船體分段智能車(chē)間發(fā)展趨勢(shì)

侯 星， 劉 東， 郭 威， 李楊梅， 董家琛

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032；3.江南造船(集團(tuán))有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

自“中國(guó)制造2025”頒布實(shí)施以來(lái)，國(guó)內(nèi)船舶制造企業(yè)積極響應(yīng)發(fā)展綱要規(guī)劃，結(jié)合企業(yè)自身現(xiàn)狀，通過(guò)對(duì)車(chē)間進(jìn)行智能化改造及生產(chǎn)設(shè)備智能化升級(jí)，持續(xù)推進(jìn)信息化與工業(yè)化的“兩化融合”，開(kāi)展分段智能數(shù)字化車(chē)間建設(shè)，推進(jìn)企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，提升企業(yè)先進(jìn)制造能力，突破船舶制造業(yè)發(fā)展瓶頸。因此，探索智能車(chē)間落地應(yīng)用，是落實(shí)“中國(guó)制造2025”的重要舉措。

1 國(guó)內(nèi)船體分段制造車(chē)間存在問(wèn)題

(1)車(chē)間整體信息化水平較低，現(xiàn)場(chǎng)缺乏實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)[1]，對(duì)分段建造狀態(tài)、計(jì)劃執(zhí)行狀態(tài)、中間產(chǎn)品堆放位置、物流配送狀態(tài)等尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，無(wú)法獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，且記錄方式基本靠人工。在建造過(guò)程中由于工藝改進(jìn)、計(jì)劃調(diào)整等因素，無(wú)法及時(shí)響應(yīng)，從而影響建造進(jìn)度。

(2)車(chē)間并未建立工位級(jí)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，工藝數(shù)據(jù)、派工數(shù)據(jù)、物料數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸至制造現(xiàn)場(chǎng)，導(dǎo)致生產(chǎn)節(jié)奏混亂，建造質(zhì)量及精度無(wú)法精確管控。車(chē)間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通等基礎(chǔ)條件仍需要完善，軟硬件資源不足或配置不夠，基礎(chǔ)設(shè)施不完備。

(3)車(chē)間各類(lèi)信息系統(tǒng)相對(duì)孤立，信息集成度不高，形成信息孤島。制造過(guò)程中的工藝信息、計(jì)劃信息、派工信息、質(zhì)量信息、精度信息等融合度較低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)信息共享，且各部門(mén)之間協(xié)作存在諸多瓶頸造成部分真空區(qū)。

(4)廠區(qū)建設(shè)初期車(chē)間工位及設(shè)備布置與實(shí)際建造存在差異，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，致使船舶建造過(guò)程變更較多，穩(wěn)定性可靠性較差，在很大程度上影響船體分段建造的質(zhì)量。

2 船體分段智能車(chē)間建設(shè)藍(lán)圖

智能車(chē)間是推進(jìn)信息化與工業(yè)化深度融合的重要切入點(diǎn)[1]，是在船舶設(shè)計(jì)制造過(guò)程中通過(guò)信息深度自感知、智能優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行、有效提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)量、降低資源消耗、促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要途徑[2]。船體分段智能車(chē)間建設(shè)藍(lán)圖如圖1所示。

圖1 船體分段智能車(chē)間建設(shè)藍(lán)圖

(1)生產(chǎn)計(jì)劃的科學(xué)性：通過(guò)計(jì)劃的制訂和分解、下發(fā)、執(zhí)行進(jìn)度反饋等進(jìn)行閉環(huán)，實(shí)時(shí)報(bào)警或提醒，快速響應(yīng)計(jì)劃變更、插單等突發(fā)情況，通過(guò)計(jì)劃的自適應(yīng)調(diào)整進(jìn)行柔性生產(chǎn)，提高車(chē)間制造資源的利用率和建造效率。

(2)生產(chǎn)過(guò)程的執(zhí)行管控與可視化：按照工藝流程及排產(chǎn)計(jì)劃，實(shí)時(shí)追蹤每個(gè)中間產(chǎn)品的加工狀態(tài)，并將其作業(yè)狀態(tài)、物流狀態(tài)、質(zhì)檢狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)展示，同時(shí)監(jiān)測(cè)每臺(tái)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控生產(chǎn)過(guò)程中工藝參數(shù)的變化，以達(dá)到計(jì)劃、執(zhí)行、質(zhì)量、數(shù)據(jù)的全過(guò)程信息追溯，實(shí)現(xiàn)可視化管理、透明化展示。

