基于数据可视化的船体建造精度数据管控系统研究

孟昭懿,贾郁文,王 伟

(1.中国船舶集团 大连船舶工业有限公司,辽宁 大连 116011;2.大连船舶重工集团有限公司,辽宁 大连 116083)

0 引言

在船体建造过程中,从钢材预处理到船坞或船台合龙等一系列工序都需要进行严格的质量管理,各个环节均会产生大量的生产数据及相关的质量检测数据。这些数据具有数据量大、类型多、增长快且呈多源异构等特点,并能直接或间接地反映船舶建造中各类工序的质量情况、关系企业建造水平。然而传统数据平台在处理多源异构数据时,面临数据处理能力不足、数据运维困难、数据分析程度不够深等挑战,为企业挖掘数据价值带来了层层阻碍。在这种背景下,结合信息化手段,分析研究多源异构数据的管理方法有着十分重要的意义。

目前,造船业已经出现了各种三维精度控制系统,这些软件结合现代化设备与技术为精度控制提供数字化测量与采集、辅助计算、模拟分析的功能[1-4]。但是,对如何做好精度数据的管理及如何使精度管理工作信息化的问题,仍然缺少能够广泛应用于造船企业的功能齐全且操作方便的软件系统。

本文根据船舶在生产流程中的精度管理重点,整合其现有的大量离散数据,用信息化手段进行数据分类和梳理,从用户账户管理、工序指标计算、工位地图数据信息联动、部门指标考核打分、精度问题反馈与处理流程传递等方面实现了多源异构数据表达的可视化、数据处理分析的精细化、综合管理效率的便捷化。

1 船体建造精度管理分析

1.1 船体建造作业流程分解

船体建造包括从生产设计开始到船体下水的整个施工过程(不包括舾装和涂装作业),船体质量的好坏直接关系着船舶性能的优劣。其作业流程以中间产品为导向围绕分段组织生产可概括为:船体下料→切割→加工→拼板制作→小组制作→中组制作→分段制作→总组→合龙。由于切割、焊接等工序的复杂性,船舶产品精度受制约的因素颇多,如原材料、工艺方法、生产设备质量、施工操作水平等,因此在产品的制造过程中往往会出现一些精度问题,造成实际产品的尺寸与设计值有显著差异。

1.2 船体建造精度管理体系构建

船体建造精度管理是一个综合性的过程管理,遵循PDCA质量循环理论[5](计划→执行→检测→改进),主要包括精度策划和精度控制2个重要方面。船体建造的精度管理体系可以定义为:为有效开展精度管理而设计、建立、实施和保持的由组织结构、责任、步骤、流程和资源构成的组合体,各部分相互关联且相互作用。本文按照造船企业精度管理内容构建图1所示的船体建造精度管理体系。

图1 船体建造精度管理体系

1.3 精度数据关键评价指标建立

1.3.1 钢料加工阶段关键评价指标

船体建造的精度管理始于钢料加工阶段,在实际生产过程中因钢板材质、生产设备、施工操作方式等会导致板材存在数据误差问题,如:船体平直大板下料阶段由于设备的切割误差导致的钢板主尺度及方正度不良现象;船体钢料加工阶段由于冷弯加工误差导致的船体曲面板成型方正度不良现象;T型材加工阶段出现的纵弯、旁弯、腹板长度偏差等现象。因此,需要建立平直大板下料精度合格率、曲板加工精度合格率和T型材加工精度合格率3项关键评价指标用于精度管理。

1.3.2 组立阶段关键评价指标

组立过程是形成分段的最后过程,在实际生产过程中会因为装配顺序、焊接顺序及收缩、现场生产环境、舾装件的安装等多种原因导致分段建造过程中出现质量不合格的情况。本文建立小组立精度制作合格率、小组立数控划线使用率、大组立数控划线使用率3项关键评价指标来反映构件的直线度、平面度、制作精度和构件焊接位置的准确性。此外,本文还建立了分段焊前一次合格率、分段焊后一次合格率、分段精度验收合格率、分段网格线完整率4项关键评价指标判断分段焊接精度和焊后变形情况。

