金風(fēng)明， 曹新朝， 譚小野， 馬 健

(北京中船信息科技有限公司， 北京 100861)

0 引 言

傳統(tǒng)的造船車間對于生產(chǎn)信息的管理多采用手工記載，從而導(dǎo)致時間的浪費、人力成本以及生產(chǎn)預(yù)算的增加，同時存在生產(chǎn)信息不準(zhǔn)確以及生產(chǎn)管理困難等問題。隨著造船模式的轉(zhuǎn)變以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，造船業(yè)也由傳統(tǒng)造船模式向數(shù)字化造船模式轉(zhuǎn)變，而數(shù)字化造船的核心技術(shù)之一是大數(shù)據(jù)技術(shù)，即船舶生產(chǎn)信息的數(shù)據(jù)化存儲與傳輸[1]。

目前，大數(shù)據(jù)技術(shù)在造船車間的應(yīng)用尚不成熟，國內(nèi)外造船企業(yè)開始對數(shù)字化造船進(jìn)行實踐與研究，但是大數(shù)據(jù)技術(shù)在造船車間的應(yīng)用仍然沒有成熟的案例[2]。數(shù)字化造船車間與傳統(tǒng)造船車間相比，在節(jié)約時間成本與提高生產(chǎn)效率方面具有明顯優(yōu)勢，但是，數(shù)字化造船車間本身也具有數(shù)據(jù)傳輸慢、傳輸不準(zhǔn)確等缺點，為船舶生產(chǎn)帶來諸多不便。海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)針對造船車間數(shù)據(jù)特點及數(shù)據(jù)傳輸過程中的主要問題，在對造船車間數(shù)據(jù)分類的基礎(chǔ)上，對數(shù)據(jù)進(jìn)行定向傳輸，有效解決造船車間海量數(shù)據(jù)傳輸不準(zhǔn)確、傳輸速度慢等問題，從而實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速、精準(zhǔn)傳輸。

1 造船車間數(shù)據(jù)及其傳輸

1.1 造船車間數(shù)據(jù)類型及特點

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展、殼舾涂一體化造船模式以及以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的分段建造生產(chǎn)模式，使得造船業(yè)實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)化。

根據(jù)船舶制造工序的復(fù)雜性，從加工前、加工中、加工后等3個階段分析車間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型。

(1) 在進(jìn)行鋼材加工前，首先須將生產(chǎn)相關(guān)信息發(fā)送至各生產(chǎn)工序。比如：船舶建造三維模型，必須在生產(chǎn)加工之前分發(fā)到各生產(chǎn)作業(yè)區(qū)人員的平板電腦、看板等信息設(shè)備；將大量的號料圖、套料冊以及明細(xì)表等信息在加工生產(chǎn)之前發(fā)送至各生產(chǎn)作業(yè)區(qū)信息接收設(shè)備；將大量數(shù)控指令以代碼形式發(fā)送至各數(shù)控設(shè)備，工人根據(jù)指令進(jìn)行數(shù)控操作，從而縮小殘次品的比例。將這些生產(chǎn)相關(guān)信息發(fā)送到工人接收信息的設(shè)備上，使得工人可根據(jù)相關(guān)信息精準(zhǔn)、合理地進(jìn)行加工作業(yè)。

(2) 在加工過程中，須對原材料、生產(chǎn)設(shè)備、終端設(shè)備(手持終端、平板、看板等)、人員、運輸工具等進(jìn)行監(jiān)控，對人員或者運輸車輛進(jìn)行視頻監(jiān)控，以保證其在安全區(qū)域進(jìn)行作業(yè)。對于設(shè)備的監(jiān)控主要包括以下過程：對設(shè)備進(jìn)行高頻率的采樣，獲取點數(shù)，通過大量數(shù)據(jù)分析，從而監(jiān)控設(shè)備可以正常運行以及及時獲取生產(chǎn)信息；對于現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控，主要包括監(jiān)控現(xiàn)場的溫度、風(fēng)力、有害氣體等。

(3) 完工后，須對零部件、中間產(chǎn)品等進(jìn)行質(zhì)檢，員工完工后則須將工件的加工信息、圖片或者視頻等發(fā)送至生產(chǎn)管理系統(tǒng)中，與工件要求的相關(guān)文件進(jìn)行比對，從而進(jìn)行質(zhì)檢等操作。

在船舶制造的各階段過程中有海量的行數(shù)據(jù)、文本、音頻、視頻等須傳輸，根據(jù)各數(shù)據(jù)是否可用二維表結(jié)構(gòu)邏輯表達(dá)、實現(xiàn)，可將其分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(行數(shù)據(jù))、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)(文本、音頻、視頻、圖像等)[3]。

綜上所述，現(xiàn)代造船車間數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、類型多、增長率快且傳輸頻繁等特點，對造船車間數(shù)據(jù)傳輸?shù)木珳?zhǔn)、快速提出較大的挑戰(zhàn)。

