造船数字化管理整体架构与关键技术研究

　0 引言

   　 造船数字化管理融合了现代造船模式的理念，用信息化手段支持“协同创新、精益制造”。造船是以订单为导向，生产为核心的大型离散制造行业，其行业特点决定一切活动都是以生产为核心，因此生产管理的先进与否直接决定了公司的生产管理水平和生产效率高低，从而决定公司的运营状况。在造船数字化管理系统的有效支持下，可以持续改进生产计划的制定、执行、反馈，实现对生产的闭环管理，进而提升企业自身的生产管理水平，提高各个生产部门的生产效率，增强整个企业的综合竞争力，并为企业带来更高的经济效益。

  　  企业信息化涉及到四个层面：产品、工艺、管理和市场。在产品和工艺层面，中国的船厂已经取得了很大的成绩，设计上使用瑞典的TRIBON、美国的CADDS5、法国的CATIA等CAD/CAM系统，工艺上建立了数控加工流水线或数控设备。但在管理和市场层面上，无论是自主开发的管理信息系统，还是引进的BAAN和FOURTH SHIFT等管理软件，都没有得到成功应用，电子商务平台的建设与国外先进企业的差距也很大。

　1 造船数字化管理功能分析

    　1.1 数字化建模

    　数字化建模主要负责建立企业各种制造资源的数字化模型。数字化建模是整个数字化造船解决方案的基础，是造船生产计划管理系统、造船制造执行系统(MES)、造船项目来源：上海市科委项目“宝信MES产品研发及在造船物流系统的公共建模平台。其基础数据模型包括：产品数据、工艺数据、标准代码、资源数据、计划数据、其他基础数据。

    　1.2 造船生产计划管理系统

 　   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定模式。

 　   造船生产计划管理系统致力于建立一个遵循统一流程的计划制定共享平台，该系统中的综合计划、生产管理计划、生产准备计划、生产作业计划、运输配送计划、设计出图计划、资源计划等都将统一构建在该平台上。平台将协助建立各类计划之间的相互关联与制约关系。

   　 造船生产计划管理系统的主要目标是实现四个信息化管理平台：

   　 (1)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，人机交互平衡资源冲突。

 　   (2)造船综合计划管理平台

   　 该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。

  　  (3)项目管理实时协同平台

 　   主要基于生产管理门户，通过工作流控制的计划评审和发布，实现版本管理，建立快捷的计划共享体系，基于强大的安全控制实现权限管理、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中，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。

   　 (4)计划执行控制平台

   　 基于无线等多种接入技术，主动推送计划信息到客户端，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仿真。该平台的主要目的是实现计划执行的闭环控制。

   　 1.3 造船物流管理系统

   　 供应链及物流管理是精益造船的重要组成部分，从企业内部供应物流到上下游的整体供应链都应该追求精益控制。它将与生产计划管理和MES紧密集成，计算物料需求计划。逐步实现准时供应、准时配送、准时制造和准时结算。主要模块包括：物料需求计划(MRP)、采购管理、库存管理、外协管理、集配运输管理、结算管理。

  　  1.4 造船制造执行系统(MES)

 　   主要涉及DNC、余料、小日程管理及作业实绩反馈、劳动力管理、质量精度管理及SPC、产品谱系(制造档案)、能源管理和设备管理。造船MES除满足制造现场管理的特点外，还将为生产计划管理和物流管理系统提供计划执行落实、物料耗用、实绩反馈的功能，形成全集成的闭环管理循环。造船MES的系统架构、集成接口将参照MES国际标准。

　2 造船数字化管理的系统总体架构

   　 造船数字化管理的功能架构充分体现系统性和集成性，将主要业务归纳为三大系统：造船生产计划管理系统、造船物流系统和造船制造执行系统(MES)，它们将被数字化工厂模型有机地集成起来，通过数据库技术进行数据管理、挖掘和分析；企业生产管理门户则提供简单方便的访问、利用信息的手段。

