智能造船——生产计划管理如何实现智能造船

智能造船——生产计划管理如何实现智能

造船

导读：本文通过上网查阅新闻资料和相关书籍文献，解读了“智能造船”和“生产计划管理”的实质内涵，给出“智能造船”的核心在于实现人、物、技术等生产要素的数字化，实现生产过程的物理世界和数字世界的融合，最后以大数据为基础，以预测技术为核心，对生产计划管理如何实现智能造船的设想和应用进行了论述。

1.解读“智能造船”

1.1 “智能造船”背景

国家十三五规划指出要实施《中国制造二○二五》，实施智能制造工程，促进新一代信息通信技术、高档数控机床和机器人、航空航天装备、海洋工程装备及高技术船舶等产业发展壮大[1]。

对于“中国制造2025”的解读，首先需要弄明白发展方向的问题。“中国制造2025”的方向是什么？当然不能是以劳动密集为特色的传统产业，而应该是“智能”。信息技术指数级增长、数字化网络化进步和集成式智能化创新是第三次工业革命的三大根本动力，“智能”代表着世界科技发展的潮流。

从世界其他国家的发展战略看，智能制造同样是其主流方向，无论德国的工业 4.0还是美国的再工业战略，均是如此。在美国，以通用电气（GE）为核心，思科、国际商用机器公司（IBM）、英特尔等60多家企业成立工业互联网联盟，立足于全行业的信息资源，试图通过促进物理世界和数字世界的融合，提高设备安全性与可靠性，降低能耗、物耗与维护费用等，同时，减少生产过程中的人力劳动需求，提高生产过程中的柔性与智能化水平。而德国工业 4.0则是在德国高度发达的制造业、雄厚的工业软硬件系统及高素质的劳动者的基础上，着力建立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，实现一种智能化的、社会化的生产模式。尽管美国更加注重数据和信息的利用，德国更加注重自动化智能化的生产过程，但两者最终是殊途同归，制造业最终会走向信息物理系统（CPS）。CPS并不是简单的物联网，与物联网相比，CPS更强调数字世界对于物理世界的控制，本质就是将物理世界和数字世界合二为一。也就是说，无论是工业互联网还是工业4.0，最终都会推动生产过程的智能化[2]。

具体到智能造船领域，把握“智能”制造方向，就要清楚不是引进一套数控设备就能实现智能。比如，舟山船企在船舶业转型升级中致力于“机器换人”，实现焊接、切割及喷砂等工序的自动化[3]；江苏南通中远川崎船舶工程有限公司，大部分车间已实现自动化操作，钢板反复利用率超过95%，自动化生产线让相应工序的生产效率提高了约七成[4]。

但我国配套产业基础薄弱，如机器人企业关键零部件仍严重依赖进口；技术储备低，应用规模小，生产的机器人在精度、可靠性等指标上普遍低于国际品牌。

2014年10月首届以大数据和智能船舶发展为主题的发展高峰论坛在京举行，中国船舶工业系统工程研究院院长、中船电子科技有限公司总经理、中国船舶工业集团（以下简称中船集团）海洋装备信息智能管理与应用技术创新中心主任张宏军的发言指出，“前些年船业非常火爆，无论是船厂还是设计公司，创造了很多价值，包括质量非常粗劣的产品，这些产品在后面使用过程中会出现一些问题，而船厂将船交付后，买卖关系就结束了，系统、设备、包括船的运营将是一个新的买卖关系。这样一种关系不符合我们大数据时代下的要求”。

美国国家科学基金会智能维护中心主任、中船集团海洋装备信息智能化管理与应用技术创新中心首席科学家李杰教授发言指出基于数据分析的延伸性服务，正是当前工业发展的大趋势。李杰团队正与中船集团合作，进行产业转型的一些尝试，被称为5S工程。即以大数据为基础，面向“Sea-海洋，Ship-船舶，System-系统，Smart-智能，Service-服务”的船舶运营智能服务体系。告诉船怎么走最省油，怎么可以获知运行之外的物流与安全信息服务等。“大数据本身不重要，信息量和创造价值的过程才是真正重要的。大数据只是一个现象，只有真正分析利用了，才会有价值[5]。

