要素感知技术在船舶生产管控中的应用

蔡凯钱，张 翼，沈 寒

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

0 引 言

智能管控模式依托物联网等新一代信息技术，全面采集现场生产要素信息，实时传输工程计划管理数据，智能决策并反馈管控指令，驱动设备精准执行这些指令，推动生产管理由传统的“管人”向“管设备”转变。对生产要素信息进行感知是智能管控模式必不可缺的环节，信息采集精确与否直接决定管控指令的可行性。本文对现有的生产管控体系进行研究，分析当前条件下船厂的生产管控机制，归纳智能管控布局的需求，阐述基于生产要素感知的智能管控模式的具体内涵。

1 感知技术的发展和生产管控应用现状

当前各国正大力发展工业控制系统（Industrial Control System, ICS），发展了诸如分布式控制系统（Distributed Control System, DCS）、监控和数据采集系统（Supervisory Control and Data Acquisition,SCADA）、可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller, PLC）及工业自动化和控制系统（Industrial Automation and Control System, IACS）等许多控制系统的配置和架构，将一些最先进的信息技术和电信功能扩展到普通机电物理系统中[1]，通过各种物理控制元件（机电、液压和气动）的组合活动，实现多样化的工业目标[2]，这使得智能建筑、智能交通系统和智能生产线等“智能趋势”逐渐增多。

随着传感和计算领域的技术不断进步，感知技术得到快速发展。在工业机器人领域，感知能力的不断提高和软件需求的不断增长为机器人提供了越来越强的感知和推理能力[3]。第一代焊接机器人需要人工示教，进而作业；第二代可根据工艺模型数据，通过配套的传感器匹配工件信息进行自动焊接；最新的焊接机器人可通过多维度的传感网络获得工件的焊接位置、焊脚高度和焊接形式等工艺信息，自主规划焊接动作，进行自适应焊接生产[4-5]。虽然感知能力已得到长足发展并将继续高速发展，但对工业生产中所有生产因素的感知分析是不切实际的，因此对生产要素的感知才是在生产管控的智能布局下尤为重要的。

2 当前主流船厂的生产管控机制

本文以上海江南长兴船厂为例，研究其生产管控机制的组织体系、运行方式和保障措施。

1) 生产管控机制的组织体系。生产管控框架是指生产主管部门统筹整个建造计划的排布，协调各生产部门将其细化成相应的生产计划，部门作业区根据部门计划将生产任务分解到所辖各班组（见图1）。在各部门推进自己的生产计划的过程中，生产主管部门也参与其中，承担整体协调和保障生产大节点的任务。

图1 生产管控组织框架

2) 运行方式。生产管控的运行模式为“计划-实施-检查-改进”的持续优化模式（见图2）。

图2 生产管控运行模式

(1) 第一阶段：计划（明晰职能），明确风险管控主体职能。

(2) 第二阶段：实施（过程建设），构建风险管控工作流程，明确各过程主要工作内容和实施方案。

(3) 第三阶段：检查（考核评审），优化内容及任务的考核，对优化内容和实施方案进行完善。

(4) 第四阶段：改进（奖惩改进），建立保障制度，确保安全生产责任体系得以实施，推动持续改进。

3) 保障措施。主要以定期检查和高频率生产协调会的形式进行监管；通过

检查发现问题，责令整改或提前介入；通过生产调度会议协调沟通，平衡各方资源，保证生产有序开展。

以上是大框架下的生产管控机制，具体到生产工位，以该厂平直车间推进应用的焊机智能管控生产模式为例，分析其存在的问题。

该船厂梳理具有智能化管控改造潜力的焊机，开发数字焊机协议转换接口和控制指令下载技术，打通主服务器与焊机之间的管控通道，形成焊缝组包、焊接过程监测和焊机管控3个阶段的智能管控模式。在实际应用中，面向不同的船型，焊机可从主服务器中下载相应的焊接工艺规范（Welding Procedure Specification, WPS），并由主控端对焊机不同通道定义相应的WPS，再由施工者根据现场施工需要选用合适的焊机通道，以实现不同焊接位置与相应WPS的匹配，从而保证焊接过程中的工艺遵循率。

然而，目前该模式还处于不完全智能的管控模式状态，虽然其组包过程中依据工时标准和换算标准的任务工时分配基本上能实现智能优化决策，但产品与 WPS的匹配因信息采集度不高，在模糊匹配下常常出现同一任务可配对多份 WPS的情况，会对现场施工产生一定的困扰。在该实例中，焊机在配置阶段已由管控层定义为电流和电压在选定通道内不超限，即实际的感知层采集的数据在管控层的应用度较低，当然自身的感知层也相对薄弱，其采集的数据在深度上和广度上都较为有限，目前主要用于生产之后的分析和决策，无法做到实时动态感知，与优化决策和智能管控的要求有很大距离。

