船舶焊接工程管理系统研究
发布时间：2019-01-05 点击：
发布：中国论文期刊网
第 1 章 绪论
1.1 研究背景和意义
船舶行业是现代化的综合性行业，其为开发海洋资源、水上交通、石油、天然气运输、以及国防军事提供相关技术支持，是军事和民用相结合的综合性产业，同时其为先进装备制造业发展起到了至关重要的作用。加快船舶工业的发展，有利于我国综合国力的提升，也有利于解决就业压力、为开发海洋资源提供装备支持、同时也保障了交通和军事运输的安全性，从而促进国民经济持续有效的发展。工信部公告的《船舶工业“十二五”发展规划》的文件中指出，我们将通过加快数字化造船技术，通过设计系统的数字化、产品制造系统的数字化以及加大生产管理系统投入，为实现造船总装化、信息集成化和管理精细化奠定基础，从而达到精益造船的目标。
焊接是船体建造过程中的关键工序，在船体建造总工时中，焊接工时约占 30%～40%；船体成本中，焊接成本约占 1/3 左右。船舶焊接具有耗时长，成本高的特点。因此，船舶焊接技术发展有利于造船建造周期的缩短，也更加有利于船舶质量的保证[1]。
当前计算机信息技术飞速发展，造船行业也越来越重视船舶焊接过程中使用计算机技术，通过先进的信息化技术使用来保障船舶焊接领域的技术支持。目前，我国已经将计算机技术广泛地应用于船舶焊接生产环节中，通过系统对船舶焊接过程模拟、利用计算机编制船舶焊接工艺手册以及对焊接过程的自动化控制，不仅有利于船舶焊接质量和效率的大幅度提高，也更好的带动船舶焊接技术的发展[2]。
而船舶焊接过程中存在许多因素的影响，例如：焊接设备、环境、焊工经验程度，从而导致船舶设计者对焊接工艺参数选择以及制定焊接工艺顺序等相关工作时，需要通过查阅大量焊接工艺手册以及需针对船企的焊接工艺特征来制定[3]。并且实际生产过程中，焊接工时和焊材消耗是无法准确把握的，现有船厂的焊缝数据信息量是十分庞大的，无法利用现有的 CAD 进行设计和管理。在船舶焊接中，实际的生产过程中存在着大量问题：
（1）焊接工作占据船舶建造工时的大份额，目前大部分中国船厂制定焊接工时的方法采用有以下两种类型：
①通过统计焊工每人每天的焊材消耗的数量来进行工时计算的，这种方法首先由于不同的焊接工种得出的结果不一致，并且在统计过程中依靠经验测量得出，所以该方法误差大，不适宜；
②通过对同类型船舶焊接工时总额进行统计，从而推算出需要计算的船舶焊接工时总额，按照分段的重量将焊接工时总额进行分配，此方法无法灵活调整焊接工时制定，如影响焊接工时的相关因素考虑进去，仅仅根据分段的重量来分配焊接工时，也影响了工时安排的合理性，从而未形成有效的管理系统。
（2）目前船厂中焊接材料的损耗也很大，存在很大的浪费，如何合理的分配焊接材料是关系到如何控制焊接成本的关键，合理的焊接物量制定将有效的节约造船成本。
（3）现有的 CAD 中有大量的焊缝数据，但是信息量十分庞大，没有进行有效的管理，焊接施工班组没有比较详细清楚的焊接工程管理系统。
（4）焊接现场数据无法及时反馈给船厂的生产技术部门，导致焊接效率不高，焊接存在质量问题质检部门不能及时发现，焊接的现场实际的数据（焊接物量，焊接工时）没有对现有数据库中的数据进行归纳分析。无法形成有效的全面质量管理 PDCA（PLAN 计划、DO 执行、CHECK 检查、ACTION 处理）循环系统。
（5）反馈的信息没有及时有效的对将来的造船焊接工作提供帮助，没有及时对企业的核心数据库进行更新，所以并为达成精益造船的目标。
因此船舶焊接工程管理是存在很多问题的，如何设计出有利于船舶制造的焊接工程管理系统是很有必要的。
1.2 工程管理系统的研究现状
工程管理（Engineering Management）它是在目前企业现有的资源基础上，利用先进的科学技术手段，进行分析，用比较小的成本、人力等投入为企业创造较大的收益，进而为企业实现目标成果。经调查研究发现，大型工程项目具有以下的特点：生产规模较大、不同施工项目交叉作业、工时较紧、技术上难度较大。综上来看，目前工程项目管理必须要注意如何合理而有效安排工程物资、设备以及人力的调度工作。目前的现代工程管理中，许多的企业目标是采用精细化管理模式来将投资风险降低，从而提高企业的效益并将管理信息及时反馈，以上便需要企业加大管理者水平的提高，在工程管理中加大科学技术的投入到工程实施的过程中，提高企业的综合竞争能力[4]。
实际上，信息数据管理对工程管理的具有重要的作用，想要全面掌握工程项目管理中的相关信息，需要对数据的特点进行全面分析，想要精准而快速对信息数据进行分类处理以及抽取后进行后期处理工作，很大程度上需要依靠工程信息管理系统的技术上的支持[5]。现如今许多的大型的工程管理项目都采用了信息化、智能化的科学技术，为企业创造了巨大的价值，这些都得益于相关系统软件的开发以及对管理技术优化。
1.2.1 国外工程管理系统研究现状
国外工程管理系统发展主要有以下三大阶段：第一阶段，软件的设计主要为工程的基本功能而服务的；第二阶段，由于互联网和通讯设备的发展，软件的开始面向互联网和手机用户，并且达到了分析数据和预测功能；第三阶段，通过 Internet 利用进行工程管理系统的集成开发。国外工程管理发展了许多年，其已经形成了一套比较成熟的信息管理系统（例如：工程进度管理、工程合同管理等），在工程项目的应用上，计算机从开始的单项应用到综合应用，再发展到现在的系统应用[6]。软件开发的相关使用功能也从开始的单一化到集成化转变。三十多年以来，国外在工程管理系统研究上，已经具有系统化的理论成果，例如：制定工程项目计划、控制工程管理中的投资、工程进度安排以及工程质量监督体系，并且在理论研究的基础上已开发出相关软件产品[7]。
