船舶制造離散作業(yè)場景下智能協(xié)作技術(shù)研究

李佳欣 王澤云 張永剛 廖忠友 趙瑞升

（江蘇科技大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 鎮(zhèn)江212000）

0 引 言

隨著信息時代的深入，智能制造與企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，其研究主要聚焦在以下領(lǐng)域：第一，智能化轉(zhuǎn)型與企業(yè)生產(chǎn)效率［1-2］，即智能制造技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)人機(jī)協(xié)同，通過與設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理等環(huán)節(jié)加速融合以降低生產(chǎn)成本、提升企業(yè)生產(chǎn)率［3-4］。第二，智能化轉(zhuǎn)型與企業(yè)銷售模式的變革［5-6］，即企業(yè)應(yīng)用新一代數(shù)字技術(shù)對相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，通過互聯(lián)工廠實(shí)現(xiàn)用戶個性化需求，進(jìn)而改變企業(yè)銷售模式，提升產(chǎn)品的適應(yīng)性和創(chuàng)新性［7］。第三，智能化轉(zhuǎn)型與企業(yè)的協(xié)同集聚［8］，即工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)催生的新模式能夠通過企業(yè)內(nèi)部協(xié)同、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同，推動企業(yè)智能生產(chǎn)，并加速傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)鏈重構(gòu)［9］。

智能化已成為各行業(yè)發(fā)展的主要模式和基本趨勢，其智能技術(shù)融入了云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)，具有應(yīng)用跨度大、支持產(chǎn)業(yè)鏈條長、技術(shù)集成性高等特點(diǎn)［10］，從而形成了顯著的降本增效功能。例如一種覆蓋實(shí)體店、PC端、移動端和社交媒體的新零售體系也應(yīng)運(yùn)而生［11］，其銷售前臺以大數(shù)據(jù)匹配和精準(zhǔn)推送為切入口，以實(shí)體門店的線下感知和服務(wù)體驗(yàn)為依托［12］，后端有基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能倉儲管理系統(tǒng)，更有著連接供應(yīng)商及終端用戶的智慧物流，整合前后端的技術(shù)優(yōu)勢，增加消費(fèi)者感知價(jià)值態(tài)度和購買意愿，促使零售企業(yè)獲取更高的利潤和績效。這些新興技術(shù)在消費(fèi)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，正作為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵通用技術(shù)，啟發(fā)著傳統(tǒng)制造企業(yè)的應(yīng)用場景升級，使得原有很多復(fù)雜特殊的業(yè)務(wù)場景不僅得以信息化實(shí)現(xiàn)，更能得以智能化升級改造。

1 船舶制造行業(yè)現(xiàn)狀分析

船舶行業(yè)作為典型的制造業(yè)而言，其信息化進(jìn)程不斷普及至各個職能領(lǐng)域，也在一些領(lǐng)域的垂直深度上不斷深入，如：ERP實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)處理的綜合管理；PDM統(tǒng)一管理產(chǎn)品的技術(shù)數(shù)據(jù)；CAE模擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與性能，也在物資管理上實(shí)施物聯(lián)和智能倉儲并用虛擬倉儲貨架，標(biāo)識倉儲貨架內(nèi)的商品狀態(tài)，最終用數(shù)據(jù)圖表的可視化形式展示，甚至能夠遠(yuǎn)程采集已交付產(chǎn)品的運(yùn)行數(shù)據(jù)更好地提供服務(wù)。這些信息化實(shí)踐都在一定程度上提高了生產(chǎn)效率，總體上降低了運(yùn)營成本；并輔助實(shí)現(xiàn)了新興管理模式或商業(yè)模式的探索，使其制造技術(shù)水平不斷提高，但船舶行業(yè)的特點(diǎn)使其仍存在管理粗放的問題和信息化建設(shè)的盲點(diǎn)和痛點(diǎn)。

