基于數據可視化的船體建造精度數據管控系統研究

孟昭懿,賈郁文,王 偉

(1.中國船舶集團 大連船舶工業有限公司,遼寧 大連 116011;2.大連船舶重工集團有限公司,遼寧 大連 116083)

0 引言

在船體建造過程中,從鋼材預處理到船塢或船臺合龍等一系列工序都需要進行嚴格的質量管理,各個環節均會產生大量的生產數據及相關的質量檢測數據。這些數據具有數據量大、類型多、增長快且呈多源異構等特點,并能直接或間接地反映船舶建造中各類工序的質量情況、關系企業建造水平。然而傳統數據平臺在處理多源異構數據時,面臨數據處理能力不足、數據運維困難、數據分析程度不夠深等挑戰,為企業挖掘數據價值帶來了層層阻礙。在這種背景下,結合信息化手段,分析研究多源異構數據的管理方法有著十分重要的意義。

目前,造船業已經出現了各種三維精度控制系統,這些軟件結合現代化設備與技術為精度控制提供數字化測量與采集、輔助計算、模擬分析的功能[1-4]。但是,對如何做好精度數據的管理及如何使精度管理工作信息化的問題,仍然缺少能夠廣泛應用于造船企業的功能齊全且操作方便的軟件系統。

本文根據船舶在生產流程中的精度管理重點,整合其現有的大量離散數據,用信息化手段進行數據分類和梳理,從用戶賬戶管理、工序指標計算、工位地圖數據信息聯動、部門指標考核打分、精度問題反饋與處理流程傳遞等方面實現了多源異構數據表達的可視化、數據處理分析的精細化、綜合管理效率的便捷化。

1 船體建造精度管理分析

1.1 船體建造作業流程分解

船體建造包括從生產設計開始到船體下水的整個施工過程(不包括舾裝和涂裝作業),船體質量的好壞直接關系著船舶性能的優劣。其作業流程以中間產品為導向圍繞分段組織生產可概括為:船體下料→切割→加工→拼板制作→小組制作→中組制作→分段制作→總組→合龍。由于切割、焊接等工序的復雜性,船舶產品精度受制約的因素頗多,如原材料、工藝方法、生產設備質量、施工操作水平等,因此在產品的制造過程中往往會出現一些精度問題,造成實際產品的尺寸與設計值有顯著差異。

1.2 船體建造精度管理體系構建

船體建造精度管理是一個綜合性的過程管理,遵循PDCA質量循環理論[5](計劃→執行→檢測→改進),主要包括精度策劃和精度控制2個重要方面。船體建造的精度管理體系可以定義為:為有效開展精度管理而設計、建立、實施和保持的由組織結構、責任、步驟、流程和資源構成的組合體,各部分相互關聯且相互作用。本文按照造船企業精度管理內容構建圖1所示的船體建造精度管理體系。

圖1 船體建造精度管理體系

1.3 精度數據關鍵評價指標建立

1.3.1 鋼料加工階段關鍵評價指標

船體建造的精度管理始于鋼料加工階段,在實際生產過程中因鋼板材質、生產設備、施工操作方式等會導致板材存在數據誤差問題,如:船體平直大板下料階段由于設備的切割誤差導致的鋼板主尺度及方正度不良現象;船體鋼料加工階段由于冷彎加工誤差導致的船體曲面板成型方正度不良現象;T型材加工階段出現的縱彎、旁彎、腹板長度偏差等現象。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項關鍵評價指標用于精度管理。

1.3.2 組立階段關鍵評價指標

組立過程是形成分段的最后過程,在實際生產過程中會因為裝配順序、焊接順序及收縮、現場生產環境、舾裝件的安裝等多種原因導致分段建造過程中出現質量不合格的情況。本文建立小組立精度制作合格率、小組立數控劃線使用率、大組立數控劃線使用率3項關鍵評價指標來反映構件的直線度、平面度、制作精度和構件焊接位置的準確性。此外,本文還建立了分段焊前一次合格率、分段焊后一次合格率、分段精度驗收合格率、分段網格線完整率4項關鍵評價指標判斷分段焊接精度和焊后變形情況。