现在企业使用较为广泛的软件主要有以下几个：P3（Primavera Project Planner 的简称）软件，它是由 primavera 公司针对工程管理中的进度、资源以及成本管理三个方面进行设计的；针对合同管理的 Expedition 软件；成本和员工业绩考核的 PARADE 软件；工程项目风险预估分析的 Monte Carlo 软件以及相关辅助软件 Microsoft Project，在实际的生产投入中，企业按照企业实际生产需求进行相关软件的二次开发工作[8]。
1984 年，Peter 较早论述计算机辅助工程管理的理论，其著作《应用微小型计算机进行项目管理（Construction Project Management Using Small Computer）》，他不仅介绍了计算机的相关基础知识，还将工程管理中的计算机辅助设计相关理论知识进行相关阐述，系统地概括工程管理系统的组成部分和其作用[9]。通过相关文献资料的研究，国外在工程管理信息化上不仅单一依靠计算机辅助设计 CAD、计算机辅助施工 CAC以及办公自动化 OA，而是通过信息集成融汇贯穿于工程管理系统中。马智亮、刘斌通过分析日本建设 CALS / EC（Continuous Acquisitionand Life cycleSupport / Electronic Commerce）目前的发展情况，研究其目标，并且针对日本建筑行业工程实施中存在问题提出了解决性的意见，中国的建筑工程管理系统化也可以此作为借鉴更好地带动中国建设行业信息化发展[10]。
当今世界造船行业，日、韩两国处于领先地位，他们的造船经验是值得我们去研究的。日、韩船厂中特别是日本船厂，其以实际性，高效化为工程原则，依靠信息技术，对企业的各类型的资源进行了合理有效的管理，充分体现了高效造船和数字化造船。
二十世纪七十年代，日本船厂早就已经开始使用成套的技术理论和统计学方法，全面改造了船厂设施等硬件以及生产组织的软件。按照船上的区域、作业和施工三个方面将船舶分解成了各种“中间产品”，并按照“中间产品”专业化分道生产的原则进行组织生产和管理。对生产过程中遇到的各种情况进行量化处理，对船厂生产过程进行标准化管理，从而有效控制造船各个阶段，使造船的质量、水平和效率大大提高，二十世纪八十年代后，韩国船厂全面引进了日本造船模式，主要就是在软硬件方面，很快其造船的技术水平赶上了日本。原来世界第一的造船强国是英国，七十年代也大量引进先进的现代化造船设施，但是英国并没有在工程管理的软件上按照现代化造船的模式进行全面的改造，导致引进的先进设备无用武之地，很快英国的造船地位被日韩赶上[11]。
1.2.2 国内工程管理系统研究现状
当前计算机已被广泛应用于社会各行各业中。我国的工程管理软件研究在过去的几十年，发展道路曲折，近二十年随着国家的重视得到较好发展。在工程管理实践过程中，开发工程管理软件以及对相关理论知识的研究起到了至关重要的作用。
八十年代初期，计算机开始广泛的普及，工程管理软件的开发以及工程管理工作更加规范化，加大了与客户沟通，在系统开发上功能更加强大，成本也大大降低，许多中小型企业借助以上的优势和计算机的技术支持，为其发挥了巨大的价值作用，使相关信息化技术落到实处。与此同时，不仅仅在相关数据分析、物资计划以及成本控制上运用计算机，还将工程管理各个环节中的数据处理工作运用了 IT 技术，在提高企业工程效率的基础上更加注重企业综合管理水平的提高[12]。
杨云志、陈杰使用工作流程的技术分析车间的基本工作流程，提出了一种车间动态制造单元分解、建立的方法；采用面向对象的技术，建立了以动态制造单元为基本元素的车间对象模型和功能模型[13]，但该研究构建的体系较大。殷俊、王杰等针对机械化制造企业的现有的生产管理流程探讨，并研究其管理思想，在此基础上设计了生产管理信息系统，并与此系统相支撑的模型，提出了关于生产管理信息系统的相关工作流程技术解决方法[14、15]，但其研究所描述的机械化生产企业的作业流程比较简单。
赵凯、何卫平等提出在企业生产运作管理中应将工作流程与制造任务分配到车间生产过程相互联系，进行生产管理研究[16、17]，分析并建立了车间生产工作流模型主要针对于 MES 的离散制造企业的，通过以上模型的建立，以及系统中生产任务信息获取来指导现场生产工作，有利于实现生产过程的实例化、及时的变化以及生产全程的质量监控。西工大的研究主要是针对航天制造业，没有实现具有重要意义的航天车间生产工程管理工程流程模型的仿真以及航天相关生产工作的优化。
刘冬宝、查少青对工程管理中的敏捷响应技术和仿真技术进行深入研究，提出利用工作流对工程管理中的生产车间物流进行建模，并通过仿真的方法来构想生产过程的重组；并详细的研究了工作流程的建模方法、工作流程引擎设计方法和实际工作流程实行规则[18、19]。1.3 焊接数据库的研究现状
数字化焊接的核心就是建立焊接数据库，目前焊接数据库已经广泛应用于焊接领域。焊接领域的数据库主要有以下三个部分组成的，如图 1.1 所示：焊接数据库、数据库管理系统以及应用程序[20]。
焊接数据库主要功能用于焊接相关信息以及焊缝数据的存储，数据库管理系统是针对用户对焊接数据管理需求设计出的程序，应用程序通过界面设计服务于数据库[21]。