(3)實(shí)現(xiàn)工藝流程、物流和信息流的完全融合：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)度和管理，確保工藝流、物流與信息流時(shí)刻保持一致。

(4)基于計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、處理循環(huán)(Plan-Do-Check-Act Cycle，PDCA循環(huán))的質(zhì)量管理：構(gòu)建質(zhì)量計(jì)劃、質(zhì)量檢驗(yàn)、質(zhì)量反饋、質(zhì)量信息采集、質(zhì)量結(jié)果分析、質(zhì)量追溯等全流程質(zhì)量管理體系，實(shí)現(xiàn)船體分段車(chē)間建造過(guò)程質(zhì)量管控及追蹤，并逐步建立質(zhì)量信息知識(shí)庫(kù)，可隨時(shí)對(duì)質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理的PDCA循環(huán)。

(5)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)輔助決策分析：確定物料采購(gòu)周期，合理分配計(jì)劃，減少非增值勞動(dòng)，提升產(chǎn)品質(zhì)量，為改進(jìn)生產(chǎn)效率等提供分析依據(jù)。

3 船體分段智能車(chē)間智能制造實(shí)施路徑

船體分段智能車(chē)間制造使用智能切割、智能加工、智能焊接、智能物流等裝備，基于物聯(lián)網(wǎng)、工控網(wǎng)等數(shù)據(jù)采集、傳輸與控制網(wǎng)絡(luò)，綜合集成全三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)由設(shè)計(jì)到制造的驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)無(wú)縫集成及船體分段制造過(guò)程的產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)控、進(jìn)度監(jiān)控、質(zhì)量監(jiān)控、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控等，可對(duì)生產(chǎn)、設(shè)備、人員、質(zhì)量異常作出提前預(yù)警及正確判斷，實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行管控系統(tǒng)與研發(fā)設(shè)計(jì)、智能裝備、智能物流的集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)制造管理的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

德國(guó)率先提出工業(yè)4.0的概念，旨在利用信息化、智能化技術(shù)促進(jìn)工業(yè)領(lǐng)域變革。國(guó)內(nèi)多數(shù)船廠在總體上處于自動(dòng)化補(bǔ)課數(shù)字化普及階段，正在積極探索物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的融合，在夯實(shí)智能制造基礎(chǔ)的前提下，根據(jù)自身生產(chǎn)特點(diǎn)制訂智能制造實(shí)施路徑，如圖2所示。

圖2 船體分段智能車(chē)間智能制造實(shí)施路徑

(1)開(kāi)展2.0補(bǔ)課。針對(duì)現(xiàn)有裝備自動(dòng)化、數(shù)字化水平不高的問(wèn)題，開(kāi)展針對(duì)傳統(tǒng)裝備的數(shù)字化改造，重點(diǎn)開(kāi)展切割機(jī)數(shù)字化集成與聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化焊機(jī)取代模擬焊機(jī)及聯(lián)網(wǎng)等建設(shè)內(nèi)容，消除傳統(tǒng)裝備的數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題，提升對(duì)于船舶制造過(guò)程數(shù)據(jù)感知、傳輸及精準(zhǔn)執(zhí)行的能力。

(2)推進(jìn)3.0普及。全面推進(jìn)模型驅(qū)動(dòng)的船舶數(shù)字化研制能力建設(shè)。在設(shè)計(jì)階段，全面推行基于模型的全三維設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建基于模型的全三維數(shù)字樣船，實(shí)現(xiàn)基于模型的完整性工藝定義，打通基于模型的設(shè)計(jì)制造信息集成鏈路，建立基于三維模型的可視化作業(yè)指導(dǎo)模式。

(3)實(shí)施4.0試點(diǎn)。從裝備、生產(chǎn)線及車(chē)間等3個(gè)層次著手，開(kāi)展智能制造技術(shù)試點(diǎn)。推進(jìn)中小組立焊接機(jī)器人、高精度三維測(cè)量裝備等智能化裝備的試點(diǎn)應(yīng)用；打通設(shè)計(jì)、裝備、物聯(lián)網(wǎng)、管控系統(tǒng)的信息集成鏈路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化/智能化裝備的綜合運(yùn)用，推進(jìn)船體分段智能車(chē)間生產(chǎn)線試點(diǎn)建設(shè)；推進(jìn)切割、焊接、測(cè)量等智能化生產(chǎn)線/裝備的集成應(yīng)用，以船體分段車(chē)間為對(duì)象，開(kāi)展船舶智能制造車(chē)間的建設(shè)與應(yīng)用。

