提升智能制造應用水平 探索行業轉型升級之路

馬譽賢

(南通中遠海運川崎船舶工程有限公司, 江蘇 南通 226005)

0 引 言

當前智能化裝備已在航空、汽車制造、電子、紡織、工程機械等多個行業廣泛應用，但在造船行業的普及率還很低，相比汽車等流程工業及工程機械等離散制造業，船舶行業的自動化、智能化水平大為落后。對尚處在以勞動密集型為主模式的造船業，隨著人口紅利優勢的減弱，造船業傳統的低成本優勢不再。伴隨智能制造技術的快速發展，工業機器人、自動化生產線和流水線在造船業的廣泛應用是未來的發展趨勢。

推進船舶智能制造，提升船舶工業的自動化和智能化水平，是解決人口紅利減少、人工成本上升、提高生產效率、穩定產品質量、減輕勞動強度、縮短生產周期等一系列問題的突破口。面對船舶行業轉型升級趨勢，南通中遠海運川崎船舶工程有限公司提前謀劃、推進智能化戰略，實現由勞動密集型向技術信息密集型轉變。

近年來，南通中遠海運川崎船舶工程有限公司(以下簡稱公司)超前謀劃生產方式轉型升級，將生產設備自動化、智能化、網絡化作為智能制造的切入點，公司已經成為我國造船行業中首批具有較大規模應用工業機器人并取得成功的造船企業之一。通過多年持續推進數字化精益設計、智能制造技術，有效集成數字化設計(CAD)/數字化工藝設計(CAPP)/數字化制造系統(CAM)、企業資源計劃管理系統(Enterprise Resource Planning, ERP)、制造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)等核心系統，推進自動化、智能化生產線、流水線的建設，建設有中國特色的智能船廠。憑借在國內造船業領先的智能制造技術，公司初步實現了由勞動密集型向技術信息密集型企業轉型，推動了企業發展的提質增效。

1 船舶智能制造的內涵及其國內外發展現狀與趨勢

1.1 船舶智能制造的內涵

船舶智能制造是基于新一代信息技術，以人、機器和資源間智能互聯為特征，貫穿船舶設計、生產、管理、服務等制造活動環節，具有信息自感知與測量、智慧自決策與優化、控制自執行等功能的先進制造執行過程、系統與模式的總稱。

1.2 國內外船舶智能制造發展現狀與趨勢

1.2.1 先進造船國家智能制造的現狀與發展趨勢

國外先進造船企業處于由“工業3.0”向“工業4.0”推進階段。日、韓等國先進造船企業廣泛應用自動化、智能化、數字化、網絡化等技術，實現廠域邊界有線、無線網絡覆蓋，物聯網相關技術應用，從智能單元和智能生產線2個方向推進船舶智能制造。

日本船廠普遍應用切割機器人、焊接機器人、涂裝機器人等智能化裝備，構建船舶中間產品智能化生產線，提高船舶建造質量和效率。

韓國造船業在信息集成系統、自動化系統、實時監控系統的基礎上，構建數字化虛擬船廠，建設人與環境協調的智能船廠。同時，特別重視信息集成技術、物聯網技術(Internet of Things, IOT)、可視化、虛擬現實(Virtual Reality, VR)等新一代信息技術在船舶制造中的應用。

歐盟一些船廠以數字化、網絡化、模塊化平臺為支撐，組建模塊化、專業化合作生產的動態聯盟，保持在高人力成本下的競爭優勢。

1.2.2 我國船舶行業智能制造現狀及與先進造船技術的主要差距

我國骨干船廠以信息化和數字化為基礎的智能化水平較低，工業機器人的普及應用較少，總體處于 “工業2.0”階段，正在向“工業3.0”邁進。相比汽車等流程工業以及工程機械等離散制造業，船舶工業智能制造的水平要低一些，目前還沒有真正意義上的智能船廠，現有的研究主要集中在廠區信息基礎設施建設和車間數字化階段。數字化、自動化、精益生產等方面發展水平參差不齊，仍有許多短板需要補齊。少數骨干船廠在物聯網、智能單元等方面取得一定進展，智能造船技術與國際先進水平相比有較大差距，主要表現如下：

(1) 船舶制造裝備與系統的自動化、智能化水平低。切割、成形、焊接、涂裝等作業基本以機械化、半自動化為主；國內手工打磨作業，國外自動化裝備；生產流水線作業與日、韓差距明顯：國內骨干船廠焊接自動化率遠低于日、韓先進船廠；中組立焊接，國內手工作業，國外先進船廠已實現智能化焊接。

