船舶制造离散作业场景下智能协作技术研究

李佳欣 王泽云 张永刚 廖忠友 赵瑞升

（江苏科技大学 经济管理学院 镇江212000）

0 引 言

随着信息时代的深入，智能制造与企业智能化转型受到国内外学者的广泛关注，其研究主要聚焦在以下领域：第一，智能化转型与企业生产效率［1-2］，即智能制造技术能够实现人机协同，通过与设计、生产、管理等环节加速融合以降低生产成本、提升企业生产率［3-4］。第二，智能化转型与企业销售模式的变革［5-6］，即企业应用新一代数字技术对相关产品进行持续改进，通过互联工厂实现用户个性化需求，进而改变企业销售模式，提升产品的适应性和创新性［7］。第三，智能化转型与企业的协同集聚［8］，即工业互联网催生的新模式能够通过企业内部协同、产业链协同、供应链协同，推动企业智能生产，并加速传统产业链重构［9］。

智能化已成为各行业发展的主要模式和基本趋势，其智能技术融入了云计算、物联网、移动互联网等新兴技术，具有应用跨度大、支持产业链条长、技术集成性高等特点［10］，从而形成了显著的降本增效功能。例如一种覆盖实体店、PC端、移动端和社交媒体的新零售体系也应运而生［11］，其销售前台以大数据匹配和精准推送为切入口，以实体门店的线下感知和服务体验为依托［12］，后端有基于物联网技术的智能仓储管理系统，更有着连接供应商及终端用户的智慧物流，整合前后端的技术优势，增加消费者感知价值态度和购买意愿，促使零售企业获取更高的利润和绩效。这些新兴技术在消费领域的成功应用，正作为制造业转型升级的关键通用技术，启发着传统制造企业的应用场景升级，使得原有很多复杂特殊的业务场景不仅得以信息化实现，更能得以智能化升级改造。

1 船舶制造行业现状分析

船舶行业作为典型的制造业而言，其信息化进程不断普及至各个职能领域，也在一些领域的垂直深度上不断深入，如：ERP实现业务处理的综合管理；PDM统一管理产品的技术数据；CAE模拟产品的设计与性能，也在物资管理上实施物联和智能仓储并用虚拟仓储货架，标识仓储货架内的商品状态，最终用数据图表的可视化形式展示，甚至能够远程采集已交付产品的运行数据更好地提供服务。这些信息化实践都在一定程度上提高了生产效率，总体上降低了运营成本；并辅助实现了新兴管理模式或商业模式的探索，使其制造技术水平不断提高，但船舶行业的特点使其仍存在管理粗放的问题和信息化建设的盲点和痛点。

1.1 船舶产品复杂，生产过程复杂

船舶产品的结构复杂、工程量大、造价高、周期长的生产特点导致行业生产效率不高。船舶业属于离散型制造业，具有生产任务多、生产数据多、生产计划复杂、管理调配困难等特点。现阶段我国造船企业的制造能力与管理水平比以前已有较大改观，但在管理手段上仍存在提升空间。

1.2 管理难度大

船舶企业的管理涉及到设计管理、成本管理、材料管理、零件管理、生产现场管理、人员管理、数据采集等各个方面，管理难度较大。船舶企业一般难以在产品技术资料全部准备齐全后才开始生产，而是边设计、边生产、边修改，而且产品各部件之间的时序约束关系和成套性要求严格，一个环节的生产出了问题，就会影响项目整体的进度。这就要求企业具备较高的管理水平和管理强度，并能在信息系统中体现出可能的影响，便于协同响应以作出最优决策。

1.3 信息实时处理较弱，任务协同性较低

我国船舶制造企业信息化改革总体上有重大进展：ERP系统的使用，推动管理信息化；制造机械的更迭，推动生产自动化、信息化。但因船舶制造属高度离散型生产企业，作业区域大且分散，工作环境多被金属环境包围，露天作业多，造成局域网条件参差不齐，直接导致现场作业时处理信息未能实时同步至ERP系统，从而使决策管理滞后于实际生产，任务协同性较低。

1.4 生产成本高，周期长

随着我国经济技术水平不断提高，船舶工业发展突飞猛进，但与船舶工业强国相比，在船舶生产工期和成本管理方面的差距依然很大。船舶生产难度大，某个环节的差错便可能导致工期延误，额外生产成本等问题，而且船舶建造工期都有严格规定，逾期便会面临巨额罚款。而对于这样的溢出成本，缺乏有效的信息化预警和控制手段。

