船舶工業機器人創新設計需求分析模型

林 焰， 衣 正 堯， 李 玉 平， 紀 卓 尚， 蔣 曉 寧

( 1.大連理工大學 船舶工程學院， 遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室， 遼寧 大連 116024；3.大連中遠海運川崎船舶工程有限公司， 遼寧 大連 116052 )

0 引 言

現代船舶生產模式以總裝大部件組裝建造為主，船廠是大型生產設備進行系統性制造的復雜整體，由于船舶部件巨大、結構復雜，船廠在生產設備的智能化、綠色化等方面相對其他工業落后．目前，船廠進行工業機器人應用和開發過程中，由于升級換代跨度大[1-2]，往往從低端人工作業直接期望達到智能化機器人作業，存在各個層面的用戶(如總師、各專業生產管理者、各層次生產技術人員等都屬于機器人的用戶)技術意見分歧、模糊，判斷機器人性能需求不清晰，改造目標不明確，提煉技術矛盾不突出等問題．

質量功能配置(QFD)方法可以將用戶的聲音轉換為產品的工程特性、部件特性、規劃特性和產品特性，直接影響著后續其他階段的合理分析和產品規劃備選方案的有效設計．郭婧宜等[3]對裝備進行結構和任務分解，建立了任務和相關功能系統質量特性影響的系統效能模型．王增強等[4]以PE破碎機為例提出了基于QFD和前景理論的產品規劃方案選擇方法．李延來等[5]論述了質量屋構建的研究進展，指出了質量屋現階段構建的模糊、不分明和不完全等特性．張居鳳等[6]基于QFD/SPA的武器裝備需求分析方法，將模糊和定性的專家意見進行了集中，量化得出裝備性能指標的重要度．

傳統方法采用需求分析作為船舶工業機器人研發和應用論證的起點，通過這個過程，船廠生產設備的改進需求被轉化為一系列的性能指標后，成為機器人創新設計的重要依據．QFD方法于20世紀70年代首先在日本三菱重工被提出，并成功在船廠應用過，但資料顯示僅應用在船舶本體產品的開發上，未見應用在船廠生產設備的改造上[7]．但是，近半個世紀以來，造船模式經歷了不斷轉型，現代造船模式轉型經歷了成組技術、敏捷制造、綠色制造的不斷發展，傳統QFD方法在船廠的應用面臨著新挑戰．需求分析的論證過程中，首先要通過對國內外同類型的機器人設備在技術水平、發展趨勢和使用特點等方面對比分析，提出通用的技術指標．其次，更重要的是，要結合用戶船廠的工藝實際和用戶實際需求，明確對工業機器人的性能需求，從而更加切合船廠生產實際來改造或開發機器人．

由于船廠是大型設備生產的系統性復雜整體，某環節機器人設備引進及其對功能的追求，其各技術指標之間相互矛盾對船廠整體生產裝備工藝流產生影響，某一指標改善可能帶來對另一指標或多個指標的影響．這給船廠質檢、生產、管理等各層人員，特別是一線作業人員的靈活應用帶來一定困難，因此，需要以模型分析的方式，對各個用戶集元素進行劃分、加權、評判，確立主從、隸屬關系，以提煉準確的技術矛盾，使船廠對機器人的性能需求更加清晰，改造和開發方向更加明確．

本文在船廠機器人設備的需求分析方面，分析用戶需求驅動機理，創建用戶集需求模型，并對創造主體進行挖掘，進一步做增強需求分析，細化用戶需求，建立增強需求分析模型，并通過用戶權重分析提煉技術矛盾，以便船廠更準確分析機器人創新設計的性能需求重點．

1 主體需求模型分析

1.1 傳統QFD在船廠的應用

QFD是用戶需求驅動的產品設計與研發方法，是將用戶的聲音轉換為產品的工程特性、部件特性、規劃特性和產品特性的系統工具，可將用戶需求逐級分解為有關的技術特性，并通過對各級技術要求等項目的重要度加權評價，找出對產品質量起關鍵作用的因素．QFD的核心是質量屋(house of quality，HOQ)，如圖1所示，它是一種形象直觀的二元展開圖表，采用加權評分法用于HOQ評估[8]．

圖1 質量屋的構成

QFD自提出以來，于20世紀90年代前后形成了3種被廣泛接受的QFD模式[9]：赤尾洋二的綜合QFD模式、John R的ASI四階段模式、Bob K的GOAL/QPC矩陣模式．3種模式中，以ASI四階段模式最清晰，其模式如圖2所示．通過這4個階段，用戶要求被逐步展開為設計要求、零件特征、工藝操作和生產要求．