(2) 造船過程管控缺少有效的數據支持。工時、物量和質量等基礎數據的完整性、準確性不足，導致作業計劃的制定粗放；生產過程動態數據的采集、分析與反饋缺少技術手段，導致計劃執行的一致性難以保證，無法實現生產資源的動態平衡。

(3) 制造技術與信息技術的融合與集成程度低。信息融合程度低，系統、裝備、零部件以及人員之間難以實現信息互聯互通和有效集成。

2 推進智能制造的發展歷程

推進智能制造是一個長期積累的過程，其基礎是精益設計、精益生產、精益管理和集成化信息系統。公司自1995年底成立以來就堅持不懈地推進信息系統和自動化生產線建設，大部分車間已經實現自動化生產。智能制造經歷了以下3個發展階段。

2.1 1995年成立初期-2005年，初步建成計算機集成制造系統

在此階段，建成了覆蓋全廠的計算機局域網，引進CAD，并在此基礎上開發了CAPP和CAM，導入數字化工程系統(Computer Aided Engineering, CAE)、ERP、財務管理系統、工時系統、管金系統等，信息系統普遍應用于船舶設計與生產工藝設計、物流管理、現場制造等。

建成9條自動化生產線，以及數十臺(套)的數控切割機、自動焊接設備、噴砂機等數字化、自動化設備。

2.2 2006年-2011年，推進基于數字化造船的信息化和工業化融合

伴隨著公司新內業車間、二號船塢、新組立車間、新涂裝車間、新綜合倉庫等二期工程的建設、完工及投產，公司大規模利用信息技術改造傳統設計、建造及管理手段。

(1) 全面推進船舶設計數字化、多專業設計人員并行設計，利用“互聯網+設計”，實現船舶產品設計異地協同化，提高設計效率和質量，縮短設計周期，整合設計資源。

(2) 對ERP系統進行重要升級(操作系統平臺升級及功能增加)，將管金系統、非船用品采購系統、工程管理系統、工時系統等集成到ERP系統中，大幅提高信息系統集成度，實現CAD/CAPP/CAM與ERP系統的深度集成。

(3) 擴大數字化、自動化制造裝備的使用規模，通過對原有設備技術改造，全面實現設計數據經CAM系統自動生成數控數據。

建成另外9條自動化生產線，以及數十臺(套)數控切割機、自動焊接設備、預涂噴槍等數字化、自動化設備。

2.3 2012年起，推行生產設備自動化、智能化改造，企業進入推進智能制造階段

(1) 利用信息技術、仿真技術，通過建立工藝數據庫，結合船舶產品的三維模型，利用推理、創成等形式，輔助進行船舶建造工藝過程的規劃，生成工藝流程模型，對船舶制造中的人、物、信息及制造過程進行仿真，以發現制造中可能出現的問題，使船舶制造過程處于安全狀態，實現精益化生產。

(2) 實現舾裝托盤管理電子化、流程化，并集成到ERP系統，能精確控制船舶物資的采購節點、入出庫節點，有效降低庫存，為船廠的物流管理提供新的平臺。

(3) 先后投產型鋼自動加工線、條材機器人切割線、先行小組立機器人焊接線、小組立機器人焊接線等自動化、智能化生產線，建成了船舶制造智能車間。2016年起開始建設船舶管加工智能車間，已建成并投產中一徑和中二徑管加工機器人生產線、馬鞍相貫線自動切割機等智能化、自動化生產線。

3 推進智能制造的實施路徑

公司以數字化精益設計為主要源頭，精益生產和智能化裝備為重要抓手，集成化信息系統為主要支撐，精益管理為重要保障，將工業機器人應用和自動化生產線改造作為兩化融合、智能制造的切入點，分步推進自動化、智能化生產線、流水線的技術改造，打造智能車間，在國內率先開辟出一條初級階段的智能船廠建設之路。

3.1 確立實施智能制造的規劃、方案和組織體系

公司智能制造的規劃、方案歸納起來大致有以下幾點：確立總體規劃、分步實施的頂層框架；確立自主設計、再造流程的建設方案；建立推進智能制造的組織體系并明確職責，確保規劃方案落地執行。

3.2 構建覆蓋全廠的通信網絡和信息安全體系

公司計算機網絡覆蓋整個廠區，通過光纖連接到各生產車間、班組。利用互聯網專線，實現與成員單位協同經營、協同設計、協同采購、信息共享。公司建有自己的企業網站和郵件系統，通過光纖接入互聯網。

公司所有計算機都實現了局域網互聯互通，智能制造設備實現了網絡化集中管控。在數字化車間，用于控制智能制造設備的計算機通過光纖接入到局域網，以便接收來自設計系統和ERP的數據及控制指令。

