基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的大型鋼結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架

張 浩，黃詠文，秦浩然，于學(xué)超，袁 軼

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著造船領(lǐng)域的知識(shí)和理念及造船模式的不斷進(jìn)步，鋼材快速加工、處理和成型，分段制作和總組，總段搭載等船舶建造工藝流程對(duì)中間產(chǎn)品的精度管控不斷加強(qiáng)。建造精度要求需通過高效、高精度的精度測(cè)量和控制系統(tǒng)予以滿足，成熟、完善的精度控制有助于促進(jìn)建造效率的提升、建造周期的縮短和公司成本的下降。當(dāng)前，建造船舶過程中的組立層級(jí)和零部件精度控制已相對(duì)成熟，大型分段的精度測(cè)量和變形量控制還存在很大誤差，影響著船舶建造的質(zhì)量和效率。

國外船舶企業(yè)的數(shù)字化造船已較為成熟，其采用的船舶建造模式與數(shù)字化測(cè)量相輔相成，中間產(chǎn)品和裝配精度測(cè)量已達(dá)到很高的水平。韓國研制的新型測(cè)量系統(tǒng)有效解決了船舶總裝建造過程中的船體組立和零部件、分段和總段、船體結(jié)構(gòu)、吊裝和工件上船臺(tái)后修整等方面的三維精度測(cè)量問題。美國研制出了一種名為NET23-D的測(cè)量?jī)x，能用于測(cè)量中間產(chǎn)品的幾何尺寸及其變形。芬蘭開發(fā)出了一套名為ACMAN 的精度控制管理系統(tǒng)，用于對(duì)船體的組立和零部件、分段和總段、船體結(jié)構(gòu)、吊裝和工件上船臺(tái)后的修整進(jìn)行分析與處理。瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院的大地測(cè)量和攝影測(cè)量研究所已將攝影和測(cè)量技術(shù)應(yīng)用于船舶建造中。

總體來說，我國在船舶建造的精度與測(cè)量的理論和工程實(shí)踐方面與國外相比還有很大差距?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建完善的大型鋼結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)有助于大大提升精度控制能力?，F(xiàn)代化的精度檢測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字化系統(tǒng)，數(shù)字化的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)離不開信息數(shù)據(jù)的傳輸，5G技術(shù)作為最新一代蜂窩移動(dòng)通信技術(shù)，能有效解決無線通信的低時(shí)延、高并發(fā)和大帶寬問題，有助于解決工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)量的即時(shí)性問題。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和精度測(cè)量技術(shù)分析

1.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)系統(tǒng)與高級(jí)的計(jì)算、分析、感應(yīng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)相融合產(chǎn)生的結(jié)果，其實(shí)質(zhì)上是指通過全球化、共享化和開放化的理念構(gòu)建一個(gè)工業(yè)級(jí)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商和客戶等各種資源緊密地銜接起來，通過信息化、智能化和自動(dòng)化的生產(chǎn)方式提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)制造業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的延長(zhǎng)，推動(dòng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型與發(fā)展。我國非常重視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，提出了戰(zhàn)略性的發(fā)展方向、部署實(shí)施和應(yīng)用要求，統(tǒng)籌規(guī)劃了網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)和信息安全三大體系建設(shè)，大力推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和應(yīng)用。但是，與傳統(tǒng)工業(yè)相比，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜程度較高，建設(shè)周期較長(zhǎng)，投資廣泛（包括人、財(cái)、物，要持續(xù)性投入），在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和推廣層面會(huì)面臨行業(yè)基礎(chǔ)薄弱、行業(yè)場(chǎng)景復(fù)雜多變等很多困難與挑戰(zhàn)。當(dāng)前，我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的相關(guān)技術(shù)要求仍需不斷完善，只有如此才能真正進(jìn)入成熟階段。

1.2 船舶精度測(cè)量技術(shù)

在船舶分段建造過程中，各項(xiàng)裝配工作都有一定的精度要求，測(cè)量精度是從另一角度評(píng)價(jià)測(cè)量誤差大小的量，其與誤差大小相對(duì)應(yīng)，即：誤差大，精度低；誤差小，精度高。裝配高有利于減少累計(jì)誤差，從而保證整個(gè)工程的整體建造精度。精度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展是指通過有效的手段減少檢測(cè)時(shí)間，保證檢測(cè)精度，縮短精度分析時(shí)長(zhǎng)，從而保證精度分析報(bào)告的產(chǎn)生。對(duì)于船舶精度測(cè)量，在理論方面，韓國和日本都基于不同的理論算法對(duì)船體裝配分段定位等進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了三維測(cè)量、補(bǔ)償量計(jì)算和精度控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用。日本和韓國等造船業(yè)先進(jìn)的國家已構(gòu)建出一整套相對(duì)完善的精度控制體系，將精度控制管理應(yīng)用到造船的全生命周期中，幾乎達(dá)到了分段100%無余量搭載，提升了造船的質(zhì)量、精度和效率。