1.2 造船車間數(shù)據(jù)傳輸特點

船舶分段制造車間涉及很多數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅热珙A(yù)處理、切割以及焊接等制造過程中數(shù)據(jù)、語音及視頻的傳輸，車間計劃、派工、領(lǐng)工、完工、質(zhì)檢、工位協(xié)調(diào)之間命令的上傳下達(dá)，以及制造企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES),企業(yè)資源計劃系統(tǒng)(Enterprise Resources Planning, ERP)等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與交互需求等。由于數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多樣，同時數(shù)據(jù)間的供需關(guān)系復(fù)雜多樣，造船車間數(shù)據(jù)傳輸極易出現(xiàn)擁塞發(fā)生。擁塞問題的發(fā)生容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組時間延長、數(shù)據(jù)丟失以及上層應(yīng)用系統(tǒng)性能變差等問題，從而引起數(shù)據(jù)傳輸時間長、傳輸系統(tǒng)不穩(wěn)定，使得數(shù)據(jù)傳輸效率下降。

擁塞問題主要由存儲空間不足、帶寬容量不足、處理器處理能力弱等原因直接造成[4]，擁塞情況如圖1所示。多個輸入數(shù)據(jù)由1個輸出端口輸出時，極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)端口處因存儲空間不足而丟失，當(dāng)在一定程度增加存儲容量時，能一定程度緩解這種問題，但不能徹底解決問題，當(dāng)無限增大存儲容量時，反而加大擁塞程度，并造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費。當(dāng)?shù)退冁溌穼Ω咚贁?shù)據(jù)流輸入時，信道帶寬大于信道容量，在網(wǎng)絡(luò)低速鏈路處就會形成帶寬瓶頸，從而發(fā)生擁塞[5]。如果路由器的CPU在執(zhí)行排隊緩存、更新路由表等功能時，處理速度跟不上高速鏈路，也會產(chǎn)生擁塞[6]。一旦發(fā)生擁塞往往會不斷加重，如果不加以控制，就會影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能，嚴(yán)重時可能會使整個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生癱瘓。

圖1 網(wǎng)絡(luò)擁塞情況示例

2 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)

海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)對收集來的數(shù)據(jù)根據(jù)其數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分類，根據(jù)需求方發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸請求，對供求雙方的數(shù)據(jù)特征進(jìn)行對比匹配，將匹配度最高的數(shù)據(jù)通過合適的傳輸機(jī)制傳遞給需求方。該技術(shù)降低數(shù)據(jù)終端的計算能力要求，減輕傳輸過程中的帶寬壓力，同時降低造船車間海量數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)量，提高傳輸?shù)目煽啃裕瑥母旧辖鉀Q傳輸擁塞問題。

2.1 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸系統(tǒng)

海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)組織結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)組織結(jié)構(gòu)

海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸系統(tǒng)主要有數(shù)據(jù)供給端、數(shù)據(jù)需求端、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)等3部分組成。其中，網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)分類子模塊、需求生成子模塊、匹配度計算子模塊和傳輸機(jī)制選擇子模塊。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)分類子模塊把數(shù)據(jù)根據(jù)類型分類，并根據(jù)需求信息進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配度計算，選擇匹配度最高值對應(yīng)數(shù)據(jù)的傳輸機(jī)制對該數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

海量數(shù)據(jù)分類傳輸技術(shù)從信息收集、信息分類到信息傳輸具體流程如圖3所示，具體工作流程如下：

圖3 海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)工作流程

(1) 數(shù)據(jù)供給方首先采用射頻識別技術(shù)、傳感技術(shù)對云端資源的靜態(tài)、動態(tài)屬性進(jìn)行感知，獲取資源的標(biāo)識信息，并由傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至本地數(shù)據(jù)中心，進(jìn)而對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)各種標(biāo)識信息、傳感數(shù)據(jù)信息的分析、預(yù)處理聚合等操作，并將處理后的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時接入云網(wǎng)，為數(shù)據(jù)定向傳輸提供基礎(chǔ)。

(2) 對數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝，最終存儲到數(shù)據(jù)庫中，其具體實現(xiàn)步驟為：① 根據(jù)數(shù)據(jù)類型對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，如圖4所示，然后根據(jù)資源描述的語義特征，構(gòu)建描述各種數(shù)據(jù)類型的本體文檔，該文檔主要包括各數(shù)據(jù)類型的描述方式、語言表達(dá)等。② 根據(jù)數(shù)據(jù)的本體文檔對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分類、存儲。