通过研究发现，目前焊接数据库的种类有很多，例如：焊接工艺数据库[22]、焊材数据库、焊工信息数据库[23]、以及关于焊接计划和焊接生产的数据库等等。通过将焊接方面的数据信息进行收集、分类建立起一个焊接数据库，其功能主要用于焊接信息存储、系统的数据维护、以及方便用户查询相关数据资源，以便于用户可以根据自己的需求及时、方便而准确地抽取自己需要的信息。焊接生产作业是一项复杂的工种，拥有焊接数据库将大大提高了焊接工作的效率也更好地保证了焊接质量[24]。
1.3.1 国外焊接数据库的研究现状
上个世纪 70 年代末期，一些工业较为发达的国家就已经开始研究焊接数据库系统，主要有英国、德国、日本、美国，在研究数据库的基础上还相应地开发了焊接软件。
到了 80 年代初期，焊接工艺工程数据库系统被研发出来，该系统主要涵盖了以下功能焊接工艺的设计、焊接工艺的选择[25]、缺陷分析、诊断设备故障、成本预估、焊接生产监控[26、27]、焊工考核考试题库[28]、焊接图纸 CAD 数据库存储[29]。以上功能几乎贯穿于焊接生产的准备到结束，以及小到了焊工考核。
日本于 1976 年最先研究焊接数据库，并设立了委员会专人研究，RiichiroMizoguchi等学者构想出了焊接专家系统数据库的框架，该系统被分为七个模块，主要包括以下：焊接工艺、参数、接口预热、预热、焊后热处理、焊接材料以及焊接性，将以上模块的内容与焊接知识库联系在一起，用户可以根据自己的需求，在系统界面上将自己需求结果查询并显示，焊接知识库包括焊材数据、焊丝/焊剂数据、破口数据以及焊接相关参数等[30]。十年后，日本在焊接数据库发展史上处于至关重要的时候，在焊接数据库委员会的第五次会议上，专家们提出了未来的焊接领域数据库发展目标和方向，将焊接知识库的分类更加细致化加入了坡口形状、焊接条件、焊接方法、焊接接头性能以及焊缝中含有的金属化学成分的数据库[31]。1986 年，Scott M.S 等人将焊接工程数据库的功能更加规范化、合理化[32]。为防止焊缝冷裂纹出现，选择适合的焊接工艺参数，日本的国立金属材料技术研究所建立了焊接 CCT 图数据库，并且在此基础上开发热循环计算程序[33]。
1984 年美国通过面向全世界的材料数据收集，将材料化学成分、力学和物理性能等数据整合见了材料数据库网[34]。首次开发焊工技术评定数据库系统是由美国的Btimouyu 电器公司于 1989 年设计出来的，该数据库系统中包括焊工信息情况、焊接考试、焊缝参数信息，并且可通过报表的形式将信息展现出来。1990 年美国焊接研究所研究出了 CORRALD1.1WPS/PQR 数据库[35]，主要依靠于 AWSD1.1-88 进行开发的，通过该系统可以输入用户需要了解的相关焊接信息、实现了查询和浏览的功能，并可以根据需求打印焊接工艺评定 PQR，该系统还可以处理焊接接头和坡口图。WeldSelector 数据库也是该研究所建立的，该系统被誉为最具代表性的专家知识数据库，用户选取不同的焊接方法，为用户提供该方法下对应的焊条、焊剂以及焊丝[36]。Edison焊接研究所是位于美国加州的一所焊接研究所，其开发 WELDSPEC PLUS 数据库系统，主要针对焊接工艺和焊接工艺评定 PQR 而设计的数据库系统[37]。该研究所创建的网站http://www.Ewi.org 是关于焊接资源的最早的网站，将焊接技术最早引领网络化时代[38]。
美国的 WPS America 公司于 2006 年针对相关标准管理焊接工艺流程和焊接工艺评定记录，并且该集成信息化技术可以将需求生成文档的形式。C-spec 公司于 2010 年开发有关焊接办公的软件，最主要软件如 Weld Office WPS，根据 2010 年开发了一系列焊接办公软件。其中包括模块，涵盖了以下标准：ASMEIX、AWSD1.1、EN 287、EN 288、ISO15614、ISO9606，并按照以上标准规范焊接工艺。
1986 年英国焊接研究所创建了 WeldSpec 焊接工艺数据库，该数据库按照 BS4870标准[39、40]，可以实现多条件的焊接工艺评定记录查询功能，例如母材种类、焊材厚度、焊接方法以及焊接工艺评定号。
1987 年德国焊接协会关于焊接数据记录以及焊接文献的焊接信息系统开发[24]。
2000 年英国焊接研究所开发了新版焊接工艺评定，该新版本基于 ASMEIX 标准，在 Microsoft Windows 平台下开发的。该版本是英国焊接研究所与以下公司（Cambridge、C-spec、U.K.、Pleasant Hill 和 Calif）一起联合开发的[41、42]。
2004 年 A.M.A.El-Rasheed 和一些学者在自动化监控系统的特点的基础上，开发了自动点焊非破坏性的焊接评估系统，此系统的目的是为了记录在焊接生产管理中监控过程所产生的数据[43]。
2006年 TOMAS KAMINSKAS 等人研发了关于焊接技术的设计知识库管理系统，该系统有效的帮助焊接工艺设计者们选择最佳的焊接参数，使得焊接施工更加合理而参数更加标准化[44]。
1.3.2 国内焊接数据库的研究现状
上个世纪八十年代中后期，我国也开始对焊接数据库进行研究，由于 2000 年以前我国的计算机发展落后，关于焊接软件研究主要是焊接数据文件类型管理，仅仅能进行焊接数据统计计算，对于一些复杂的计算工作，还无法完成。
哈尔滨工业大学与哈尔滨锅炉厂于 1986 年联合研究锅炉和压力容器相关的焊接数据库[45]，1991 年邀请专家对该数据库系统进行评定。该数据库系统具有以下功能：
