邵子明，馬曉平，張洪新

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

0 引 言

數(shù)字化席卷全球，不斷加劇工業(yè)領域傳統(tǒng)經(jīng)濟生產(chǎn)模式與現(xiàn)代數(shù)字化智能制造之間的競爭，在工業(yè)市場體量不斷擴大、制造業(yè)擁抱數(shù)字化技術的需求下，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)動和數(shù)據(jù)可視化展示等重要性日益突顯。由于結構設計復雜和周期長的特點，船舶生產(chǎn)管理技術和數(shù)據(jù)反饋逐漸成為生產(chǎn)制造的核心。在船舶制造過程中，長期缺乏高效、便捷和靈敏的數(shù)據(jù)采集與反饋技術，現(xiàn)場生產(chǎn)通過設計圖紙將理論設計過渡為現(xiàn)實生產(chǎn)活動，信息反饋滯后明顯，在過程中發(fā)現(xiàn)問題導致生產(chǎn)成本增加，對生產(chǎn)管理的影響較為嚴重。人工信息反饋機制難以解決復雜邏輯關系的數(shù)據(jù)與信息溝通不及時、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，船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)突破傳統(tǒng)的看板形式，結合Unity3D動畫設計和圖形用戶界面(Graphical User Interface，GUI)編輯器，運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)制造過程中監(jiān)測、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，安全可靠。

1 船廠分段狀態(tài)看板設置

1.1 看板作用

通過簡明扼要的數(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)有序高效進行?？窗蹇煞譃?類：傳送看板、生產(chǎn)看板和臨時看板。所進行的研究基于生產(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行展示，將現(xiàn)場復雜生產(chǎn)邏輯關系以直觀的數(shù)據(jù)形象表達，掌握車間分段制造現(xiàn)狀；根據(jù)分段制造需求，通過基礎信息進行管理指標的計算和管控，管理分段生產(chǎn)目標；對車間的設備和人員信息數(shù)據(jù)記錄進行反饋和告警。

(2)交流工具。通過信息集成展示共享，衡量和共享車間生產(chǎn)結果，促進團隊相互協(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、應用場景和信息集成維度，船廠分段狀態(tài)看板大屏面向3個層級的用戶。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)總體設計

2.1 系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)由應用平臺、應用模塊、其他應用和數(shù)據(jù)庫應用組成。應用平臺是系統(tǒng)的發(fā)布平臺，Unity3D可發(fā)布至主流的多媒體設備平臺，開發(fā)可根據(jù)需要選擇發(fā)布平臺。應用模塊是系統(tǒng)的主要開發(fā)內(nèi)容，將看板分段狀態(tài)數(shù)據(jù)細分，通過車間總覽、車間生產(chǎn)、工藝查看和胎架工位等4個模塊分類展示車間分段的主要信息。其他應用是系統(tǒng)的拓展功能。數(shù)據(jù)庫應用是系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)采集和存儲的主要模塊，采集數(shù)據(jù)和現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)導入數(shù)據(jù)庫，利用Unity引擎調(diào)用數(shù)據(jù)至看板大屏展示。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流設計

對數(shù)據(jù)調(diào)用和展示的過程，需要更深層次地理解數(shù)據(jù)在整個系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的運轉，因此用戶使用過程中的信息反饋對系統(tǒng)的改良至關重要。采用與Unity3D連接的MySQL數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，將數(shù)據(jù)整理、分類和審核錄入數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)可視化技術在看板管理平臺進行展示[2]。運行數(shù)據(jù)基本流程如圖2所示。

圖2 運行數(shù)據(jù)基本流程

2.3 系統(tǒng)開發(fā)流程

通過分析系統(tǒng)的功能需求，將設計分為看板GUI設計、分段制造車間搭建和數(shù)據(jù)庫設計等3個模塊，其中：看板GUI設計和分段制造車間搭建在Unity3D中完成；模型設計借助3D Max；數(shù)據(jù)庫設計在MySQL數(shù)據(jù)庫中完成開發(fā)。系統(tǒng)開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 運行數(shù)據(jù)基本流程

