江南造船数字化生产计划关键技术应用

　　1 引言

　　船舶制造是以订单为导向、生产为核心的大型复杂产品制造模式，其行业特点决定一切活动都是以生产为核心；因此造船生产计划(本文将造船生产计划定义为广义的计划，涵盖企业整个造船活动。)管理对提高生产管理水平和生产效率有着决定性的作用。一个高质量高效率的生产计划管理系统，对生产计划的制订、执行、反馈与持续改进应起到良好的辅助作用，使整个生产计划形成有效地闭环管理，支持现代造船模式应用，增强企业的综合竞争力，为企业带来更高的经济效益。

　　造船企业的一切活动都是在计划的指导下开展的，从业务职能的角度来看，造船生产计划的功能如图1所示。

图1 造船生产计划的功能

　　传统的造船生产计划管理通过手工或采用电子表格进行编制，主要存在以下挑战：

　　①缺乏一体化的计划共享执行平台，计划的层级、计划之间逻辑关系尽管明确，但手工计算、汇总很难产生一体化的生产计划，使层级和逻辑关系无法发挥真正的作用，致使各级层次计划没有权威性，调整的随意性很大；

　　②整体计划被局部计划牵着鼻子走，公司指令和意图不能得到认真贯彻和执行；大、中、小日程计划相互独立，互不关联，各层次的计划项目不能对应；上层计划不能制约和指导下层计划，下层计划不能主动反馈到上层计划；

　　③计划制订前和计划执行中的配套性检查管理不善，无法得知配套项执行现状，从而严重影响生产计划的可执行性；

　　④无法根据目前的生产计划执行状况来有效地预测未来计划目标可完成性及成本控制可实现性。

　　现代造船模式从流程整体优化的角度要求职能部门按各相关计划有序运行，使得各职能计划既达到分层精细化管理、又实现相互之间的紧密协调和约束。

　　基于流程优化的造船生产计划管理将更注重以下三个管理控制。

　　①事前控制：利用制造资源的配套性，充分分析计划执行可能发生的不利事件，及时识别控制对象即将出现的偏差，在计划执行前就采取必要的措施加以预防；

　　②事中控制：在计划执行过程中所实施的控制，监督和纠正错误、及时地实施控制；

　　③反馈控制：根据计划的执行状况，发现并预测问题，采取措施、纠正偏差，保证计划的正确执行。

　　江南造船在数字化造船整体架构规划的指导下，目前已启动了造船数字化生产计划系统，希望在现代造船模式的思想和理念指导下，以数字化生产计划管理为核心，实现对设计、制造和资源等的一体化管理，并结合质量、成本和安全等相关因素的综合管理，以达到质量、成本和周期之间的协调优化控制。

　　2 造船数字化生产计划体系架构

　　2.1 业务流程优化

　　造船数字化生产计划管理不是一个孤立的系统，它是数字化造船三大体系：数字化设计、数字化建造和数字化管理中数字化管理的核心组成部分，因此它应从整体业务流程优化的角度来构建，但是我们并不主张采用激烈的变革来进行业务流程优化，并且江南造船已经基本转换实现了现代造船模式，所以主要采用信息技术手段来实现手工作业很难完成的优化处理。

　　造船数字化生产计划管理将涉及设计、生产和物资等多项管理，而建立标准的作业流程、全程共享的信息平台以及准确的定额体系等都需要长期持续改进的决心。在持续改进的过程中也需要企业自身管理水平的不断提升，以此促进企业的业务流程不断革新、固化及标准化，一个有价值的信息系统的成功实施同样需要有完善的管理制度和理念支撑。

　　造船数字化生产计划管理致力于建立一个计划制订遵循统一流程的计划共享平台，所有的计划都将基于这个计划共享平台，采用统一的流程来进行制订和管理。上述流程如图2所示，其综合计划、生产管理计划、生产准备计划、生产作业计划、运输配送计划、质量计划、设计出图计划、资源计划等都将统一构建在该计划共享平台上。由于存在共享平台，因此各个计划之间不再是孤立的，平台将协助建立各类计划之间的相互关联，相互制约关系。通过系统提供的无处不在的配套性检查，可以确保计划的制订与计划实际执行情况相吻合，形成更加贴近生产实际、可执行的计划。此外，系统还可提供电子看板的手段来辅助后道计划的制订和拉动后道计划的执行。

图2 遵循统一流程的计划共享平台

　　2.2 数字化生产计划体系架构

　　根据数字化造船的相关理论以及造船数字化生产计划管理的实际需求，造船数字化生产计划管理系统规划的主要目标是实现四个信息化管理平台，如图3所示。

图3 信息化管理平台

　　2.2.1 单船项目计划管理平台

　　单船项目计划管理平台依据造船数字化建模平台中提供的对象参数数据或WBS(PBS)模板，自动生成基本计划框架，建立多级计划或多维度计划的相关性约束。自动测算出当量数据、自动报告资源冲突和人机交互平衡资源冲突。