1.3.3 總裝階段關鍵評價指標

船舶總裝是船體結構成型的最后環節,涉及分段的總組、模擬搭載、合龍等諸多工序。總組階段不僅要考慮對分段精度偏差的修整,還要綜合考慮形成總段后對后續合龍工序的影響。本文建立總組、合龍分段個數修整率和總組、合龍長度修整率2項關鍵評價指標,通過各區域主板、主材的切修量和切修長度映射出總裝工序質量的好壞。

2 精度數據管控系統設計

2.1 整體架構

本系統以C/S(Client/Server)為結構模式,采用三層邏輯架構構建系統框架,系統整體架構見圖2。界面層為不同角色的用戶提供統一的用戶界面,用于數據呈現和用戶交互;業務邏輯層用于處理業務邏輯上的問題,如在數據庫訪問前對數據的處理、判斷等;數據訪問層用于負責與數據庫的交互,提供對數據的各種查改操作,通過構建SQL語句、構建參數、調用數據庫幫助類等來完成。各層在邏輯上相互獨立,能夠將耦合度降至最低,方便軟件開發和代碼維護。

圖2 系統架構圖

2.2 功能設計

2.2.1 賬戶管理

賬戶管理模塊提供對系統用戶、用戶信息和使用權限的管理操作,包括個人賬戶管理、部門信息管理、職務信息管理等基本功能。此外,賬戶管理模塊支持系統管理員針對所有帳戶進行增加、刪除、修改和查詢操作。新增用戶信息時綁定該角色下的可操作模塊,實現對功能模塊操作權限的管理。各用戶便可通過賬號和密碼登錄系統,并操作相應模塊,具備驗證登錄用戶的信息、保護系統數據的功能。

2.2.2 精度數據庫

精度數據庫模塊實現與精度數據庫的交互功能配置,包括平直大板下料精度數據、曲板加工精度數據、T型材加工精度數據、小組立精度數據、分段精度驗收精度數據、總組精度數據和合龍精度數據的錄入與查詢。

精度數據庫模塊分為數據錄入和數據瀏覽兩個子模塊。數據錄入模塊支持零部件加工、分段建造、總組和合龍各生產過程中的檢測信息以Excel文件形式批量上傳,并自動解析將數據結構固化,通過與數據庫中的數據對比,檢查無重復后便可存入數據庫中。數據瀏覽模塊可以通過工程項組、工程項目、分段名稱、檢測日期等實現數據的聯合條件查詢,與數據庫形成連接,為結構化數據提供安全可靠的存儲功能和專業高效的數據管理功能。

2.2.3 廠區地圖

廠區地圖模塊實現各工位的精度數據可視化展示,包括鋼料加工場地、小組立場地、大組立場地和總裝場地的精度信息瀏覽。廠區地圖模塊將區域化精度信息通過地圖的形式呈現。第一層為基礎數據顯示,包括各工序場地的精度指標、設備種類、生產能力及施工單位等精度信息的共享。系統用戶還可通過點擊區域圖形自由選擇,獨立瀏覽第二層詳細的數據分析圖表,獲取對應區域更多的精度信息。

2.2.4 集團精度指標

集團精度指標模塊實現分析結果的可視化圖表展示,包括本文所建立的12項關鍵評價指標及月度細化指標的精度分析結果。集團精度指標模塊支持可視化界面的完整集成,包括精度信息和用戶交互功能,并提供對可視化界面的刷新、重置、截圖和保存功能,以及通過“Ctrl+鼠標滾輪”的方式自主調整界面大小。用戶可以通過樹形指標結構和時間選項選擇查看相應內容,并根據需要進行保存。

2.2.5 業務辦理

業務辦理模塊提供各部門人員精度管理業務的統一辦理平臺,包括分段預警單、分段反饋單、分段驗收單的問題匯總、發起與受理和辦理記錄查詢功能。業務辦理模塊結合船廠實際需求設定3個單據的具體內容,涵蓋人員、部門、項目、問題事件分類、問題事件詳情、回復內容及流轉科室等,并提供提交單據的統計與記錄功能。相關精度管控人員可通過該模塊實現業務辦理。

