蔡凱錢，張 翼，沈 寒

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

0 引 言

智能管控模式依托物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，全面采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要素信息，實(shí)時(shí)傳輸工程計(jì)劃管理數(shù)據(jù)，智能決策并反饋管控指令，驅(qū)動(dòng)設(shè)備精準(zhǔn)執(zhí)行這些指令，推動(dòng)生產(chǎn)管理由傳統(tǒng)的“管人”向“管設(shè)備”轉(zhuǎn)變。對(duì)生產(chǎn)要素信息進(jìn)行感知是智能管控模式必不可缺的環(huán)節(jié)，信息采集精確與否直接決定管控指令的可行性。本文對(duì)現(xiàn)有的生產(chǎn)管控體系進(jìn)行研究，分析當(dāng)前條件下船廠的生產(chǎn)管控機(jī)制，歸納智能管控布局的需求，闡述基于生產(chǎn)要素感知的智能管控模式的具體內(nèi)涵。

1 感知技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)管控應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前各國(guó)正大力發(fā)展工業(yè)控制系統(tǒng)（Industrial Control System, ICS），發(fā)展了諸如分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System, DCS）、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）、可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller, PLC）及工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)（Industrial Automation and Control System, IACS）等許多控制系統(tǒng)的配置和架構(gòu)，將一些最先進(jìn)的信息技術(shù)和電信功能擴(kuò)展到普通機(jī)電物理系統(tǒng)中[1]，通過各種物理控制元件（機(jī)電、液壓和氣動(dòng)）的組合活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)多樣化的工業(yè)目標(biāo)[2]，這使得智能建筑、智能交通系統(tǒng)和智能生產(chǎn)線等“智能趨勢(shì)”逐漸增多。

隨著傳感和計(jì)算領(lǐng)域的技術(shù)不斷進(jìn)步，感知技術(shù)得到快速發(fā)展。在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域，感知能力的不斷提高和軟件需求的不斷增長(zhǎng)為機(jī)器人提供了越來越強(qiáng)的感知和推理能力[3]。第一代焊接機(jī)器人需要人工示教，進(jìn)而作業(yè)；第二代可根據(jù)工藝模型數(shù)據(jù)，通過配套的傳感器匹配工件信息進(jìn)行自動(dòng)焊接；最新的焊接機(jī)器人可通過多維度的傳感網(wǎng)絡(luò)獲得工件的焊接位置、焊腳高度和焊接形式等工藝信息，自主規(guī)劃焊接動(dòng)作，進(jìn)行自適應(yīng)焊接生產(chǎn)[4-5]。雖然感知能力已得到長(zhǎng)足發(fā)展并將繼續(xù)高速發(fā)展，但對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中所有生產(chǎn)因素的感知分析是不切實(shí)際的，因此對(duì)生產(chǎn)要素的感知才是在生產(chǎn)管控的智能布局下尤為重要的。

2 當(dāng)前主流船廠的生產(chǎn)管控機(jī)制

本文以上海江南長(zhǎng)興船廠為例，研究其生產(chǎn)管控機(jī)制的組織體系、運(yùn)行方式和保障措施。

1) 生產(chǎn)管控機(jī)制的組織體系。生產(chǎn)管控框架是指生產(chǎn)主管部門統(tǒng)籌整個(gè)建造計(jì)劃的排布，協(xié)調(diào)各生產(chǎn)部門將其細(xì)化成相應(yīng)的生產(chǎn)計(jì)劃，部門作業(yè)區(qū)根據(jù)部門計(jì)劃將生產(chǎn)任務(wù)分解到所轄各班組（見圖1）。在各部門推進(jìn)自己的生產(chǎn)計(jì)劃的過程中，生產(chǎn)主管部門也參與其中，承擔(dān)整體協(xié)調(diào)和保障生產(chǎn)大節(jié)點(diǎn)的任務(wù)。

圖1 生產(chǎn)管控組織框架

2) 運(yùn)行方式。生產(chǎn)管控的運(yùn)行模式為“計(jì)劃-實(shí)施-檢查-改進(jìn)”的持續(xù)優(yōu)化模式（見圖2）。

圖2 生產(chǎn)管控運(yùn)行模式

(1) 第一階段：計(jì)劃（明晰職能），明確風(fēng)險(xiǎn)管控主體職能。

(2) 第二階段：實(shí)施（過程建設(shè)），構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)管控工作流程，明確各過程主要工作內(nèi)容和實(shí)施方案。

(3) 第三階段：檢查（考核評(píng)審），優(yōu)化內(nèi)容及任務(wù)的考核，對(duì)優(yōu)化內(nèi)容和實(shí)施方案進(jìn)行完善。

(4) 第四階段：改進(jìn)（獎(jiǎng)懲改進(jìn)），建立保障制度，確保安全生產(chǎn)責(zé)任體系得以實(shí)施，推動(dòng)持續(xù)改進(jìn)。

