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基于工位制生产的大型养路机械生产计划支持系统研究

郭涛
【摘 要】以工位制生产方式为基础，分析了大型养路机械生产计划支持系统的需求，设计出系统的领域模型，采用分层架构和面向对象技术，开发出C/S模式的PPSS系统。该系统已成功应用于某大型养路机械制造企业，取得了良好的应用效果。
【关键词】工位制生产；大型养路机械；生产计划支持系统；软件架构
工位制生产方式以工位为作业组织单元，按照节拍化均衡生产的方式，以流水式作业组织生产[1]。目前广泛应用于汽车、船舶、轨道交通装备、大型养路机械等装备制造行业。中国南车集团公司编制了工位制节拍化生产工作指南，构筑了独具特色的工位制节拍化生产方式[2]。南车戚墅堰机车有限公司通过规范工艺流程、查找工序瓶颈、工位切分、编制标准化作业指导书，提升了生产效率和产品质量[3]。天津中车唐车轨道车辆有限公司把先进的精益化思想融入对传统轨道车辆制造当中，分析了工位制节拍化生产方式的优势和重要性，并制定了实施方案[4]。
制定合理的生产计划是工位制生产有序进行的前提条件。合理的生产计划可以综合协调工位、人员、设备、物料等之间的关系，从而提高生产效率、保证产品质量和订单交付日期。
中国铁建高新装备股份有限公司制造总厂采用了工位制生产方式，然而每个月的生产计划依靠有经验的生产调度人员来制定。该方式不仅耗时费力，而且当生产任务变动时需要重新制定计划，不能快速的应对任务的变动。大型养路机械生产计划支持系统（Production Plan Support System，简称PPSS）能够准确高效的根据生产任务制定生产计划，从而代替人工方式制定生产计划。
1 PPSS系统分析
1.1 用例分析
PPSS用例模型如图1所示。PPSS的用户角色类型分为5种：系统管理员、角色管理员、用户管理员、数据管理员、计划员。PPSS的功能包括角色管理、用户管理、数据管理（包括生产工位管理、生产工序管理、车型数据管理）、生产任务管理、制定生产计划。不同角色的用户只能使用指定的功能：系统管理员可以使用系统的所有功能；角色管理员可以使用角色管理功能；用户管理员可以使用用户管理功能；数据管理员可以使用数据管理功能；计划员可以使用生产任务管理、制定生产计划功能。
1.2 领域建模
在PPSS用例分析的基础上，对系统进行建模，对大型养路机械生产计划支持系统领域的需求和领域知识进行总结，归纳出该类系统的共同特征，使用UML建立其领域模型（Domain Model）。
PPSS领域模型包括2个领域概念包：核心包、生产计划向导包。如图2所示。各包的功能如下：
核心（Core）包为PPSS系统领域概念模型的基础和核心，其它包都依赖于核心包中的各种概念。它包含了PPSS系统中的各种概念实体：生产任务（Production Mission）、车型（Machine Type）、生产工序（Production Process）、工位（Work Station）、工时（Working Hours）等。各个概念的关系如下：一个月度生产计划有多个生产任务；每个生产任务对应一种车型；每种车型有多台车和多个工序；每个工序有一个工时、开始时间和结束时间；一个工位有多个工人，可完成多道工序。
生产计划向导（Production Plan Guide， PPG）包用来生成生产计划，包含了生成生产计划相关的各种概念和相关的算法，分别为生产任务管理算法（Mission Management Method）、生产计划向导算法（Plan Guide Method）。
2 PPSS软件架构设计
2.1 PPSS概念性架构
根据PPSS系统分析，并综合比较分层架构模式、黑板架构模式、中介架构模式、微核架构模式等多种架构模式，选用分层架构作为PPSS软件架构。在分层架构模式下，将系统从下至上分为四层：数据层（Data Layer）、数据访问层（Data Access Layer）、业务逻辑层（Business Logic Layer）、表示层（Presentation Layer）。数据库可采用Access、SQL Server、Firebird嵌入式数据库等。分层架构降低了系统的耦合度和依赖关系，易替换，可复用，利于标准化。
