一種面向船舶智能制造的工藝數據庫優化設計方法

王明釗，戎文娟，王佳琳，王永威，撒瑩瑩

（1.先進成形技術與裝備國家重點實驗室，北京100083；2.北京機科國創輕量化科學研究院有限公司，北京 100083）

0 引言

數據庫是一門研究數據存儲、數據檢索和數據處理等內容的學科，是計算機科學的重要組成部分，是以一定方式儲存在一起、能與多個用戶共享、具有盡可能小的冗余度、與應用程序彼此獨立的數據集合。數據庫與計算機系統共同組成數據庫系統，主要由數據庫及其管理系統、應用系統、開發工具、數據庫用戶和管理員等組成。1960年國際商業機器（International Business Machines,IBM）公司推出數據庫管理系統，標志著數據庫技術誕生。此后，數據庫技術在各行各業得到迅猛發展，在信息管理、科學研究、企業管理、辦公自動化和計算機輔助設計等領域已發展成為不可或缺的重要組成部分。在機械加工、化工生產和電力能源等傳統產業中，工藝數據庫系統的應用促使其原有的生產方式發生了巨大變化，產品價值得到了進一步提升。近年來，與數據庫相關的信息技術在船舶制造領域也得到了大量應用，例如切割工藝數據、成形工藝數據庫和涂裝工藝數據庫等。此外，由工藝數據庫衍生出的專家系統和數據挖掘等技術對傳統產業的生產、安全和管理產生了深遠的影響。

傳統的數據庫設計流程見圖1，雖然工藝數據庫技術在傳統產業信息化發展中發揮了重要作用，但其在實際的工藝數據庫設計中還存在一些問題和缺陷。在需求分析中，由于不同工藝的復雜性不同，設計者需耗費大量的時間和精力，且因工藝過程的特殊性和多樣性，不同工藝數據庫之間的需求分析方面的資料通常無法共享。在進行概念結構設計過程中，傳統的概念結構設計方法提供了E-R（Entity Relationship）圖的基本作圖方法，但并未提供E-R圖整體框架和結構布局等設計方法。在邏輯結構設計中，規定了E-R 圖轉換成邏輯結構的基本原則，但并沒有針對工藝自身的特點對工藝過程提出具體的優化方法。

圖1 傳統的數據庫設計流程

本文針對工藝數據庫設計中存在的問題，在進行需求分析過程中提出9 要素分析法，為設計者提供清晰明確的需求分析范圍和方向。在進行概念結構設計過程中，基于9 要素分析法設計了通用的E-R圖，整體框架和結構布局。在設計邏輯結構過程中提出2 種邏輯結構的優化方法，解決數據庫存在的結構復雜、數據冗余和讀寫頻繁等問題。最后，為驗證該方法在工藝數據庫設計中的通用性和可行性，針對船舶制造領域中的裝配工藝，設計了裝配工藝數據庫接口系統，在船企進行了推廣和應用。

1 工藝數據庫設計和優化

1.1 需求分析：9 要素分析法

由于不同領域、不同環節的工藝過程具有特殊性和多樣性，需求分析的資料通常無法共享，因此工藝數據庫設計的需求分析往往需耗費大量的時間和精力。本文針對智能化的工藝過程提出一種9 要素分析法，為工藝數據庫的需求分析提供清晰明確的范圍和方向，減少需求分析的工作量并降低工作難度。

9 要素分析法將工藝過程中影響工藝的要素分為原料、產品、規范、環境、人員、設備、方法、時間和其他等9 個類別，見圖2。

圖2 9要素分析法

1）原料包括對象和屬性，其中：對象是指參與該工藝過程的輸入資源；屬性是指原料自身具有的能影響該工藝過程的特征。

2）產品包括對象和檢測，其中：對象是指該工藝工程最終輸出的結果或產品，產品是整個工藝過程的直接“動力”來源；檢測既是衡量產品質量的直接指標，又是評價工藝過程的直接指標。