1.3.3 总装阶段关键评价指标

船舶总装是船体结构成型的最后环节,涉及分段的总组、模拟搭载、合龙等诸多工序。总组阶段不仅要考虑对分段精度偏差的修整,还要综合考虑形成总段后对后续合龙工序的影响。本文建立总组、合龙分段个数修整率和总组、合龙长度修整率2项关键评价指标,通过各区域主板、主材的切修量和切修长度映射出总装工序质量的好坏。

2 精度数据管控系统设计

2.1 整体架构

本系统以C/S(Client/Server)为结构模式,采用三层逻辑架构构建系统框架,系统整体架构见图2。界面层为不同角色的用户提供统一的用户界面,用于数据呈现和用户交互;业务逻辑层用于处理业务逻辑上的问题,如在数据库访问前对数据的处理、判断等;数据访问层用于负责与数据库的交互,提供对数据的各种查改操作,通过构建SQL语句、构建参数、调用数据库帮助类等来完成。各层在逻辑上相互独立,能够将耦合度降至最低,方便软件开发和代码维护。

图2 系统架构图

2.2 功能设计

2.2.1 账户管理

账户管理模块提供对系统用户、用户信息和使用权限的管理操作,包括个人账户管理、部门信息管理、职务信息管理等基本功能。此外,账户管理模块支持系统管理员针对所有帐户进行增加、删除、修改和查询操作。新增用户信息时绑定该角色下的可操作模块,实现对功能模块操作权限的管理。各用户便可通过账号和密码登录系统,并操作相应模块,具备验证登录用户的信息、保护系统数据的功能。

2.2.2 精度数据库

精度数据库模块实现与精度数据库的交互功能配置,包括平直大板下料精度数据、曲板加工精度数据、T型材加工精度数据、小组立精度数据、分段精度验收精度数据、总组精度数据和合龙精度数据的录入与查询。

精度数据库模块分为数据录入和数据浏览两个子模块。数据录入模块支持零部件加工、分段建造、总组和合龙各生产过程中的检测信息以Excel文件形式批量上传,并自动解析将数据结构固化,通过与数据库中的数据对比,检查无重复后便可存入数据库中。数据浏览模块可以通过工程项组、工程项目、分段名称、检测日期等实现数据的联合条件查询,与数据库形成连接,为结构化数据提供安全可靠的存储功能和专业高效的数据管理功能。

2.2.3 厂区地图

厂区地图模块实现各工位的精度数据可视化展示,包括钢料加工场地、小组立场地、大组立场地和总装场地的精度信息浏览。厂区地图模块将区域化精度信息通过地图的形式呈现。第一层为基础数据显示,包括各工序场地的精度指标、设备种类、生产能力及施工单位等精度信息的共享。系统用户还可通过点击区域图形自由选择,独立浏览第二层详细的数据分析图表,获取对应区域更多的精度信息。

2.2.4 集团精度指标

集团精度指标模块实现分析结果的可视化图表展示,包括本文所建立的12项关键评价指标及月度细化指标的精度分析结果。集团精度指标模块支持可视化界面的完整集成,包括精度信息和用户交互功能,并提供对可视化界面的刷新、重置、截图和保存功能,以及通过“Ctrl+鼠标滚轮”的方式自主调整界面大小。用户可以通过树形指标结构和时间选项选择查看相应内容,并根据需要进行保存。

2.2.5 业务办理

业务办理模块提供各部门人员精度管理业务的统一办理平台,包括分段预警单、分段反馈单、分段验收单的问题汇总、发起与受理和办理记录查询功能。业务办理模块结合船厂实际需求设定3个单据的具体内容,涵盖人员、部门、项目、问题事件分类、问题事件详情、回复内容及流转科室等,并提供提交单据的统计与记录功能。相关精度管控人员可通过该模块实现业务办理。