随着新技术的出现和相关成本的下降，原本很多难以实现的应用场景可以付诸实施了。基于上述行业存在的痛点，迫切需要研究利用新兴智能技术，推进企业信息化应用水平的提升，从而推动造船企业提高精益制造能力和信息化化管理水平，解决目前信息化盲点。本研究即针对以上问题，引入基于超声波定位技术的智能笔输入设备，采用了全新超声波识别，辅之于规范表单模板，创新研究智能笔对表格模板中输入位置坐标的识别技术，实现手工与业务系统的数据同步输入。同时，在基于消息推送的任务协同机制、基于混合模式的跨平台移动应用等关键技术突破的基础上，实现生产现场组织管理的精细化、协同化、智能化，为船舶制造企业的制造模式转换以及精益化生产组织管理提供支持。

2 基于智能笔的业务协同模式

2.1 智能协作技术应用

调查显示，智能协作技术在制造业上的应用规模正处于急速上升阶段，使原有复杂的生产流程得以优化，提高了数据采集的效率和生产质量。智能协作技术已应用到很多领域，如在农业中，针对蔬菜规模化生产的智能化管理与作业需求，构建了以卫星、雷达、无人机、传感器等为载体的天空地立体化监测传感网络，打造了人机智能协作智慧大脑，研发了无人智慧农机作业集群，建立了蔬菜规模化生产人机智能协作技术解决方案［13］。在软件开发过程中，通过对互联网及企业内等积累的软件开发大数据进行分析，对开发者的能力特征和历史协作行为等进行定性和定量的分析，进而面向特定的软件开发任务提供智能化的协作支持［14］。

受以上智能协作技术应用的启发，本研究基于智能笔的精度高、可便携移动、应用场景广、云端存储等特点，构造船舶制造现场智能协作平台，旨在协助生产现场管理过程中进行任务派工，并识别现场反馈的复杂信息等活动，通过感知设备及无线网络来实现人-物、物-物等之间的互联、互感，保证整个生产现场多源信息的实时、精确和可靠获取，使生产过程更为精益化。

2.2 基于智能笔的集配部托盘验收业务处理流程

基于智能笔的智能协作模式已成功应用于企业生产制造中，如船舶检验人员利用电子笔在规定格式的检验报告单上进行打勾确认、结果描述、填写日期以及个性签名等工作，通过内置的扫描系统会把书写痕迹自动传输到服务器上，可对自动生成的PDF文件进行打印，解决报告单的复印、打印问题，节省大量重复工作量的同时也减少二次录入导致的错误。以下是基于电子笔的集配部托盘验收业务处理流程实例：

（1）集配中心仓库保管员接到验货要求时，在企业系统中找到需要验货的托盘号，打印《到货验收单》，并指引车辆驾驶员到指定位置进行卸货。

（2）保管员按照打印的《到货验收单》逐页进行货物清点，若存在数量或质量的差异，用电子笔在《到货验收单》相应的数据行上进行标注。电子笔手机APP同步识别书写内容。

（3）全部验收完成后，在《到货验收单》上签名，并在确认提交栏打勾，确定任务完成，手机APP接收指令后即时将数据处理后上传至系统数据库。数据处理包括将未填写数据行的“合格数量”自动填补为“订货量”中的数值，如下页图1所示。

（4）系统自动将手工填写的单据形成图片，一起上传至数据库作为备查。至此，到货验收业务与信息系统同步处理完成。

2.3 现场协同管理平台中的智能笔应用及关键技术

现场协同管理平台能够解决多部门、多任务间协同及时性差等问题，智能笔可以让工作人员在现场工作的同时，通过移动应用将数据传输并存储到ERP的服务器上，主要技术分为包括：