在系统界面输入需要焊接的母材型号、板材厚度以及焊接接头形式，该系统涵盖了大约两百多条的焊接规则，根据输入的信息，可以为用户提供合适的焊接材料，并对焊接工艺流程设计更好地规范焊接操作。1998 年再次联合研发了焊接工艺规程数据库系统（WPSDBS），利用 FoxPro 计算机语言来进行研发的，该系统具有以下功能：用户需求输入、查询焊接工艺规范、存储搜索信息以及焊接报表打印[46]。胡小建于同年研究出关于弧焊的焊接工艺评定的数据库系统，该系统能够查找母材、焊材以及焊接工艺评定的数据信息，并且其还采用“启发式”的方法来对焊接工艺流程进行规范，也更好的确保焊接接头性能[47]。
西安交大的焊接研究所开发了关于钢制压力容器的焊接工艺的专家焊接管理系统，该系统采用了 Visual C++4.0 和 FoxPro5.0 两种编程语言，建立在 Windows 95 的平台上，将系统与数据库紧密结合在一起，并且是以压力容器 JB4708-92 标准来设计该焊接管理专家系统[48]。叶炳义将计算机辅助工艺工程设计（CAPP）原理成功运用到了焊接管理专家系统中，将计算机辅助工艺运用到系统中，大大解决了手工工艺的缺陷[49]。
之后天津大学以及清华大学也将 CAPP 原理运用到焊接数据库的建立，关于压力容器的焊接工艺的评定以及焊接管理专家系统的研究一直未止步，刘滢等专家通过长时间致力于此方面的研究，研发出智能判断焊接工艺评定的系统，更加高效管理焊接工艺也更便于查询相关信息[50]。
计算机辅助工艺工程设计（CAPP）最早是由天津大学与湘潭大学联合研究的，基于 Visual Basic 语言，以 Windows 95 为平台研发出来的[51]，可为各类型的焊接接头设计其焊接工艺。袁崇福等人通过对焊接结构装焊工艺信息进行整理和归纳，设计出较高效便捷的焊接结构的计算机辅助装焊工艺系统[52]。
2005 年谢娜等人创建了以 MicrosoftAccess 为平台和 MicrosoftVisualBasic 编程语言的 CAPP 焊接库软件系统，该系统主要服务于焊接技术工作者，涵盖了焊接的成形方法和缺陷、焊接工艺参数等模块，便于快速设计焊接工艺[53]。大连交通大学黄永生于 2011 年设计出计算机辅助焊接工艺设计系统[54]，该系统的开发工具为 VC.NET，运用 Oracle 数据库创建的，用户从焊接方法选择、设计坡口尺寸、焊接工艺参数设置到最终焊接工艺卡的生成都可以通过该系统来实现，大大为焊接生产作业创造价值。
西安石油大学开发了压力容器焊接工艺评定系统，此系统是与西安长庆科技公司合作研发的，具有以下功能：将焊条信息、焊接工艺评定报告、焊接工艺指导书、焊工信息情况进行存储，国内外焊条对比查询，该系统能及时更新数据库焊接信息，以及打印焊接报告、文档的功能，根据用户需求可进行单条件以及多条件筛选查询，并且该系统首次能实现单一焊缝成本计算功能[55]。
随着网络技术的发展，焊接数据库的研究逐渐融入了网络技术。例如：武汉理工大学利用网络技术开发了基于 INTERNET 的焊接工艺评定数据库管理系统、在 UML技术基础上哈尔滨工业大学开发焊接工艺评定管理系统、还有以 AWS 为标准的焊接工艺评定数据库由南京航空航天大学研究的，在今后的焊接数据库管理系统研究中，以 C/S 以及 B/S 为构架的系统将运用的更加广泛。
1.4 船舶焊接管理系统国内外研究现状
目前国内外对焊接工程管理系统这块的研究并不多，但是制造业的各个领域中都涉及到焊接，焊接直接影响到产品的质量以及企业生产成本。闫俊针对管道焊接质量与工程进度方面研究出了管道焊接质量管理系统，该系统实现了多工程项目管理，并且单个工程项目可分配到各个施工组，并且在质量管理这块，有许多质检环节，例如：完成焊缝接口情况、检验探伤、硬度检测、质检以及热处理结果检测，动态的实时监控保证了焊接质量的同时，也实现了现场焊接作业进度安排合理。但该系统并没有形成良好循环的体系[56]。
而针对于船舶焊接工程管理系统的研究更是很少，船舶焊接工艺流程复杂，涵盖的焊接工艺信息量庞大，设计者很多都是凭经验而开发，针对以上船舶焊接工艺的特点陈君、贾晓亮、田锡天、黄利江研发出了船舶焊接的计算机辅助工艺设计（Welding Computer Aided Process Planning, WCAPP）系统。通过对船舶工艺特点剖析，构架系统框架，设计其相关需求功能，在创建了船舶焊接工艺知识库的基础上开发的，并实际运用于船舶焊接生产中，但是该系统中并没有涉及到焊接物量和焊接工时这块的研究[57]。对于船舶焊接工程管理系统的研究将大大地有助于船舶行业质量控制、降低成本和提高效率。
1.5 研究内容
（1）船舶焊接数据分析
对现有的船舶焊接工艺进行分析，现有的船舶焊接形式，船舶焊接坡口和方向，船用焊接材料以及船舶焊接工艺特点，针对以上焊接工艺，按照船舶工艺设计流程为94K 船舶设计其焊接工艺，并研究如何将收集到的焊接工艺数据进行抽取，为构建焊接工程管理系统奠定基础。
（2）焊接工程管理系统构建
基于得出的目标焊接物量和焊接工时定额，和相关的焊接信息，以 C/S 架构构建一个大型的焊接工程管理系统，将焊接任务分派到船厂的每个施工班组，提供各个施工班组的目标定额及目标工时，以及每条焊缝对应的主要焊接相关信息。焊接工程管理系统中还包含了各个施工班组成员的焊接派工单,以便现场操作的焊工查询。
（3）船舶焊接物量与焊接工时研究
基于一个单船的焊接生产数据库，该焊接生产数据库中已包含以下信息:每条焊缝的理论物量、理论的工时定额，以及其他的焊接信息（焊缝长度、板厚、坡口形式、焊角高度）。实际的焊接过程中还存在着焊接材料物量的损耗，以及不同焊接工种的技术水平，焊接实际工时与理论工时还存在较大的差别，将理论物量、工时定额加上损耗的焊接物量和焊接工时，得出较为合理的目标焊接物量和焊接工时。
