船舶智能制造模式的核心要素和體系架構

邵明智， 周成蔭， 謝 新， 郄金波

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

隨著國家智能制造戰(zhàn)略的有序推進，新一代信息通信技術與現代造船模式深度融合，對現代造船模式在實現形式和內涵上將產生深刻影響和變化，必須實現現代造船模式向船舶智能制造模式的轉型升級，構建船舶智能車間、智慧船廠成為船舶行業(yè)和造船企業(yè)面臨的十分迫切的現實需求。

1 船舶智能制造模式的定義及內涵

1.1 船舶智能制造模式的定義

船舶智能制造模式是基于新一代信息通信技術(云計算、大數據、物聯(lián)網、人工智能、區(qū)塊鏈等)與現代造船模式的深度融合，貫穿于船舶設計、生產、管理、服務等制造活動全過程，以基于單一數據源的設計、生產、管理一體化為基礎，以船舶中間產品殼舾涂一體化關鍵制造環(huán)節(jié)的數字化、智能化為核心，以網絡互聯(lián)互通為支撐，以智能車間、智慧船廠為載體，具有船舶制造過程自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應特征的先進制造模式。

1.2 船舶智能制造模式的內涵

船舶智能制造模式主要由設計模式、生產模式、管理模式和服務模式構成。

設計模式：以采用基于模型定義(Model Based Definition, MBD)技術的船舶產品設計、工藝設計標準規(guī)范體系為基礎，以廠所協(xié)同設計平臺為支撐，推進全三維綜合數字設計，打通總裝廠與船舶所有人、設計院所、船舶檢驗機構、供應商的信息鏈條，實現以單一數據源貫穿于產品全壽命周期的全過程、面向現場智能制造的三維可視化作業(yè)指導和無紙化施工。

生產模式：以數據和模型驅動為主要特征，以生產過程具備動態(tài)感知、數據自動采集、智能分析等功能的數字化、智能化生產裝備、生產線、生產車間為主要載體，以制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)為重要支撐，實現殼舾涂一體化精度制造。

管理模式：以工程計劃為基礎，以基于信息集成的一體化綜合信息管理平臺為支撐，以物聯(lián)網、互聯(lián)網和大數據等使能技術(Enabling Technology)為手段，對船舶制造全過程、全要素實施實時智能管控，實現“物流、信息流、價值流”合一的量化精益管理。

服務模式：以優(yōu)化完善造船產業(yè)鏈為導向，以造船產業(yè)鏈協(xié)同服務平臺為支撐，以分布式技術、互聯(lián)網技術、云存儲技術、增強現實(Augmented Reality, AR)/虛擬現實(Virtual Reality, VR)技術、人工智能(Artificial Intelligence, AI)技術等為手段，對造船供應鏈管理、遠程運維等業(yè)務進行優(yōu)化完善，實現船舶所有人、設計院所、總裝廠、船舶檢驗機構、供應商等整個造船產業(yè)鏈的多方協(xié)同服務。

2 船舶智能制造模式的核心要素和體系架構

2.1 船舶智能制造模式的核心要素

參考工信部提出的智能制造5種模式[1]，結合船舶智能制造模式定義和內涵，從設計、生產、管理、服務、基礎建設等方面提出船舶智能制造模式13個核心要素。

2.1.1 設計模式

(1) 采用MBD技術的數字化設計體系。建立產品全壽命周期協(xié)同研制的數字化設計體系，構建統(tǒng)一的產品設計和工藝設計標準，推進MBD方法，快速精準推進“兩個一體化”(設計生產管理一體化、殼舾涂一體化)的關聯(lián)設計，實施面向現場作業(yè)的三維工藝可視化仿真和作業(yè)指導，提高船舶數字化設計與制造的綜合技術能力。

(2) 廠所協(xié)同一體化綜合數字設計。構建廠所協(xié)同的一體化綜合數字設計平臺，支撐合同設計、詳細設計與生產設計的并行設計，促進基于模型的設計、工藝、制造協(xié)同，提高設計效率和質量。推進基于單一數據源的數字化綜合設計，打通設計、物流、建造、管理、服務等船舶全生命周期數據鏈，推動完工產品數字化交付。推進采用MBD技術的完整三維建模和工藝性建模，對工藝過程和精度控制實施虛擬仿真、評估與優(yōu)化，形成涵蓋設計、工藝、管理等全要素的一體化三維數字模型、數據包、三維可視化作業(yè)指導書。

(3) 船舶產品數據管理信息化。突破面向智能制造的船舶產品數據組織、船舶生產設計系統(tǒng)數據集成、精細化工時物量管理、設計工藝信息管理、設計及物資編碼映射、工時物量與任務包(Work Package, WP)/派工單(Work Order, WO)的關聯(lián)等關鍵技術，支持設計包、采購包、WP等中間產品數據信息之間的相互關聯(lián)，形成面向智能制造應用的船舶產品數據管理(Product Data Management, PDM)系統(tǒng)[2]。

2.1.2 生產模式

(1) 車間數字化建模。以船舶制造的關鍵工藝環(huán)節(jié)為重點，分析適應船舶智能制造需求的工藝流程和工序流程，優(yōu)化與生產工序、功能相匹配的工位、裝備、生產線布局，構建車間數字化模型，實現數據流、信息流與物流的有機統(tǒng)一。運用大數據挖掘技術，對生產過程數據分析，持續(xù)優(yōu)化車間工藝流程，支撐數字化車間的建設。