2.2.6 部门考核

部门考核模块提供各部门考核打分业务的统一办理平台,包括钢料加工公司、分段制造部、船台部门和船坞部门考核指标的定量指标自动打分和定性指标编辑得分功能。部门考核模块参考船厂精度管理专项评分相关文件制定考核内容、考核细则、考核目标值、标准分和分数计算方法,实现用户导入检测文件以获取定量考核指标的自动打分结果的功能,支持考核人员手动录入定性指标的得分和理由。

3 精度数据管控系统实现

3.1 数据库的建立

本文使用SQL Sever关系型数据库管理系统作为后台数据库,用以记录精度管理工作相关的质量检测数据、用户信息等内容,便于数据价值较高的精度检测数据的存储及供系统调取使用。将海量采集得到的生产数据按表格内容进行提取,保留有价值信息的同时降低数据的冗余性。将数据规范化集成起来,主要建立7个简洁清晰的精度检测表:平直大板下料检测信息表、曲板检测信息表、T型材检测信息表、小组立检测信息表、分段精度验收信息表、总组切修信息表、合龙切修信息表。精度数据库的建立在保证海量精度检测数据的有序存储的同时,也为数据分析利用提供了一定的便捷。

3.2 数据可视化界面的设计

本文通过使用Echarts数据可视化工具及HTML+CSS+JavaScript技术绘制和渲染图表形成客户端页面,对大量造船精度数据展开数据分析与呈现研究。具体实现方法如下:

(1)通过标签方式引用echarts.js脚本文件。

(2)创建DOM容器,并定义其宽度、高度和位置信息。

(3)初始化一个echarts实例对象。

(4)配置option选项和数据,并通过setOption方法生成图表。

(5)添加Echarts事件处理函数,如鼠标点击事件等。

以钢料加工过程、组立过程和总装过程所建立的12项基础精度指标为核心,从精度管理需求出发,增加面向现场实际生产各环节和各工位的各项重点指标细化内容,扩展精度基础指标至可以全面反映产品建造的精度问题,深化数据分析利用程度。该系统开发了年度基础指标、项目基础指标、月度钢加细化指标、月度分段细化指标、月度总装细化指标、月度项目钢加细化指标、月度项目分段细化指标、月度项目总装细化指标、月度总组细化指标、月度合龙细化指标、月度平直大板下料细化指标、月度小组立制作细化指标共计12页可视化界面,以及钢加场地、小组立场地、大组立场地和总装场地共计8页厂区地图和工位级可视化界面。

3.3 应用程序的开发

3.3.1 编程语言

本系统采用Microsoft Visual Studio 2010软件开发平台,编程语言为Microsoft Visual C# 2010。

3.3.2 界面设计

本系统界面采用基于.Net Framework 4.0框架的客户端开发技术Winform,界面能按照操作流程进行合理有序的分类编排,在必要的功能界面提供了图示、文字提示、图表、地图等相关信息显示,方便用户理解软件功能和进行参数设置。

3.3.3 软件架构

系统的软件架构采用两层C/S架构,分为客户层和数据库层。客户层执行部分逻辑事务,为数据处理和存储提供帮助,并且与数据库层以点对点的连接方式相连,数据传输更安全、高效。

4 结论

(1)精度数据管控系统针对实际船舶生产中精度管理问题,采用.NET Framework平台的Winform客户端开发技术设计并实现集精度数据库管理、精度指标可视化、精度业务办理、精度信息考核的自动计算与共享于一体的集成化精度数据管控系统。

(2)通过加强现场离散数据处理,以及统计厂区各区域个性化精度指标,建立了畅通的数据信息流通渠道,加快了精度问题的处理流转,提高了精度管理工作效率,使造船精度管理向着以数据库和软件系统为基础的信息化管理方向健康发展。

(3)本文设计实现的精度数据管控系统适用于造船企业,已成功在大连某大型船厂实现工程应用,并达到了预期的应用效果。实践表明,精度数据管控系统可以很大程度上规范精度数据的管理、提高精度数据的分析决策水平、优化精度管控流程、提高员工精度管控意识。