1.1 研究背景和意义
船舶行业是现代化的综合性行业，其为开发海洋资源、水上交通、石油、天然气运输、以及国防军事提供相关技术支持，是军事和民用相结合的综合性产业，同时其为先进装备制造业发展起到了至关重要的作用。加快船舶工业的发展，有利于我国综合国力的提升，也有利于解决就业压力、为开发海洋资源提供装备支持、同时也保障了交通和军事运输的安全性，从而促进国民经济持续有效的发展。工信部公告的《船舶工业“十二五”发展规划》的文件中指出，我们将通过加快数字化造船技术，通过设计系统的数字化、产品制造系统的数字化以及加大生产管理系统投入，为实现造船总装化、信息集成化和管理精细化奠定基础，从而达到精益造船的目标。
焊接是船体建造过程中的关键工序，在船体建造总工时中，焊接工时约占 30%～40%；船体成本中，焊接成本约占 1/3 左右。船舶焊接具有耗时长，成本高的特点。因此，船舶焊接技术发展有利于造船建造周期的缩短，也更加有利于船舶质量的保证[1]。
当前计算机信息技术飞速发展，造船行业也越来越重视船舶焊接过程中使用计算机技术，通过先进的信息化技术使用来保障船舶焊接领域的技术支持。目前，我国已经将计算机技术广泛地应用于船舶焊接生产环节中，通过系统对船舶焊接过程模拟、利用计算机编制船舶焊接工艺手册以及对焊接过程的自动化控制，不仅有利于船舶焊接质量和效率的大幅度提高，也更好的带动船舶焊接技术的发展[2]。
而船舶焊接过程中存在许多因素的影响，例如：焊接设备、环境、焊工经验程度，从而导致船舶设计者对焊接工艺参数选择以及制定焊接工艺顺序等相关工作时，需要通过查阅大量焊接工艺手册以及需针对船企的焊接工艺特征来制定[3]。并且实际生产过程中，焊接工时和焊材消耗是无法准确把握的，现有船厂的焊缝数据信息量是十分庞大的，无法利用现有的 CAD 进行设计和管理。在船舶焊接中，实际的生产过程中存在着大量问题：
（1）焊接工作占据船舶建造工时的大份额，目前大部分中国船厂制定焊接工时的方法采用有以下两种类型：
①通过统计焊工每人每天的焊材消耗的数量来进行工时计算的，这种方法首先由于不同的焊接工种得出的结果不一致，并且在统计过程中依靠经验测量得出，所以该方法误差大，不适宜；
②通过对同类型船舶焊接工时总额进行统计，从而推算出需要计算的船舶焊接工时总额，按照分段的重量将焊接工时总额进行分配，此方法无法灵活调整焊接工时制定，如影响焊接工时的相关因素考虑进去，仅仅根据分段的重量来分配焊接工时，也影响了工时安排的合理性，从而未形成有效的管理系统。
（2）目前船厂中焊接材料的损耗也很大，存在很大的浪费，如何合理的分配焊接材料是关系到如何控制焊接成本的关键，合理的焊接物量制定将有效的节约造船成本。
（3）现有的 CAD 中有大量的焊缝数据，但是信息量十分庞大，没有进行有效的管理，焊接施工班组没有比较详细清楚的焊接工程管理系统。
（4）焊接现场数据无法及时反馈给船厂的生产技术部门，导致焊接效率不高，焊接存在质量问题质检部门不能及时发现，焊接的现场实际的数据（焊接物量，焊接工时）没有对现有数据库中的数据进行归纳分析。无法形成有效的全面质量管理 PDCA（PLAN 计划、DO 执行、CHECK 检查、ACTION 处理）循环系统。
（5）反馈的信息没有及时有效的对将来的造船焊接工作提供帮助，没有及时对企业的核心数据库进行更新，所以并为达成精益造船的目标。
因此船舶焊接工程管理是存在很多问题的，如何设计出有利于船舶制造的焊接工程管理系统是很有必要的。
1.2 工程管理系统的研究现状
工程管理（Engineering Management）它是在目前企业现有的资源基础上，利用先进的科学技术手段，进行分析，用比较小的成本、人力等投入为企业创造较大的收益，进而为企业实现目标成果。经调查研究发现，大型工程项目具有以下的特点：生产规模较大、不同施工项目交叉作业、工时较紧、技术上难度较大。综上来看，目前工程项目管理必须要注意如何合理而有效安排工程物资、设备以及人力的调度工作。目前的现代工程管理中，许多的企业目标是采用精细化管理模式来将投资风险降低，从而提高企业的效益并将管理信息及时反馈，以上便需要企业加大管理者水平的提高，在工程管理中加大科学技术的投入到工程实施的过程中，提高企业的综合竞争能力[4]。
实际上，信息数据管理对工程管理的具有重要的作用，想要全面掌握工程项目管理中的相关信息，需要对数据的特点进行全面分析，想要精准而快速对信息数据进行分类处理以及抽取后进行后期处理工作，很大程度上需要依靠工程信息管理系统的技术上的支持[5]。现如今许多的大型的工程管理项目都采用了信息化、智能化的科学技术，为企业创造了巨大的价值，这些都得益于相关系统软件的开发以及对管理技术优化。
1.2.1 国外工程管理系统研究现状
国外工程管理系统发展主要有以下三大阶段：第一阶段，软件的设计主要为工程的基本功能而服务的；第二阶段，由于互联网和通讯设备的发展，软件的开始面向互联网和手机用户，并且达到了分析数据和预测功能；第三阶段，通过 Internet 利用进行工程管理系统的集成开发。国外工程管理发展了许多年，其已经形成了一套比较成熟的信息管理系统（例如：工程进度管理、工程合同管理等），在工程项目的应用上，计算机从开始的单项应用到综合应用，再发展到现在的系统应用[6]。软件开发的相关使用功能也从开始的单一化到集成化转变。三十多年以来，国外在工程管理系统研究上，已经具有系统化的理论成果，例如：制定工程项目计划、控制工程管理中的投资、工程进度安排以及工程质量监督体系，并且在理论研究的基础上已开发出相关软件产品[7]。