　　该基础平台的主要目标是作为造船项目数据的唯一入口，一次录入后只需一定程度的维护便可全程使用。从而减少数据重复录入，并保持数据的完整性和一致性。

　　该平台主要涉及的对象包括主计划、搭载网络计划、先行中日程计划、后行中日程计划、制作中日程计划、WP／WO等。

　　2.2.2 造船综合计划管理平台

　　造船综合计划管理平台负责经营规划计划以及年度运作计划等宏观计划以及汇总单船项目计划管理平台产生的单船项目计划，平衡多船间资源冲突，产生综合计划。

　　未来造船成本控制也将在综合计划管理平台进行，主要包括成本估算、成本预算和成本控制优化。系统将提供增值管理技术进行费用和进度的控制，本期系统仅提供工期进度的控制。

　　该平台主要涉及的对象包括三(五)年滚动计划、年度计划、季度计划、月计划、周计划、日计划等。

　　2.2.3 项目管理实时协同平台

　　项目管理实时协同平台主要是基于生产管理门户，通过工作流控制的计划评审、发布，实现版本管理，建立快捷的计划共享体系，基于强大安全控制的权限管理、保护及有效利用计划数据。生产计划管理中的数据能扩展或集成到生产管理门户内，实现项目管理实时协同平台，并成为整个造船生产管理的协同平台。

　　2.2.4 计划执行控制平台

　　计划执行控制平台主要是基于包括无线等多种接入技术，实现主动推计划信息到客户端，实时上报汇总计划完成实绩、并计算出实际完成当量值。控制计划与实际执行的差值，自动发出脱期警报。控制计划插单、调整、变更的流程要求，自动反映调整的影响区域，并提供可行解决方案的有限仿真。该平台的主要目的是实现计划执行的闭环控制。

　　造船数字化生产计划管理的详细应用功能模型如图4所示。

图4 造船数字化生产计划管理功能图

　　3 造船数字化生产计划关键技术研究

　　在造船数字化生产计划管理系统开发中涉及许多关键技术，它们基于项目管理思想为核心，采用基于号船的单项目管理与基于多船的项目群组综合管理相结合的计划制订模式，如图5所示。

图5 多项目管理核心思想图

　　在船舶建造过程中，对于号船建造计划一般采用单项目管理，每一号船都具备相对独立的主计划、搭载网络计划、先行中日程计划、后行中日程计划、制造中日程计划、物资采购计划、自制件计划、月度计划、周计划、日计划等；但是对于整个造船集团，将同时存在多个号船的并行建造，多个号船的并行建造计划采用基于多船的项目群组综合计划管理。在综合计划管理体系下，号船建造计划既相对独立又相互关联，相互制约。

　　鉴于篇幅，本文无法完整阐述基于流程的系统性关键技术，而将只就主要的关键技术进行离散的说明。

　　3.1 数字化建模

　　数字化建模主要建立造船各种制造资源等基础数据的数字化模型，它是整个造船数字化生产计划管理的基础，目标是建立可计算的基础规则模型，支持柔性的系统配置。数字化模型主要建立如下基础数据模型：①船型产品结构数据；②工艺制造数据：③制造资源数据；④定额数据：⑤计划基础数据；⑥标准代码；⑦其他基础数据。

　　我们定义数字化建模的技术特性主要为二个方面：

　　①图形技术的应用。运用图形技术能可视化的建立计划业务对象，方便在计划编制、执行、控制过程中的优化计算。我们在系统中主要应用了微软的WPF技术，它直接将图元当作对象操作，简化了图形处理的复杂性，使更关注于生产计划业务本身；

　　②与设计系统(如Tribon)、设计管理系统(如PDM／PLM)和其它系统的集成。集成的作用是双向的，设计系统和设计管理系统的生产制造基础数据通过数字化建模支持生产计划管理系统的运作，而生产计划管理系统的运作中产生的设计改进数据也可通过数字化建模集成至设计系统和设计管理系统。

　　3.2 WBS模板

　　WBS模板定义各类计划的WBS(WBS：Work Breakdown Structure，工作分解结构)模板项。每个WBS模板对应着各类各层级计划，每个WBS模板项就是计划的任务项，它是自动计算产生计划的模板。

