船舶制造離散作業(yè)場景下智能協作技術研究

李佳欣 王澤云 張永剛 廖忠友 趙瑞升

（江蘇科技大學 經濟管理學院 鎮(zhèn)江212000）

0 引 言

隨著信息時代的深入，智能制造與企業(yè)智能化轉型受到國內外學者的廣泛關注，其研究主要聚焦在以下領域：第一，智能化轉型與企業(yè)生產效率［1-2］，即智能制造技術能夠實現人機協同，通過與設計、生產、管理等環(huán)節(jié)加速融合以降低生產成本、提升企業(yè)生產率［3-4］。第二，智能化轉型與企業(yè)銷售模式的變革［5-6］，即企業(yè)應用新一代數字技術對相關產品進行持續(xù)改進，通過互聯工廠實現用戶個性化需求，進而改變企業(yè)銷售模式，提升產品的適應性和創(chuàng)新性［7］。第三，智能化轉型與企業(yè)的協同集聚［8］，即工業(yè)互聯網催生的新模式能夠通過企業(yè)內部協同、產業(yè)鏈協同、供應鏈協同，推動企業(yè)智能生產，并加速傳統產業(yè)鏈重構［9］。

智能化已成為各行業(yè)發(fā)展的主要模式和基本趨勢，其智能技術融入了云計算、物聯網、移動互聯網等新興技術，具有應用跨度大、支持產業(yè)鏈條長、技術集成性高等特點［10］，從而形成了顯著的降本增效功能。例如一種覆蓋實體店、PC端、移動端和社交媒體的新零售體系也應運而生［11］，其銷售前臺以大數據匹配和精準推送為切入口，以實體門店的線下感知和服務體驗為依托［12］，后端有基于物聯網技術的智能倉儲管理系統，更有著連接供應商及終端用戶的智慧物流，整合前后端的技術優(yōu)勢，增加消費者感知價值態(tài)度和購買意愿，促使零售企業(yè)獲取更高的利潤和績效。這些新興技術在消費領域的成功應用，正作為制造業(yè)轉型升級的關鍵通用技術，啟發(fā)著傳統制造企業(yè)的應用場景升級，使得原有很多復雜特殊的業(yè)務場景不僅得以信息化實現，更能得以智能化升級改造。

1 船舶制造行業(yè)現狀分析

船舶行業(yè)作為典型的制造業(yè)而言，其信息化進程不斷普及至各個職能領域，也在一些領域的垂直深度上不斷深入，如：ERP實現業(yè)務處理的綜合管理；PDM統一管理產品的技術數據；CAE模擬產品的設計與性能，也在物資管理上實施物聯和智能倉儲并用虛擬倉儲貨架，標識倉儲貨架內的商品狀態(tài)，最終用數據圖表的可視化形式展示，甚至能夠遠程采集已交付產品的運行數據更好地提供服務。這些信息化實踐都在一定程度上提高了生產效率，總體上降低了運營成本；并輔助實現了新興管理模式或商業(yè)模式的探索，使其制造技術水平不斷提高，但船舶行業(yè)的特點使其仍存在管理粗放的問題和信息化建設的盲點和痛點。

1.1 船舶產品復雜，生產過程復雜

船舶產品的結構復雜、工程量大、造價高、周期長的生產特點導致行業(yè)生產效率不高。船舶業(yè)屬于離散型制造業(yè)，具有生產任務多、生產數據多、生產計劃復雜、管理調配困難等特點。現階段我國造船企業(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)的管理涉及到設計管理、成本管理、材料管理、零件管理、生產現場管理、人員管理、數據采集等各個方面，管理難度較大。船舶企業(yè)一般難以在產品技術資料全部準備齊全后才開始生產，而是邊設計、邊生產、邊修改，而且產品各部件之間的時序約束關系和成套性要求嚴格，一個環(huán)節(jié)的生產出了問題，就會影響項目整體的進度。這就要求企業(yè)具備較高的管理水平和管理強度，并能在信息系統中體現出可能的影響，便于協同響應以作出最優(yōu)決策。

1.3 信息實時處理較弱，任務協同性較低

我國船舶制造企業(yè)信息化改革總體上有重大進展：ERP系統的使用，推動管理信息化；制造機械的更迭，推動生產自動化、信息化。但因船舶制造屬高度離散型生產企業(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，造成局域網條件參差不齊，直接導致現場作業(yè)時處理信息未能實時同步至ERP系統，從而使決策管理滯后于實際生產，任務協同性較低。

