基于Unity3D的船厂分段状态看板管理系统设计与实现

邵子明，马晓平，张洪新

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212003；2.江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003)

0 引 言

数字化席卷全球，不断加剧工业领域传统经济生产模式与现代数字化智能制造之间的竞争，在工业市场体量不断扩大、制造业拥抱数字化技术的需求下，分段制造车间生产数字化、智能制造管理体系、智能数据联动和数据可视化展示等重要性日益突显。由于结构设计复杂和周期长的特点，船舶生产管理技术和数据反馈逐渐成为生产制造的核心。在船舶制造过程中，长期缺乏高效、便捷和灵敏的数据采集与反馈技术，现场生产通过设计图纸将理论设计过渡为现实生产活动，信息反馈滞后明显，在过程中发现问题导致生产成本增加，对生产管理的影响较为严重。人工信息反馈机制难以解决复杂逻辑关系的数据与信息沟通不及时、数据查询与审批流程困难和决策与执行效率低等问题。

近年来，船厂分段状态看板管理系统突破传统的看板形式，结合Unity3D动画设计和图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)编辑器，运用可视化工具将船舶分段制造和生产车间数据集成至大屏展示，可在分段生产制造过程中监测、观察、分析和优化制造流程与制造步骤[1]。看板管理模式信息集成度高，生产可控性强，安全可靠。

1 船厂分段状态看板设置

1.1 看板作用

通过简明扼要的数据可视化展示，可直观反映分段制造车间的分段生产数据变化，快速清晰地发现问题，使分段生产有序高效进行。看板可分为3类：传送看板、生产看板和临时看板。所进行的研究基于生产看板，采用Unity引擎开发面向船厂分段制造车间的数据看板。看板作用如下：

(1)可视化管理工具。分段制造车间的分段生产信息以聚集性形式进行展示，将现场复杂生产逻辑关系以直观的数据形象表达，掌握车间分段制造现状；根据分段制造需求，通过基础信息进行管理指标的计算和管控，管理分段生产目标；对车间的设备和人员信息数据记录进行反馈和告警。

(2)交流工具。通过信息集成展示共享，衡量和共享车间生产结果，促进团队相互协作，激活生产管理部门之间的合作交流。

1.2 用户分类

根据职能范围、应用场景和信息集成维度，船厂分段状态看板大屏面向3个层级的用户。用户分类如表1所示。

表1 用户分类

2 船厂分段状态看板管理系统总体设计

2.1 系统总体架构

系统由应用平台、应用模块、其他应用和数据库应用组成。应用平台是系统的发布平台，Unity3D可发布至主流的多媒体设备平台，开发可根据需要选择发布平台。应用模块是系统的主要开发内容，将看板分段状态数据细分，通过车间总览、车间生产、工艺查看和胎架工位等4个模块分类展示车间分段的主要信息。其他应用是系统的拓展功能。数据库应用是系统后台数据采集和存储的主要模块，采集数据和现场反馈数据导入数据库，利用Unity引擎调用数据至看板大屏展示。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体架构

2.2 系统数据流设计

对数据调用和展示的过程，需要更深层次地理解数据在整个系统各环节的运转，因此用户使用过程中的信息反馈对系统的改良至关重要。采用与Unity3D连接的MySQL数据库实现数据的存储和调用，将数据整理、分类和审核录入数据库，通过数据可视化技术在看板管理平台进行展示[2]。运行数据基本流程如图2所示。

图2 运行数据基本流程

2.3 系统开发流程

通过分析系统的功能需求，将设计分为看板GUI设计、分段制造车间搭建和数据库设计等3个模块，其中：看板GUI设计和分段制造车间搭建在Unity3D中完成；模型设计借助3D Max；数据库设计在MySQL数据库中完成开发。系统开发流程如图3所示。

图3 运行数据基本流程

3 船厂分段状态看板管理系统构建

通过调研和收集生产现场信息，获取模型数据，采用3D Max建模，将FBX格式模型导入Unity3D搭建虚拟环境[3]。Unity3D开发二维用户操作界面，通过MySQL Workbench数据库用户管理界面对数据进行操作，并与Unity3D交互连接，实现看板数据调用。

3.1 系统模型构建

通过建筑物主体的全貌、外观颜色、纹理材质图片和计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)图纸的尺寸数据与形状，综合构建模型细节，在3D Max中采用样条线在顶视图窗口中拖动绘制长方形，在修改面板中调整长和宽，将样条线修改为可编辑多边形，对可编辑多边形进行挤出操作，在挤出效果中设置地面厚度。分段看板管理系统模型如图4所示。

图4 分段看板管理系统模型示例

3.2 系统场景界面设计

面向船厂分段生产车间的看板反馈数据信息量较大，在看板的单个界面内将这些重要信息展示出来比较困难。Unity3D具备多场景切换功能，可实现多个看板界面的逻辑连接，解决常用系统开发软件设计系统在用户操作界面时界面跳转困难的问题[4]。在系统开发过程中，根据内容分类模块设计多个场景界面的转换，符合数据可视化分析原则，将重要的关联性数据在同界面展示，有助于推进数据分析的开展。

选择文件夹中的发布设置界面，可设置每个场景的索引位置，利用编程代码实现转换功能。设置父级和子级界面，通过按钮组件设置跳转事件。在点击按钮时，跳转至子级界面。根据系统设计目标将分段制造车间看板信息进行分类处理展示。场景界面如表2所示。