    　造船数字化管理的功能架构(见图1)包括三大系统和二大数字化共享平台：造船生产计划管理系统、造船物流管理系统、造船MES；造船生产管理门户平台、造船数字化管理建模平台。

 

图1 造船数字化管理的功能架构

    　造船数字化管理的技术架构基于微软产品，最大好处是投资较小、实施周期短，客户端可与微软Office紧密集成，对企业整合优化业务流程的要求低，同时其二次开发能力卓越，远超其他ERP系统，缺点是没有SAP拥有的强大的最佳业务实践。造船数字化生产管理的技术架构分为三层(见图2)。

 

图2 造船数字化管理的技术架构

 　   (1)前端展示层

　    该层主要任务是把造船计划管理解决方案中产生的数据和报表以适当的形式组织起来，发布在门户网站或客户端程序中，并根据用户发出的要求和指令来交互完成一系列的动作，完成用户设计的任务。

  　  (2)软件服务层

  　  本层提供了强大的软件基础服务，开放了一系列的访问接口，上层是基于该层实现更为强大的功能，是造船计划关键解决方案实现的基础。同时还包括系统所指定的数据库，用来存储用户和系统产生的一系列数据。

   　 (3)应用平台层

   　 该层还可细分为操作系统层、服务层。服务层的主要任务是给上层的软件服务和解决方案提供必须的软件基础支持，如，目录服务、证书服务、DNS服务、.NET框架和服务、IIS服务等。

  　  造船生产管理解决方案的主要思路是基于应用平台层，通过软件开发工具和技术，把软件服务层和前端展示层有机的串联起来，并且结合造船行业的特点和需求，开发出功能强大、软件质量高、并且能够满足本行业现在和未来一段时间的实际需要。

　3 关键技术及解决

 　   3.1 单船项目计划管理

  　  3.1.1 单船计划的编制

    　单船建造计划的编制基于数字化模型形成初步的计划框架，根据计划类型在数字化模型中获取相应的产品结构BOM以及工艺路径自动生成与计划相关的WBS/PBS。然后根据计划开始日期或结束时间、大节点事件(即层级计划的约束关系)以及日历等资源自动生成计划。

　    层级计划的约束关系对于单船建造计划的编制具有制约因素。在造船生产计划管理系统中，下层计划的编制一般受上层计划大节点事件的约束。因此，在制定上层计划时需充分考虑其对下层计划的制约，为下层计划的编制预留足够的空间；同时，在制定下层计划时也需考虑上层计划对其的制约，将下层计划安排在上层计划的大节点事件之间。层级约束关系体现为二种情况：

    　上层计划的工期约束下层计划相关任务项的工期，下层计划相关任务项可突破上层的限制，但会成为冲突报告。

    　下层计划实绩反馈汇总至上层计划的约束，下层计划实绩反馈工时的累加和应为上层计划项的实绩工时，当然允许实绩工日寸大于定额工时。

   　 3.1.2 搭载网络计划的编制

    　船台(坞)资源是船厂的瓶颈资源，因此在单船建造计划中搭载网络计划处在核心位置。膳载网络计划是以网络图的方式呈现，以成熟的图论知识为基础，通过对网络图进行分析，能够实现对搭载网络计划的优化。

   　 网络计划技术的核心在于从工期、成本、资源等方面对初步方案逐步调整和优化，以求得最佳效果。这一过程就是搭载网络计划的优化控制过程。

    　单船搭载网络计划包含三个关键因素：分(总)段划分图、分(总)段搭载次序、分(总)段搭载工期。将采用双代号网络图呈现。分(总)段划分图、分(总)段搭载次序和分(总)段搭载工期等。

    　搭载网络计划能够充分体现三个关键因素，同时对于生产计划日期安排一目了然。为了进行计划优化，搭载网络图将转换成PERT(计划评审技术)图进行网络优化。

  　  3.2 造船综合计划管理

   　 综合汇总基于WP(工作包)/WO(工单)的作业区计划，包括月度、周、日计划，主要面向五大生产制造部门、配套部的相关作业区、班组。综合汇总计划编制的核心思想是在单船建造计划编制的基础上进行汇总。