3 船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)構建

通過調(diào)研和收集生產(chǎn)現(xiàn)場信息，獲取模型數(shù)據(jù)，采用3D Max建模，將FBX格式模型導入Unity3D搭建虛擬環(huán)境[3]。Unity3D開發(fā)二維用戶操作界面，通過MySQL Workbench數(shù)據(jù)庫用戶管理界面對數(shù)據(jù)進行操作，并與Unity3D交互連接，實現(xiàn)看板數(shù)據(jù)調(diào)用。

3.1 系統(tǒng)模型構建

通過建筑物主體的全貌、外觀顏色、紋理材質圖片和計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)圖紙的尺寸數(shù)據(jù)與形狀，綜合構建模型細節(jié)，在3D Max中采用樣條線在頂視圖窗口中拖動繪制長方形，在修改面板中調(diào)整長和寬，將樣條線修改為可編輯多邊形，對可編輯多邊形進行擠出操作，在擠出效果中設置地面厚度。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)場景界面設計

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，在看板的單個界面內(nèi)將這些重要信息展示出來比較困難。Unity3D具備多場景切換功能，可實現(xiàn)多個看板界面的邏輯連接，解決常用系統(tǒng)開發(fā)軟件設計系統(tǒng)在用戶操作界面時界面跳轉困難的問題[4]。在系統(tǒng)開發(fā)過程中，根據(jù)內(nèi)容分類模塊設計多個場景界面的轉換，符合數(shù)據(jù)可視化分析原則，將重要的關聯(lián)性數(shù)據(jù)在同界面展示，有助于推進數(shù)據(jù)分析的開展。

選擇文件夾中的發(fā)布設置界面，可設置每個場景的索引位置，利用編程代碼實現(xiàn)轉換功能。設置父級和子級界面，通過按鈕組件設置跳轉事件。在點擊按鈕時，跳轉至子級界面。根據(jù)系統(tǒng)設計目標將分段制造車間看板信息進行分類處理展示。場景界面如表2所示。

表2 場景界面

3.3 系統(tǒng)模塊

Unity3D支持的GUI編輯器通過組件可視化方式編輯UI，排除大量復雜冗余的編程創(chuàng)建和反復測試。在二維窗口創(chuàng)建新場景，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，結合數(shù)據(jù)庫用戶信息匹配，實現(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個部分組成：車間俯視圖、廠房環(huán)境監(jiān)控和場地信息介紹。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)實車間胎架工位分布、分段擺放布局、廠房支架結構和起重機的位置、設備與道路等擺放模型，通過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具有二維和三維場景切換特點，點擊下一步進入子級2.1“虛擬分段制造車間”，通過第一人稱視角相機漫游虛擬分段制造車間[5]。

(2)廠房環(huán)境監(jiān)控。對車間的廢氣、廢水、溫度、濕度、噪聲和粉塵等動態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，將數(shù)據(jù)維護至MySQL數(shù)據(jù)庫，運用Unity3D與MySQL連接的簡易性，及時將數(shù)據(jù)展示在看板上。

(3)場地信息介紹。主要說明廠區(qū)長度、寬度和占地面積，配備的大型設備和數(shù)量，道路標識，安全警示牌等基本信息。

3.2.2 車間生產(chǎn)

該模塊由5個部分組成：分段效果圖查看、設備屬性、人員信息查看、車間監(jiān)控和標準作業(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，顯示胎架工位編號和分段名稱。

(2)設備屬性。顯示車間設備工作狀態(tài)是否正常，利用傳感器和電信號形式獲取設備的運轉狀態(tài)，保障生產(chǎn)順利進行，設備信息按生產(chǎn)周期收集并維護至數(shù)據(jù)庫。

