基于JAVA的精益造船MES系统设计与实现

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　　摘 要：传统小型船舶制造企业生产现场存在生产模式粗放、生产流程混乱、生产计划不当、生产周期较长以及库存波动量大等诸多问题。为此，采用基于JAVA语言的SSM架构并结合精益造船思想，根据企业自身业务需求，开发一款适用于小型船舶制造企业的MES车间制造执行系统，用于改善车间生产管理，提升船舶制造企业管理信息化水平和生产效率，增强小型船企市场竞争力。
　　关键词：JAVA;MES系统;精益造船;软件开发;信息化管理
　　DOI：10. 11907/rjdk. 191573
　　中图分类号：TP319   文献标识码：A                 文章编号：1672-7800（2020）003-0150-04
　　Design and Implementation of Lean Shipbuilding MES System Based on JAVA
　　XIA Jia-jun，SONG Ting-xin，ZHU Qing-bo
　　（School of Mechanical Engineering，Hubei University of Technology，Wuhan 430074， China）
　　Abstract： Traditional small-scale shipbuilding enterprises are subjected to problems such as extensive production mode， chaotic production process， improper production planning， long production cycle and large inventory fluctuations. In order to solve such problems， according to the company’s own business needs， this paper uses  SSM architecture based on JAVA language combined with lean shipbuilding ideas developed a MES workshop manufacturing execution system for small shipbuilding enterprises， which is used to improve workshop production management， the management information level and production efficiency of shipbuilding enterprises， and improve the market competitiveness of small ship enterprises to a certain extent.
　　Key Words： JAVA; MES system; lean shipbuilding; software development; information management
　　0 引言
　　从20世纪80年代开始，美国和日韩等国家率先将精益生产理论与船舶制造相结合，在厂区内普遍实现了以中间产品为导向的模块化、作业标准化生产[1]。如韩国推行的智能船舶2.0方案，日本施行的i-shipping计划，以及欧美提高船舶产品焊接、涂装、单元模块制造过程的智能化程度等[2]。中船集团自1995年开始学习先进的现代化造船模式，经过数十年发展，中国在先行分段数字化与自动化领域取得突破，精益造船模式在以中船工业、中船重工为主的造船企业中得到了快速发展，但其整体集成度与世界一流水平尚存在一定差距。大多数本土中小型造船企业依然沿用传统粗放的生产管理模式，随着劳动力成本的不断上升，竞争优势日益下降[3]。与此同时，随着计算机与互联网技术的飞速发展，在企业信息化管理浪潮的推动下，大量企业开始采用MES系统对生产过程进行监控，从而实现对生产进度、生产计划、库存及产品质量等方面的精细化管理，使资源得到最大程度上的合理分配，优化生产调度，提高车间生产效率[4]。
　　1 系统需求分析
　　1.1 需求分析
　　按照生产工艺特点划分，船舶制造属于生产周期很长的离散型生产模式，同时制造工艺复杂、涉及工种繁多，与标准化的流水线生产相比存在着巨大差异，导致其生产计划制定较为困难。同时生产任务以时间节点形式派发，未能精细化明确每周和每日生产目标，因而难以控制日常生产进度。由于无法确定日计划生产量，使得物料可能出现延迟或堆积情况，库存波动较大[5]。上下工序之间信息沟通不及时，可能出现生产不均衡的状况，导致制品堆积以及下游工序等待作业的情况，造成资源浪费。为此类中小型造船企业开发一款精益造船MES系统，有助于解决上述问题。
