基于Unity3D的船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵子明，馬曉平，張洪新

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

數(shù)字化席卷全球，不斷加劇工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式與現(xiàn)代數(shù)字化智能制造之間的競(jìng)爭(zhēng)，在工業(yè)市場(chǎng)體量不斷擴(kuò)大、制造業(yè)擁抱數(shù)字化技術(shù)的需求下，分段制造車間生產(chǎn)數(shù)字化、智能制造管理體系、智能數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)和數(shù)據(jù)可視化展示等重要性日益突顯。由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜和周期長(zhǎng)的特點(diǎn)，船舶生產(chǎn)管理技術(shù)和數(shù)據(jù)反饋逐漸成為生產(chǎn)制造的核心。在船舶制造過(guò)程中，長(zhǎng)期缺乏高效、便捷和靈敏的數(shù)據(jù)采集與反饋技術(shù)，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙將理論設(shè)計(jì)過(guò)渡為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)活動(dòng)，信息反饋滯后明顯，在過(guò)程中發(fā)現(xiàn)問題導(dǎo)致生產(chǎn)成本增加，對(duì)生產(chǎn)管理的影響較為嚴(yán)重。人工信息反饋機(jī)制難以解決復(fù)雜邏輯關(guān)系的數(shù)據(jù)與信息溝通不及時(shí)、數(shù)據(jù)查詢與審批流程困難和決策與執(zhí)行效率低等問題。

近年來(lái)，船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)突破傳統(tǒng)的看板形式，結(jié)合Unity3D動(dòng)畫設(shè)計(jì)和圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)編輯器，運(yùn)用可視化工具將船舶分段制造和生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)集成至大屏展示，可在分段生產(chǎn)制造過(guò)程中監(jiān)測(cè)、觀察、分析和優(yōu)化制造流程與制造步驟[1]?？窗骞芾砟Ｊ叫畔⒓啥雀撸a(chǎn)可控性強(qiáng)，安全可靠。

1 船廠分段狀態(tài)看板設(shè)置

1.1 看板作用

通過(guò)簡(jiǎn)明扼要的數(shù)據(jù)可視化展示，可直觀反映分段制造車間的分段生產(chǎn)數(shù)據(jù)變化，快速清晰地發(fā)現(xiàn)問題，使分段生產(chǎn)有序高效進(jìn)行?？窗蹇煞譃?類：傳送看板、生產(chǎn)看板和臨時(shí)看板。所進(jìn)行的研究基于生產(chǎn)看板，采用Unity引擎開發(fā)面向船廠分段制造車間的數(shù)據(jù)看板?？窗遄饔萌缦拢?/p>

(1)可視化管理工具。分段制造車間的分段生產(chǎn)信息以聚集性形式進(jìn)行展示，將現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜生產(chǎn)邏輯關(guān)系以直觀的數(shù)據(jù)形象表達(dá)，掌握車間分段制造現(xiàn)狀；根據(jù)分段制造需求，通過(guò)基礎(chǔ)信息進(jìn)行管理指標(biāo)的計(jì)算和管控，管理分段生產(chǎn)目標(biāo)；對(duì)車間的設(shè)備和人員信息數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行反饋和告警。

(2)交流工具。通過(guò)信息集成展示共享，衡量和共享車間生產(chǎn)結(jié)果，促進(jìn)團(tuán)隊(duì)相互協(xié)作，激活生產(chǎn)管理部門之間的合作交流。