2.2.6 部門考核

部門考核模塊提供各部門考核打分業務的統一辦理平臺,包括鋼料加工公司、分段制造部、船臺部門和船塢部門考核指標的定量指標自動打分和定性指標編輯得分功能。部門考核模塊參考船廠精度管理專項評分相關文件制定考核內容、考核細則、考核目標值、標準分和分數計算方法,實現用戶導入檢測文件以獲取定量考核指標的自動打分結果的功能,支持考核人員手動錄入定性指標的得分和理由。

3 精度數據管控系統實現

3.1 數據庫的建立

本文使用SQL Sever關系型數據庫管理系統作為后臺數據庫,用以記錄精度管理工作相關的質量檢測數據、用戶信息等內容,便于數據價值較高的精度檢測數據的存儲及供系統調取使用。將海量采集得到的生產數據按表格內容進行提取,保留有價值信息的同時降低數據的冗余性。將數據規范化集成起來,主要建立7個簡潔清晰的精度檢測表:平直大板下料檢測信息表、曲板檢測信息表、T型材檢測信息表、小組立檢測信息表、分段精度驗收信息表、總組切修信息表、合龍切修信息表。精度數據庫的建立在保證海量精度檢測數據的有序存儲的同時,也為數據分析利用提供了一定的便捷。

3.2 數據可視化界面的設計

本文通過使用Echarts數據可視化工具及HTML+CSS+JavaScript技術繪制和渲染圖表形成客戶端頁面,對大量造船精度數據展開數據分析與呈現研究。具體實現方法如下:

(1)通過標簽方式引用echarts.js腳本文件。

(2)創建DOM容器,并定義其寬度、高度和位置信息。

(3)初始化一個echarts實例對象。

(4)配置option選項和數據,并通過setOption方法生成圖表。

(5)添加Echarts事件處理函數,如鼠標點擊事件等。

以鋼料加工過程、組立過程和總裝過程所建立的12項基礎精度指標為核心,從精度管理需求出發,增加面向現場實際生產各環節和各工位的各項重點指標細化內容,擴展精度基礎指標至可以全面反映產品建造的精度問題,深化數據分析利用程度。該系統開發了年度基礎指標、項目基礎指標、月度鋼加細化指標、月度分段細化指標、月度總裝細化指標、月度項目鋼加細化指標、月度項目分段細化指標、月度項目總裝細化指標、月度總組細化指標、月度合龍細化指標、月度平直大板下料細化指標、月度小組立制作細化指標共計12頁可視化界面,以及鋼加場地、小組立場地、大組立場地和總裝場地共計8頁廠區地圖和工位級可視化界面。

3.3 應用程序的開發

3.3.1 編程語言

本系統采用Microsoft Visual Studio 2010軟件開發平臺,編程語言為Microsoft Visual C# 2010。

3.3.2 界面設計

本系統界面采用基于.Net Framework 4.0框架的客戶端開發技術Winform,界面能按照操作流程進行合理有序的分類編排,在必要的功能界面提供了圖示、文字提示、圖表、地圖等相關信息顯示,方便用戶理解軟件功能和進行參數設置。

3.3.3 軟件架構

系統的軟件架構采用兩層C/S架構,分為客戶層和數據庫層。客戶層執行部分邏輯事務,為數據處理和存儲提供幫助,并且與數據庫層以點對點的連接方式相連,數據傳輸更安全、高效。

4 結論

(1)精度數據管控系統針對實際船舶生產中精度管理問題,采用.NET Framework平臺的Winform客戶端開發技術設計并實現集精度數據庫管理、精度指標可視化、精度業務辦理、精度信息考核的自動計算與共享于一體的集成化精度數據管控系統。

(2)通過加強現場離散數據處理,以及統計廠區各區域個性化精度指標,建立了暢通的數據信息流通渠道,加快了精度問題的處理流轉,提高了精度管理工作效率,使造船精度管理向著以數據庫和軟件系統為基礎的信息化管理方向健康發展。

(3)本文設計實現的精度數據管控系統適用于造船企業,已成功在大連某大型船廠實現工程應用,并達到了預期的應用效果。實踐表明,精度數據管控系統可以很大程度上規范精度數據的管理、提高精度數據的分析決策水平、優化精度管控流程、提高員工精度管控意識。