　　本文设计的精益造船MES系统包括任务包管理、生产计划与排产、条码管理、库存管理、质量管理与统计分析管理6个核心业务[6]，具体如下：
　　（1）任务包管理。将船体按照生产类型分类，根据具体船体类型，按照工艺模式划分任务包，任务包中包含由BOM物料表组成的各个部件，可以查询船型以及对应任务包，也可查询该任务包中所含部件数以及部件所用工时。管理人员运用精益造船模式，按照设计图纸对船体进行作业分解，得到诸如船体基本结构任务包、船体舵装配任务包、船体舾装布置任务包、轮机艉轴装配任务包、电气设备任务包等作业量较为均衡的任務包。其中船体基本结构任务包下又包含船侧板、舷侧强肋骨、舷侧纵骨、舱壁扶强材、甲板强横梁等几十个部件[7]。根据船体名称和型号录入船体基本信息，根据任务包名称及其所属船型录入任务包基本信息，根据部件名称、型号、加工时间、加工数量、是否外协、所属工段、所属船型、所属任务包录入部件基本信息。该模块是生产计划模块的子模块，订单会按照任务包下的部件实现作业分解，可查看任务包下所含具体部件，以及部件总数和部件加工总时长，方便管理人员为实现产线均衡作出优化调整。 　　（2）生产计划与排产[8]。根据客户订单，按照船型分类、制定的任务包及所含部件进行订单分解，生成作业计划，对作业计划进行排产，即可发布为派工单;管理人员录入订单基本信息，包括订单名称、所需船型、客户名称、交付日期等;选择订单分解，系统会根据船型任务包下部件所对应的工段生成相应工单;点击工单排产选项，系统会根据该部件的总工时等约束，实现部件在该工段上的排产并生成派工单，同时管理人员可手动对排产时间进行灵活调整;派工单发布后，即可在对应工段终端看板上查看任务计划;根据发布的派工单，系统生成甘特图，连接外部打印设备即可对甘特图和派工单进行打印。
　　（3）条码管理。依据部件类型、时间戳生成条形码[9]，粘贴至部件和任务包上，实时追踪部件在产线工序上的生产情况。工段上操作的作业人员选择船体类型和任务包类型，系统会根据选择结果与时间戳自动生成条形码，连接打印机将条形码打印并粘贴在对应部件上。在部件开始生产时用扫码枪扫描条形码，生产结束时再次扫描，记录工段生产时间，以及部件所在工段生产进度。该模块是统计分析管理模块的子模块，可帮助统计车间生产数据，方便在看板终端查看实时生产情况。
　　（4）库存管理。统计仓库中由工单消耗的原材料数量、进入仓库的半成品与成品数量及出入库时间。当工位上依据派工单执行生产任务或完成任务时，库管人员需要对原料开具出库信息或对半成品与成品开具入库信息，包括出入库单号、部件类型、部件编码、出入库数量、出入库时间及操作人员等基本信息[10]。在进行出库操作时，系统会判断出库数量是否符合库存余量;在进行入库操作时，判断入库部件类型是否符合产品类型等。若不符合系统判断，则出现弹窗提示。
　　（5）质量管理。依据作业完成情况，制定质检时间与质检标准对产品进行质量检查，并生成质检报告。质检人员为不同工段的不同产品设定质检标准，根据质检标准对产品进行质量检测并记录质检信息。当产品质量出现不符合标准的情况时，可根据产品条形码追溯查询，排查原料是否存在问题、生产操作流程是否规范、机器设备设施是否出现异常等。
　　（6）统计分析管理[11]。可根据条码，通过车间看板显示屏查看各工段生产进度及工位上的库存情况，并查看整个车间的订单任务完成率，优化生产调度。系统通过各工段上扫描的条码、录入的质检信息与出入库信息进行统计分析。在车间大屏上展示各工段生产进度，包括今日任务量、已完成数量、总体完成率等数据信息。在各工段终端显示器上显示该工段今日任务数量、已完成量、与标准任务进度比等数据信息。在管理员后台会根据工段上录入的条码信息展示各部件完成率、各工段完成情况，根据质检信息展示各工段返工率、产品合格率等信息。这些数据统计信息可帮助管理人员从整体上直观了解产品生产进度，从而对瓶颈工位作出优化调整，实现产线均衡。
　　2 系统设计
　　2.1 系统功能模块设计
　　按照小型船舶企业的业务需求，系统设计了任务包管理、生产计划与排产、条码管理、库存管理、质量管理和统计分析管理6个功能模块。工位作业人员、生产管理人员、后台维护人员等不同角色用户登录系统时根据权限执行工作任务[12]。系统功能结构如图1所示。
　　2.2 系统流程设计
　　系统主要通过生成的条形码对部件及在制品进行产品追踪，实现出入库登记与在制品识别。车间工段终端的作业人员登录系统后，根据角色权限获取生产任务，用扫码枪扫描部件上的条形码确定当前工段上的产品信息，并显示在车间大屏上。若生产未能及时完成，则回退至生产阶段重新排产。其中生产计划排产主要流程如图2所示。