1.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與精度測(cè)量技術(shù)的融合

到20 世紀(jì)80 年代中后期，國內(nèi)的造船企業(yè)實(shí)現(xiàn)了艏艉分段預(yù)修整后上船臺(tái)、貨艙分段高精度建造和船塢快速搭載等。當(dāng)前，國內(nèi)船廠已基本構(gòu)建起精度管控體制，這使得船塢周期相比以往明顯縮短。例如，新時(shí)代造船有限公司建造的首艘超大型油船（Very Large Crude Carrier，VLCC）的塢期搭載合格率由2011 年的36%上升到了2012 年的94%。近年來，國內(nèi)的船舶企業(yè)多在探索將結(jié)構(gòu)精度檢測(cè)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，通過更加信息化的手段，進(jìn)一步提升精度控制能力，從而提高作業(yè)的合格率。

2 船舶大型鋼結(jié)構(gòu)精度檢測(cè)問題分析

目前，典型的船舶建造主流程是按總裝化造船原則，以船體為基礎(chǔ)，以舾裝為中心，以涂裝為重點(diǎn)的殼、舾、涂一體化的精度制造。船體的鋼結(jié)構(gòu)建造主要由鋼板切割、零部件加工、小組立、中組立、分段、總段和大合攏等工序組成。船體分段和總段作為典型的大型鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，測(cè)量條件（在平臺(tái)上或在船塢內(nèi)）相對(duì)復(fù)雜，在測(cè)量的準(zhǔn)確度和變形量分析等方面誤差較大，所得結(jié)果對(duì)后續(xù)的拼接效率和船塢占用時(shí)間等有很大的負(fù)面影響。傳統(tǒng)的人工測(cè)量受作業(yè)環(huán)境和人員素質(zhì)的影響，測(cè)量精度受限，引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，構(gòu)建精度檢測(cè)系統(tǒng)，是提升測(cè)量精度的有效方法之一。現(xiàn)階段，國內(nèi)船廠普遍采用全站儀與標(biāo)靶配合，通過在建造現(xiàn)場(chǎng)采集檢測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，在利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建的三維環(huán)境中將其與3D分段設(shè)計(jì)模型相對(duì)比，從而分析、控制精度。這種精度測(cè)量分析方法雖然能相對(duì)準(zhǔn)確地測(cè)量精度并給出評(píng)價(jià)，但檢測(cè)儀器精度不高，且是由人員操作取點(diǎn)測(cè)量的，在測(cè)量精度和人員安全方面均存在不足。同時(shí)，該方法在船舶制造精度測(cè)量方面的數(shù)字化和信息化程度較低，會(huì)影響船舶制造的效率。該方法的主要問題在于：

1）精度管理體系不完善，未建立全流程的精度數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)和分析架構(gòu)；

2）中間產(chǎn)品精度標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；

3）相關(guān)精度檢測(cè)技術(shù)和儀器不夠先進(jìn)，測(cè)量速度較慢；

4）精度測(cè)量受建造環(huán)境的影響較大；

5）精度測(cè)量與補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)的自動(dòng)化程度較低，測(cè)量速率和計(jì)算反饋速率較低；

6）精度控制尚未形成完善的系統(tǒng)性檢測(cè)、控制系統(tǒng)平臺(tái)。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將工業(yè)與網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，能有效地將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接起來，從而解決上述問題。

3 大型鋼結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)架研究

當(dāng)前，面對(duì)船舶行業(yè)大型鋼結(jié)構(gòu)建造裝配面臨的精度檢測(cè)和控制方面的問題，依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)的趨勢(shì)日漸明顯。通過應(yīng)用大型鋼結(jié)構(gòu)裝配精度全自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，構(gòu)建感知、數(shù)據(jù)平臺(tái)、應(yīng)用反饋等系統(tǒng)層級(jí)，減少對(duì)測(cè)量人員的投入，降低對(duì)環(huán)境的影響，提高精度測(cè)量和控制效率。圖1 為上海外高橋造船有限公司構(gòu)建的裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)。