（1）识别技术：通过集成识别模块，利用智能笔，采用轨迹识别技术和OCR文字识别技术对员工书写内容进行识别，并使识别出的文字能够与WeX5前端框架交互。

（2）同步技术：利用纸质单据智能识别技术，对纸质单据与电子单据的格式以及关键要素进行自动匹配，实现纸质单据与电子单据的信息同步；

（3）录入：把纸质单据以及现场图片等通过随身携带的移动终端上传到服务端，解决二次采集面临的费时费力与易出差错等问题。

2.4 实现方案

通过现场协同管理平台的应用可以实现生产现场组织管理的精细化、协同化、智能化，为船舶制造企业的制造模式转换以及精益化生产组织管理提供支持，以此满足船舶制造企业对构筑现场协同管理平台以解决多部门、多任务间协同及时性差等问题的需求，以基于智能笔的协同管控为技术依托，构建现场协调管控平台，系统架构见下页图2。

图2 系统架构图

具体技术实现方案包括：

（1）利用智能笔超声波识别轨迹，辅之于规范表单模板、定义模板中每一个输入位置坐标范围进行定位。在大多数情况下，智能笔的应用均需配合点阵纸使用，但点阵纸技术识别精度低、响应慢，数据采集效果弱。其采用创新性的多技术组合模式完成轨迹识别，与优化字库模型进行智能匹配的前提下，能对检验人员手写轨迹进行文字自动识别；对于不能自动识别部分，系统提供模糊选择以及手工录入等解决方案。

（2）基于轨迹坐标结合设计模板，对生产制造现场常用单据进行标准化定义，以实现采集的数据与字段匹配；同时要对每个表单模板进行管理，并加以二维码编码，以便于后期识别。

（3）对采用轨迹识别、移动应用以及图像采集等技术，利用基于智能电子笔的数据采集模式通过采用HTTP协议进行前后端交互，以实现云端存储，免去人工记录在手工录入的流程，将事后录入变成实时录入，从根本上解决因原有流程导致数据流与信息流不统一的问题。

3 智能笔在智能协作技术上的应用优势

3.1 实时传输，任务协同

当前船舶行业都采用人工记录，事后再将相应的数据信息录入系统。这种录入方式信息化程度和效率都很低，导致生产调度指令难以有效下达，生产加工实时数据难以及时有效反馈，生产组织决策很难做到准确、可靠。此外，多地办公时场地和网络条件的限制，也使信息系统的数据处理流程往往滞后于实际业务流程，而基于以上问题展开研究。本款智能笔通过接收器可将330 mm×250 mm（A4纸大小）的任何平面上的笔记进行收集上传，对其识别系统进行颠覆重编，并使用多年来被业界认可的OCR识别，及时上传至PC、移动端和服务器，借此推动企业向基于消息推送的任务协同机制改革，使实时数据能及时有效反馈，有利于科学进行生产组织决策。

3.2 开源框架，集成性高

智能笔程序与第三方系统集成设计方案满足第三方应用系统对纸质表单的数据采集。在特定的服务单位，可能有自己的信息系统，也可能只是需要智能笔单独的采集模块，该应用场景可能需要考虑集成应用；对平台的搭建采用遵循Apache开源协议WeX5作为前段框架开发语言，技术原理对用户相对透明，易于与企业信息系统集成，对企业原系统变动小，竭力以最小的代价突破目前企业信息化的盲点。

3.3 电子存储，突破限制

首先，利用智能电子笔与特定文字识别系统的集成技术，将采集到的数据利用纸质单据智能识别技术；然后，对纸质单据与电子单据的格式以及关键要素进行自动匹配，实现纸质单据与电子单据的信息同步；最后，将纸质单据以及现场图片等通过随身携带的移动终端上传到服务端，实现纸质凭证自动存档以及电子文档存储。

4 结 语

在当前数字科技革命和产业变革蓄势待发的背景下，通过数字技术赋能传统企业、激发内生动力、加快智能化转型已成为我国传统制造企业突破发展困境的关键所在［15］。本文基于船舶制造行业的现状，分析智能化背景下典型制造企业依然存在的痛点，引入基于超声波定位技术的智能笔输入设备，通过集成识别模块，采用轨迹识别技术和OCR文字识别技术对员工书写内容进行识别，利用智能笔，实现纸质单据与电子单据的信息同步，将纸质单据以及现场图片等通过随身携带的移动终端上传到服务端，从而解决了制造业信息流与业务流不统一造成信息系统中的数据处理流程进展滞后于实际业务处理流程，带来相关管理决策依据的缺失、等待，造成决策缓慢、不及时、不准确等问题，进而推动了我国制造业管理水平的提升。