　　2.3 技术分析
　　MES系统开发工具选择支持多插件、可跨平台，且有较高灵活性的Intellij Idea 2017，服务器端选择企业级的系统架构JAVA EE。Tomcat为系统提供Web服务器支持，同时采用高效的SSM框架，由MAVEN管理项目所需的jar包。浏览器客户端采用Bootstrap框架开发。系统数据库选择Oracle 11g，结合Mybatis的SQL语句，使开发效率和灵活度得到了极大提高[13]。系统开发环境选择Windows10操作系统，数据库服务器为Oracle 11g，Web服务器为Tomcat7.0，JDK版本为1.8.0。
　　（1）Spring是一个轻量级控制反转（IoC）和面向切面（AOP）的容器框架。各模块依赖关系通过简单的配置文件进行描述，使其可以更清晰地将外部信息集中起来[14]。
　　（2）SpringMVC是为用户开发提供的主流框架，其分离了视图、模型、控制器3种角色，将业务处理从界面交互中独立出来，封装到模型和控制器设计中去，使其之间互相解耦，可以独立扩展[15]。
　　（3）MyBatis是持久层框架，其支持自定义SQL语句、存储过程以及高级映射。MyBatis 避免了几乎所有 JDBC 代码和手动设置参数以及获取结果集，只使用简单的XML或注解配置与映射原始信息，将接口和Java的POJO类映射成数据库中的记录[16]。
　　2.4 数据库设计
　　本系统采用Oracle 11g作为数据库系统。后台人员录入船体、任务包、物料等基础信息，提交订单。生产管理人员根据订单请求，分解订单与相应任务包，安排生产计划。作业人员在工位接收派工单，按照计划完成生产，图4展示了生产模块数据流[17]。
　　（1）数据持久层。MyBatis框架首先创建SqlSessionFactory实例，其作用相當于一个数据库连接池，然后通过配置的XML文件获取一个Sqlsession。执行sql语句所必需的方法都包含在其中，完成对数据库的操作后需要释放数据库连接[18]。
　　（2）业务逻辑层。数据访问采用面向对象的数据库接口，当需要与数据源交互时，便可使用DAO接口。它的使用可以降低业务逻辑组件和数据库访问逻辑的耦合度，更加专注于编写数据访问代码。定义接口类之后，在Mybatis的Mapper配置文件中添加配置即可[19]。 　　（3）控制层。在查询客户信息时，通过表单临时存储客户表中每个字段的信息，因此需要一个表单实体类作为可重用组件。当里面每个字段都定义了get和set方法之后，Spring会自动进行封装[20]。
　　表1给出了物料表material的核心字段。
　　3 系统实现
　　在系统中登录后台维护人员账号，添加铝合金船体，并给该船体添加一个船体基本结构任务包，然后给该任务包添加具体部件，得到部分测试用例如表2所示[21]。
　　后台维护人员在填写完船体类型与任务包类型后，在该任务包下添加详细部件。下拉选择船体类型，根据船体类型显示对应任务包，下拉并选择部件所属任务包，填写部件名称、编码与数量，以及部件单件工时，选择自产或外购。根据部件工艺，勾选要分配的工段。
　　在系统中部件添加页面如图5所示。
　　录入一艘船体的基本数据后，生产管理人员登录系统，模拟订单提交，订单根据所属船体任务包进行订单分解，得到部件工单，对不同工段上的部件工单进行排产并点击发布，工段上便可收到作业任务。同时可以生成不同工段上各个部件的生产甘特图，如图6所示。
　　4 结语
　　本文采用高效的SSM框架，结合精益生产思想设计并实现了精益造船MES系统。该系统可有效改善造船企业的车间管理状况，提高企业生产效率。在系统设计方面，对业务流程进行了优化重组。测试结果表明，系统运行稳定，各模块功能均达到了设计要求，可为中小型船舶制造企业的制造过程信息化提供参考。
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　　（责任编辑：黄 健）
　　收稿日期：2019-04-21
　　基金项目：湖北省交通运输厅科技项目（鄂交科教2017-538-6-1）
　　作者简介：夏家俊（1994-），男，湖北工业大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为管理科学与工程;宋庭新（1972-），男，博士，湖北工业大学机械工程学院教授，研究方向为工业工程;朱清波（1982-），男，硕士，湖北工业大学机械工程学院讲师，研究方向为制造业信息化。
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