船體分段智能車間產儲配協(xié)同管控技術探討

楊惠斌 張紹云 侯利恒 傅詩展

摘? ? 要：隨著新一代信息技術的快速發(fā)展，數(shù)字化、網絡化、智能化日益成為未來制造業(yè)發(fā)展的主要趨勢。船舶建造隨著互聯(lián)網技術的進步逐漸向智能化轉型，為了改變船舶制造業(yè)多品種小批量離散制造、作業(yè)環(huán)境惡劣、工藝流程復雜等特點，對船體分段智能車間產儲配協(xié)同管控技術進行研究及應用，促進了船體分段數(shù)字化建造，提高了船體分段建造效率。本文對造船廠提升船舶建造技術，縮短船舶建造周期，降低造船成本提供了技術借鑒。

關鍵詞：船體分段；智能化；協(xié)同管控

中圖分類號：U673.2? ? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Research on Coordinated Control Technology of Production Storage and Distribution in Hull Block Smart Workshop

YANG Huibin，? ZHANG Shaoyun，? HOU Liheng，? FU Shizhan

（ Guangzhou Shipyard International Co.， Ltd.，? Guangzhou 511462 ）

Abstract： With the rapid development of new generation information technology，the digitalization， networking and intelligence are increasingly becoming the main trend of the future manufacturing industry. Ship construction would be gradually transformed into smart intelligent execution with the progress of the Internet technology. In order to change the features of shipbuilding industry characterized by the discrete manufacture of many varieties and small batches， bad operation environment and complex process， certain research and application on coordinated control technology of production， storage and distribution in hull block smart workshop are carried out， so as to? promote digitalized construction of hull sections and improve the efficiency of hull section fabrication. This document provides the technical reference for shipyards to improve the shipbuilding technology， shorten the shipbuilding period and reduce the shipbuilding costs

Key words： hull sections;? intelligent;? coordinated control

1? ? ?前言

我國船舶制造業(yè)的水平距離造船強國還有一定差距，具體表現(xiàn)在管理粗放、智能化水平低、人均效率低、成本消耗大等，尤其是車間制造方面更為突出。車間制造過程具有工種多、程序多、工程量大、作業(yè)面廣、技術綜合性較強、作業(yè)條件差、施工周期長等特點，阻礙了船舶智能建造的步伐，而且當前國內造船企業(yè)建造技術參差不齊，對船舶智能建造的看法各異，船舶智能建造推進緩慢[1]。本文對船體分段智能車間進行生產、倉儲、集配協(xié)同管控技術研究，突破智能車間分段建造協(xié)同管控的關鍵技術，從根本上提高船體分段智能車間的生產效率。

船舶工業(yè)是為水上交通、海洋資源開發(fā)及國防建設提供技術裝備的綜合性工業(yè)，一定程度上反映著國家工業(yè)的發(fā)展水平，也是國家發(fā)展高端裝備制造業(yè)的重要組成部分，是國家實施海洋強國戰(zhàn)略的基礎和重要支撐。《中國制造2025》把海洋工程裝備和高技術船舶作為十大重點發(fā)展領域之一，為我國海洋工程裝備和高技術船舶發(fā)展指明了方向，也為造船企業(yè)的智能化轉型帶來了前所未有的機遇。

船舶作為典型的離散型制造業(yè)產品，其生產建造為多品種、小批量、定制化生產模式，在一定程度上制約著生產管理的自動化和智能化發(fā)展。并且國內智能技術發(fā)展相對較晚，產業(yè)鏈不夠完善，商業(yè)環(huán)境也不夠成熟，導致智能制造的關鍵技術還未能完全配套，部分核心零件仍依賴國外進口[2]。隨著新技術越來越多的推廣到造船企業(yè)，單憑管理者的經驗來對資源進行平衡和優(yōu)化配置已經很難滿足現(xiàn)代造船模式的需求，急需一種適應互聯(lián)網時代的生產管理模式對船體分段智能車間進行生產、倉儲、集配的協(xié)同管控。

在船體分段制造過程中，相關的資源狀態(tài)信息呈離散型動態(tài)分布，給車間各種資源狀態(tài)信息采集帶來不便。本文以船體分段智能車間的生產、倉儲、集配的協(xié)同管控作為研究對象，通過船體分段智能車間管控系統(tǒng)，實現(xiàn)信息管理和決策的透明化、聯(lián)動化、智能化，從根本上提高船體分段生產效率。