4 船體分段智能車(chē)間建設(shè)思路和架構(gòu)

4.1 船體分段智能車(chē)間建設(shè)思路

船體分段智能車(chē)間的建設(shè)思路為智能單元-智能生產(chǎn)線-智能車(chē)間。

(1)智能單元：完成關(guān)鍵工序、瓶頸工序和重要工序。根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)需要，通過(guò)采集和分析物料、設(shè)備、質(zhì)量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)特定、復(fù)雜、聯(lián)動(dòng)的生產(chǎn)操作要求，對(duì)智能工裝、工藝優(yōu)化、人工參與程度等進(jìn)行嘗試和摸索[2]。

(2)智能生產(chǎn)線：由多個(gè)工位及智能單元組成智能生產(chǎn)線[1]，覆蓋特定產(chǎn)品生產(chǎn)的所有工序或主要工序。智能生產(chǎn)線在相關(guān)智能化設(shè)備和軟件系統(tǒng)的支持下，可實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)地、人員、工裝等制造資源的工藝數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)及生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息、參數(shù)信息等進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、讀取、存儲(chǔ)和分析。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)及挖掘，對(duì)生產(chǎn)線的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行故障診斷分析，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保障預(yù)警。同時(shí)，根據(jù)設(shè)備之間的協(xié)同關(guān)系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、物料配套、人員調(diào)度之間的優(yōu)化配置及重組，充分利用智能車(chē)間的所有制造資源[3-4]。

(3)智能車(chē)間：打造多條智能生產(chǎn)線，完成多種產(chǎn)品的智能生產(chǎn)[4]。

4.2 船體分段智能車(chē)間架構(gòu)

船體分段智能車(chē)間業(yè)務(wù)流程主要包括鋼材預(yù)處理、板材型材切割、部件拼板焊接、裝配、小組立焊接、中組立焊接、平直/曲面分段建造等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，是多條生產(chǎn)線之間的協(xié)同作業(yè)。針對(duì)不同工位的特殊需求及智能化發(fā)展現(xiàn)狀，初步擬定智能車(chē)間架構(gòu)(見(jiàn)圖3)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)字化、工位工序的自動(dòng)化及車(chē)間作業(yè)管理的智能化。

圖3 船體分段智能車(chē)間架構(gòu)

(1)鋼材預(yù)處理流水線。首先，在鋼材預(yù)處理線板材入口處安裝工業(yè)照相機(jī)，通過(guò)拍照及圖像識(shí)別鋼板上的批次信息及爐批號(hào)信息；其次，在設(shè)計(jì)軟件的數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配待預(yù)處理鋼板的套料信息及其他工藝信息，并依此確定待預(yù)處理鋼板需要噴涂的底漆類(lèi)型及相關(guān)噴涂工藝，并將相關(guān)指令發(fā)送至噴涂設(shè)備，指導(dǎo)底漆噴涂作業(yè)；最后，在鋼材預(yù)處理線出口處部署相關(guān)人員并手持噴碼機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及生產(chǎn)計(jì)劃要求將所需要的管理信息噴涂在鋼板表面，信息主要包含型號(hào)尺寸、分段名、流向(根據(jù)每個(gè)廠實(shí)際需求定義)等信息。方便后道工序(理料、劃線切割)對(duì)鋼材的信息讀取，提高整個(gè)預(yù)處理線的自動(dòng)化水平，減少人工、提高作業(yè)效率。

(2)高精度數(shù)字化切割生產(chǎn)線。首先，為切割設(shè)備添加高精度高速劃線噴碼系統(tǒng)[3]，并在工位間布置手持噴碼設(shè)備，通過(guò)制造執(zhí)行管控平臺(tái)與設(shè)計(jì)軟件的集成共享，獲得的零部件噴碼信息(零部件號(hào)、規(guī)格、型號(hào)、流向、安裝位置)，并用手持式噴碼設(shè)備將噴碼信息噴寫(xiě)在待切割鋼板上，以保證信息的完整性及可追溯性；其次，將噴碼系統(tǒng)與切割設(shè)備控制軟件進(jìn)行集成配套；最后，對(duì)現(xiàn)有高精度高速劃線設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改造，為其配置激光定位裝置、等離子坡口裝置，實(shí)現(xiàn)零部件高精度劃線、噴碼、切割等流程。