表2 场景界面

3.3 系统模块

Unity3D支持的GUI编辑器通过组件可视化方式编辑UI，排除大量复杂冗余的编程创建和反复测试。在二维窗口创建新场景，在建立的面板中分别新建按钮、图像和原始图像等组件，选择图片源更改背景，结合数据库用户信息匹配，实现登录功能。登录界面如图5所示。

图5 登录界面

3.2.1 车间总览

该模块由3个部分组成：车间俯视图、厂房环境监控和场地信息介绍。车间总览界面如图6所示。

图6 车间总览界面

(1)车间俯视图。根据现实车间胎架工位分布、分段摆放布局、厂房支架结构和起重机的位置、设备与道路等摆放模型，通过车间三维立体模型俯视图查看车间总体布局规划情况。Unity3D具有二维和三维场景切换特点，点击下一步进入子级2.1“虚拟分段制造车间”，通过第一人称视角相机漫游虚拟分段制造车间[5]。

(2)厂房环境监控。对车间的废气、废水、温度、湿度、噪声和粉尘等动态数据进行实时监控，将数据维护至MySQL数据库，运用Unity3D与MySQL连接的简易性，及时将数据展示在看板上。

(3)场地信息介绍。主要说明厂区长度、宽度和占地面积，配备的大型设备和数量，道路标识，安全警示牌等基本信息。

3.2.2 车间生产

该模块由5个部分组成：分段效果图查看、设备属性、人员信息查看、车间监控和标准作业流程演示。车间生产界面如图7所示。

图7 车间生产界面

(1)分段效果图查看。将当前胎架工位生产的分段最终效果图展示在大屏上，显示胎架工位编号和分段名称。

(2)设备属性。显示车间设备工作状态是否正常，利用传感器和电信号形式获取设备的运转状态，保障生产顺利进行，设备信息按生产周期收集并维护至数据库。

(3)人员信息查看。系统连接车间考勤机，展示车间员工工号、姓名、所在工位和作业时长，通过任务包获取作业时长数据。

(4)车间监控。将车间监控信号源接入看板，对具有安全隐患和重要的制造场所与作业设备进行监控，实现网络远程查看，避免安全事故发生。

(5)标准作业流程演示。当前分段按照标准作业流程运行装配动画，选择胎架工位编号，进入子级3.1“胎架工位生产演示”，进行详细动画演示。

3.2.3 工艺查看

该模块由2个部分组成：制造工艺图纸和下道工序提示。工艺查看界面如图8所示。

图8 工艺查看界面

(1)工艺图纸。选择分段工艺图纸，供生产管理人员核验、校准、查看和分析。

(2)下道工序提示。分段生产数据与当前胎架工位生产同步，利用Unity3D对分段零部件模型建立动画，展示当前胎架工位下道工序的标准作业流程提示，作为现场生产的参考。

3.2.4 胎架工位

该模块由3个部分组成：胎架工位布局查看、设备标识和胎架工位生产模拟。胎架工位界面如图9所示。

图9 胎架工位界面

(1)胎架工位布局查看。查看分段制造车间的3跨胎架工位分布及胎架工位编号。

(2)设备标识。每个胎架工位图标显示4个状态：人员在岗、正常作业、设备正常和物资正常；采用红绿色区别状态：绿色表示正常状态，红色表示非正常状态。

(3)胎架工位生产模拟。根据数据反馈当前胎架工位的作业进度，在三维虚拟场景内做出与现实生产同样的动作。Unity3D具有真实的粒子系统，简单制作焊接粒子特效和设置路径，可实现逼真的现场生产效果。生产管理人员可通过子级界面知悉该胎架工位生产计划进度[6]。纵骨焊接模拟如图10所示。

图10 纵骨焊接模拟

4 船厂分段状态看板管理系统应用效果分析

突破传统看板统一和单调的特点，将看板管理与数据库管理工具相结合，并结合现场使用情况综合分析应用效果。

(1)经现场实践，生产管理部门领导和现场作业人员可快速掌握每个胎架工位上的分段制造作业、分段产品制造工艺和车间生产总体状态。在宏观层面上，可掌握分段制造车间的空闲胎架工位数量、进入和运离胎架工位数量统计、胎架工位分段生产进度等；在微观层面上，可掌握生产计划节点、生产设备状态和车间生产人员作业情况等，及时掌握生产中的关键数据。

(2)借助Unity3D的可操作性、面向对象开发语言多样性和外部软件连接兼容性的优势，设计新型看板模式，通过不同功能信息模块提高分段制造团队的专业知识、生产指挥能力、多变情况决策能力和团队协同合作能力。借助Unity的动画设计能力创建生产模拟动画、下道工序提示和标准作业流程演示，实现数字化监控生产车间，强化生产管理。通过系统可对分段生产进行全面掌握，满足准时生产要求，生产秩序和效率提升明显。

5 结 语

船舶制造正在向数字化制造转型，在船舶分段智能制造中引入数据可视化技术，具有可操作性、简单易懂、提升效率和降低生产成本等优势。船厂分段状态看板管理系统可在船舶分段制造过程中弥补现场生产信息收集不足、数据传递工具落后和信息更新滞后等问题，具有将生产管理系统化和加快生产速度与精度等潜在价值。基于数据可视化技术的看板管理在智能制造领域处于初期探索阶段，随着5G技术、计算机软硬件和感测技术的快速发展，船舶分段制造看板的数据可视化形式、模型精确度和数据库技术等方面需要更加深入地探索研究。