基于可视化看板的车间物流管理系统设计与实现

李杨梅，刘成娟，侯 星，董家琛，周 清

(1.上海船舶工艺研究所, 上海 200032; 2.上海申博信息系统工程有限公司, 上海 200032;3.福州职业技术学院, 福建 福州 350108)

0 引 言

船体分段制造车间的生产物流是促进中间产品之间流通的纽带，是分段建造进入下一个流程的关键，也是保证船舶建造按节拍生产的润滑剂。以托盘为核心的车间生产物流是整个车间制造的重中之重，其目标是为建造车间提供畅通无阻的物料流转，保证车间生产顺利、高效地进行。同时，在防止物料损坏、丢失以及设备事故的基础上，减少物料搬运的数量、频率和距离可降低搬运费用，节约管理成本[1-2]。

1 船舶车间物流管理现状及智能化需求

1.1 船企物流管理现状

造船企业的物流包括造船企业与供应商之间的采购供应物流、生产过程中中间产品存储的生产物流以及船舶总装下水后造船企业与船舶所有人之间的销售物流。造船企业与船舶所有人之间的销售物流较少，对物流服务无特殊要求，因此主要的物流活动是生产物流。造船企业按照企业布局、制造过程和工艺流程的要求，实现建造原材料、外购件、外协件和各级中间产品在船厂内部、仓库与车间、车间与车间之间的流动[2]。造船企业的物流主要有以下特点：企业物流以生产物流为主；涉及物资种类多、采购量大，供应商管理难；船舶交付后，库存降为零，具有异样性；造船属于单件小批量生产，通用件少，物料产品具有对应性。

基于造船企业的物流特点，国内较多船厂提出了建设物流信息化、智能化的需求并进行研究，部分船厂已在车间内应用物流管理系统，在一定程度上对降低成本、缩短周期、提升造船效率有作用。但物流管理并没有广泛应用于行业中，各船厂的使用情况参差不齐，而且由于自身建造模式和建造方法的特殊性，物流管理也需要定制。

1.2 车间物流管理智能化需求

船舶建造是一个复杂的过程，从原料进厂、零件放样、下料切割、部件装焊、分段建造到总组、搭载等过程的每道工序、每个过程、每项操作都受管理、技术和人员等方面的主、客观因素的影响。其中，车间建造是整个船舶建造的基础，车间物流管理是船舶生产物流管理中十分重要的部分。

本文对多家船厂进行调研，以国内某大型造船企业为例，提出针对船体分段智能车间管理的物流管理看板的基本需求。以船体分段车间的船体零部件生产物流为研究对象，物流看板应：辅助车间作业人员对整个车间场地、运输设备、托盘等资源进行优化配置，同时提高生产、配送计划的准确执行率；协助相关管理人员对整个车间的制造进度及项目完成情况及时获知和追溯；完成对船体零部件生产物流的实时监测跟踪，为提高车间工作效率、保证生产大节点提供可靠保证[1]。本文提出的物流看板功能包括：中间产品托盘状态监控；车间内场地状态监控；分段建造进度状态管控。以看板的形式将生产过程中托盘、场地、中间产品展现出来，实现对制造车间的托盘、场地、中间产品的有效管控。

2 物流看板关键技术

为实现中间产品、场地、进度状态等的实时监控，物流看板系统应解决视图和存储、缓存处理、智能调度以及其与车间管控软件的数据联通等问题。

2.1 视图和存储过程

视图和存储过程技术主要解决数据查询及报表数据速度慢的问题，提高数据查询速度和系统性能。

2.1.1 视图

视图是将多个表的数据联结成一张类似表的结构，不提供持久化，可看成是原生表数据顶层的抽象。编写创建视图的SQL脚本，读取脚本内容放置在数据表中，另创建一个视图，解决EF Code First不完全支持视图的问题。