公司于2008年1月首次取得ISO 27001信息安全管理體系認證，2016年通過工信部的兩化融合管理體系貫標。為保證造船相關業務的持續性、保護核心技術和滿足合同方信息安全需求，公司實施了保障信息安全的必要策略。

3.3 構建面向生產和客戶的精益設計體系

精益設計，著力于2個面向：一是面向船舶所有人設計出性能更好、滿足船舶所有人和規范要求的數字化船舶；二是面向工廠設計出適合生產裝備條件、生產效率高、生產資源節約的綠色節能船舶。精益設計要求做到足夠的精細、精密、精確，達到全物量、全過程的數字化管理。

引進先進設計系統、并進行深度二次開發，實現從基本設計、詳細設計、生產設計到放樣下料、數控切割及機器人數據的自動生成；在船舶建造的最初環節——設計研發環節做到精細、精準、精益。

(1) 數字化設計。公司將CAD廣泛運用于船、機、電等各專業，推行數字化建模、多專業設計人員的并行設計。

(2) 數字化工藝設計和數字化制造。為實現設計系統與ERP等系統之間的信息互聯互通，公司在CAD的基礎上，開發了CAPP和CAM系統, 使設計與制造體系緊密結合。該系統可提取CAD中相關設計數據，根據規范要求和生產工藝條件進行批量的數據加工處理，自動生成多種數據接口。

3.4 建立有效整合與深度集成的信息系統

信息系統是提升船舶設計建造效率和質量的重要支撐。公司十分重視信息化建設，利用信息技術和集成技術，不斷升級完善計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing System, CIMS)功能，通過信息一體化集成方面的研究，對各個信息系統進行有效整合，形成設計、生產和管理等環節融合、協同運行的集成制造系統，該系統的建成為智能制造提供了有力的支撐。

(1) 構建高效協同的企業資源計劃管理系統。ERP系統吸收了按時生產(Just In Time, JIT)、優化生產、精益生產等先進的管理思想,能有效管理船舶上萬種材料，對鋼板、型材、管材、電線、金物進行分類管理；精確控制船舶物資的采購節點、入出庫節點，有效降低庫存，實現庫存零目標；將企業各方面資源(人力、物料、設備、資金、時間、方法等)充分調配和平衡，為加強企業管理、降低運營成本、提高生產效率等提供有效工具，也為高層管理人員經營決策提供科學依據，實現物流管理的現代化，提高企業競爭力。

(2) 設計系統與制造、物流系統有效對接。采用數字化車間管理模式，以數控和網絡等先進技術為基礎，把處于船舶制造底層的智能設備(如數控切割機、工業機器人等)與上層控制計算機形成接口，控制計算機接收上游信息系統(CAD/CAPP/CAM)處理完的數據，傳輸至智能化設備，實現從鋼板下料、切割成品產出、先行小組立和小組立焊接到管子焊接的智能化制造；輔助ERP系統的物流配送管理功能，對船用設備、鋼材、管材、電纜等物流進行托盤化管理，配合生產節拍，實現生產線“進”“出”物流的高效運作，充分發揮智能化生產線的產能和效率。

(3) 建立深度融合的計算機集成制造系統。通過不斷努力，全面建立并完善船舶產品數字化研發設計、制造、測試、管理集成平臺，打通船舶建造主線，在此基礎上形成具有自身特色的CIMS。設計系統處理生成的信息可直接向ERP系統發出作業指令，如進行原材料訂購及管理、生成作業票至生產現場等，從而實現設計系統與ERP等系統(采購管理、支付管理、成本管理、工時管理等)的無縫對接與全面融合。該集成制造系統打破管理與設計環節的“信息孤島”，實現生產、設計和管理等環節協調運行。

3.5 創建覆蓋產品全生命周期的企業大數據

(1) 建立產品設計數據庫系統。公司圍繞產品的全生命周期，通過建立產品設計數據庫系統以及產品售后服務數據系統，從船舶產品營銷、研發設計(基本設計、詳細設計、生產設計)、生產制造、售后服務一直延伸至船舶拆解階段，對船舶產品信息和過程信息進行統一管理和集成，形成產品全生命周期大數據系統。其核心在于能夠使所有與特定項目相關的人員在項目全生命周期中分享產品數據，以便各部門能夠針對各環節出現的問題及改善點，共同研討并提出改進下一步工作的方案和措施。