3) 保障措施。主要以定期檢查和高頻率生產(chǎn)協(xié)調(diào)會(huì)的形式進(jìn)行監(jiān)管；通過

檢查發(fā)現(xiàn)問題，責(zé)令整改或提前介入；通過生產(chǎn)調(diào)度會(huì)議協(xié)調(diào)溝通，平衡各方資源，保證生產(chǎn)有序開展。

以上是大框架下的生產(chǎn)管控機(jī)制，具體到生產(chǎn)工位，以該廠平直車間推進(jìn)應(yīng)用的焊機(jī)智能管控生產(chǎn)模式為例，分析其存在的問題。

該船廠梳理具有智能化管控改造潛力的焊機(jī)，開發(fā)數(shù)字焊機(jī)協(xié)議轉(zhuǎn)換接口和控制指令下載技術(shù)，打通主服務(wù)器與焊機(jī)之間的管控通道，形成焊縫組包、焊接過程監(jiān)測(cè)和焊機(jī)管控3個(gè)階段的智能管控模式。在實(shí)際應(yīng)用中，面向不同的船型，焊機(jī)可從主服務(wù)器中下載相應(yīng)的焊接工藝規(guī)范（Welding Procedure Specification, WPS），并由主控端對(duì)焊機(jī)不同通道定義相應(yīng)的WPS，再由施工者根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要選用合適的焊機(jī)通道，以實(shí)現(xiàn)不同焊接位置與相應(yīng)WPS的匹配，從而保證焊接過程中的工藝遵循率。

然而，目前該模式還處于不完全智能的管控模式狀態(tài)，雖然其組包過程中依據(jù)工時(shí)標(biāo)準(zhǔn)和換算標(biāo)準(zhǔn)的任務(wù)工時(shí)分配基本上能實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化決策，但產(chǎn)品與 WPS的匹配因信息采集度不高，在模糊匹配下常常出現(xiàn)同一任務(wù)可配對(duì)多份 WPS的情況，會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工產(chǎn)生一定的困擾。在該實(shí)例中，焊機(jī)在配置階段已由管控層定義為電流和電壓在選定通道內(nèi)不超限，即實(shí)際的感知層采集的數(shù)據(jù)在管控層的應(yīng)用度較低，當(dāng)然自身的感知層也相對(duì)薄弱，其采集的數(shù)據(jù)在深度上和廣度上都較為有限，目前主要用于生產(chǎn)之后的分析和決策，無法做到實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知，與優(yōu)化決策和智能管控的要求有很大距離。

3 面向船舶生產(chǎn)的要素感知布局

生產(chǎn)要素感知技術(shù)是船舶智能制造管控模式研究的重要內(nèi)容，本文將生產(chǎn)要素定義為人、機(jī)、料、法、環(huán)和信等6個(gè)，結(jié)合船廠生產(chǎn)流程中對(duì)人員、材料、工裝設(shè)備和中間產(chǎn)品等數(shù)據(jù)的需求，分析論證條形碼、二維碼、射頻識(shí)別（Radio Frequency Identification，RFID）和傳感器等技術(shù)應(yīng)用的可行性，對(duì)比分析各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出以下要素感知布局的構(gòu)想。

1) 人：人員在生產(chǎn)管控系統(tǒng)中扮演的是執(zhí)行者和決策者的角色，在物聯(lián)網(wǎng)感知層需獲取的是人員的身份信息和物流活動(dòng)執(zhí)行的狀態(tài)信息等。人員主要通過RFID射頻標(biāo)簽標(biāo)識(shí)，在物流過程中通過相應(yīng)的識(shí)別設(shè)備讀取身份信息，并與操作的物流業(yè)務(wù)相關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)跟蹤人員的作業(yè)過程。

2) 機(jī)：以電磁吊行車、平板車和叉車等運(yùn)輸工具為例，主要是采集位置、速度和路線等信息。涉及的相關(guān)技術(shù)包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System, GPS）和室內(nèi)GPS（indoor GPS,iGPS）等定位技術(shù)，以及相應(yīng)的速度解算、路線跟蹤算法等，需根據(jù)具體的工藝過程，結(jié)合物流業(yè)務(wù)選擇合適的技術(shù)，得到精確導(dǎo)航和路徑規(guī)劃等指導(dǎo)作業(yè)的能力。

3) 料：鋼板配套堆場(chǎng)、鋼板預(yù)處理、鋼板理料堆場(chǎng)和鋼板切割環(huán)節(jié)，鋼板的標(biāo)識(shí)可采用條碼、二維碼和抗金屬RFID標(biāo)簽技術(shù)。在采用RFID標(biāo)簽時(shí)，需研究貼標(biāo)的位置和鋼板遮擋等情況，通過對(duì)比功能、成本和操控性等屬性，提供適合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的應(yīng)用方案。