1.1 船舶產(chǎn)品復(fù)雜，生產(chǎn)過程復(fù)雜

船舶產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、工程量大、造價(jià)高、周期長的生產(chǎn)特點(diǎn)導(dǎo)致行業(yè)生產(chǎn)效率不高。船舶業(yè)屬于離散型制造業(yè)，具有生產(chǎn)任務(wù)多、生產(chǎn)數(shù)據(jù)多、生產(chǎn)計(jì)劃復(fù)雜、管理調(diào)配困難等特點(diǎn)?，F(xiàn)階段我國造船企業(yè)的制造能力與管理水平比以前已有較大改觀，但在管理手段上仍存在提升空間。

1.2 管理難度大

船舶企業(yè)的管理涉及到設(shè)計(jì)管理、成本管理、材料管理、零件管理、生產(chǎn)現(xiàn)場管理、人員管理、數(shù)據(jù)采集等各個方面，管理難度較大。船舶企業(yè)一般難以在產(chǎn)品技術(shù)資料全部準(zhǔn)備齊全后才開始生產(chǎn)，而是邊設(shè)計(jì)、邊生產(chǎn)、邊修改，而且產(chǎn)品各部件之間的時序約束關(guān)系和成套性要求嚴(yán)格，一個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)出了問題，就會影響項(xiàng)目整體的進(jìn)度。這就要求企業(yè)具備較高的管理水平和管理強(qiáng)度，并能在信息系統(tǒng)中體現(xiàn)出可能的影響，便于協(xié)同響應(yīng)以作出最優(yōu)決策。

1.3 信息實(shí)時處理較弱，任務(wù)協(xié)同性較低

我國船舶制造企業(yè)信息化改革總體上有重大進(jìn)展：ERP系統(tǒng)的使用，推動管理信息化；制造機(jī)械的更迭，推動生產(chǎn)自動化、信息化。但因船舶制造屬高度離散型生產(chǎn)企業(yè)，作業(yè)區(qū)域大且分散，工作環(huán)境多被金屬環(huán)境包圍，露天作業(yè)多，造成局域網(wǎng)條件參差不齊，直接導(dǎo)致現(xiàn)場作業(yè)時處理信息未能實(shí)時同步至ERP系統(tǒng)，從而使決策管理滯后于實(shí)際生產(chǎn)，任務(wù)協(xié)同性較低。

1.4 生產(chǎn)成本高，周期長

隨著我國經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平不斷提高，船舶工業(yè)發(fā)展突飛猛進(jìn)，但與船舶工業(yè)強(qiáng)國相比，在船舶生產(chǎn)工期和成本管理方面的差距依然很大。船舶生產(chǎn)難度大，某個環(huán)節(jié)的差錯便可能導(dǎo)致工期延誤，額外生產(chǎn)成本等問題，而且船舶建造工期都有嚴(yán)格規(guī)定，逾期便會面臨巨額罰款。而對于這樣的溢出成本，缺乏有效的信息化預(yù)警和控制手段。

隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和相關(guān)成本的下降，原本很多難以實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用場景可以付諸實(shí)施了?；谏鲜鲂袠I(yè)存在的痛點(diǎn)，迫切需要研究利用新興智能技術(shù)，推進(jìn)企業(yè)信息化應(yīng)用水平的提升，從而推動造船企業(yè)提高精益制造能力和信息化化管理水平，解決目前信息化盲點(diǎn)。本研究即針對以上問題，引入基于超聲波定位技術(shù)的智能筆輸入設(shè)備，采用了全新超聲波識別，輔之于規(guī)范表單模板，創(chuàng)新研究智能筆對表格模板中輸入位置坐標(biāo)的識別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)手工與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步輸入。同時，在基于消息推送的任務(wù)協(xié)同機(jī)制、基于混合模式的跨平臺移動應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)突破的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場組織管理的精細(xì)化、協(xié)同化、智能化，為船舶制造企業(yè)的制造模式轉(zhuǎn)換以及精益化生產(chǎn)組織管理提供支持。