研究內容主要包括：智能車間船體分段生產節(jié)拍控制技術；基于分段生產計劃的倉儲與物流平衡；船體分段生產計劃、倉儲和物流協(xié)同優(yōu)化技術三個方面。實現(xiàn)船體分段車間的智能化管控，需要對生產計劃、倉儲計劃與物流計劃進行協(xié)同管理，對生產狀態(tài)進行自動監(jiān)控，根據實際情況實時對生產計劃做出合理的調整。

2? ? ?分段生產控制技術

2.1? ?分段建造車間智能化

船體分段制作不可控因素較多，要擺脫這些因素對生產計劃造成的影響，需要利用互聯(lián)網技術推進車間內分段制造智能化、網絡化轉型，固化生產模式，使生產有序可控。

2.2? ?產品設計和工藝策劃

盡管船舶是基于船東個性化要求的小批量定制化產品，但在船級社規(guī)范、建造標準、航行環(huán)境的限定下，其結構形式、艙室布置等依然具備其固有屬性。

在生產設計階段，充分利用其固有屬性，以公司產品庫中成熟的產品為母型，開展詳細設計和生產設計；在工藝策劃階段，充分考慮車間場地、設備等資源的配置以及同類型產品的優(yōu)化改進意見，對同一類型的產品設計和工藝策劃標準化，為智能車間生產控制奠定技術基礎。

2.3專業(yè)化排產

在現(xiàn)代造船模式中，利用相似性原理以及成組技術，將船體分段車間的產品分為七個制造層級，如圖1所示。目前船廠中應用比較廣泛的是平、曲分段進行分道兩條主線，通過船體分段是否滿足平面流水線工藝技術參數(shù)要求和流程來劃分分段的平曲屬性，按其平曲屬性進行分道建造。

車間在制訂日程計劃時，主要考慮三種核心資源：場地資源、人力資源、工裝設備資源。這些資源是保證生產節(jié)拍與動態(tài)調度的關鍵，單純的平曲分道對于船體分段智能車間生產控制是遠遠不夠的，需要對車間各資源負荷情況進行整合，為智能車間排產提供約束條件，合理利用車間的核心資源，從而提高生產效率。

2.4? ?分段生產計劃

計劃編制，需要以各階段周期為基礎，對各作業(yè)單元的工藝流程、勞動力、作業(yè)設備、生產對象進行詳細分析，得到標準周期，以標準周期進行分段排產。

建立拉動式計劃管理模式，各項中間產品的生產計劃全部按照后道需求時間制定與執(zhí)行，不提前也不拖后，并留有適當?shù)木彌_期；建立拉動式計劃管理模式，合理協(xié)調資材或人力資源，縮短建造周期，實現(xiàn)專業(yè)化排產，有效提高計劃的準確性。

3? ? ?倉儲與物流平衡技術

3.1? ? 智能倉儲和物流系統(tǒng)

（1）倉儲物流現(xiàn)狀

受地理環(huán)境等因素影響，造船廠各類原材料、零部件、中間產品的倉儲位置與車間需求位置間距偏大，從提出需求到調度物資至工位上，往往需要歷經多個運作才能使物資到位，影響施工生產效率。

如何在有效的倉儲場地上實現(xiàn)物資規(guī)范化存放，成為造船廠倉儲管理亟待解決的問題，因此不斷提升倉儲工作效率，充分發(fā)揮現(xiàn)有的倉儲資源，是艦船企業(yè)發(fā)展的關鍵[3]。

（2）物聯(lián)網技術

倉儲和物流配送的最終目標是服務生產，確保生產節(jié)拍需求下的原料、中間產品、配件等供給的及時性和準確性，適應車間復雜而多變的需求。在現(xiàn)有倉庫管理中引入物聯(lián)網等技術，對倉庫各個作業(yè)環(huán)節(jié)的數(shù)據進行自動化數(shù)據采集，及時準確地掌握庫存真實數(shù)據，完成對貨物的標記、跟蹤、定位、校核，實現(xiàn)倉儲信息的處理、反饋，并在船體分段智能車間自動化倉庫實施中應用。