　　建立WBS模板的作用是将造船工艺对应到造船项目管理，实现生产设计与生产管理的一体化，这样的基本结构原理如图6所示。

图6 多项目管理核心思想图

　　造船BOM及加工路线在低层中间产品上较难准确建立，因此在WBS模板的实现上采用了多方式来解决上述问题，使生产项目管理只需根据WBS模板来运作，而不受阻于造船工艺的细节。

　　①根据船型产品BOM和加工路线中的作业区域拆分计算自动产生WBS项；

　　②人工录入WB$项，并可根据原有WBS项快速复制变形；

　　③根据已人工建立的电子表格文件导入。

　　WBS最重要的特征是可以建立二种相关性。

　　①一个WBS与另一个WBS之间的关系(尤其是上下两层WBS)：定义WBS上下约束关系及两个wBS中相关节点项关系(自动推算的链接点)，建立自动计算的规则；

　　②一个WBS中两个项之间的关系：定义髓S两个任务项之间的逻辑关系，它们包括：完成一开始(FS)、开始一开始(SS)、开始一完成(SF)、完成一完成(FF)四种类型。

　　3.3 网络计划

　　网络计划技术是应用于工程项目计划与控制的一项管理技术，它的基本技术包括关键路径法(CPM)与计划评审法(PERT)。网络计划有以下主要优点。

　　①能充分反映工作之间的相互联系和相互制约关系，定义工作项间的严格逻辑关系；

　　②能提供任务项的最早可能开始、最早可能结束、最迟必须开始、最迟必须结束、总时差、局部时差等时间参数，表达动态的计划概念；

　　③可以区分关键任务和非关键任务，进行有效的优化和监督；

　　④可作为控制工期的有效工具，对应工程变化可不改变工作之间的逻辑关系，重新计算和优化就可以得到变化以后的新计划方案。

　　造船生产计划管理中也广泛的采用了网络计划技术，最为典型的是在船台(坞)搭载计划中的应用，但是传统人工画图方式工作量大、又难与其它计划集成，数字化生产计划管理技术克服了上述问题，极大的提高了应用水平。

　　网络计划技术在船台(坞)搭载计划中的主要应用为：

　　①关键路径应用

　　在搭载网络计划图中，关键路径的长度就是整个搭载周期的长度。调整搭载网络计划中关键路径上的任务将影响整个搭载周期，调整非关键路径上的任务则不影响整个搭载周期(前提是此任务经过调整后并没有成为关键路径上的任务活动)。因此可非常方便地拖拉节点来压缩或延长搭载周期，实现工期的优化，如图7所示(图中粗线表示关键路径)。

图7 网络计划关键路径图

　　②时标图应用

　　时标图实际上是关键路径型搭载网络计划的另外一种表现方式，在这种表现方式下，水平轴表示时间，所有任务的工期用代表任务的线条跨度来表示，同时关键路径的关键任务在图中为首尾连接的线条，其他非关键活动则分居关键路径两侧，可在同一图上表达多个项目，并汇总出每个日程的负荷(物量等)，方便进行整体的物量平衡，如图8所示。

图8 网络计划时标图

　　时标图具有以下优势。

　　●可以一目了然的看出调整关键路径上的任务对相关的非关键任务的影响，可以清楚表达因调整导致的关键路径改变；

　　●可以一目了然的看出调整非关键任务对相关的关键路径的影响，在不影响关键路径的同时。可以通过调整非关键任务项达到对关键资源的平衡。

　　总之，通过网络计划技术不同表现方式的组合可以方便地进行持续的优化控制，事实上在造船数字化生产计划管理中的其它计划都可采用网络计划技术来进行优化控制。

　　3.4 电子看板

　　看板(Kanban)管理是丰田生产模式中的重要概念，是为了达到及时生产(JIT)方式控制现场生产流程的工具。这里我们采用电子看板方式来作为生产计划目视化管理的重要工具，通过三种视角：工期、任务和制造资源(图9)，电子看板表达造船各级生产计划的当前状态，方便进行多项目的生产调度控制，通过两种电子看板来实现上述功能。

图9 电子看板结构图

　　3.4.1 管理电子看板

　　管理电子看板主要负责生产计划相关的信息流传递，包括计划看板、质量看板、成本看板、配套／集配看板、供应看板、运输看板、场地看板等，它们贯穿生产计划的制订、执行、反馈全过程，为生产计划信息流传递提供方便、快捷、及时的方式，而更可根据各类看板的状态进行生产计划的调度、调整。