2 基于智能筆的業(yè)務(wù)協(xié)同模式

2.1 智能協(xié)作技術(shù)應(yīng)用

調(diào)查顯示，智能協(xié)作技術(shù)在制造業(yè)上的應(yīng)用規(guī)模正處于急速上升階段，使原有復(fù)雜的生產(chǎn)流程得以優(yōu)化，提高了數(shù)據(jù)采集的效率和生產(chǎn)質(zhì)量。智能協(xié)作技術(shù)已應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如在農(nóng)業(yè)中，針對蔬菜規(guī)模化生產(chǎn)的智能化管理與作業(yè)需求，構(gòu)建了以衛(wèi)星、雷達(dá)、無人機(jī)、傳感器等為載體的天空地立體化監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)，打造了人機(jī)智能協(xié)作智慧大腦，研發(fā)了無人智慧農(nóng)機(jī)作業(yè)集群，建立了蔬菜規(guī)?；a(chǎn)人機(jī)智能協(xié)作技術(shù)解決方案［13］。在軟件開發(fā)過程中，通過對互聯(lián)網(wǎng)及企業(yè)內(nèi)等積累的軟件開發(fā)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對開發(fā)者的能力特征和歷史協(xié)作行為等進(jìn)行定性和定量的分析，進(jìn)而面向特定的軟件開發(fā)任務(wù)提供智能化的協(xié)作支持［14］。

受以上智能協(xié)作技術(shù)應(yīng)用的啟發(fā)，本研究基于智能筆的精度高、可便攜移動、應(yīng)用場景廣、云端存儲等特點(diǎn)，構(gòu)造船舶制造現(xiàn)場智能協(xié)作平臺，旨在協(xié)助生產(chǎn)現(xiàn)場管理過程中進(jìn)行任務(wù)派工，并識別現(xiàn)場反饋的復(fù)雜信息等活動，通過感知設(shè)備及無線網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)人-物、物-物等之間的互聯(lián)、互感，保證整個生產(chǎn)現(xiàn)場多源信息的實(shí)時、精確和可靠獲取，使生產(chǎn)過程更為精益化。

2.2 基于智能筆的集配部托盤驗(yàn)收業(yè)務(wù)處理流程

基于智能筆的智能協(xié)作模式已成功應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)制造中，如船舶檢驗(yàn)人員利用電子筆在規(guī)定格式的檢驗(yàn)報(bào)告單上進(jìn)行打勾確認(rèn)、結(jié)果描述、填寫日期以及個性簽名等工作，通過內(nèi)置的掃描系統(tǒng)會把書寫痕跡自動傳輸?shù)椒?wù)器上，可對自動生成的PDF文件進(jìn)行打印，解決報(bào)告單的復(fù)印、打印問題，節(jié)省大量重復(fù)工作量的同時也減少二次錄入導(dǎo)致的錯誤。以下是基于電子筆的集配部托盤驗(yàn)收業(yè)務(wù)處理流程實(shí)例：

（1）集配中心倉庫保管員接到驗(yàn)貨要求時，在企業(yè)系統(tǒng)中找到需要驗(yàn)貨的托盤號，打印《到貨驗(yàn)收單》，并指引車輛駕駛員到指定位置進(jìn)行卸貨。

（2）保管員按照打印的《到貨驗(yàn)收單》逐頁進(jìn)行貨物清點(diǎn)，若存在數(shù)量或質(zhì)量的差異，用電子筆在《到貨驗(yàn)收單》相應(yīng)的數(shù)據(jù)行上進(jìn)行標(biāo)注。電子筆手機(jī)APP同步識別書寫內(nèi)容。

（3）全部驗(yàn)收完成后，在《到貨驗(yàn)收單》上簽名，并在確認(rèn)提交欄打勾，確定任務(wù)完成，手機(jī)APP接收指令后即時將數(shù)據(jù)處理后上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)處理包括將未填寫數(shù)據(jù)行的“合格數(shù)量”自動填補(bǔ)為“訂貨量”中的數(shù)值，如下頁圖1所示。