2.1.2 存储过程

业务流程处理语句在存储过程中使用SQL编写，语句只编译一次，服务器不需要在每次执行时进行分析和编译，避免了SQL语句在网络中传输然后再解释的低效率问题。

2.1.3 应用实例

(1) 看板计划与实际显示。计划与实际显示的数据是每项工程、每个分段或部件的3行数据(倒推计划、策划计划、实际计划)，全部工程的分段或部件计划信息量比较庞大，通过Windows通信开发平台(Windows Communication Foundation，WCF)服务解析并返回数据需要等待的时间长。为提高查询性能，计划采用建立视图和存储过程方式的方案：根据3行计划建立倒推视图、策划视图和实际视图，通过存储函数调用视图，再通过调用存储函数来获取界面显示数据。方案如图1所示。

图1 看板计划与实际设计方案

(2) 看板报表展示。报表数据是通过查询条件对基础数据进行筛选、过滤，获取后再通过WCF服务传输至客户端，系统性能将大幅降低。根据业务流程，在SQL中建立视图和存储过程，如图2所示。对应的存储过程为报表模板1，…，报表模板n，报表显示的数据通过调用存储过程而获取显示。

图2 看板报表设计方案

2.2 Redis技术

2.2.1 Redis

非关系型数据库(NoSQL)将数据存储于缓存之中，而传统的关系型数据库(SQL)将数据库存储在硬盘中，查询速度远不及NoSQL数据库。

NoSQL数据库包含Redis、MongoDB、memcached等，其中Redis采用键值存储方案，将全部数据保存在内存中，是理想的缓冲层实现方案；同时Redis还支持多种数据类型、操作简便，具有对缓存内容及数据持久进行细节调整的能力，整体执行效率高。Redis能够对静态数据进行缓存处理，提高数据查询速度和效率。

2.2.2 实例展示

(1) 看板显示。看板数据需按天滚动播放，将数据保存在Redis的缓存中，在没有数据更新的情况下，不必从SQL数据库中获取数据，该方式可提高查询速度。

(2) 工程状态显示。工程状态显示整个系统关注点状态的更新记录，关注点可设置为对工程状态的跟踪，如工程计划的数据更改和分段、批次的更改，包含更改的用户、更改前后的数据值等。对物流看板管理系统下的任意工程进行状态跟踪，若数据保存在Redis中，只需将最新数据更新至SQL中，超过有效期限(本系统设置为30 000 s)后，Redis数据将被自动删除。

(3) 切割机采集的中间数据保存。切割机采集的中间数据可临时存储在Redis中。在对数据进行处理后，将最新数据存储在SQL中，超过有效期限后，Redis数据将被自动删除。

2.3 分段运输智能调度技术

2.3.1 分段运输总体方案

基于某船厂产品生产现状，总结业务过程中存在的问题，结合某船厂在船舶及海洋工程行业的丰富经验，提出分段运输和堆场管理解决方案，其流程如图3所示。

图3 分段运输和堆场管理解决方案流程

对成型的离胎分段进行实时信息准确控制，通过系统建设帮助船厂实现以下应用效果[3]：

(1) 合理规划场地布局。对船厂场地物理属性信息、分段产品特点进行分析，结合船舶建造流程，仿真规划场地分配，建立场地分类属性、利用优先级别等体系。

(2) 优化调度方案。通过分段调度管理，合理匹配作业场地并生成较优的调度方案，确定分段调度计划，减少分段无效转运次数。

(3) 合理分配资源，提高利用率。根据船厂资源现状，合理匹配资源，实现资源统筹管理，提高设备资源的利用率。

2.3.2 可视化仿真技术

(1) 虚拟厂区界面。界面提供用户可自定义规划厂区的功能，同时可定义区域并命名；能够量取两点之间直线距离与实际距离；按工位划分分段堆场；提供大量可标识图元，如“障碍物”“路灯”“地面坡度”等；具备界面缩放和拖放功能。