3）規范是指執行該工藝過程遵循的規范和標準。若不同企業在執行相同的工藝時遵循的工藝標準或企業規范不同，最終會導致工藝過程和產品的質量不同。

4）環境是指工藝過程中可能對工藝產生影響的環境因素。

5）人員包括參與該工藝過程的設計人員和操作人員（或人員集合）。

6）設備是指該工藝過程中的相關執行設備（或設備集合），包括設備編號、控制參數和實時狀態等3部分。

7）方法是指與工藝過程設計相關的因素，包括方法類型、設計參數（非設備控制參數）和操作順序。方法類型標識采用何種方式實現該工藝過程；設計參數是指設備控制參數以外的一些與設計相關的參數；操作順序是指該工藝過程中特定的先后順序。

8）時間是指工藝過程執行的開始時間和結束時間，從時間維度記錄工藝過程的特征。

除了以上8 個特定要素以外，不同領域的工藝過程可能還包含一些其他特有因素，且隨著科學技術的不斷發展，新技術、新革命可能促使現有的工藝過程發生變化，產生新的工藝要素，這些要素均可歸為其他要素。

1.2 概念結構設計：通用E-R圖模型

概念結構設計的目標是產生反映需求信息的數據庫概念結構，實現從現實世界到概念模型的轉換，其通常采用E-R圖表示。雖然E-R圖提供了基本的設計方法，但并沒有關于整體框架的通用模型和設計方法。本文設計通用的E-R圖模型，為工藝數據庫的設計提供參考。

基于9 要素分析法的E-R圖通用模型見圖3，其中：

圖3 概念結構設計圖（E-R圖）通用模型

1）實體集是指具有相同屬性的同一類實體的集合，如原料和產品等，用矩形框表示；

2）屬性是指實體所具有的特征和性質，如開始時間和結束時間等，用橢圓形框表示；

3）聯系和聯系集是指2個或2 個以上的實體集之間的關聯關系，如參與和包括等，用菱形框表示；

4）實體集之間的聯系表示實體集之間的數量關系，分為一對一（1 ∶1）、一對多（1 ∶N）和多對多（M∶N），用平行四邊形框表示。

根據9 要素分析法，通用E-R模型以“工藝”為核心構造，關聯原料、產品、規范、環境、設計人員、操作人員、設備、控制參數、方法類型、設計參數和操作順序；其中與工藝相關的關鍵屬性為開始時間、結束時間和其他。

在實際設計工藝數據庫時，設計者根據工藝數據庫需求調研結果，對圖3 所示通用模型中的實體和屬性進行增加或刪除，即可初步構造出工藝數據庫E-R圖的整體架構。

1.3 邏輯結構設計優化

邏輯結構設計是將E-R圖轉換為關系型數據庫支持的數據模型的邏輯結構的過程。邏輯結構設計主要根據實體集之間的關系類型（1∶1、1∶N、M∶N）將E-R圖轉換成具體的邏輯結構，遵循3 范式法則。雖然3范式法則提供有將E-R圖轉換成邏輯結構的標準方法，但在實際應用過程中，根據標準方法設計的數據庫系統會存在一些問題。如圖3 所示，通用E-R模型中含有多個M∶N 關系類型，根據3 范式法則，每個M∶N 關系類型在進行邏輯結構設計時都要額外產生一個關系表。在實際的數據庫系統中，關系表過多會導致數據庫結構復雜、數據冗余和多次讀寫數據庫，既不利于應用程序的開發，又不利于后續的數據庫維護。本文通過對邏輯結構進行設計優化，解決概念結構設計中存在的某些問題。

1.3.1 M∶N關系類型的邏輯實現

E-R圖通用模型中原料與工藝實體集的關系類型為M∶N 類型，如圖4 所示。按照3 范式法則，在邏輯結構設計過程中，為了能表示工藝與原料之間的關系，除了設計工藝表和原料表以外，還需要設計原料與工藝的關系表，3 個表的結構見表1。