1.2 用戶分類

根據(jù)職能范圍、應(yīng)用場(chǎng)景和信息集成維度，船廠分段狀態(tài)看板大屏面向3個(gè)層級(jí)的用戶。用戶分類如表1所示。

表1 用戶分類

2 船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)由應(yīng)用平臺(tái)、應(yīng)用模塊、其他應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用組成。應(yīng)用平臺(tái)是系統(tǒng)的發(fā)布平臺(tái)，Unity3D可發(fā)布至主流的多媒體設(shè)備平臺(tái)，開發(fā)可根據(jù)需要選擇發(fā)布平臺(tái)。應(yīng)用模塊是系統(tǒng)的主要開發(fā)內(nèi)容，將看板分段狀態(tài)數(shù)據(jù)細(xì)分，通過(guò)車間總覽、車間生產(chǎn)、工藝查看和胎架工位等4個(gè)模塊分類展示車間分段的主要信息。其他應(yīng)用是系統(tǒng)的拓展功能。數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用是系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)的主要模塊，采集數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)反饋數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，利用Unity引擎調(diào)用數(shù)據(jù)至看板大屏展示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)用和展示的過(guò)程，需要更深層次地理解數(shù)據(jù)在整個(gè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運(yùn)轉(zhuǎn)，因此用戶使用過(guò)程中的信息反饋對(duì)系統(tǒng)的改良至關(guān)重要。采用與Unity3D連接的MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，將數(shù)據(jù)整理、分類和審核錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)數(shù)據(jù)可視化技術(shù)在看板管理平臺(tái)進(jìn)行展示[2]。運(yùn)行數(shù)據(jù)基本流程如圖2所示。

圖2 運(yùn)行數(shù)據(jù)基本流程

2.3 系統(tǒng)開發(fā)流程

通過(guò)分析系統(tǒng)的功能需求，將設(shè)計(jì)分為看板GUI設(shè)計(jì)、分段制造車間搭建和數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)等3個(gè)模塊，其中：看板GUI設(shè)計(jì)和分段制造車間搭建在Unity3D中完成；模型設(shè)計(jì)借助3D Max；數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)在MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)中完成開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 運(yùn)行數(shù)據(jù)基本流程

3 船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)構(gòu)建

通過(guò)調(diào)研和收集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)信息，獲取模型數(shù)據(jù)，采用3D Max建模，將FBX格式模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D搭建虛擬環(huán)境[3]。Unity3D開發(fā)二維用戶操作界面，通過(guò)MySQL Workbench數(shù)據(jù)庫(kù)用戶管理界面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，并與Unity3D交互連接，實(shí)現(xiàn)看板數(shù)據(jù)調(diào)用。

3.1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

通過(guò)建筑物主體的全貌、外觀顏色、紋理材質(zhì)圖片和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)圖紙的尺寸數(shù)據(jù)與形狀，綜合構(gòu)建模型細(xì)節(jié)，在3D Max中采用樣條線在頂視圖窗口中拖動(dòng)繪制長(zhǎng)方形，在修改面板中調(diào)整長(zhǎng)和寬，將樣條線修改為可編輯多邊形，對(duì)可編輯多邊形進(jìn)行擠出操作，在擠出效果中設(shè)置地面厚度。分段看板管理系統(tǒng)模型如圖4所示。

圖4 分段看板管理系統(tǒng)模型示例

3.2 系統(tǒng)場(chǎng)景界面設(shè)計(jì)

面向船廠分段生產(chǎn)車間的看板反饋數(shù)據(jù)信息量較大，在看板的單個(gè)界面內(nèi)將這些重要信息展示出來(lái)比較困難。Unity3D具備多場(chǎng)景切換功能，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)看板界面的邏輯連接，解決常用系統(tǒng)開發(fā)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)在用戶操作界面時(shí)界面跳轉(zhuǎn)困難的問題[4]。在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，根據(jù)內(nèi)容分類模塊設(shè)計(jì)多個(gè)場(chǎng)景界面的轉(zhuǎn)換，符合數(shù)據(jù)可視化分析原則，將重要的關(guān)聯(lián)性數(shù)據(jù)在同界面展示，有助于推進(jìn)數(shù)據(jù)分析的開展。

選擇文件夾中的發(fā)布設(shè)置界面，可設(shè)置每個(gè)場(chǎng)景的索引位置，利用編程代碼實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能。設(shè)置父級(jí)和子級(jí)界面，通過(guò)按鈕組件設(shè)置跳轉(zhuǎn)事件。在點(diǎn)擊按鈕時(shí)，跳轉(zhuǎn)至子級(jí)界面。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)將分段制造車間看板信息進(jìn)行分類處理展示。場(chǎng)景界面如表2所示。