PPSS的概念性架构如图3所示。
表示层是系统的UI部分，负责用户与系统的交互。WinForm中含有多个Windows窗体，用户通过这些窗体与系统进行交互。WinForm通过逻辑层获取数据。
逻辑层提供业务逻辑的封装，是整个系统的核心。IBBLLStrategy是对业务策略的抽象封装，BLL是业务逻辑层的核心模块，它包含了整个系統的核心业务。在业务逻辑层中，必须通过数据访问层才能访问数据库。
数据访问层提供访问不同数据库的方法的封装。IDAL模块是数据访问层的接口程序集，DALFactory模块是创建DAL对象的工厂，Model模块包含了数据实体对象，SQLDAL、AccessDAL和FirebirdDAL分别访问SQL Server数据库、Access数据库和Firebird数据库，实现了IDAL接口。
数据层在物理上实现数据的创建、查找、更新、删除等操作，其实质是在SQL Server、Access和Firebird数据库中实现这些操作。
2.2 PPSS实际架构
概念性架构确定了PPSS的设计要素和交互机制。在PPSS概念性架构的基础上，设计出能为实际开发提供更多指导的实际架构，着重从架构设计的5视图法[5]（逻辑架构、开发架构、运行架构、数据架构、物理架构）来设计实际架构。
下面以逻辑架构和数据架构为例对实际架构进行说明。
逻辑架构着重考虑功能需求，它关注行为或职责的划分。下面以活动图说明PPSS的逻辑架构，如图4所示。PPSS用户登录系统后，可使用个人信息管理、用户管理、角色管理、基础数据管理、生产任务管理功能。其中每个功能下有不同的子功能。用户通过系统最终可生成月度生产计划报表。
数据架构关注持久化数据的存储方案。下面以E-R图对PPSS数据架构进行说明，如图5所示。在PPSS的数据库中有8张表：用户表（Users）、角色表（Roles）、车型表（Machine Type）、工位表（Production Group）、工序表（Production Process）、生产任务表（Production Plan）、计划时间表（Plan Time）、日志表（System Log）。
各个表的作用如下：用户表用于存放系统用户数据，角色表用于存放系统角色数据，车型表用户存放大型养路机械车型数据，工位表用户存放生产工位数据，工序表用于存放大型养路机械的工序数据，生产任务表用于存放各个月份的生产任务数据，计划时间表用于存放工序时间节点数据，日志表用于存放系统生成的日志数据。
3 PPSS设计、实现与应用
在对PPSS进行系统分析和软件架构设计的基础上，结合生产实际，开发出基于工位制生产的大型养路机械生产计划支持系统。
3.1 大型养路机械生产工序流程
中国铁建高新装备股份有限公司制造总厂总装分厂在生产组织方式上分为四个工段：喷漆工段、预组装工段、总组装工段、调试工段，各工段有若干工位。生产流程如图6所示。由于大型养路机械生产流程工序较多，结合总装分厂实际，PPSS仅涉及到组装过程，不涉及调试过程。
3.2 系统开发平台
本系统基于.NET开发平台，采用C#语言和Firebird嵌入式数据库（可扩展为Access、SQL Server等其它关系型数据库）开发。具体如下：
？誗主开发平台：Visual Studio 2010 （C#语言）
？誗数据库平台：Firebird 2.5.1 （SQL语言）
？誗数据库建模工具：CA Erwin 7.2.0
？誗系统建模工具：Visio2010，Enterprise Architect 8.0
3.3 系统主要功能模块
大型养路机械生产计划支持系统包括7个功能模块：用户登录、用户管理、角色管理、基础数据管理、计划任务管理、计划报表生成、系统日志。如图7所示。