　　3.4.2 图形展示电子看板

　　图形展示看板通过图形方式表示各类生产计划的状态，主要采用两种方式。

　　●船体轮廓计划展示图，主要从分段角度表示计划执行的状态：

　　●制造资源的展示图，主要表示安排在各重要制造资源的计划执行状态。

　　电子看板能通过交互方式可视化的进行生产计划的管理控制，并使各级管理层共享同一个看板，防止数据的偏差。

　　3.5 关键链

　　关键链是Eli Goldratt博士1997年提出的一个项目管理新概念，是TOC约束理论在项目管理中的应用。基于关键链(CCPM)的造船生产计划进度风险管理，为制订良好的建造计划体系提供理论和实践基础。

图10 关键链缓冲位置图

　　TOC约束理论的基本思想是解决生产链中最薄弱的环节(瓶颈)，要提升整体生产速度，必须提升瓶颈处的能力。基于关键链的进度风险管理的基本原理体现在关键链的确定以及缓冲区的设置，在计划中设置三类不同的缓冲：①接入缓冲(Feeding Buffer，FB)；②项目缓冲(Project Buffer，PB)：③资源缓冲(Resource Buffer，RB)。其缓冲位置的设立如图10所示。

　　造船关键链进度计划方法中，完成WBS分解、任务工期估计、识别任务链和关键链之后，将加入接入缓冲(FeedingBuffer)、项目缓冲(ProjectBuffer)和资源缓冲(Resource Buffer)。

　　①项目缓冲设置在关键链的末尾，以关键链上所有任务工期的50％为缓冲区的大小，设置项目缓冲是为了有效地保证项目在计划内完成；

　　②接入缓冲设置在非关键链与关键链的汇合处，以非关键链上的所有工作节省工期之和的50％为缓冲区的大小，设置输入缓冲是为了保护关键链上的工作计划不会因为非关键链上工作的延迟而受到影响；

　　③资源缓冲主要是用来保证所需的资源在使用前是可有效利用的，从而保证所有的任务都能按期完成。

　　我们的造船数字化生产计划管理通过预设的规则，自动将零星缓冲变为接入缓冲和项目缓冲，使生产计划在关键链技术的支持下更具实用性。

　　3.6 预测

　　造船数字化生产计划管理通过项目挣值管理(Earned Value Management，EVM)进行计划进度和成本的控制及预测。

　　挣值管理(Earned Value Management，EVM)，是用与进度计划、成本预算和实际成本相联系的三个独立的变量，进行项目绩效测量的一种方法；它比较计划工作量、WBS的实际完成量(挣得)与实际成本花费，以决定成本和进度绩效是否符合原定计划。

　　挣值分析涉及计划值、实际成本和挣值3个基本参数以及成本偏差、进度偏差、成本执行指数、进度执行指标4个评价指标。

　　3.6.1 三个基本参数

　　①BCWS(Budgeted Cost for Work Scheduled)：BCWS=计划工作量×预算定额，计算出的值反应了完成的任务量和任务的计划成本：

　　②ACWP(Actual Cost for Work Performed)：到当前日期为止计划执行的实际工时的成本和所有固定成本之和；

　　③BCWP(Budgeted Cost for Work Performed)：BCWP=已完工作量×预算定额，也叫做盈余值或者挣得值，即指完成的工时值。

　　3.6.2 四个评价指标

　　①CV(Cost Variance．CV)：CV=BCWP．ACWP，指示了计划成本和实际成本以及对将来的估计成本(计划成本)之间的差异。如果CV>0则表明费用节余、效率高：如果CV

　　②SV(Scheduled Variance．SV)：SV=BCWP．BCWS，即反映出项目进展的进度差异。如果SV>0表明进度提前；如果SV<0表明进度延误：

　　③CPI(Cost Performed Index-CPI)：CPI=BCWP／ACWP，如果CPI>I则表明低于预算：如果CPI<1则表明超出预算；

　　④SPI(Scheduled Performed Index-CPl)：SPI=BCWP／BCWS，如果SPI>1则表明进度提前：如果SPI<1则表明进度延误。

　　从而可咀根据已经完成的情况对费用和进度进行预测

　　费用预测=总费用／CPI

　　进度预测=总进度／SPI

如图11所示，这个示例表示了增值管理对进度成本进行的控制。

　　4 造船数字化生产计划在江南造船的应用

　　造船数字化生产计划管理系统目前已在江南造船集团开始分阶段实施应用，上述部分关键技术也已获得实际应用，未来随着数字化生产计划管理系统的持续开发实施，关键技术都将承担重任。

　　5 结束语

　　数字化生产计划作为一个体系在我国船厂的应用还处于起步阶段，其关键技术也不断产生及深化，江南造船集团实施的造船数字化生产计划管理系统是信息化支持管理创新的尝试，目前已经取得良好的效果，我们将持续进行造船数字化生产计划管理的研究和应用，为我国应川现代造船模式、真正实现造船强国作出贡献。

(本文不涉密)
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