现在企业使用较为广泛的软件主要有以下几个：P3（Primavera Project Planner 的简称）软件，它是由 primavera 公司针对工程管理中的进度、资源以及成本管理三个方面进行设计的；针对合同管理的 Expedition 软件；成本和员工业绩考核的 PARADE 软件；工程项目风险预估分析的 Monte Carlo 软件以及相关辅助软件 Microsoft Project，在实际的生产投入中，企业按照企业实际生产需求进行相关软件的二次开发工作[8]。
1984 年，Peter 较早论述计算机辅助工程管理的理论，其著作《应用微小型计算机进行项目管理（Construction Project Management Using Small Computer）》，他不仅介绍了计算机的相关基础知识，还将工程管理中的计算机辅助设计相关理论知识进行相关阐述，系统地概括工程管理系统的组成部分和其作用[9]。通过相关文献资料的研究，国外在工程管理信息化上不仅单一依靠计算机辅助设计 CAD、计算机辅助施工 CAC以及办公自动化 OA，而是通过信息集成融汇贯穿于工程管理系统中。马智亮、刘斌通过分析日本建设 CALS / EC（Continuous Acquisitionand Life cycleSupport / Electronic Commerce）目前的发展情况，研究其目标，并且针对日本建筑行业工程实施中存在问题提出了解决性的意见，中国的建筑工程管理系统化也可以此作为借鉴更好地带动中国建设行业信息化发展[10]。
当今世界造船行业，日、韩两国处于领先地位，他们的造船经验是值得我们去研究的。日、韩船厂中特别是日本船厂，其以实际性，高效化为工程原则，依靠信息技术，对企业的各类型的资源进行了合理有效的管理，充分体现了高效造船和数字化造船。
二十世纪七十年代，日本船厂早就已经开始使用成套的技术理论和统计学方法，全面改造了船厂设施等硬件以及生产组织的软件。按照船上的区域、作业和施工三个方面将船舶分解成了各种“中间产品”，并按照“中间产品”专业化分道生产的原则进行组织生产和管理。对生产过程中遇到的各种情况进行量化处理，对船厂生产过程进行标准化管理，从而有效控制造船各个阶段，使造船的质量、水平和效率大大提高，二十世纪八十年代后，韩国船厂全面引进了日本造船模式，主要就是在软硬件方面，很快其造船的技术水平赶上了日本。原来世界第一的造船强国是英国，七十年代也大量引进先进的现代化造船设施，但是英国并没有在工程管理的软件上按照现代化造船的模式进行全面的改造，导致引进的先进设备无用武之地，很快英国的造船地位被日韩赶上[11]。
1.2.2 国内工程管理系统研究现状
当前计算机已被广泛应用于社会各行各业中。我国的工程管理软件研究在过去的几十年，发展道路曲折，近二十年随着国家的重视得到较好发展。在工程管理实践过程中，开发工程管理软件以及对相关理论知识的研究起到了至关重要的作用。
八十年代初期，计算机开始广泛的普及，工程管理软件的开发以及工程管理工作更加规范化，加大了与客户沟通，在系统开发上功能更加强大，成本也大大降低，许多中小型企业借助以上的优势和计算机的技术支持，为其发挥了巨大的价值作用，使相关信息化技术落到实处。与此同时，不仅仅在相关数据分析、物资计划以及成本控制上运用计算机，还将工程管理各个环节中的数据处理工作运用了 IT 技术，在提高企业工程效率的基础上更加注重企业综合管理水平的提高[12]。
杨云志、陈杰使用工作流程的技术分析车间的基本工作流程，提出了一种车间动态制造单元分解、建立的方法；采用面向对象的技术，建立了以动态制造单元为基本元素的车间对象模型和功能模型[13]，但该研究构建的体系较大。殷俊、王杰等针对机械化制造企业的现有的生产管理流程探讨，并研究其管理思想，在此基础上设计了生产管理信息系统，并与此系统相支撑的模型，提出了关于生产管理信息系统的相关工作流程技术解决方法[14、15]，但其研究所描述的机械化生产企业的作业流程比较简单。
赵凯、何卫平等提出在企业生产运作管理中应将工作流程与制造任务分配到车间生产过程相互联系，进行生产管理研究[16、17]，分析并建立了车间生产工作流模型主要针对于 MES 的离散制造企业的，通过以上模型的建立，以及系统中生产任务信息获取来指导现场生产工作，有利于实现生产过程的实例化、及时的变化以及生产全程的质量监控。西工大的研究主要是针对航天制造业，没有实现具有重要意义的航天车间生产工程管理工程流程模型的仿真以及航天相关生产工作的优化。
刘冬宝、查少青对工程管理中的敏捷响应技术和仿真技术进行深入研究，提出利用工作流对工程管理中的生产车间物流进行建模，并通过仿真的方法来构想生产过程的重组；并详细的研究了工作流程的建模方法、工作流程引擎设计方法和实际工作流程实行规则[18、19]。1.3 焊接数据库的研究现状
数字化焊接的核心就是建立焊接数据库，目前焊接数据库已经广泛应用于焊接领域。焊接领域的数据库主要有以下三个部分组成的，如图 1.1 所示：焊接数据库、数据库管理系统以及应用程序[20]。
焊接数据库主要功能用于焊接相关信息以及焊缝数据的存储，数据库管理系统是针对用户对焊接数据管理需求设计出的程序，应用程序通过界面设计服务于数据库[21]。
通过研究发现，目前焊接数据库的种类有很多，例如：焊接工艺数据库[22]、焊材数据库、焊工信息数据库[23]、以及关于焊接计划和焊接生产的数据库等等。通过将焊接方面的数据信息进行收集、分类建立起一个焊接数据库，其功能主要用于焊接信息存储、系统的数据维护、以及方便用户查询相关数据资源，以便于用户可以根据自己的需求及时、方便而准确地抽取自己需要的信息。焊接生产作业是一项复杂的工种，拥有焊接数据库将大大提高了焊接工作的效率也更好地保证了焊接质量[24]。