1.2 中韩造船业的竞争力对比及“智能造船”现状

世界造船业的主要力量仍将是中国、韩国和日本，而智能造船无疑是未来竞争的关键要素。中国造船的竞争力与韩国造船产业相比，还存在很大差距，其对比如表1所示[6][7]。

近年来，韩国现代重工和大宇造船通过与韩国Sktelecom进行合作，构筑下一代超高速LTE(Long Term Evolution，长期演进)通讯网，成为‘4G’智能造船厂[8]。韩国三星重工通过与韩国KT合作，采用了电缆通信解决方案(PLC)，通过电缆实现Wi-Fi无线上网，巨济造船厂生产现场可随时通过Wi-Fi登录互联网[9]。韩国大宇造船海洋工程公司(DSME)于2014年6月和韩国最大的移动运营商鲜京电信(SKT)联手开发信息和通信技术(ICT)为基础的“智能”船舶,其中SK电讯将提供信息和通信技术指引、优化蓝图和研发资源，大宇造船海洋将推广船东所需的“智能船”相关研究成果。新一代智能船将配备全球电信网络的导航和监控系统，而所有船上的服务将被融合到一个单一网络。“智能船”的主要任务是建立一个多链接船舶监控系统，进行自动化和无人化服务，以及船舶运营安全领域[10]。

同时，中国中船信息的“船信”起重机械安全监控管理系统，通过数字协同，无线物联，基于新技术打造信控平台打破传统，实施三维建模与精准定位，基于高精度卫星定位、物联网、云计算等支撑技术，旨在实现起重机械智能吊装[11]。中船集团调动大量资源开发智能船舶，利用物联网、大数据、智能化、服务化，让船“会思考”，随时监控(产品库求购供应)船员操作，持续评估零件状态，对航运保障意义重大[12]。

表1 韩·中造船产业的 SWOT 比较分析

2.解读“生产计划管理”

生产计划管理，一般是指企业对生产活动的计划、组织和控制工作。狭义的生产计划管理是指以产品的基本生产过程为对象所进行的管理，包括生产过程组织、生产能力核定、生产计划与生产作业计划的制定执行以及生产调度工作。广义的生产计划管理则有了新的发展，指以企业的生产系统为对象，包括所有与产品的制造密切有关的各方面工作的管理，也就是从原材料设备、人力、资金等的输入开始，经过生产转换系统，直到产品输出为止的一系列管理工作[13]。

图1 销售与生产运作流程图

由图1可知，生产计划的内涵：一方面为满足客户要求的三要素“交期、品质、成本”而计划；另一方面使企业获得适当利益，而对生产的三要素“材料、人员、机器设备”的适切准备、分配及使用的计划。

生产计划是物料需求计划、产能需求计划以及其他相关计划制定的依据，因此合理的生产计划至关重要。需要考虑多方面的内容，包括途程计划（系决定产品加工所需的加工顺序、方法及条件）、负荷计划又称为工时计划（此计划为追求工作量（负荷）与生产能力（人、机）的平衡而拟定）、同时制定不同种类（大日程即长期的或年度生产计划、中日程即中期的季度或月份生产计划和小日程即短期的周生产或日生产计划）、对生产异常或工期延误有相应的应对机制、开展有效的生产绩效评估（对人员进行管理和激励）、企业物料管理、常备及专用型物料的需求计划、合理的采购策略以及订货数量、企业库存管理、物流运输等[14]。