(3)智能化柔性焊接系統(tǒng)。智能化柔性焊接系統(tǒng)主要包括機(jī)械臂、桁架式龍門(mén)、機(jī)器人控制柜、焊槍及其組件、剪絲裝置、送絲裝置等。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)軟件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，自動(dòng)生成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡，自動(dòng)調(diào)用焊接工藝數(shù)據(jù)庫(kù)，自動(dòng)定位焊接位置并進(jìn)行焊接，對(duì)焊接焊縫進(jìn)行智能化檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)零部件的自動(dòng)化、智能化、柔性化、高品質(zhì)焊接。

(4)物流集配及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。首先，基于新一代信息技術(shù)對(duì)中間產(chǎn)品、托盤(pán)、物資進(jìn)行智能標(biāo)識(shí)；其次，通過(guò)車(chē)間物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建及相關(guān)傳感器的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)中間產(chǎn)品、托盤(pán)、物資的識(shí)別及定位；最后，通過(guò)與基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)的集成，實(shí)現(xiàn)物流集配與車(chē)物流狀態(tài)的跟蹤及可視化監(jiān)控[5]。其業(yè)務(wù)過(guò)程包括原材料、小型中間產(chǎn)品、舾裝件等的出入庫(kù)、倉(cāng)儲(chǔ)、配送、交接等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)物流集配自動(dòng)化，充分提升物流集配效率。

(5)基于三維模型的高精度測(cè)量檢驗(yàn)系統(tǒng)?；谑覂?nèi)GPS，在船體分段裝配焊接區(qū)域搭建數(shù)字化測(cè)量場(chǎng)，部署高精度測(cè)量檢驗(yàn)系統(tǒng)，并配套使用精度管理軟件，實(shí)現(xiàn)精度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)字化檢測(cè)、數(shù)字化分析等功能。首先，將固定發(fā)射器安裝在車(chē)間支撐立柱上，利用發(fā)射器在分段作業(yè)區(qū)域構(gòu)建一個(gè)大型測(cè)量場(chǎng)；其次，由檢測(cè)人員將接收器裝置放置于分段表面實(shí)施測(cè)量工作，可實(shí)現(xiàn)胎架及分段的定位及完工質(zhì)量精度檢測(cè)(可同時(shí)進(jìn)行多處測(cè)量)；最后，基于船體車(chē)間高精度測(cè)量場(chǎng)，開(kāi)發(fā)船體分段精度管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船體分段的精度測(cè)量及精度數(shù)據(jù)分析。

(6)基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)。車(chē)間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)從車(chē)間生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)協(xié)同、資源(設(shè)備、人力、場(chǎng)地)管控、質(zhì)量管控、決策支持及車(chē)間信息的互聯(lián)互通等6個(gè)方面著手，通過(guò)智能倉(cāng)儲(chǔ)、計(jì)劃排產(chǎn)、物流管控、精度管控、品質(zhì)管控、資源管控和決策分析等功能模塊，實(shí)現(xiàn)車(chē)間生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的管理與控制[6]?；谖锫?lián)網(wǎng)的車(chē)間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)(見(jiàn)圖4)，通過(guò)研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、設(shè)備控制系統(tǒng)、實(shí)時(shí)物流管控、精度/品質(zhì)管理等通用共性技術(shù)，構(gòu)建工藝標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、工藝路線、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等統(tǒng)一資源數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖4 基于物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)間制造執(zhí)行管控系統(tǒng)

5 結(jié) 語(yǔ)

制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國(guó)之本、興國(guó)之器、強(qiáng)國(guó)之基。新一代信息技術(shù)與制造業(yè)的深度融合，正在引發(fā)影響巨大、意義深遠(yuǎn)的行業(yè)變革與產(chǎn)業(yè)變革，同時(shí)也是我國(guó)實(shí)現(xiàn)由制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變的絕佳機(jī)會(huì)。針對(duì)國(guó)內(nèi)船體分段制造車(chē)間信息化水平低、缺乏互聯(lián)互通平臺(tái)等諸多問(wèn)題，有必要結(jié)合船廠實(shí)際，通過(guò)硬件裝備更新、信息化軟件和手段應(yīng)用，加快船體分段智能車(chē)間建設(shè)，推動(dòng)船舶制造業(yè)精益生產(chǎn)落地。