1.3.1 国外焊接数据库的研究现状
上个世纪 70 年代末期，一些工业较为发达的国家就已经开始研究焊接数据库系统，主要有英国、德国、日本、美国，在研究数据库的基础上还相应地开发了焊接软件。
到了 80 年代初期，焊接工艺工程数据库系统被研发出来，该系统主要涵盖了以下功能焊接工艺的设计、焊接工艺的选择[25]、缺陷分析、诊断设备故障、成本预估、焊接生产监控[26、27]、焊工考核考试题库[28]、焊接图纸 CAD 数据库存储[29]。以上功能几乎贯穿于焊接生产的准备到结束，以及小到了焊工考核。
日本于 1976 年最先研究焊接数据库，并设立了委员会专人研究，RiichiroMizoguchi等学者构想出了焊接专家系统数据库的框架，该系统被分为七个模块，主要包括以下：焊接工艺、参数、接口预热、预热、焊后热处理、焊接材料以及焊接性，将以上模块的内容与焊接知识库联系在一起，用户可以根据自己的需求，在系统界面上将自己需求结果查询并显示，焊接知识库包括焊材数据、焊丝/焊剂数据、破口数据以及焊接相关参数等[30]。十年后，日本在焊接数据库发展史上处于至关重要的时候，在焊接数据库委员会的第五次会议上，专家们提出了未来的焊接领域数据库发展目标和方向，将焊接知识库的分类更加细致化加入了坡口形状、焊接条件、焊接方法、焊接接头性能以及焊缝中含有的金属化学成分的数据库[31]。1986 年，Scott M.S 等人将焊接工程数据库的功能更加规范化、合理化[32]。为防止焊缝冷裂纹出现，选择适合的焊接工艺参数，日本的国立金属材料技术研究所建立了焊接 CCT 图数据库，并且在此基础上开发热循环计算程序[33]。
1984 年美国通过面向全世界的材料数据收集，将材料化学成分、力学和物理性能等数据整合见了材料数据库网[34]。首次开发焊工技术评定数据库系统是由美国的Btimouyu 电器公司于 1989 年设计出来的，该数据库系统中包括焊工信息情况、焊接考试、焊缝参数信息，并且可通过报表的形式将信息展现出来。1990 年美国焊接研究所研究出了 CORRALD1.1WPS/PQR 数据库[35]，主要依靠于 AWSD1.1-88 进行开发的，通过该系统可以输入用户需要了解的相关焊接信息、实现了查询和浏览的功能，并可以根据需求打印焊接工艺评定 PQR，该系统还可以处理焊接接头和坡口图。WeldSelector 数据库也是该研究所建立的，该系统被誉为最具代表性的专家知识数据库，用户选取不同的焊接方法，为用户提供该方法下对应的焊条、焊剂以及焊丝[36]。Edison焊接研究所是位于美国加州的一所焊接研究所，其开发 WELDSPEC PLUS 数据库系统，主要针对焊接工艺和焊接工艺评定 PQR 而设计的数据库系统[37]。该研究所创建的网站http://www.Ewi.org 是关于焊接资源的最早的网站，将焊接技术最早引领网络化时代[38]。
美国的 WPS America 公司于 2006 年针对相关标准管理焊接工艺流程和焊接工艺评定记录，并且该集成信息化技术可以将需求生成文档的形式。C-spec 公司于 2010 年开发有关焊接办公的软件，最主要软件如 Weld Office WPS，根据 2010 年开发了一系列焊接办公软件。其中包括模块，涵盖了以下标准：ASMEIX、AWSD1.1、EN 287、EN 288、ISO15614、ISO9606，并按照以上标准规范焊接工艺。
1986 年英国焊接研究所创建了 WeldSpec 焊接工艺数据库，该数据库按照 BS4870标准[39、40]，可以实现多条件的焊接工艺评定记录查询功能，例如母材种类、焊材厚度、焊接方法以及焊接工艺评定号。
1987 年德国焊接协会关于焊接数据记录以及焊接文献的焊接信息系统开发[24]。
2000 年英国焊接研究所开发了新版焊接工艺评定，该新版本基于 ASMEIX 标准，在 Microsoft Windows 平台下开发的。该版本是英国焊接研究所与以下公司（Cambridge、C-spec、U.K.、Pleasant Hill 和 Calif）一起联合开发的[41、42]。
2004 年 A.M.A.El-Rasheed 和一些学者在自动化监控系统的特点的基础上，开发了自动点焊非破坏性的焊接评估系统，此系统的目的是为了记录在焊接生产管理中监控过程所产生的数据[43]。
2006年 TOMAS KAMINSKAS 等人研发了关于焊接技术的设计知识库管理系统，该系统有效的帮助焊接工艺设计者们选择最佳的焊接参数，使得焊接施工更加合理而参数更加标准化[44]。
1.3.2 国内焊接数据库的研究现状
上个世纪八十年代中后期，我国也开始对焊接数据库进行研究，由于 2000 年以前我国的计算机发展落后，关于焊接软件研究主要是焊接数据文件类型管理，仅仅能进行焊接数据统计计算，对于一些复杂的计算工作，还无法完成。
哈尔滨工业大学与哈尔滨锅炉厂于 1986 年联合研究锅炉和压力容器相关的焊接数据库[45]，1991 年邀请专家对该数据库系统进行评定。该数据库系统具有以下功能：