1.4 生產成本高，周期長

隨著我國經濟技術水平不斷提高，船舶工業(yè)發(fā)展突飛猛進，但與船舶工業(yè)強國相比，在船舶生產工期和成本管理方面的差距依然很大。船舶生產難度大，某個環(huán)節(jié)的差錯便可能導致工期延誤，額外生產成本等問題，而且船舶建造工期都有嚴格規(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警和控制手段。

隨著新技術的出現和相關成本的下降，原本很多難以實現的應用場景可以付諸實施了。基于上述行業(yè)存在的痛點，迫切需要研究利用新興智能技術，推進企業(yè)信息化應用水平的提升，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。本研究即針對以上問題，引入基于超聲波定位技術的智能筆輸入設備，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的識別技術，實現手工與業(yè)務系統的數據同步輸入。同時，在基于消息推送的任務協同機制、基于混合模式的跨平臺移動應用等關鍵技術突破的基礎上，實現生產現場組織管理的精細化、協同化、智能化，為船舶制造企業(yè)的制造模式轉換以及精益化生產組織管理提供支持。

2 基于智能筆的業(yè)務協同模式

2.1 智能協作技術應用

調查顯示，智能協作技術在制造業(yè)上的應用規(guī)模正處于急速上升階段，使原有復雜的生產流程得以優(yōu)化，提高了數據采集的效率和生產質量。智能協作技術已應用到很多領域，如在農業(yè)中，針對蔬菜規(guī)?；a的智能化管理與作業(yè)需求，構建了以衛(wèi)星、雷達、無人機、傳感器等為載體的天空地立體化監(jiān)測傳感網絡，打造了人機智能協作智慧大腦，研發(fā)了無人智慧農機作業(yè)集群，建立了蔬菜規(guī)?；a人機智能協作技術解決方案［13］。在軟件開發(fā)過程中，通過對互聯網及企業(yè)內等積累的軟件開發(fā)大數據進行分析，對開發(fā)者的能力特征和歷史協作行為等進行定性和定量的分析，進而面向特定的軟件開發(fā)任務提供智能化的協作支持［14］。

受以上智能協作技術應用的啟發(fā)，本研究基于智能筆的精度高、可便攜移動、應用場景廣、云端存儲等特點，構造船舶制造現場智能協作平臺，旨在協助生產現場管理過程中進行任務派工，并識別現場反饋的復雜信息等活動，通過感知設備及無線網絡來實現人-物、物-物等之間的互聯、互感，保證整個生產現場多源信息的實時、精確和可靠獲取，使生產過程更為精益化。

2.2 基于智能筆的集配部托盤驗收業(yè)務處理流程

基于智能筆的智能協作模式已成功應用于企業(yè)生產制造中，如船舶檢驗人員利用電子筆在規(guī)定格式的檢驗報告單上進行打勾確認、結果描述、填寫日期以及個性簽名等工作，通過內置的掃描系統會把書寫痕跡自動傳輸到服務器上，可對自動生成的PDF文件進行打印，解決報告單的復印、打印問題，節(jié)省大量重復工作量的同時也減少二次錄入導致的錯誤。以下是基于電子筆的集配部托盤驗收業(yè)務處理流程實例：

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

（2）保管員按照打印的《到貨驗收單》逐頁進行貨物清點，若存在數量或質量的差異，用電子筆在《到貨驗收單》相應的數據行上進行標注。電子筆手機APP同步識別書寫內容。

（3）全部驗收完成后，在《到貨驗收單》上簽名，并在確認提交欄打勾，確定任務完成，手機APP接收指令后即時將數據處理后上傳至系統數據庫。數據處理包括將未填寫數據行的“合格數量”自動填補為“訂貨量”中的數值，如下頁圖1所示。

（4）系統自動將手工填寫的單據形成圖片，一起上傳至數據庫作為備查。至此，到貨驗收業(yè)務與信息系統同步處理完成。

2.3 現場協同管理平臺中的智能筆應用及關鍵技術

現場協同管理平臺能夠解決多部門、多任務間協同及時性差等問題，智能筆可以讓工作人員在現場工作的同時，通過移動應用將數據傳輸并存儲到ERP的服務器上，主要技術分為包括：