(2) 分段实际俯视平面轮廓图。按照分段详细组立流程(Detail Assembly Procedure，DAP)自动生成分段离胎后的俯视平面轮廓图。

(3) 平板车模型。建立平板车信息，包括平板车起重能力等一些技术参数。

(4) 看板展示。在厂区及办公区的必要位置设立看板，看板显示厂区平面图和分段实时布置情况。

2.3.3 数据实时传送技术

(1) 移动终端。为每辆平板车配备1台移动终端，可查看厂区布置图及分段分布现状，同时可对分段移位进行记录；可使用Phone、Pad、PDA等设备接收和发送生产信息；驾驶员登陆移动终端完成当前人员信息录入，形成驾驶员-平板车-当前时间的一一对应关系。

(2) 数据更新。提供离线记录数据的方法，更新分段厂区分布情况及运输情况，防止后期无线网络故障。

2.4 中间数据库

车间生产物流看板管理系统作为工场信息化系统的一个分支，处理工场生产管理相关的业务逻辑层，但基本数据来源为其他业务层，如制造过程数据文档管理系统(manufacturing Process Data document Management system，PDM)系统。层与层之间应实现无缝数据对接，因此，为保证数据的准确性和实时性，将物流看板管理系统与该船厂PDM船体物流信息做接口集成。构建公共数据库，通过PDM系统输入工作信息，物流看板管理系统负责读取数据。数据流程如图4所示。

图4 数据流程

3 物流看板总体方案设计

3.1 总体方案设计

通过统计托盘、场地、中间产品的信息，构建车间内场地电子地图，综合车间资源，在生产计划与实际的基础上制定车间物流配送计划，以物流看板为支撑，实现对整个车间物流状态的监控与跟踪。具体如图5所示。

图5 车间生产物流看板管理系统总体方案设计

3.2 软件系统架构

在系统设计方面充分考虑船厂特点，平台架构层次包括物流数据来源、现场网络管控、物流看板管理应用等3层架构，如图6所示。

图6 车间生产物流看板管理系统平台架构

物流数据来源：主要开发集成接口，从生产执行系统(Manufacturing Execution System，MES)、企业资源计划系统(Enterprise Resources Planning system，ERP)、工程生产管理系统(Production Management System，PMS)、PDM系统中获取托盘、中间产品、场地等的数据信息或模型，包含托盘配送计划、车间生产计划、胎位计划、场地资源等相关信息。确保车间生产物流看板管理系统所需数据的完整性、可集成性、可理解性、可扩展性及易用性等。

现场网络管控：主要研究车间现场一体机的布置、网络的布置及软件系统的安装，搭建车间现场与办公室监控之间信息互通与共享的信息交互桥梁。

物流看板管理应用：主要研究如何将数据接口集成过来的基础数据进行有效利用，通过对数据进行分析、筛选、处理和优化，构建现场位置、数量、状态等基础服务架构，建立抽象的业务集成接口模型，支撑船厂生产物流管控需求。

3.3 托盘及中间产品信息管理

3.3.1 托盘信息统计

船体分段车间的托盘种类较多，根据托盘种类和用途进行编号，并设置其具有唯一性不允许更改，编号对托盘自身信息也是有效的管理。

3.3.2 中间产品信息统计

船厂分段制造车间生产过程包含较多中间产品，包括零件、部件、小组立、中组立等。这些中间产品在进入下一道工序时，需以托盘的形式运输至下一个工位。将中间产品的数据本系统进行集成，为产品中间看板提供数据基础。

3.4 车间场地电子地图构建

基于地理信息系统(Geographic Information System，GIS)构建的思路和方法，对车间场地信息进行摸排，将每个工位所在的位置进行一一标识，每个工位、流水线通道、轨道、设备所占的场地尺寸在电子地图中得以体现，完成对车间内通道、轨道、工位、设备在电子地图中的描述，建立车间电子地图数据库，形成车间电子地图的显示模型，实现车间建造场地上的固定资源在系统中的可视化。

3.5 车间物流配送

车间物流配送以托盘为单位进行管理，实现车间物流配送过程的可视化需掌握托盘的现有位置、托盘下道流向等信息。基于托盘配送的相关信息及数据(PMS系统中的数据)，在本系统中对托盘在车间物流过程中的状态和位置进行实时管控，通过对托盘状态的跟踪，查看产品托盘配送情况，在托盘状态管理模块查询托盘的当前位置与信息，并以船型看板的形式进行展示[4]。