（4）系統(tǒng)自動將手工填寫的單據(jù)形成圖片，一起上傳至數(shù)據(jù)庫作為備查。至此，到貨驗(yàn)收業(yè)務(wù)與信息系統(tǒng)同步處理完成。

2.3 現(xiàn)場協(xié)同管理平臺中的智能筆應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)場協(xié)同管理平臺能夠解決多部門、多任務(wù)間協(xié)同及時性差等問題，智能筆可以讓工作人員在現(xiàn)場工作的同時，通過移動應(yīng)用將數(shù)據(jù)傳輸并存儲到ERP的服務(wù)器上，主要技術(shù)分為包括：

（1）識別技術(shù)：通過集成識別模塊，利用智能筆，采用軌跡識別技術(shù)和OCR文字識別技術(shù)對員工書寫內(nèi)容進(jìn)行識別，并使識別出的文字能夠與WeX5前端框架交互。

（2）同步技術(shù)：利用紙質(zhì)單據(jù)智能識別技術(shù)，對紙質(zhì)單據(jù)與電子單據(jù)的格式以及關(guān)鍵要素進(jìn)行自動匹配，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)單據(jù)與電子單據(jù)的信息同步；

（3）錄入：把紙質(zhì)單據(jù)以及現(xiàn)場圖片等通過隨身攜帶的移動終端上傳到服務(wù)端，解決二次采集面臨的費(fèi)時費(fèi)力與易出差錯等問題。

2.4 實(shí)現(xiàn)方案

通過現(xiàn)場協(xié)同管理平臺的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場組織管理的精細(xì)化、協(xié)同化、智能化，為船舶制造企業(yè)的制造模式轉(zhuǎn)換以及精益化生產(chǎn)組織管理提供支持，以此滿足船舶制造企業(yè)對構(gòu)筑現(xiàn)場協(xié)同管理平臺以解決多部門、多任務(wù)間協(xié)同及時性差等問題的需求，以基于智能筆的協(xié)同管控為技術(shù)依托，構(gòu)建現(xiàn)場協(xié)調(diào)管控平臺，系統(tǒng)架構(gòu)見下頁圖2。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案包括：

（1）利用智能筆超聲波識別軌跡，輔之于規(guī)范表單模板、定義模板中每一個輸入位置坐標(biāo)范圍進(jìn)行定位。在大多數(shù)情況下，智能筆的應(yīng)用均需配合點(diǎn)陣紙使用，但點(diǎn)陣紙技術(shù)識別精度低、響應(yīng)慢，數(shù)據(jù)采集效果弱。其采用創(chuàng)新性的多技術(shù)組合模式完成軌跡識別，與優(yōu)化字庫模型進(jìn)行智能匹配的前提下，能對檢驗(yàn)人員手寫軌跡進(jìn)行文字自動識別；對于不能自動識別部分，系統(tǒng)提供模糊選擇以及手工錄入等解決方案。

（2）基于軌跡坐標(biāo)結(jié)合設(shè)計(jì)模板，對生產(chǎn)制造現(xiàn)場常用單據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化定義，以實(shí)現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)與字段匹配；同時要對每個表單模板進(jìn)行管理，并加以二維碼編碼，以便于后期識別。

（3）對采用軌跡識別、移動應(yīng)用以及圖像采集等技術(shù)，利用基于智能電子筆的數(shù)據(jù)采集模式通過采用HTTP協(xié)議進(jìn)行前后端交互，以實(shí)現(xiàn)云端存儲，免去人工記錄在手工錄入的流程，將事后錄入變成實(shí)時錄入，從根本上解決因原有流程導(dǎo)致數(shù)據(jù)流與信息流不統(tǒng)一的問題。

3 智能筆在智能協(xié)作技術(shù)上的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 實(shí)時傳輸，任務(wù)協(xié)同