表2 場(chǎng)景界面

3.3 系統(tǒng)模塊

Unity3D支持的GUI編輯器通過(guò)組件可視化方式編輯UI，排除大量復(fù)雜冗余的編程創(chuàng)建和反復(fù)測(cè)試。在二維窗口創(chuàng)建新場(chǎng)景，在建立的面板中分別新建按鈕、圖像和原始圖像等組件，選擇圖片源更改背景，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)用戶信息匹配，實(shí)現(xiàn)登錄功能。登錄界面如圖5所示。

圖5 登錄界面

3.2.1 車間總覽

該模塊由3個(gè)部分組成：車間俯視圖、廠房環(huán)境監(jiān)控和場(chǎng)地信息介紹。車間總覽界面如圖6所示。

圖6 車間總覽界面

(1)車間俯視圖。根據(jù)現(xiàn)實(shí)車間胎架工位分布、分段擺放布局、廠房支架結(jié)構(gòu)和起重機(jī)的位置、設(shè)備與道路等擺放模型，通過(guò)車間三維立體模型俯視圖查看車間總體布局規(guī)劃情況。Unity3D具有二維和三維場(chǎng)景切換特點(diǎn)，點(diǎn)擊下一步進(jìn)入子級(jí)2.1“虛擬分段制造車間”，通過(guò)第一人稱視角相機(jī)漫游虛擬分段制造車間[5]。

(2)廠房環(huán)境監(jiān)控。對(duì)車間的廢氣、廢水、溫度、濕度、噪聲和粉塵等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，將數(shù)據(jù)維護(hù)至MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用Unity3D與MySQL連接的簡(jiǎn)易性，及時(shí)將數(shù)據(jù)展示在看板上。

(3)場(chǎng)地信息介紹。主要說(shuō)明廠區(qū)長(zhǎng)度、寬度和占地面積，配備的大型設(shè)備和數(shù)量，道路標(biāo)識(shí)，安全警示牌等基本信息。

3.2.2 車間生產(chǎn)

該模塊由5個(gè)部分組成：分段效果圖查看、設(shè)備屬性、人員信息查看、車間監(jiān)控和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程演示。車間生產(chǎn)界面如圖7所示。

圖7 車間生產(chǎn)界面

(1)分段效果圖查看。將當(dāng)前胎架工位生產(chǎn)的分段最終效果圖展示在大屏上，顯示胎架工位編號(hào)和分段名稱。

(2)設(shè)備屬性。顯示車間設(shè)備工作狀態(tài)是否正常，利用傳感器和電信號(hào)形式獲取設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，保障生產(chǎn)順利進(jìn)行，設(shè)備信息按生產(chǎn)周期收集并維護(hù)至數(shù)據(jù)庫(kù)。

(3)人員信息查看。系統(tǒng)連接車間考勤機(jī)，展示車間員工工號(hào)、姓名、所在工位和作業(yè)時(shí)長(zhǎng)，通過(guò)任務(wù)包獲取作業(yè)時(shí)長(zhǎng)數(shù)據(jù)。

(4)車間監(jiān)控。將車間監(jiān)控信號(hào)源接入看板，對(duì)具有安全隱患和重要的制造場(chǎng)所與作業(yè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程查看，避免安全事故發(fā)生。

(5)標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程演示。當(dāng)前分段按照標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程運(yùn)行裝配動(dòng)畫，選擇胎架工位編號(hào)，進(jìn)入子級(jí)3.1“胎架工位生產(chǎn)演示”，進(jìn)行詳細(xì)動(dòng)畫演示。

3.2.3 工藝查看

該模塊由2個(gè)部分組成：制造工藝圖紙和下道工序提示。工藝查看界面如圖8所示。

圖8 工藝查看界面

(1)工藝圖紙。選擇分段工藝圖紙，供生產(chǎn)管理人員核驗(yàn)、校準(zhǔn)、查看和分析。

(2)下道工序提示。分段生產(chǎn)數(shù)據(jù)與當(dāng)前胎架工位生產(chǎn)同步，利用Unity3D對(duì)分段零部件模型建立動(dòng)畫，展示當(dāng)前胎架工位下道工序的標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程提示，作為現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的參考。