4) 法：研究RFID、條形碼和二維碼標(biāo)識(shí)等技術(shù)的可行性，根據(jù)不同的產(chǎn)品定位，在成本和業(yè)務(wù)支撐能力等方面對(duì)3種技術(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，各船廠可根據(jù)實(shí)際情況選擇適合業(yè)務(wù)需要的最佳方案。

5) 環(huán)：堆場(chǎng)和緩沖區(qū)在物流系統(tǒng)中具有關(guān)鍵作用，利用物聯(lián)網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行高效管理，主要涉及對(duì)網(wǎng)格化的實(shí)時(shí)監(jiān)控與規(guī)劃利用，條形碼、二維碼和RFID等對(duì)網(wǎng)格的標(biāo)識(shí)作用是相同的，通過對(duì)比分析各種方案對(duì)業(yè)務(wù)的支撐能力和實(shí)施的可行性，為船廠業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)提供應(yīng)用指導(dǎo)意見。

6) 信：中間產(chǎn)品在流轉(zhuǎn)過程中一般只需攜帶船號(hào)、分段號(hào)和部件號(hào)等固定信息，通過條形碼和二維碼標(biāo)識(shí)是比較經(jīng)濟(jì)的方案，但如何高效地錄入中間產(chǎn)品信息和保證中間產(chǎn)品流通過程中信息的完整性尚需進(jìn)一步探索。

由上述各方面感知技術(shù)的布局可實(shí)現(xiàn)船舶生產(chǎn)流程中生產(chǎn)要素的初步感知，對(duì)于構(gòu)建全新的智能生產(chǎn)管控模式而言具有重要意義。

4 生產(chǎn)要素感知組網(wǎng)

生產(chǎn)要素感知組網(wǎng)是構(gòu)建智能生產(chǎn)管控模式的必經(jīng)階段，需因地制宜地采用不同的組網(wǎng)方案，在切割機(jī)和焊機(jī)等設(shè)備密集布置的區(qū)域，考慮到生產(chǎn)過程對(duì)無線信號(hào)的干涉，應(yīng)采用有線網(wǎng)絡(luò)布置，以保證信息的有效存儲(chǔ)和傳輸；在信號(hào)屏蔽少的工位，無線信號(hào)覆蓋度較好，可搭建無線網(wǎng)絡(luò)，便捷地傳輸數(shù)據(jù)；在有條件且有必要的生產(chǎn)區(qū)域，可同時(shí)布置有線網(wǎng)絡(luò)和無線信號(hào)覆蓋區(qū)域。但是，綜合考慮船廠的復(fù)雜環(huán)境和部分區(qū)域的保密要求，要素感知的組網(wǎng)將以有線網(wǎng)絡(luò)為主；隨著主服務(wù)器和光纖的搭建，構(gòu)建的有線傳感網(wǎng)絡(luò)將在信息高密度傳輸區(qū)域發(fā)揮重要作用。智能管控新模式以“要素感知-智能決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”的流程運(yùn)轉(zhuǎn)（見圖3），持續(xù)優(yōu)化、不斷提升對(duì)設(shè)備的掌控能力，要素感知階段基于各項(xiàng)傳感技術(shù)對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)和信等各項(xiàng)生產(chǎn)要素信息進(jìn)行采集，通過數(shù)據(jù)通道將數(shù)據(jù)傳輸至管控層；管控層采用復(fù)合算法分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化計(jì)算，輸出指令到執(zhí)行層；執(zhí)行層接收指令，驅(qū)動(dòng)設(shè)備調(diào)整，以完善生產(chǎn)狀態(tài)；感知層對(duì)生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行感知驗(yàn)證，并反饋信息給管控層；管控層和執(zhí)行層根據(jù)反饋的信息做相應(yīng)調(diào)整，持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)，保持生產(chǎn)狀態(tài)良好。在該模式中：管控層是智能管控體系的計(jì)算系統(tǒng)，分析決策整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作指令；執(zhí)行層是智能管控體系的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)調(diào)整、改進(jìn)和最終的生產(chǎn)活動(dòng)；要素感知為執(zhí)行層提供決策依據(jù)，并對(duì)執(zhí)行層的執(zhí)行效果進(jìn)行驗(yàn)證，是整個(gè)生產(chǎn)管控體系的核心信息來源。

5 結(jié) 語

本文基于感知技術(shù)和計(jì)算領(lǐng)域的發(fā)展，探索通過船舶生產(chǎn)要素布局，實(shí)現(xiàn)船舶生產(chǎn)要素感知組網(wǎng)，構(gòu)建“要素感知-智能決策-精準(zhǔn)執(zhí)行”的智能管控新模式。智能生產(chǎn)管控布局的全面落實(shí)能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要素全面感知，為后續(xù)智能制造的推進(jìn)夯實(shí)信息基礎(chǔ)，極大地提高生產(chǎn)車間的智能化水平，使船舶建造過程中的生產(chǎn)管控變得更加方便、精益，中間產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)周期變得更加穩(wěn)定、可靠，大大提高我國(guó)船舶制造業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。