精益造船生产计划理论起源于日本造船界，主要包括JIT生产、单件流水作业、节拍生产、拉动式计划体系等。拉动式计划体系的目标就是实现计划分级和层层分解，下级计划服从上级计划、同级计划中的下道工序向上道工序提出需求，以后道工序拉动前道工序，实现单件流水作业和JIT生产。其优点是建立全员管理机制，及时发现和消除生产过程中的浪费和瓶颈问题，达到降低成本、提升生产效率的目的。

其中JIT(just in time)生产是指“必要的零件，在必要的时候，只有必要的量”到达生产流程。JIT生产方式有两大哲学，一是消除浪费，二是充分利用工人的能力。要点在于：流程生产，尽量减少物料的停滞及搬运，让物料毫无阻碍地顺畅流通；自动化，JIT特有的说法，并不是说机械化，非人工的自动化，而是“自己工作的自动化”；平均化，JIT的基础，使生产的品种和数量彻底地平均化，保证不留有余量和库存；标准作业，有效组合人、机、物，以快速、安全、经济的方式运作；目视管理。应用相关目视管理工具，彻底改善现场所发生的异常情形，使大家都一目了然，看清问题所在。

郑志波[14]研究了基于系统集成的SWS精益造船生产管理系统模型，其中SWS的核心观点有两个：一是系统的观点，认为企业生产的各个环节，包括市场分析、产品设计、生产制造、市场营销与售后服务的所有经营活动是一个不可分割、相互联系的统一整体，需要统一安排与组织；二是信息的观点，认为企业整个生产运作过程本质上是一个数据的采集、传递、加工、协调的过程。系统观、信息观成为信息时代企业组织、管理生产最基本、最重要的观点。而CIMS就是以企业的全部经营活动作为一个整体，对企业内部的各种信息进行加工处理，借助信息处理工具-“计算机”进行集成化的制造、生产和管理，“制造”是目的，“集成”则是其特色。CIMS的关键在于集成。

在图2中，生产管理是核心，围绕生产管理集成了物资、设计、物流、质量、人力资源、财务等各系统。通过这些系统模块的集成，按照生产管理计划安排，合理调配SWS的物资、人力、现场等资源来共同完成企业管理业务的执行，从而为公司管理层的合理决策提供支撑，提高公司的整体管理水平和各项工作的协调，从而极大地提高公司的业务效率、管理效率和经济效益。

图2 SWS-CIMS集成体系框架

3.生产计划管理在智能造船中的设想和应用分析

综上可知，智能造船是立足于全行业的信息资源，试图通过促进物理世界和数字世界的融合，一方面提高设备安全性与可靠性，降低能耗、物耗与维护费用等，同时减少生产过程中的人力劳动需求，提高生产过程中的柔性与智能化水平；另一方面是打造一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式，实现一种智能化的、社会化的生产模式，最终会走向信息物理系统（CPS），与物联网相比，CPS更强调数字世界对于物理世界的控制，本质就是将物理世界和数字世界合二为一。

如何实现数字化，是智能造船的核心问题。

3.1 生产管理如何实现“数字化”

对于生产计划管理如何实现智能造船，首先就是如何实现生产过程组织、生产能力核定、生产计划与生产作业计划的制定执行以及生产调度工作的数字化。

图3 生产计划环境

由图3可知，生产计划的数字化需要大量的历史数据，需要根据市场需求和竞争者行为等因素制定计划，决定不同时间段的不同生产速率；需要当前考虑生产能力、现有劳动力及员工的素质等因素，调节人力水平，加班或部分开工；库存调节，外协主要由生产运作人员考虑。

以生产计划编制的数字化为例，需要考虑多方面定量指标及预测：

生产计划的主要指标量化，包括产品品种指标（生产什么，品名、规格、型号、种类数等）；产品质量指标（一级品率、合格品率、废品率以及返修率等）；产品产量指标（生产多少）；产值指标（商品产值、总产值及净产值）；出产期等。