(2) 以市場和客戶為導向，開發與應用智能船舶能效系統。以互聯網、大數據為基礎，在產品研發設計過程中，開發與應用智能船舶能效系統，探索實現縱傾優化、燃油管理、對機艙和導航系統遠程監控、對船舶和發動機性能監測與分析(智能機艙)、航速優化、故障診斷等。該系統利用物聯網技術，通過衛星傳輸網絡將船舶數據傳輸到岸端數據中心，實現數據采集、處理和傳輸自動化，以大數據的積累和分析為基礎，優化與改進船舶性能，推動船舶更高效、更安全、更可靠的運營管理，滿足船舶所有人對船舶全生命周期的綠色營運要求。

(3) 在生產過程建立采集與分析數據庫系統。在主要生產環節，公司建立了能充分采集制造計劃與進度、質量管理、安全生產等信息的數據采集與分析系統。各塢船項目、分段、工種等的主要工程節點、生產質量、物料配送情況等信息都有專門的信息化工具進行處理與分析。

3.6 打造高效管控的制造執行系統

隨著船舶智能制造的推進，內業、組立、外業、涂裝等船舶中間產品的集中管控對縮短建造周期、提高造船效率的作用日益明顯。MES是連接企業信息管理系統和底層設備的重要紐帶，它可以解決企業資源計劃與生產現場信息脫節的問題，如生產計劃的執行與調度缺乏優化的協調、生產能力難以得到合理評估、生產成本難以有效控制等問題，使企業信息管理系統能夠快速、有效地運行，從而提高生產管理效率，適應敏捷制造和精益生產的要求。

公司船舶建造實行的是拉動式計劃管理體系，根據現有訂單、勞動力、場地、設備、資金等資源，結合接單計劃、人員招聘計劃、設備改造計劃等，以保障準時交船、均衡生產為原則，制定年度線表計劃。根據線表制定的起工、進水、交付三大節點，在起工與進水區間，外業編制搭載計劃和定盤計劃；根據定盤計劃編制大組立計劃；搭載計劃、定盤計劃、大組立計劃決定了船舶建造過程中各個大節點，是實際排產的依據。

3.7 制造工藝與裝備智能化

制造工藝的智能化，將原先依賴經驗的類比設計提升為基于科學的數字模擬和智能規劃；制造裝備的智能化，將原先依賴經驗的手動操作改為智能制造方式，可提高工作效率、穩定產品質量、縮短生產周期、降低人工成本、改善作業環境、減輕勞動強度。

在實施智能化改造的工序選擇上，將焦點放在船舶建造 “3D(Dirty，Dangerous，Duplicate)”環節(臟苦累險、重復簡單)，由簡單的設備到復雜的生產線逐步推進，積累經驗，培養人才。

3.8 加強多方位培訓，促進持續改進

在推進智能制造的過程中，需要一系列的人本管理措施予以配合才能確保各項工作順利有效開展，其中多方位培訓體系建設、持續改進發揮了重要的作用。

(1) 開展多方位培訓。推進智能制造過程中，傳統作業人員將出現富余，但適應智能制造的高技能人才需求會大幅提高。通過培訓管理提升員工能力、確保工作質量、適應智能化的要求是推進智能制造的重要方面。公司以全方位的培訓管理體系為載體對智能制造的各業務環節人員進行培訓，順利實現了人員轉崗的平穩過渡。

(2) 堅持開展持續改善活動。公司在推進精益管理過程中，將持續改善作為重要方面加以強化，注重在實際工作中強化員工的持續改善意識，在各種改善活動基礎上引申出智能化流程再造的典型案例。

4 結 語

目前,全球80%以上貿易通過海運來完成，隨著國家“一帶一路”建設中的“海上絲綢之路”政策的逐步實施，“海上絲綢之路”沿線國家間貿易大幅增長，海運業將會得到更為廣闊的發展空間,更多的貿易也將會通過海運來完成，對我國造船業來說將是一個長期利好。

南通中遠海運川崎船舶工程有限公司以覆蓋全廠的網絡平臺為基礎，全面建立設計、采購、制造、物流、質量、管理、財務等業務一體化的信息系統；以精益設計為首要必需，通過設計系統的深度二次開發和定制功能充分發揮其效能；以精益生產和自動化、智能化設備為重要手段，先后投產多條自動化和智能化生產線；以全面的精益管理為重要保障，打造信息化環境下的以數字化、模型化、自動化、可視化、集成化、網絡化為特征的技術信息密集型智能制造新模式，適應各種船舶的建造，最大限度提高生產效率、縮短建造周期、提高產品質量和鋼材利用率、改善作業環境，為加速推進船舶行業轉型升級、提質增效提供有益的探索實踐。