舶制造車間場地網(wǎng)格化劃分如圖2所示。

圖2 船舶制造車間場地網(wǎng)格化劃分

(1)制作工位

制作工位是場地狀態(tài)中較重要的部分，按生產(chǎn)流程和制作形式劃分為板材切割生產(chǎn)線工位、型材切割生產(chǎn)線工位、小組立生產(chǎn)線工位、小組立制作胎架工位、焊劑銅襯墊(Flux Copper Backing，F(xiàn)CB)生產(chǎn)線工位、中組立生產(chǎn)線工位、中組立制作胎架工位和分段制作胎架工位等。

(2)材料堆放工位

材料堆放工位一般為切割鋼材堆放區(qū)、切割零件離開胎架堆放區(qū)、小組立零件進入胎架堆放區(qū)和小組立離開胎架堆放區(qū)。按船廠對鋼板整體規(guī)格的需求，對切割鋼材堆放區(qū)進行網(wǎng)格劃分，確保所有鋼板均可堆放至其中至少1個鋼材堆放區(qū)。在切割生產(chǎn)線旁邊，對切割零件離開胎架堆放區(qū)進行網(wǎng)格劃分，預留零件托盤堆放位置。對大型板材零件采用切割鋼材堆放區(qū)的方式，在切割生產(chǎn)線離開胎架處預留位置堆放。在小組立生產(chǎn)線前或小組立胎架上料附近，為小組立零件進入胎架堆放區(qū)預留位置，進行網(wǎng)格劃分。在小組立生產(chǎn)線或小組立離開胎架處，對小組立離開胎架堆放區(qū)進行網(wǎng)格劃分，為小組立托盤預留堆放位置。

(3)安全通道

安全通道一般用于車間運輸設(shè)備和工人的通行，屬于非生產(chǎn)區(qū)域，對車間內(nèi)各安全通道進行網(wǎng)格劃分。

2.2 場地狀態(tài)信息采集技術(shù)

制作工位、材料堆放工位和安全通道的三維模型通過3Ds Max、AutoCAD、Visual Components等三維建模/仿真軟件，將模型信息模塊化采集集成至制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)，對需要進行廠區(qū)調(diào)整的區(qū)域進行動態(tài)布局。場地狀態(tài)信息采集作為車間資源信息的背景和載體，為進一步實現(xiàn)車間資源信息采集可視化做好準備[4]。

使用RFID技術(shù)對車間出入口、工位與工位間、工位與堆位間和工位與安全通道間的邊界進行識別，對進入該區(qū)域的設(shè)備、中間產(chǎn)品和人員等信息結(jié)合制作工位、材料堆放工位和安全通道的三維模型進行記錄。制作工位主要對鋼板、小組立占據(jù)胎架面積、中組立占據(jù)胎架面積、分段占據(jù)胎架面積和人員信息進行測算記錄；材料堆放工位主要對零件托盤、小組立托盤和門架等進行記錄；安全通道主要對運輸設(shè)備和人員等進行記錄。場地狀態(tài)信息采集如表3所示。

表3 場地狀態(tài)信息采集

2.3 場地物流優(yōu)化

按比例建立場地平面模型，通過可視化看板實時顯示分段車間內(nèi)外場地的布置情況。根據(jù)車間場地和堆場的規(guī)格、尺寸、用途、起重能力、轉(zhuǎn)運能力的基本信息，建立車間場地和堆場三維數(shù)據(jù)模型，對場地狀態(tài)、生產(chǎn)進度、設(shè)備資源和作業(yè)人員等動態(tài)信息進行跟蹤分析，測算各場地的單位面積產(chǎn)能、轉(zhuǎn)換率和利用率等技術(shù)指標。

將物流信息技術(shù)全面引入整個生產(chǎn)流程，通過對中間產(chǎn)品的物流情況分析，為管理者的生產(chǎn)運行決策提供相應的數(shù)據(jù)支撐。對生產(chǎn)中間產(chǎn)品的流轉(zhuǎn)進行計劃、組織、指揮、協(xié)調(diào)、控制和監(jiān)督，使各項物流活動實現(xiàn)最佳的協(xié)調(diào)與配合，使場內(nèi)中間產(chǎn)品的物流運輸情況精細化，現(xiàn)場情況看板化、透明化和系統(tǒng)集成化，實現(xiàn)數(shù)字化造船的目標。

通過場地模型和中間產(chǎn)品物流模型的建立，對中間產(chǎn)品進行管理，對運輸車輛和人員進行調(diào)度，可導入和編排物流運輸計劃，在系統(tǒng)平臺實時看到車間內(nèi)物流運輸和場地使用的實際情況，進行及時有效的信息反饋，便于控制整個物流運輸?shù)倪\作，更有利于進行派工和物流線路的指定，為管理決策人員提供準確的數(shù)據(jù)信息和支持信息，提高管理決策的效率和準確性。

2.4 場地布局優(yōu)化

場地智能優(yōu)化計算即車間網(wǎng)格化場地的優(yōu)化計算問題可描述為：在有效的車間場地內(nèi)，為每個產(chǎn)品分配工位，使其在周期內(nèi)不與其他產(chǎn)品及場地內(nèi)的不可用區(qū)域產(chǎn)生干涉，并滿足計劃中的所有產(chǎn)品消耗的最低能耗總和。為將粒子群優(yōu)化(Particle Swarm Optimization，PSO)算法與場地調(diào)度實際相結(jié)合，減少初始化的隨機性和盲目性，引入正態(tài)分布賦值，以使各分段初始化位置更接近實際?；赑SO的車間場地布局優(yōu)化算法流程如圖3所示，其中：RBF(Radial Basis Function)為徑向基函數(shù)。場地面積產(chǎn)能量化如圖4所示。場地利用率如圖5所示。

圖3 基于PSO的車間場地布局優(yōu)化算法流程

圖4 場地面積產(chǎn)能量化

圖5 場地利用率

3 結(jié) 語

針對船舶企業(yè)在船舶制造過程中對數(shù)據(jù)采集的實際需求，分析對比主流通用采集技術(shù)的優(yōu)缺點。

結(jié)合船舶制造車間的生產(chǎn)組織特點，提出資源適用的采集技術(shù)。結(jié)合船舶制造車間場地使用特點，為優(yōu)化調(diào)整場地的單位面積產(chǎn)能、轉(zhuǎn)換率和利用率等技術(shù)指標，對場地布局進行動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)對場地利用狀態(tài)的自動跟蹤，為最終實現(xiàn)場地資源動態(tài)平衡、降低場地資源閑置率、提升場地單位面積產(chǎn)能提供參考。