圖1 裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)

3.1 數(shù)據(jù)感知層

引入高精度工業(yè)照相機(jī)，用立體掃描代替單點(diǎn)測(cè)量，通過照片將攝影工裝上的靶標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間三維坐標(biāo)，將照相機(jī)架設(shè)在被檢測(cè)鋼結(jié)構(gòu)的外部，大大降低對(duì)檢測(cè)場(chǎng)和人員的要求。同時(shí)，通過植入移動(dòng)信號(hào)終端模組，將測(cè)量感知測(cè)量設(shè)備接入5G信號(hào)，實(shí)現(xiàn)終端感知設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互。根據(jù)測(cè)量場(chǎng)景的不同，測(cè)量設(shè)備可采用固定式的或移動(dòng)式的。

3.2 數(shù)據(jù)平臺(tái)層

隨著數(shù)據(jù)信息傳輸量的增加，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的需求也越來越高，在超大型測(cè)量場(chǎng)景下，為保障高精度照相機(jī)拍攝的有效性，設(shè)備數(shù)量和圖片數(shù)據(jù)量會(huì)相應(yīng)增加。5G網(wǎng)絡(luò)能提供超高的接入速率、超低的時(shí)延和超高可靠性的用戶體驗(yàn)，滿足超高流量密度、超高連接數(shù)密度和超高移動(dòng)性的接入要求，為數(shù)據(jù)平臺(tái)的計(jì)算應(yīng)用提供聯(lián)通的基礎(chǔ)。設(shè)備接入模塊根據(jù)不同的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備數(shù)據(jù)通信連接方式，提供對(duì)MQTT、Http 和工業(yè)協(xié)議（Modbus、CANbus）等常用行業(yè)協(xié)議或接口的適配支持，實(shí)現(xiàn)對(duì)感知層的各類型終端設(shè)備的大規(guī)模接入。測(cè)量設(shè)備可通過5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與平臺(tái)聯(lián)接，實(shí)時(shí)將設(shè)備的基本參數(shù)和工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)上傳給平臺(tái)。平臺(tái)會(huì)對(duì)各類參數(shù)進(jìn)行記錄和存儲(chǔ)，并提供數(shù)據(jù)字典，開放數(shù)據(jù)查詢權(quán)限。數(shù)據(jù)可通過專業(yè)處理軟件進(jìn)行更方便的管理和展示，可快速地與第三方應(yīng)用集成，進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算擬合、分析對(duì)比、超差顯示和報(bào)告生成等。

3.3 應(yīng)用反饋層

在平臺(tái)層之上，建立基于工業(yè)檢測(cè)大數(shù)據(jù)的精度分析軟件。感知層用視覺檢測(cè)技術(shù)替代傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方式，降低人為因素對(duì)質(zhì)檢質(zhì)量的干擾，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度和效率。數(shù)據(jù)平臺(tái)層提供數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)功能。在應(yīng)用反饋層，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集成處理、建模分析、決策優(yōu)化和反饋控制。

具體而言，在獲取通過拍照得到的空間三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)產(chǎn)品尺寸、形位公差和型面偏差等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算分析結(jié)束之后，會(huì)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)測(cè)量結(jié)果并生成測(cè)量報(bào)告，將結(jié)果和報(bào)告?zhèn)鬏數(shù)浆F(xiàn)場(chǎng)顯示屏上供現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員查看。通過報(bào)告繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的精度控制和修正。

4 結(jié) 語

不同行業(yè)對(duì)精度控制有不同的要求，本文面向船舶行業(yè)的大型鋼結(jié)構(gòu)，開展了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的大型鋼結(jié)構(gòu)裝配精度檢測(cè)系統(tǒng)研究，通過無線通信信號(hào)（5G）進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和反饋等流程的自動(dòng)化精度測(cè)量，能有效減少對(duì)測(cè)量人員的投入，提高測(cè)量和分析效率。通過應(yīng)用該系統(tǒng)，能大大降低對(duì)檢測(cè)場(chǎng)地的要求，測(cè)量的最高精度要求可達(dá)到1 mm以內(nèi)，能滿足規(guī)范對(duì)船舶裝配精度的要求。該研究可供船舶行業(yè)的大型鋼結(jié)構(gòu)精度檢測(cè)的智能化和數(shù)字化發(fā)展參考。