    　综合汇总计划编制流程如下：

  　  (1)以数字化建模为基础，在单船计划的上层计划约束之下，生成各自相对应的单船建造计划；

   　 (2)将所有单船建造计划汇总，形成综合汇总计划初稿；

 　   (3)对初稿中使用的资源进行平衡，从而使综合计划初稿在各项约束关系之下进行适当调整，形成符合实际的综合计划发布版。

   　 3.3 造船小日程及反馈

   　 小日程计划采用上层生产计划相同的编制方式，即根据小日程计划对应的产品结构BOM及工艺路径自动生成与计划相关的WBS/PBS。然后根据计划开始日期或结束时间以及日历等资源自动生成小日程计划。

   　 小日程计划与其他高层计划的本质一样用来指导作业生产，但小日程计划又有其特殊性，它是以WO为核心，包括与WO对应的WP也应作为WO的托盘被指派。

  　  3.3.1 WO(工单)管理

 　   通过对周计划(月计划)及相应的WP进行任务分解生成WO，WO中包括工种分解和依据工种的作业排序，并且各工种的工时累计数应与相应WP的预算工时数相同。发布小日程计划时，将WO准确下发至指定班组，各班组长依据WO进行生产实绩反馈。

   　 WO管理主要功能包括：

  　  (1)依据号船WP生成号船WO。内容包括：产品代号、项目符号、图号、项目名称、项目内容、派工单编号、作业班组、工种、各工种工时、各工种作业顺序、计划开工日期、计划结束日期等；

   　 (2)各号船WO的版本管理和变更管理；

   　 (3)管理各号船WO的生产实绩反馈信息，包括员工编号、派工单编号、反馈时间、实动工时、实物量、反馈人等。

   　 3.3.2 实绩反馈

  　  为了提升实绩反馈的准确性，获取真实的生产实绩数据，将采取多种措施，在传统的实绩反馈模式上增加审核模式。在该模式下，员工的实绩反馈必须经过审核后才能将数据入库。

  　  3.4 造船精度管理与统计过程控制(SPC)

 　   把精度管理与项目管理相结合是非常有益的，过去的质量管理往往关注独立的工作项，将质量保证应用于项目执行监控中，应用统计学方法正确解释数据趋势，使用SPC手段及时纠正多项任务误差积累可能引起的质量问题，达到事前和事中的控制目的。

   　 质量数据采集：采用多种手段采集数据，可通过报WO实绩时强制报告质量(检验)数据，也可由质量检验员报告质量数据；通过无线实时移动终端(包括手机)采集质量数据时更可考虑条码应用，能快速准确完成报告。

 　   SPC和班组(工序)改进：使用SPC管制图进行作业区工序的改进。如焊接，会有很多探伤数据，根据这些数据，依据6σ原理，可以判断该道工序可能要失控。精度管理：采集船体制造过程中各分段的实际尺寸参数，比对设计要求，应用SPC工具解释数据趋势，及时纠正未制造分段中的精度，达到全面的无余量总装。

  　  3.5 造船劳动力管理

　    实现人力资源管理信息化和人力资源管理能力提升，切实打造以人为本的企业核心竞争力。造船的一个特征是劳动力密集，又采用大量外协员工，因此劳动力管理具有重要意义。

 　   劳动力管理主要面对作业区及班组，主要管理：基本人员信息、劳资信息、岗位基本能力、技能等级、培训信息、实动工时数据、质量报验等级。并在此基础上生成各种统计报表，为作业区、班组的生产组织管理提供支持，保障生产计划的劳动力资源能符合相应的基本能力、技能等级。

　4 结语

 　   造船企业信息化对于促进造船工业转换造船模式，提高企业整体素质和竞争力，赢得竞争优势具有重大意义。造船数字化管理系统对生产计划的制定、执行、反馈与持续改进起到良好的辅助作用，使整个生产形成闭环管理，从而大大提升企业本身的生产管理水平和各生产部门的生产效率，增强整个企业的综合竞争力，并为企业带来更高的经济效益。

(本文不涉密)
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