用户登录功能模块用于验证用户的合法性和用户所属的角色类型，根据不同角色类型给用户分配指定的功能。用户登录后能修改个人密码、查看并修改个人信息。
用户管理功能模块用于查看、添加、编辑、删除用户。系统内置用户不能被编辑和删除；系统当前登录用户能被编辑，但不能被删除。该功能的使用要求当前登录用户具有用户管理权限。
角色管理功能模块用于查看、添加、编辑、删除角色。系统内置角色不能被编辑和删除；当前登录用户的角色能被编辑，但不能被删除；在删除角色时，若角色包含用户数据，会提示用户，如仍选择删除，相应的用户数据也会被一并删除。该功能的使用要求当前登录用户具有角色管理权限。
基础数据管理功能模块用于与大型养路机械生产相关的数据管理，包括工位数据的查看、添加、编辑、删除；工序数据的查看、添加、编辑、删除、排序；生产车型数据的查看、添加、编辑、删除。生产车型数据含有每个生产工序的生产工时数据。该功能的使用要求当前登录用户具有基础数据管理权限。
计划任务管理功能模块用于某年某月生产任务的查看、添加、编辑、删除。添加的生产任务包括车型、生产批次、数量、编号信息。该功能的使用要求当前登录用户具有生产计划向导权限。
计划报表生成功能模块用于某年某月生产计划的生成。在生成计划时，首先指定该月的休息日和假期。在月历中单击某天即可将该天添加为休息日或假期，在休息日及假期列表中右键选中某天可删除该天。最后单击生成计划按钮即可生成本月度的生产计划报表，报表为EXCEL格式。该功能的使用要求当前登录用户具有生产计划向导权限。
系统日志功能模块用于记录用户的关键操作，包括系统登录信息、用户管理信息、角色管理信息、数据管理信息、计划任务管理信息、计划报表生成信息。系统日志不能被编辑或删除。系统日志的查看需要当前登录用户具有系统日志查看权限。
3.4 系统测试与应用
本系统采用C/S结构，可将数据库部署于服务器，多个客户端软件运行于用户计算机，也可将数据库和客户端软件部署于同一计算机作为单机软件使用。
下面以制造总厂总装分厂2016年11月份的生产任务为例对本系统进行测试应用。总装分厂11月份的生产任务如表1所示。
打开软件，用系统管理员用户登录系统，输入正确密码后进入软件。
依次进入：数据管理——车型工时管理——增加车型。输入相关车型信息及其工时数据后保存。若车型数据已存在则可跳过该步骤。
进入生产计划向导菜单，选择生产时间：2016年11月，选择车型：捣固车，输入批次：2015-303，输入数量：5台，输入初始编号：376#，单击添加按钮。稳定车生产任务的添加同上所述。添加完成后，在右侧列表可看到添加的生产任务，选定后可以编辑或删除。如图8所示。单击下一步按钮，选择休息日和假期，选定后单击生产计划按钮，即可生成2016年11月总装分厂生产计划表。如图9所示。
实际测试应用表明该大型养路机械生产计划支持系统操作简单、方便，界面友好，功能丰富，可帮助用户快速高效地制定大型养路机械月度生产计划。
4 结束语
通过分析基于工位制生产的大型养路机械生产计划支持系统，设计出系统的软件架构，在Visual Studio 2010平台上使用C#语言和Firebird嵌入式数据库开发出大型养路机械生产计划支持系统。系统的成功应用表明，该系统设计合理有效，能够满足大型养路机械生产计划制定的需求。
【参考文献】
[1]杨善伟.精益生产在戚机公司机车组装车间的应用研究[D].镇江：江苏大学，2013.
[2]中国南车集团公司.工位制节拍化生产方式[J].企业管理，2014（1）：99-100.
[3]唐军军，蒋新艳.精益节拍化生产运用研究[J].卷宗，2014（12）：339-340.
[4]陈卓.工位制节拍化生产方式在轨道车辆制造中的重要性[J].企业改革与管理，2016（18）：215.
[5]温昱.软件架构設计[M].北京：电子工业出版社，2008：64-65.
[责任编辑：朱丽娜]
科技视界2017年5期
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