（3）智能倉儲管理方案

結合船體分段智能車間鋼材倉儲的環(huán)境、業(yè)務流程及功能需求進行分析，研究適合船體分段智能車間物流倉儲的物聯(lián)網技術、倉庫管控子系統(tǒng)，實現(xiàn)鋼材物資的精確定位和高效存取。

船體分段智能倉儲管控方案，如圖2所示。

（4）倉儲和物流管理模型

參考物流管理的基本原理和方法，通過場地、人員、中間產品等要素建立倉物流模型。對中間產品進行管理，對運輸車輛和人員進行調度，可以導入、編排物流運輸計劃，在系統(tǒng)平臺實時看到車間內物流運輸和場地占用的實際情況，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、物流線路的指定，為管理決策人員提供準確數(shù)據信息、支持信息，提高管理決策的效率和準確性。

倉儲和物流管理模型，如圖3所示。

（5）智能倉儲和物流系統(tǒng)

通過信息化、物聯(lián)網和機電一體化共同實現(xiàn)智慧物流，確保車間能夠實時動態(tài)的掌握倉儲和物流的動態(tài)信息，通過應用RFID電子標簽技術，利用WMS和WCS系統(tǒng)的管理功能，立體化倉庫的建設，以及R/A/IGV小車、機器人堆碼垛等智能設備的應用，實現(xiàn)船廠板材切割后人工分揀托盤通過R/A/IGV小車自動配送至立體料庫入庫，立體料庫按計劃出庫，提升倉儲管理能力，降低倉儲成本，提高車間運營能力。

3.2? 推拉聯(lián)動式計劃管理體系

3.2.1計劃管理現(xiàn)狀

船體分段車間傳統(tǒng)的生產管理主要使用Excel軟件，對月計劃、周計劃進行編制。該種編制方式對分段開工及完工的時間節(jié)點、車間負荷的邏輯分析控制能力不高，每周計劃編制任務工作量大，計劃編制時間緊迫；同時，只以分段為單位跟蹤計劃，生產節(jié)點信息比較單一，通常只有開工、完工、報驗等基礎信息，會帶來車間資源優(yōu)化困難、計劃管控缺少信息化手段、突發(fā)狀況影響計劃執(zhí)行等問題。

為改變車間計劃管理現(xiàn)狀，需建立推拉聯(lián)動式計劃管理體系，使生產計劃、倉儲計劃、物流計劃處于動態(tài)平衡狀態(tài)；同時建立生產過程數(shù)據采集與分析系統(tǒng)，對中間產品物流活動進行計劃、組織、指揮、協(xié)調、控制和監(jiān)督，為管理決策人員提供準確數(shù)據信息，便于實現(xiàn)聯(lián)動調整。

3.2.2車間推拉聯(lián)動式計劃管理體系

車間推拉聯(lián)動式動態(tài)計劃管理體系，需滿足以下功能：

（1）項目計劃創(chuàng)建：在系統(tǒng)中實現(xiàn)對單項目的船塢合攏計劃進行統(tǒng)一的管理，所有與項目相關的信息，都能以創(chuàng)建的項目作為數(shù)據的入口，為使用者提供快捷、靈活的項目創(chuàng)建功能；

（2）項目計劃合并與拆解：實現(xiàn)對多個并行項目進行合并，相應地對單項目進行拆解，按后行工程需求計劃時間段截取出制造部門的月/周計劃；

（3）自動編排生產計劃：實現(xiàn)按一定邏輯關系自動編排生產計劃，使用者只需錄入所有分段的后行工程需求時間，便自動分配車間，完成計劃編制工作；

（4）可視化界面：以甘特圖為依據，對計劃完成情況進行預警，制作實時聯(lián)動的車間負荷可視化界面；

（5）手動干預生產計劃：提供交互操作界面，計劃員可根據車間實際人力、分段建造工位、設備負荷，對自動生成的生產計劃進行手動調整。

（6）細化系統(tǒng)中的分段單位，把系統(tǒng)中最小單位設為零件，完善對整個供應鏈的跟蹤，開展精益生產管理；

（7）將信息反饋的形式由分段狀態(tài)轉變?yōu)榱慵顟B(tài)，如實時反饋切割機槍頭的切割路徑，小組立完成的零件個數(shù)等；

（8）將實時的計劃進度反映出來，對完成情況進行預警，且能夠實時做出對計劃進行調整的方案。

4? ? ?計劃、倉儲和物流協(xié)同優(yōu)化技術

4.1? ?多功能生產過程分析與信息采集系統(tǒng)