3.2.4 胎架工位

該模塊由3個(gè)部分組成：胎架工位布局查看、設(shè)備標(biāo)識(shí)和胎架工位生產(chǎn)模擬。胎架工位界面如圖9所示。

圖9 胎架工位界面

(1)胎架工位布局查看。查看分段制造車間的3跨胎架工位分布及胎架工位編號(hào)。

(2)設(shè)備標(biāo)識(shí)。每個(gè)胎架工位圖標(biāo)顯示4個(gè)狀態(tài)：人員在崗、正常作業(yè)、設(shè)備正常和物資正常；采用紅綠色區(qū)別狀態(tài)：綠色表示正常狀態(tài)，紅色表示非正常狀態(tài)。

(3)胎架工位生產(chǎn)模擬。根據(jù)數(shù)據(jù)反饋當(dāng)前胎架工位的作業(yè)進(jìn)度，在三維虛擬場(chǎng)景內(nèi)做出與現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)同樣的動(dòng)作。Unity3D具有真實(shí)的粒子系統(tǒng)，簡(jiǎn)單制作焊接粒子特效和設(shè)置路徑，可實(shí)現(xiàn)逼真的現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)效果。生產(chǎn)管理人員可通過(guò)子級(jí)界面知悉該胎架工位生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度[6]?？v骨焊接模擬如圖10所示。

圖10 縱骨焊接模擬

4 船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)應(yīng)用效果分析

突破傳統(tǒng)看板統(tǒng)一和單調(diào)的特點(diǎn)，將看板管理與數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具相結(jié)合，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)使用情況綜合分析應(yīng)用效果。

(1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，生產(chǎn)管理部門領(lǐng)導(dǎo)和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可快速掌握每個(gè)胎架工位上的分段制造作業(yè)、分段產(chǎn)品制造工藝和車間生產(chǎn)總體狀態(tài)。在宏觀層面上，可掌握分段制造車間的空閑胎架工位數(shù)量、進(jìn)入和運(yùn)離胎架工位數(shù)量統(tǒng)計(jì)、胎架工位分段生產(chǎn)進(jìn)度等；在微觀層面上，可掌握生產(chǎn)計(jì)劃節(jié)點(diǎn)、生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)和車間生產(chǎn)人員作業(yè)情況等，及時(shí)掌握生產(chǎn)中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

(2)借助Unity3D的可操作性、面向?qū)ο箝_發(fā)語(yǔ)言多樣性和外部軟件連接兼容性的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)新型看板模式，通過(guò)不同功能信息模塊提高分段制造團(tuán)隊(duì)的專業(yè)知識(shí)、生產(chǎn)指揮能力、多變情況決策能力和團(tuán)隊(duì)協(xié)同合作能力。借助Unity的動(dòng)畫設(shè)計(jì)能力創(chuàng)建生產(chǎn)模擬動(dòng)畫、下道工序提示和標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程演示，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控生產(chǎn)車間，強(qiáng)化生產(chǎn)管理。通過(guò)系統(tǒng)可對(duì)分段生產(chǎn)進(jìn)行全面掌握，滿足準(zhǔn)時(shí)生產(chǎn)要求，生產(chǎn)秩序和效率提升明顯。

5 結(jié) 語(yǔ)

船舶制造正在向數(shù)字化制造轉(zhuǎn)型，在船舶分段智能制造中引入數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，具有可操作性、簡(jiǎn)單易懂、提升效率和降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢(shì)。船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)可在船舶分段制造過(guò)程中彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)信息收集不足、數(shù)據(jù)傳遞工具落后和信息更新滯后等問題，具有將生產(chǎn)管理系統(tǒng)化和加快生產(chǎn)速度與精度等潛在價(jià)值。基于數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的看板管理在智能制造領(lǐng)域處于初期探索階段，隨著5G技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件和感測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，船舶分段制造看板的數(shù)據(jù)可視化形式、模型精確度和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等方面需要更加深入地探索研究。