表1 M∶N關系類型表格結構

圖4 M∶N關系類型的邏輯結構設計

上述設計方法可在數據結構上建立工藝與原料的關系，但存在2 個缺陷：

1）除了工藝表和原料表以外，增加了關系表，數據庫的結構更加復雜；

2）在原料表數據已存在的情況下，若執行1 次工藝數據的寫操作，需進行1 次（工藝表）＋X 次（關系表）數據庫的操作。

1.3.2 M∶N關系類型的優化1

雖然關系表可實現M∶N 關系類型的數據關聯，但系統錄入1 次工藝數據，就需向關系表中插入多條工藝與原料的關系數據。若這種數據庫操作次數較多，會影響整個數據庫的運行效率。在某些實際的工藝過程中，參與工藝過程的原料數量一般是固定不變的，即使某些工藝過程中原料數量不固定，參與單次工藝過程的原料數量也有上限（設上限值為Q）。因此，通過在工藝實體中增加固定數量的屬性，用于表征工藝與原料之間的關系，即可實現邏輯結構設計的優化。優化后的邏輯結構見圖5，工藝表結構見表2。

表2 優化后的工藝表結構

圖5 M∶N關系類型優化1

在優化后的工藝表中增加Q 個原料屬性（materials_id_1、materials_id_2、…、materials_id_Q），能實現工藝與原料的數據關聯，省略工藝與原料的關系表，簡化數據庫整體結構，更直觀地反映工藝與原料的關系。同時，在程序實際運行過程中，系統執行1 次數據庫的操作指令即可完成對工藝數據的讀寫操作，能減少數據庫的讀寫次數，提高系統運行的效率和穩定性。

1.3.3 M∶N關系類型的優化2

在圖3 中，設計參數與工藝、控制參數與工藝之間的關系為M∶N關系類型。單次工藝過程中的設計參數（或控制參數）的數量極有可能會隨著新技術發展而發生變化，且在設計開發數據庫時無法確定設計參數數量的上限。因此，第1.3.2 節中的設計方法并不適用于這種情況，需按第1.3.1 節中的方法設計工藝與設計參數的關系，設單次工藝中有K個設計參數，其中工藝與設計參數關系表中的數據見表3。

表3 工藝與設計參數關系表中的數據

在某些工藝過程中，1 種設計參數的集合（或控制參數的集合）可能適用于多次甚至大多數同類工藝過程，但每個工藝過程都需向工藝與設計參數關系表中添加多次數據，因此這些設計數據是重復的。如表4 所示，工藝過程1（process_id=1）和工藝過程M（process_id=M）使用了同樣的設計參數（design_id =1，2，3，…，K），在關系表中記錄了重復的設計參數信息。若大量的工藝過程使用同一套設計參數集（或控制參數集），會導致數據庫數據冗余和數據量過大，后期也會影響數據庫的運行效率。

表4 優化后的表結構

在數據庫中增加設計方案表，避免設計參數表與工藝表直接關聯；在工藝表中增加方案屬性，將方案表作為參數設計與工藝表之間的中介，間接實現與工藝參數表的關聯，其中方案表與設計參數表為M∶N關系，采用第1.3.1 節的設計方法進行設計；方案表與工藝表為1∶N關系，優化后的邏輯結構見圖6。在優化后的表中，設計參數集相同的多次工藝過程，只需增加工藝表中的scheme_id字段數據即可。這種優化方法在設計參數不變的情況下，幾乎不增加數據庫的數據量和讀寫次數，以微量增加數據庫結構的復雜性為代價，避免數據冗余，減少數據庫的讀寫操作次數，提高了數據庫運行的效率和穩定性。

圖6 M∶N關系類型優化2

在邏輯結構設計中：對于1∶1 和1∶N的關系類型，使用3 范式法則提供的設計方法設計；對于M∶N的關系類型，需根據工藝過程的實際情況，選擇第1.3.1 ～1.3.3節中相對應的設計方法設計。