(3)人員信息查看。系統(tǒng)連接車間考勤機，展示車間員工工號、姓名、所在工位和作業(yè)時長，通過任務包獲取作業(yè)時長數(shù)據(jù)。

(4)車間監(jiān)控。將車間監(jiān)控信號源接入看板，對具有安全隱患和重要的制造場所與作業(yè)設備進行監(jiān)控，實現(xiàn)網(wǎng)絡遠程查看，避免安全事故發(fā)生。

(5)標準作業(yè)流程演示。當前分段按照標準作業(yè)流程運行裝配動畫，選擇胎架工位編號，進入子級3.1“胎架工位生產(chǎn)演示”，進行詳細動畫演示。

3.2.3 工藝查看

該模塊由2個部分組成：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、校準、查看和分析。

(2)下道工序提示。分段生產(chǎn)數(shù)據(jù)與當前胎架工位生產(chǎn)同步，利用Unity3D對分段零部件模型建立動畫，展示當前胎架工位下道工序的標準作業(yè)流程提示，作為現(xiàn)場生產(chǎn)的參考。

3.2.4 胎架工位

該模塊由3個部分組成：胎架工位布局查看、設備標識和胎架工位生產(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。

(2)設備標識。每個胎架工位圖標顯示4個狀態(tài)：人員在崗、正常作業(yè)、設備正常和物資正常；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)反饋當前胎架工位的作業(yè)進度，在三維虛擬場景內(nèi)做出與現(xiàn)實生產(chǎn)同樣的動作。Unity3D具有真實的粒子系統(tǒng)，簡單制作焊接粒子特效和設置路徑，可實現(xiàn)逼真的現(xiàn)場生產(chǎn)效果。生產(chǎn)管理人員可通過子級界面知悉該胎架工位生產(chǎn)計劃進度[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)應用效果分析

突破傳統(tǒng)看板統(tǒng)一和單調(diào)的特點，將看板管理與數(shù)據(jù)庫管理工具相結合，并結合現(xiàn)場使用情況綜合分析應用效果。

(1)經(jīng)現(xiàn)場實踐，生產(chǎn)管理部門領導和現(xiàn)場作業(yè)人員可快速掌握每個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、進入和運離胎架工位數(shù)量統(tǒng)計、胎架工位分段生產(chǎn)進度等；在微觀層面上，可掌握生產(chǎn)計劃節(jié)點、生產(chǎn)設備狀態(tài)和車間生產(chǎn)人員作業(yè)情況等，及時掌握生產(chǎn)中的關鍵數(shù)據(jù)。

(2)借助Unity3D的可操作性、面向對象開發(fā)語言多樣性和外部軟件連接兼容性的優(yōu)勢，設計新型看板模式，通過不同功能信息模塊提高分段制造團隊的專業(yè)知識、生產(chǎn)指揮能力、多變情況決策能力和團隊協(xié)同合作能力。借助Unity的動畫設計能力創(chuàng)建生產(chǎn)模擬動畫、下道工序提示和標準作業(yè)流程演示，實現(xiàn)數(shù)字化監(jiān)控生產(chǎn)車間，強化生產(chǎn)管理。通過系統(tǒng)可對分段生產(chǎn)進行全面掌握，滿足準時生產(chǎn)要求，生產(chǎn)秩序和效率提升明顯。

5 結 語

船舶制造正在向數(shù)字化制造轉型，在船舶分段智能制造中引入數(shù)據(jù)可視化技術，具有可操作性、簡單易懂、提升效率和降低生產(chǎn)成本等優(yōu)勢。船廠分段狀態(tài)看板管理系統(tǒng)可在船舶分段制造過程中彌補現(xiàn)場生產(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值。基于數(shù)據(jù)可視化技術的看板管理在智能制造領域處于初期探索階段，隨著5G技術、計算機軟硬件和感測技術的快速發(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)庫技術等方面需要更加深入地探索研究。