結合上述的計劃控制技術和推拉聯(lián)動式計劃管理體系，建立多功能生產過程分析與信息采集系統(tǒng)。充分考慮采集數(shù)據的工作繁雜、采集信息量大、信息采集耗時長、堆放分散、設計零件規(guī)格種類多等特點，建立 RFID數(shù)據采集系統(tǒng)（見圖4）和DM碼數(shù)據采集系統(tǒng)（見圖5），并將采集到的信息保存到數(shù)據存儲模塊的數(shù)據庫供查詢，實現(xiàn)采集信息共享互通，實現(xiàn)全局信息互聯(lián)，最終實現(xiàn)對物料倉儲及物流過程標識數(shù)據的采集。

4.2? ?生產過程數(shù)據分析系統(tǒng)

通過生產過程數(shù)據采集、生產過程信息可視化展示，以及與車間智能管控系統(tǒng)的信息集成，對產生的靜態(tài)數(shù)據、動態(tài)數(shù)據和中間數(shù)據進行科學分析、整理及應用。

根據生產計劃對物料的需求，以及執(zhí)行計劃的生產工位的位置信息，動態(tài)規(guī)劃物料配送的順序、配送班組的分工、配送路徑，實現(xiàn)動態(tài)物流的配送，提升車間管控能力，優(yōu)化生產排產與調度。

4.3? ?產儲配信息集成

對實時采集的生產信息、倉儲信息、物流信息，通過車間智能管控系統(tǒng)這個統(tǒng)一平臺進行有效集成，實現(xiàn)信息的交互與聯(lián)通。

實現(xiàn)車間智能化管理，需要彌補ERP系統(tǒng)在車間現(xiàn)場管理功能，以車間智能管控系統(tǒng)（MES）為載體，實現(xiàn)生產計劃、倉儲、物流一體化協(xié)同管控，如圖6所示。

基于MES的生產、倉儲與物流的一體化協(xié)同管控，使船體分段智能車間產儲配更加可靠、高效、實時協(xié)同管控，滿足船體分段智能車間的生產需要。

5? ? 應用效果

5.1? ?車間庫存情況

通過對智能車間產儲配協(xié)同管控技術，結合公司某同型成品油輪建造進行實際應用，對比使用該技術前后車間庫存情況，如表1、表2所示。

對使用系統(tǒng)后四個季度的庫存百分比進行計算，可以得出車間庫存減少情況，如表2所示。

由表2數(shù)據可知，在使用智能車間產儲配協(xié)同管控技術后，同型油船小組制作和分段制作階段車間庫存減少百分比，從第一季度到第四季度逐漸增加，車間庫存占比減少33%以上。

5.2? ?停工待料時間

停工待料時間，指后道工序需求時間與前道工序完成時間的差值。根據同型油船使用該技術前1#油船和使用該技術后2#油船，從切割、小組立、中組立、大組立四個工序的供給時間進行統(tǒng)計，可以得出使用該技術前后停工待料情況，如表3所示。

根據表3，可以計算出1#油船和2#油船各工序的實際停工待料時間占比，結果如表4所示。

由表4可知，使用該管控技術后，2#油船相比于1#油船停工待料時間占比減少19.84%，停工待料時間得到有效減少。

5.3? ?生產效率

取使用該技術前1#油船和使用該技術后2#油船的相同分段總建造工時進行統(tǒng)計，如表5所示。

由表5可知，生產效率提升21.36%。

由上所述，通過對使用該項技術前后的同型油船，分別做了車間庫存、停工待料時間、生產效率三個方面的對比分析，船體分段智能車間產儲配協(xié)同管控技術的應用，有效的減少了車間庫存，減少停工待料時間，促進生產效率提升。

6? ? ?結束語

本文對船體分段智能車間產儲配協(xié)同管控技術的數(shù)據進行采集、分析及應用，包括船體分段智能車間生產控制技術、基于車間計劃的倉儲與物流平衡技術、船體分段車間計劃、倉儲和物流協(xié)同優(yōu)化技術等，構建整個技術路徑的框架，實現(xiàn)了車間智能管控對產儲配信息進行有效集成和智能決策，使造船形成連續(xù)、有序的均衡生產，取得精益化管理成果。

參考文獻

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