(2) 技術基礎。以面向智能制造、涵蓋船舶制造全過程的中間產品分類體系及完整性標準為依據，構建拉動式工程計劃管理，通過算法技術，優(yōu)化中間產品生產期量標準，建立適應船舶智能制造新模式的工時物量管理系統(tǒng)，實現均衡、連續(xù)、有節(jié)拍的總裝化造船。構建企業(yè)造船精度補償模型及數據庫，推進以補償量替代裕量，將造船精度控制從船體搭載工序向切割加工工序、從船體工程向舾裝工程延伸擴展，推進全工藝過程的無裕量制造。

(3) 中間產品智能生產。以船舶分段制造為重點，強化底層設備數字化、網絡化改造，全面推進船舶中間產品流水線的數字化、智能化升級，逐步實現中間產品數字化、智能化生產。重點突破船體零件智能理料、船體零件自由邊智能打磨、小組立智能焊接、中組立智能焊接、分段裝焊、分段智能噴涂、管件智能加工等船舶智能制造短板裝備/生產線[2]。

(4) 車間智能管控。推進智能車間MES建設，實現船舶車間計劃、調度、設備、生產、效能的全過程閉環(huán)管理，并與企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning, ERP)系統(tǒng)實現高效的協(xié)同，推進生產過程數據采集和分析系統(tǒng)建設，實現生產進度、工時物量、現場操作、質量檢驗、設備狀態(tài)、物料傳送、能耗等生產現場數據的采集和自動上傳，實現數據集成和智能分析[2]。

(5) 智能車間/智慧船廠。推進數字化車間建設，形成集計劃管理、過程協(xié)同、設備管控、資源優(yōu)化、質量控制、決策支持等功能于一體的智能車間/船廠。在船體分段、管子加工、分段涂裝等關鍵環(huán)節(jié)率先示范應用，再覆蓋到船塢/船臺搭載、區(qū)域舾裝和碼頭系泊試驗、交船等核心區(qū)域，實現車間/區(qū)域之間的互聯(lián)互通，為構建智慧船廠奠定堅實基礎。

2.1.3 管理模式

(1) 一體化綜合信息管理。推進企業(yè)中心數據庫建設，構建一體化綜合信息管理平臺，實現PDM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)和MES的高度集成，打通設計、物流、制造、管理與服務的信息通道，實現設計、生產和管理等關鍵環(huán)節(jié)的信息集成和持續(xù)優(yōu)化。

(2) 造船大數據分析與決策?；诖敖ㄔ爝^程大數據，推動船舶制造過程大數據的存儲、分析、可視化、模式識別、AI決策等技術的研發(fā)與創(chuàng)新應用，為智能裝備運行、車間智能管控和企業(yè)智能決策等提供技術支撐，顯著提升船廠生產過程的決策水平和管理效率。

2.1.4 服務模式

推進船舶行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網建設，搭建造船產業(yè)鏈協(xié)同服務平臺，加快客戶關系管理、供應鏈管理、遠程運維服務等系統(tǒng)的推廣應用，逐步打通造船企業(yè)與相關業(yè)務單位的信息鏈條，實現企業(yè)間有效的信息集成與協(xié)同，推動船舶制造業(yè)向服務型制造轉型。

2.1.5 基礎建設

(1) 標準體系建設。以國家智能制造標準體系建設指南為基礎，針對船舶智能制造特點和標準需求，立足基礎共性、關鍵技術、船廠應用3個層面[3]，著重圍繞總體規(guī)劃、智能設計、智能工藝、智能裝備/生產線、智能管理、智能服務、互聯(lián)互通等方面推進智能制造標準體系建設，為船舶智能制造提供有力標準支撐。

(2) 各類系統(tǒng)互聯(lián)互通。以互聯(lián)互通為目標，利用云存儲、云計算等技術，加強企業(yè)網絡與數據安全能力建設；全力推動船舶設計、制造、管理和服務等云服務平臺建設，推動企業(yè)信息集成與產業(yè)鏈協(xié)同運營。加快工業(yè)互聯(lián)網標識解析體系的創(chuàng)新應用，推進設計信息、工藝信息、工時物量信息、托盤集配、物流、資金流、能耗、設備等船舶制造過程海量多源異構數據信息的實時采集與傳輸，提高綜合管理效率。

2.2 船舶智能制造模式的體系架構

船舶智能制造模式的體系架構主要分為設計模式、生產模式、管理模式、服務模式和基礎建設等方面。設計模式主要體現設計基礎建設、數據管理和廠所協(xié)同設計3個方面；生產模式主要體現數字化、智能化的裝備建設(點)、生產線建設(線)、車間生產管控(面)、企業(yè)生產管控(體)4個方面的構建；管理模式主要體現企業(yè)內一體化綜合信息管理和基于大數據的智能決策；服務模式主要體現造船產業(yè)鏈中供應鏈和遠程運維2個方面的協(xié)同服務；基礎建設主要體現標準體系建設和各類系統(tǒng)互聯(lián)互通2個方面。具體如圖1所示。

圖1 船舶智能制造模式的體系架構

3 結 語

隨著智能制造示范工程在船舶行業(yè)試點示范，船舶行業(yè)的智能制造能力不斷增強，現代造船模式發(fā)生了新的變化，需要提出新的造船模式作為理論引導。結合國家智能制造規(guī)劃和船舶行業(yè)發(fā)展現狀，提出船舶智能制造模式的定義、內涵、核心要素、體系架構等，為造船企業(yè)開展智能制造、推動行業(yè)造船模式的轉型升級提供方向指引和路徑支撐。