在系统界面输入需要焊接的母材型号、板材厚度以及焊接接头形式，该系统涵盖了大约两百多条的焊接规则，根据输入的信息，可以为用户提供合适的焊接材料，并对焊接工艺流程设计更好地规范焊接操作。1998 年再次联合研发了焊接工艺规程数据库系统（WPSDBS），利用 FoxPro 计算机语言来进行研发的，该系统具有以下功能：用户需求输入、查询焊接工艺规范、存储搜索信息以及焊接报表打印[46]。胡小建于同年研究出关于弧焊的焊接工艺评定的数据库系统，该系统能够查找母材、焊材以及焊接工艺评定的数据信息，并且其还采用“启发式”的方法来对焊接工艺流程进行规范，也更好的确保焊接接头性能[47]。
西安交大的焊接研究所开发了关于钢制压力容器的焊接工艺的专家焊接管理系统，该系统采用了 Visual C++4.0 和 FoxPro5.0 两种编程语言，建立在 Windows 95 的平台上，将系统与数据库紧密结合在一起，并且是以压力容器 JB4708-92 标准来设计该焊接管理专家系统[48]。叶炳义将计算机辅助工艺工程设计（CAPP）原理成功运用到了焊接管理专家系统中，将计算机辅助工艺运用到系统中，大大解决了手工工艺的缺陷[49]。
之后天津大学以及清华大学也将 CAPP 原理运用到焊接数据库的建立，关于压力容器的焊接工艺的评定以及焊接管理专家系统的研究一直未止步，刘滢等专家通过长时间致力于此方面的研究，研发出智能判断焊接工艺评定的系统，更加高效管理焊接工艺也更便于查询相关信息[50]。
计算机辅助工艺工程设计（CAPP）最早是由天津大学与湘潭大学联合研究的，基于 Visual Basic 语言，以 Windows 95 为平台研发出来的[51]，可为各类型的焊接接头设计其焊接工艺。袁崇福等人通过对焊接结构装焊工艺信息进行整理和归纳，设计出较高效便捷的焊接结构的计算机辅助装焊工艺系统[52]。
2005 年谢娜等人创建了以 MicrosoftAccess 为平台和 MicrosoftVisualBasic 编程语言的 CAPP 焊接库软件系统，该系统主要服务于焊接技术工作者，涵盖了焊接的成形方法和缺陷、焊接工艺参数等模块，便于快速设计焊接工艺[53]。大连交通大学黄永生于 2011 年设计出计算机辅助焊接工艺设计系统[54]，该系统的开发工具为 VC.NET，运用 Oracle 数据库创建的，用户从焊接方法选择、设计坡口尺寸、焊接工艺参数设置到最终焊接工艺卡的生成都可以通过该系统来实现，大大为焊接生产作业创造价值。
西安石油大学开发了压力容器焊接工艺评定系统，此系统是与西安长庆科技公司合作研发的，具有以下功能：将焊条信息、焊接工艺评定报告、焊接工艺指导书、焊工信息情况进行存储，国内外焊条对比查询，该系统能及时更新数据库焊接信息，以及打印焊接报告、文档的功能，根据用户需求可进行单条件以及多条件筛选查询，并且该系统首次能实现单一焊缝成本计算功能[55]。
随着网络技术的发展，焊接数据库的研究逐渐融入了网络技术。例如：武汉理工大学利用网络技术开发了基于 INTERNET 的焊接工艺评定数据库管理系统、在 UML技术基础上哈尔滨工业大学开发焊接工艺评定管理系统、还有以 AWS 为标准的焊接工艺评定数据库由南京航空航天大学研究的，在今后的焊接数据库管理系统研究中，以 C/S 以及 B/S 为构架的系统将运用的更加广泛。
1.4 船舶焊接管理系统国内外研究现状
目前国内外对焊接工程管理系统这块的研究并不多，但是制造业的各个领域中都涉及到焊接，焊接直接影响到产品的质量以及企业生产成本。闫俊针对管道焊接质量与工程进度方面研究出了管道焊接质量管理系统，该系统实现了多工程项目管理，并且单个工程项目可分配到各个施工组，并且在质量管理这块，有许多质检环节，例如：完成焊缝接口情况、检验探伤、硬度检测、质检以及热处理结果检测，动态的实时监控保证了焊接质量的同时，也实现了现场焊接作业进度安排合理。但该系统并没有形成良好循环的体系[56]。
而针对于船舶焊接工程管理系统的研究更是很少，船舶焊接工艺流程复杂，涵盖的焊接工艺信息量庞大，设计者很多都是凭经验而开发，针对以上船舶焊接工艺的特点陈君、贾晓亮、田锡天、黄利江研发出了船舶焊接的计算机辅助工艺设计（Welding Computer Aided Process Planning, WCAPP）系统。通过对船舶工艺特点剖析，构架系统框架，设计其相关需求功能，在创建了船舶焊接工艺知识库的基础上开发的，并实际运用于船舶焊接生产中，但是该系统中并没有涉及到焊接物量和焊接工时这块的研究[57]。对于船舶焊接工程管理系统的研究将大大地有助于船舶行业质量控制、降低成本和提高效率。
1.5 研究内容
（1）船舶焊接数据分析
对现有的船舶焊接工艺进行分析，现有的船舶焊接形式，船舶焊接坡口和方向，船用焊接材料以及船舶焊接工艺特点，针对以上焊接工艺，按照船舶工艺设计流程为94K 船舶设计其焊接工艺，并研究如何将收集到的焊接工艺数据进行抽取，为构建焊接工程管理系统奠定基础。
（2）焊接工程管理系统构建
基于得出的目标焊接物量和焊接工时定额，和相关的焊接信息，以 C/S 架构构建一个大型的焊接工程管理系统，将焊接任务分派到船厂的每个施工班组，提供各个施工班组的目标定额及目标工时，以及每条焊缝对应的主要焊接相关信息。焊接工程管理系统中还包含了各个施工班组成员的焊接派工单,以便现场操作的焊工查询。
（3）船舶焊接物量与焊接工时研究
基于一个单船的焊接生产数据库，该焊接生产数据库中已包含以下信息:每条焊缝的理论物量、理论的工时定额，以及其他的焊接信息（焊缝长度、板厚、坡口形式、焊角高度）。实际的焊接过程中还存在着焊接材料物量的损耗，以及不同焊接工种的技术水平，焊接实际工时与理论工时还存在较大的差别，将理论物量、工时定额加上损耗的焊接物量和焊接工时，得出较为合理的目标焊接物量和焊接工时。