當(dāng)前船舶行業(yè)都采用人工記錄，事后再將相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息錄入系統(tǒng)。這種錄入方式信息化程度和效率都很低，導(dǎo)致生產(chǎn)調(diào)度指令難以有效下達(dá)，生產(chǎn)加工實(shí)時數(shù)據(jù)難以及時有效反饋，生產(chǎn)組織決策很難做到準(zhǔn)確、可靠。此外，多地辦公時場地和網(wǎng)絡(luò)條件的限制，也使信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理流程往往滯后于實(shí)際業(yè)務(wù)流程，而基于以上問題展開研究。本款智能筆通過接收器可將330 mm×250 mm（A4紙大?。┑娜魏纹矫嫔系墓P記進(jìn)行收集上傳，對其識別系統(tǒng)進(jìn)行顛覆重編，并使用多年來被業(yè)界認(rèn)可的OCR識別，及時上傳至PC、移動端和服務(wù)器，借此推動企業(yè)向基于消息推送的任務(wù)協(xié)同機(jī)制改革，使實(shí)時數(shù)據(jù)能及時有效反饋，有利于科學(xué)進(jìn)行生產(chǎn)組織決策。

3.2 開源框架，集成性高

智能筆程序與第三方系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案滿足第三方應(yīng)用系統(tǒng)對紙質(zhì)表單的數(shù)據(jù)采集。在特定的服務(wù)單位，可能有自己的信息系統(tǒng)，也可能只是需要智能筆單獨(dú)的采集模塊，該應(yīng)用場景可能需要考慮集成應(yīng)用；對平臺的搭建采用遵循Apache開源協(xié)議WeX5作為前段框架開發(fā)語言，技術(shù)原理對用戶相對透明，易于與企業(yè)信息系統(tǒng)集成，對企業(yè)原系統(tǒng)變動小，竭力以最小的代價(jià)突破目前企業(yè)信息化的盲點(diǎn)。

3.3 電子存儲，突破限制

首先，利用智能電子筆與特定文字識別系統(tǒng)的集成技術(shù)，將采集到的數(shù)據(jù)利用紙質(zhì)單據(jù)智能識別技術(shù)；然后，對紙質(zhì)單據(jù)與電子單據(jù)的格式以及關(guān)鍵要素進(jìn)行自動匹配，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)單據(jù)與電子單據(jù)的信息同步；最后，將紙質(zhì)單據(jù)以及現(xiàn)場圖片等通過隨身攜帶的移動終端上傳到服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)憑證自動存檔以及電子文檔存儲。

4 結(jié) 語

在當(dāng)前數(shù)字科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓄勢待發(fā)的背景下，通過數(shù)字技術(shù)賦能傳統(tǒng)企業(yè)、激發(fā)內(nèi)生動力、加快智能化轉(zhuǎn)型已成為我國傳統(tǒng)制造企業(yè)突破發(fā)展困境的關(guān)鍵所在［15］。本文基于船舶制造行業(yè)的現(xiàn)狀，分析智能化背景下典型制造企業(yè)依然存在的痛點(diǎn)，引入基于超聲波定位技術(shù)的智能筆輸入設(shè)備，通過集成識別模塊，采用軌跡識別技術(shù)和OCR文字識別技術(shù)對員工書寫內(nèi)容進(jìn)行識別，利用智能筆，實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)單據(jù)與電子單據(jù)的信息同步，將紙質(zhì)單據(jù)以及現(xiàn)場圖片等通過隨身攜帶的移動終端上傳到服務(wù)端，從而解決了制造業(yè)信息流與業(yè)務(wù)流不統(tǒng)一造成信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)展滯后于實(shí)際業(yè)務(wù)處理流程，帶來相關(guān)管理決策依據(jù)的缺失、等待，造成決策緩慢、不及時、不準(zhǔn)確等問題，進(jìn)而推動了我國制造業(yè)管理水平的提升。