2 應 用

2.1 裝配工藝數據庫的設計

近年來，我國船舶制造業的部分工藝流程實現了數字化、自動化和智能化，但整體上仍處于數字化制造的初級階段，船舶制造流程中許多工藝過程的工藝數據庫系統并未建立。本文針對船舶制造中的裝配工藝過程，結合工藝數據庫設計流程和本文提出的優化設計方法，設計一套裝配工藝數據庫接口系統。

根據9 要素分析法和通用E-R圖模型，船舶制造裝配工藝數據庫的E-R 圖見圖7。E-R 圖中包含原料（零件）、產品（零件）、規范、人員、設計、設備和時間等7 種工藝因素，由于正常環境對裝配工藝因素的影響較小，因此暫不考慮該因素。

圖7 船舶制造裝配工藝數據庫的E-R圖

其中，裝配工藝數據庫單條裝配工藝數據是指針對一條焊縫（對應2 個零件）裝配過程所生成的工藝數據。對于復雜組件（部件或分段）的裝配結構，采用多條裝配工藝數據即可代表整個組件（部件或分段）的完整工藝過程。根據這種定義，裝配工藝的原料固定為2 個零件，產品固定為1 個組件（部件或分段）；而在裝配工藝數據庫中，根據等級劃分的不同，將零件、組件、部件和分段統一歸納至“零件”實體中。因此，原料和產品的數量在單次工藝過程中是確定的，滿足第3.2 節中的優化條件。同理，操作人員和設計人員均采用第3.2 節中的設計方法。設計參數和控制參數采用第3.3 節中的設計方法。裝配工藝表的邏輯結構見表5，其余表單限于篇幅，暫不列出。

表5 裝配工藝表

2.2 裝配工藝數據庫接口系統

本文設計的裝配工藝數據庫既面向智能化的裝配工藝過程，又兼容現有傳統的裝配工藝過程，工藝數據系統在實際運行過程中可根據實際情況決定錄入哪些工藝數據。由于采用了本文所述數據庫優化方法，裝配工藝數據庫系統具有向后兼容性，即使工藝過程或設備升級改造導致設計參數和控制參數發生改變，也無需對工藝數據庫的整體結構進行重新設計。

本文設計的裝配工藝數據庫接口系統已在廣州某船企進行推廣與應用，除了針對裝配工藝設計的裝配工藝數據庫接口系統以外，還針對加工、焊接和涂裝等工藝流程設計了相應的工藝數據庫系統。目前該系統已涵蓋加工、裝配、焊接和涂裝等工藝流程，實現了對這些工藝流程中的工藝數據的收集、存儲、統計和查詢等功能，以及與船企內部原有的生產制造執行系統（Manufacturing Execution System, MES）和企業資源計劃系統（Enterprise Resource Planning, ERP）的數據共享，見圖8。利用本文提出的數據庫改進設計方法，快速搭建了裝配工藝數據，涵蓋了較為完善的裝配工藝數據，同時優化了數據庫的整體機構、數據存儲量和數據庫的讀寫效率。

圖8 工藝數據庫接口系統及部分裝配工藝數據接口

3 結語

本文面向船舶智能化過程中傳統工藝數據庫設計方法存在的問題，根據工藝數據庫的設計流程提出了9要素分析法，明確了需求分析中調研分析的方向和范圍，極大地降低了設計者的工作量；基于9 要素分析法設計了通用E-R圖，為工藝數據庫的設計者提供了概念結構設計的整體框架，實現了概念結構的快速開發；根據工藝過程的實際特點提出了2 種邏輯設計的優化方法，降低了工藝數據的系統復雜度，提高了工藝數據庫系統的運行效率和系統穩定性。最后，基于本文提出的工藝數據庫優化方法，為船舶制造過程中的裝配過程設計了裝配工藝數據庫系統，并在廣州某船企進行了推廣與應用。