3 面向船舶生产的要素感知布局

生产要素感知技术是船舶智能制造管控模式研究的重要内容，本文将生产要素定义为人、机、料、法、环和信等6个，结合船厂生产流程中对人员、材料、工装设备和中间产品等数据的需求，分析论证条形码、二维码、射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）和传感器等技术应用的可行性，对比分析各项技术的优缺点，提出以下要素感知布局的构想。

1) 人：人员在生产管控系统中扮演的是执行者和决策者的角色，在物联网感知层需获取的是人员的身份信息和物流活动执行的状态信息等。人员主要通过RFID射频标签标识，在物流过程中通过相应的识别设备读取身份信息，并与操作的物流业务相关联，实时跟踪人员的作业过程。

2) 机：以电磁吊行车、平板车和叉车等运输工具为例，主要是采集位置、速度和路线等信息。涉及的相关技术包括北斗卫星导航系统、全球定位系统（Global Positioning System, GPS）和室内GPS（indoor GPS,iGPS）等定位技术，以及相应的速度解算、路线跟踪算法等，需根据具体的工艺过程，结合物流业务选择合适的技术，得到精确导航和路径规划等指导作业的能力。

3) 料：钢板配套堆场、钢板预处理、钢板理料堆场和钢板切割环节，钢板的标识可采用条码、二维码和抗金属RFID标签技术。在采用RFID标签时，需研究贴标的位置和钢板遮挡等情况，通过对比功能、成本和操控性等属性，提供适合现场环境的应用方案。

4) 法：研究RFID、条形码和二维码标识等技术的可行性，根据不同的产品定位，在成本和业务支撑能力等方面对3种技术进行评价，各船厂可根据实际情况选择适合业务需要的最佳方案。

5) 环：堆场和缓冲区在物流系统中具有关键作用，利用物联网对其进行高效管理，主要涉及对网格化的实时监控与规划利用，条形码、二维码和RFID等对网格的标识作用是相同的，通过对比分析各种方案对业务的支撑能力和实施的可行性，为船厂业务实现提供应用指导意见。

6) 信：中间产品在流转过程中一般只需携带船号、分段号和部件号等固定信息，通过条形码和二维码标识是比较经济的方案，但如何高效地录入中间产品信息和保证中间产品流通过程中信息的完整性尚需进一步探索。

由上述各方面感知技术的布局可实现船舶生产流程中生产要素的初步感知，对于构建全新的智能生产管控模式而言具有重要意义。

4 生产要素感知组网

生产要素感知组网是构建智能生产管控模式的必经阶段，需因地制宜地采用不同的组网方案，在切割机和焊机等设备密集布置的区域，考虑到生产过程对无线信号的干涉，应采用有线网络布置，以保证信息的有效存储和传输；在信号屏蔽少的工位，无线信号覆盖度较好，可搭建无线网络，便捷地传输数据；在有条件且有必要的生产区域，可同时布置有线网络和无线信号覆盖区域。但是，综合考虑船厂的复杂环境和部分区域的保密要求，要素感知的组网将以有线网络为主；随着主服务器和光纤的搭建，构建的有线传感网络将在信息高密度传输区域发挥重要作用。智能管控新模式以“要素感知-智能决策-精准执行”的流程运转（见图3），持续优化、不断提升对设备的掌控能力，要素感知阶段基于各项传感技术对人、机、料、法、环和信等各项生产要素信息进行采集，通过数据通道将数据传输至管控层；管控层采用复合算法分析数据，优化计算，输出指令到执行层；执行层接收指令，驱动设备调整，以完善生产状态；感知层对生产状态进行感知验证，并反馈信息给管控层；管控层和执行层根据反馈的信息做相应调整，持续优化改进，保持生产状态良好。在该模式中：管控层是智能管控体系的计算系统，分析决策整个系统的运作指令；执行层是智能管控体系的运动系统，实现各项调整、改进和最终的生产活动；要素感知为执行层提供决策依据，并对执行层的执行效果进行验证，是整个生产管控体系的核心信息来源。

5 结 语

本文基于感知技术和计算领域的发展，探索通过船舶生产要素布局，实现船舶生产要素感知组网，构建“要素感知-智能决策-精准执行”的智能管控新模式。智能生产管控布局的全面落实能实现现场生产要素全面感知，为后续智能制造的推进夯实信息基础，极大地提高生产车间的智能化水平，使船舶建造过程中的生产管控变得更加方便、精益，中间产品的质量和生产周期变得更加稳定、可靠，大大提高我国船舶制造业的国际竞争力。