需求预测，需给出每个月的预测需求和每个月的工作天数等；库存预测需要给出期初库存和安全库存等；费用需给出材料成本、库存成本、招聘与培训成本、解聘费用、单位

产品或零件加工及装配总组合拢时间、正常人工成本（每天8小时）、加班人工成本（1.5倍工资）等；最后给出可能的方案以及利弊。

3.2 大数据为基础、以预测技术为核心的智能制造和智能使用

当今工业迅速发展过程中产生了大量数据，但数据纷纭复杂，造成了工作生产中的一些矛盾，张宏军[5]分析指出，最突出的矛盾就是市场定制化需求越来越高，同时在整个生产过程中，投入市场的工业设备越来越复杂，制造、使用、管理流程越来越复杂，但市场的效益需求又要求所有的流程管理必须更加精细化，这个矛盾在船舶领域的研制企业中体现特别明显。“传统制造业已经无法解决这些问题和矛盾。”张宏军认为，智能工业 4.0是解决这个问题的有效途径。对于工业4.0，张宏军提炼，其实质主要有这么几个方面，第一是以网络为寄托，以数据为基础。第二是以分析与挖掘等网络实体融合系统CPS（网络—实体融合系统）技术为核心，通过更敏捷、更高效的分析、关联、评估、预测、优化决策等能力的实现，面向各类用户提供满足需求的信息服务支持与活动指导，达到装备与信息的智能化耦合，“它的实质就是装备与信息的智能化耦合，信息化与机械化更深度的融合。”

具体到生产计划管理，首先积累大量的数据，包括人（Man）、机械设备(Machine)、物料(Material)、作业方法及工艺(Method)、相关检测手段(Measure)、环境因素(Environment),共计5M1E的多方面数据；以网络为寄托，对大数据进行深入分析与挖掘，通过高效可靠的分析、关联、评估、预测、优化决策，为生产计划提供所需求的信息服务支持与决策支持，达到生产过程与信息的智能化耦合。

参考文献

[1]中共中央十三五规划建议(全文), 凤凰河北综合,2015.11.10,

https://www.360docs.net/doc/f56696463.html,/life/detail_2015_11/10/4538077_0.shtml

[2]推进“中国制造2025”须把握三大问题, 中国高新技术产业导报,2015.11.09,

https://www.360docs.net/doc/f56696463.html,/html/2015-11/09/content_16715.htm

[3]记者幸笑薇. 舟山船企开启“智能造船”新时代[N]. 舟山日报,2015-07-08005.

[4]中国造船业：逆势中迈向高端智能化造船大国向, 中国经济网,2015.08.28.

[5]船舶工业4.0：一场造船业和航运业的工业智能化革命,中国科技网-科技日报,2014年10月20日

[6]林俊兑. 中国和韩国造船产业竞争力对比分析[D].对外经济贸易大学,2007.

[7]金准. 韩国·中国·日本造船业国际竞争力比较研究[D].复旦大学,2012.

[8] 韩国现代重工和大宇造船成为‘4G’智能造船厂, 造船速报, 2011-10-24.

[9] 当造船遇到IT——智能造船厂在韩国诞生, 中国经济网,2011-04-11.

[10] 大宇造船联手SKT研发“智能船”, 中国水运网,2014-06-02

[11] 智能吊装：开启高效造船时代新纪元, 赛迪网,2014-12-16.

[12] 中船集团研发首艘“会思考”智能船, 中国船舶网,2014-10-21.

[13] 生产计划管理, 百度百科，https://www.360docs.net/doc/f56696463.html,/link?url=DSCp0hzwb-

LZiCBfNPcHWmFIS1WP_Vwsfm2a8D1j2YLHP41We2BNTMnwoq83Sx69B3JuqwCP-Ma9UxT1Vs5J4K

[14]生产计划管理，人大经济论坛，https://www.360docs.net/doc/f56696463.html,

[15] 郑志波. 基于精益造船模式的生产计划管理系统设计与实现[D].上海交通大学,2009.