圖4 系統(tǒng)供需雙方數(shù)據(jù)分類方式示例

(3) 需求方提出請求，需求生成模塊對請求進(jìn)行需求信息修正，并生成需求清單，根據(jù)需求清單，建立基于數(shù)據(jù)收集子系統(tǒng)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)多層次語義匹配模型。根據(jù)每層匹配度與設(shè)定閾值的比較進(jìn)行匹配過濾，符合條件才能進(jìn)入下一層匹配，經(jīng)過多層過濾得到最優(yōu)數(shù)據(jù)匹配結(jié)果，并在供給方手機(jī)建立的數(shù)據(jù)庫查詢匹配度最高的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

(4) 根據(jù)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行傳輸機(jī)制的選擇，傳輸機(jī)制選擇模塊是本系統(tǒng)采用定向分類傳輸技術(shù)的核心部分，也是本系統(tǒng)能夠避免擁塞的根本原因。如圖5所示，根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型選擇不同的傳輸機(jī)制，供給方進(jìn)行尋址，并與需求方建立連接，將數(shù)據(jù)快速傳遞給需求方。

圖5 系統(tǒng)的傳輸機(jī)制選擇流程示例

2.2 效果及優(yōu)點

該海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)從根本上解決了海量數(shù)據(jù)傳輸過程中的擁堵問題，具體從以下幾個方面體現(xiàn)。

(1) 將收集到的數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)類型分類儲存，同屬一類的數(shù)據(jù)按照一定的存儲原則進(jìn)行儲存，以便統(tǒng)一規(guī)劃和保存。

(2) 按需傳輸，只有當(dāng)需求方提出數(shù)據(jù)傳輸請求時才進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并且通過計算匹配度，得到匹配度最高的供給方數(shù)據(jù)，即最符合要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，減少冗余傳輸，降低擁堵發(fā)生的概率。

(3) 對于不同類型的數(shù)據(jù)，采用適合的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制進(jìn)行傳輸，使數(shù)據(jù)傳輸過程簡潔高效。

3 技術(shù)應(yīng)用實例

目前，造船車間作業(yè)指導(dǎo)僅僅通過二維圖紙、作業(yè)指導(dǎo)書等進(jìn)行，而船舶制造等大型工業(yè)制造過程復(fù)雜，產(chǎn)品質(zhì)量要求高，傳統(tǒng)作業(yè)指導(dǎo)方式顯然不能夠滿足工人對復(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝要求的理解，而以三維作業(yè)指導(dǎo)書為載體的三維工藝信息用更符合人思維模式的表達(dá)方式來傳遞制造信息，若能將整船的三維模型甚至制造過程的三維動畫效果都展示到每個工位端，工人就能更好地把握整體的制造信息，而三維模型及動畫占用帶寬比較大，在高寬帶組網(wǎng)等硬件條件滿足的情況下，仍有可能發(fā)生傳輸擁堵，降低交互效率，影響生產(chǎn)進(jìn)度。利用該海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)，根據(jù)工人的加工過程，將工人需要的三維模型、指導(dǎo)書等信息定向傳輸給工人的終端，根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)的類型不同，選擇合適的傳輸協(xié)議，則會大幅降低擁堵的概率。

圖6為作業(yè)指導(dǎo)應(yīng)用定向分類傳輸技術(shù)的過程。該作業(yè)指導(dǎo)過程通過組網(wǎng)將產(chǎn)品制造的工藝信息與工人的操作終端聯(lián)系起來。三維作業(yè)指導(dǎo)書編制完成后，當(dāng)操作工人或者管理人員需要查看三維指導(dǎo)書或者相關(guān)數(shù)據(jù)時，提出作業(yè)指導(dǎo)請求，則該數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將請求信息與指導(dǎo)書中相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到匹配度最高的數(shù)據(jù)，并根據(jù)所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型，選擇恰當(dāng)?shù)膫鬏敊C(jī)制，將作業(yè)指導(dǎo)傳輸?shù)綄?yīng)的終端(包括移動終端、大屏顯示終端、專用終端等)，完成海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)在作業(yè)指導(dǎo)方面的應(yīng)用。

圖6 作業(yè)指導(dǎo)應(yīng)用定向分類傳輸技術(shù)過程

在三維數(shù)字化成為作業(yè)指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)的趨勢下，將三維模型等大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付üの粍t成為最關(guān)鍵的技術(shù)之一，故在高寬帶組網(wǎng)的基礎(chǔ)上，使用定向分類傳輸技術(shù)可有效避免傳輸擁堵，使得工人順暢地訪問和使用作業(yè)指導(dǎo)系統(tǒng)，加快生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)質(zhì)量。

4 結(jié) 語

分析數(shù)字化造船車間數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)傳輸特點，提出海量數(shù)據(jù)定向分類傳輸技術(shù)，該技術(shù)在對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)據(jù)定向傳輸，并通過造船車間作業(yè)指導(dǎo)海量數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用實例，證實該技術(shù)能夠有效解決海量數(shù)據(jù)傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸速度慢、準(zhǔn)確率低等問題，有效避免擁塞問題。

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