4 物流看板管理系统

车间生产物流看板管理系统主要包含7个功能模块：基础数据模块、配送流程管理模块、托盘状态看板模块、场地状态看板模块、产品/船型看板模块、人员权限管理模块、统计分析模块。

4.1 基础数据模块

该模块主要对中间产品种类、托盘种类、场地种类、船型信息、工位信息、零部件信息、船舶所有人/船检信息等基础信息进行维护与配置，如图7所示。

图7 基础数据模块

4.2 配送流程管理模块

该模块主要对车间内配送物流流程进行管理，以船体分段车间物流配送流程为中心，可查询托盘、产品、场地的列表信息，如下料库存量(含库存数量和库存物量)、组立库存量、分段在胎量等，如图8所示。

图8 配送流程管理模块

4.3 托盘状态看板模块

对船舶分段建造下的全部托盘信息进行统一管理，各托盘的所属信息(所属项目、分段、工位等)、状态(上胎、离胎等)可直观查询，如图9所示。

图9 托盘状态看板模块

4.4 场地状态看板模块

在车间场地电子地图上点击任意场地，根据不同的颜色标识，查看该场地区域内或工位上的当前加工状态，如图10所示。

图10 场地状态看板模块

4.5 产品/船型看板模块

在船型图上点击任意分段，根据不同的颜色标识，可查看该分段所处的当前状态，如图11所示。

图11 产品/船型看板模块

4.6 人员权限管理模块

该模块用于实现软件使用人员的信息管理和权限管理，保证数据维护的安全性，如图12所示。

图12 人员权限管理模块

4.7 统计分析模块

该模块可根据用户需要，对托盘、单船、分段下托盘等信息进行统计工作，如图13所示。图13所示为材料加工的分析数据，包含设备工作量、各班组工作量、切割工作信息等，可使工作信息更直观、工作量统计更方便。

图13 材料加工看板

5 国内船厂物流智能化建议

造船业经过近几十年的发展，由劳动密集型产业逐步向信息密集型产业靠拢，船厂的建造模式也逐步由离散型向连续性转变。本文中的车间生产物流看板管理系统基于生产车间实际，对提升车间生产效率、降低物流成本、促进资源合理配置等卓有成效。该管理系统虽具有一定的适用性，但若需提升船厂的物流智能化管理能力，还需从技术和管理等多方面建设来支持[5]。总结建议如下：

(1) 船厂基础技术。加强CAD、CAM等计算机辅助设计和建造技术，建立统一的质量管理体系标准，这些技术是数字化建造工艺实施的基础；完善项目管理系统，促进生产各环节的协同作业，保证信息流通；建立精益化工作标准，满足新型建造模式的工作划分要求，提升工作效率。

(2) 船厂物流管理保障。加强物流资源配置，形成合理的物流运输分配机制和运送机制，结合计划与生产，实现精准运送；降低库存成本，优化存储和物流配置，以零库存为目标，实现成本最优化。

(3) 零库存生产管理。整合船厂各方面信息，重构管理与组织体系，提升人员管理水平，促进生产管理实施；实时掌握市场供求信息，加强船厂对市场的反应机制；建立合格供应商名录，保障物料的准时供应，避免资源浪费。

6 结 论

基于造船企业生产物流业务流程，突破船舶物流看板中的相关展示、存储及调度技术，研发了船舶车间生产物流看板管理系统，并将其成功应用于某大型船厂的分段制造车间。从企业管理角度来看，管理人员、设计人员以及生产人员都可通过可视化的方式，方便地实现随时远程查询管理，并可根据后续生产节奏制定有效的计划和完善准备工作。本文的研究成果能够为企业建设智能船厂，尤其是物联网技术的应用提供有力的技术支持，符合未来制造业及船舶工业生产技术的发展趋势，适应当前船舶工业转型升级的需要，具有广阔的应用前景。