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

（2）同步技術：利用紙質單據智能識別技術，對紙質單據與電子單據的格式以及關鍵要素進行自動匹配，實現紙質單據與電子單據的信息同步；

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

2.4 實現方案

通過現場協同管理平臺的應用可以實現生產現場組織管理的精細化、協同化、智能化，為船舶制造企業(yè)的制造模式轉換以及精益化生產組織管理提供支持，以此滿足船舶制造企業(yè)對構筑現場協同管理平臺以解決多部門、多任務間協同及時性差等問題的需求，以基于智能筆的協同管控為技術依托，構建現場協調管控平臺，系統架構見下頁圖2。

圖2 系統架構圖

具體技術實現方案包括：

（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范圍進行定位。在大多數情況下，智能筆的應用均需配合點陣紙使用，但點陣紙技術識別精度低、響應慢，數據采集效果弱。其采用創(chuàng)新性的多技術組合模式完成軌跡識別，與優(yōu)化字庫模型進行智能匹配的前提下，能對檢驗人員手寫軌跡進行文字自動識別；對于不能自動識別部分，系統提供模糊選擇以及手工錄入等解決方案。

（2）基于軌跡坐標結合設計模板，對生產制造現場常用單據進行標準化定義，以實現采集的數據與字段匹配；同時要對每個表單模板進行管理，并加以二維碼編碼，以便于后期識別。

（3）對采用軌跡識別、移動應用以及圖像采集等技術，利用基于智能電子筆的數據采集模式通過采用HTTP協議進行前后端交互，以實現云端存儲，免去人工記錄在手工錄入的流程，將事后錄入變成實時錄入，從根本上解決因原有流程導致數據流與信息流不統一的問題。

3 智能筆在智能協作技術上的應用優(yōu)勢

3.1 實時傳輸，任務協同

當前船舶行業(yè)都采用人工記錄，事后再將相應的數據信息錄入系統。這種錄入方式信息化程度和效率都很低，導致生產調度指令難以有效下達，生產加工實時數據難以及時有效反饋，生產組織決策很難做到準確、可靠。此外，多地辦公時場地和網絡條件的限制，也使信息系統的數據處理流程往往滯后于實際業(yè)務流程，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記進行收集上傳，對其識別系統進行顛覆重編，并使用多年來被業(yè)界認可的OCR識別，及時上傳至PC、移動端和服務器，借此推動企業(yè)向基于消息推送的任務協同機制改革，使實時數據能及時有效反饋，有利于科學進行生產組織決策。

3.2 開源框架，集成性高

智能筆程序與第三方系統集成設計方案滿足第三方應用系統對紙質表單的數據采集。在特定的服務單位，可能有自己的信息系統，也可能只是需要智能筆單獨的采集模塊，該應用場景可能需要考慮集成應用；對平臺的搭建采用遵循Apache開源協議WeX5作為前段框架開發(fā)語言，技術原理對用戶相對透明，易于與企業(yè)信息系統集成，對企業(yè)原系統變動小，竭力以最小的代價突破目前企業(yè)信息化的盲點。

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的集成技術，將采集到的數據利用紙質單據智能識別技術；然后，對紙質單據與電子單據的格式以及關鍵要素進行自動匹配，實現紙質單據與電子單據的信息同步；最后，將紙質單據以及現場圖片等通過隨身攜帶的移動終端上傳到服務端，實現紙質憑證自動存檔以及電子文檔存儲。

4 結 語

在當前數字科技革命和產業(yè)變革蓄勢待發(fā)的背景下，通過數字技術賦能傳統企業(yè)、激發(fā)內生動力、加快智能化轉型已成為我國傳統制造企業(yè)突破發(fā)展困境的關鍵所在［15］。本文基于船舶制造行業(yè)的現狀，分析智能化背景下典型制造企業(yè)依然存在的痛點，引入基于超聲波定位技術的智能筆輸入設備，通過集成識別模塊，采用軌跡識別技術和OCR文字識別技術對員工書寫內容進行識別，利用智能筆，實現紙質單據與電子單據的信息同步，將紙質單據以及現場圖片等通過隨身攜帶的移動終端上傳到服務端，從而解決了制造業(yè)信息流與業(yè)務流不統一造成信息系統中的數據處理流程進展滯后于實際業(yè)務處理流程，帶來相關管理決策依據的缺失、等待，造成決策緩慢、不及時、不準確等問題，進而推動了我國制造業(yè)管理水平的提升。