圖2 QFD的ASI四階段模式

當前，船廠在應用QFD進行機器人設備改造中，立項論證前，僅做了廣義用戶意見的征集，做了寬范圍的調查，并未深入到性能需求的重點，以現場為代表的設備工人、船檢、船東、廠內檢驗人員的需求體現不夠充分，很多現場一線的最有價值的用戶需求意見容易被忽視．從QFD理論上分析，未見對機器人的用戶主體進行詳細挖掘分類，其權值主要賦予模糊用戶主體上，未對用戶主體進行分解剖析，信息的采集準確度依賴于機器人的用戶主體的綜合評判，未與機器人的用戶主體中的各子體直接進行技術關聯，因此技術權重評判存在模糊性，評判過程中包含模糊和歧義．

1.2 主體需求模型的建立與分析

對上述船廠應用QFD的傳統方法進行建模，利用不同的屬性對用戶和研發兩個創造主體進行描述．每種屬性又分為不同的抽象層次，主要分為3種屬性，即創造主體集屬性i、信息匯總集屬性ii、基層信息集屬性iii．每一種屬性分為各自不同層次，建立傳統需求分析的用戶創造主體模型如圖3所示．

其中創造主體集A1屬于創造主體集屬性i，創造用戶集B1和創造研發集C1屬于信息匯總集屬性ii，船廠用戶信息集Dk和機器人廠設計人員集Er屬于基層信息集屬性iii．

根據傳統需求分析的信息流組織構成，其基本邏輯表示為A1={B1，C1}，B1=Dk，C1=Er．其中，基層信息集屬性中的船廠用戶信息集Dk由n

圖3 傳統船廠機器人主體需求模型

個組成，該屬性中的機器人廠設計人員集Er由m個組成，可以表示為Dk={d1，d2，…，dn}，Er={e1，e2，…，em}．則傳統船廠機器人開發的主體需求表示為

A1={B1，C1}={Dk，Er}=

{d1，d2，…，dn}∪{e1，e2，…，em}

傳統船廠機器人開發的主體需求模型中，未能對基層信息集屬性模塊中的一線信息的準確性、多樣性、權威性進行甄別和遴選，設計人員采集的基層信息非常模糊，這對后期機器人的創新方案設計會產生開發目標不明確、性能需求重點不突出的影響．

2 增強需求模型分析

2.1 增強需求模型建立

根據上述傳統QFD方法在船廠機器人創新設計過程中的不足，引入創造主體增強集，加強對船廠設備操作人員、工藝上下游輔助操作人員、船東、船檢、配套廠家技術人員以及各方質檢人員、各級技術管理者、相關研發財務經費控制人員等對項目的需求分析，構建船廠機器人的增強需求分析創造主體集A2，如圖4所示．

圖4 增強的船廠機器人主體需求模型

圖4中，在屬性方面，與傳統船廠機器人主體需求模型(圖3)的對比改進在于，除增強了創造主體集屬性、信息匯總集屬性、基層信息集屬性外，還增加了一線信息集屬性．其中Ⅰ為增強的創造主體集屬性，主要體現增強的創造主體集A2；Ⅱ為增強的信息匯總集屬性，主要體現增強的創造用戶集B2和增強的創造研發集C2；Ⅲ為增強的基層信息集屬性，主要體現船廠基本用戶信息來源的權重λi；Ⅳ為增加的一線信息集屬性，主要體現船廠用戶一線信息元素的權重ηi，j．

根據其信息組織構成，基本邏輯表示為

A2={B2，C2}={λi|i=1,2,…,11}=

{ηi,j|i=1，2，…，11，j=1,2,…,5}

B2={λi|i=1,2,…,8}=

{ηi,j|i=1,2,…,8，j=1,2,…,5}

C2={λi|i=9,10,11}=

{ηi,j|i=9,10,11，j=1,2,…,5}

圖4中，增強的創造用戶集以廠內使用機器人相關的人員為團體，主要包括機器人生產的產品完工質檢人員、直接對機器人操作的直接操作人員、輔助對機器人操作的輔助操作人員、機器人工位的上下游工位人員、對機器人設備進行維護保養的設備維護人員、對機器人設備升級改造的財算風險人員、落實機器人升級改造的相關技術管理人員．增強的創造研發集由協作生產機器人的機器人廠或船廠自主研發機器人兩個研發團體構成，主要包括負責項目的總體設計人員、負責機器人功能分解和集成對接的子系統設計人員、其他相近行業的機器人應用與研發的經驗設計人員．

特別的，根據船廠的普遍工種特點，完工質檢人員的子集中，廠內質檢、船級質檢、船東質檢、工人自檢、配套廠家自檢等5項用戶一線信息元素是通用的．此外，財算風險人員中的采購預算、研發預算、折舊預算、工時預算、風險分析，以及技術管理人員中的基層工長、專業科長、車間主任、專業總工、總工程師等用戶一線信息元素也是通用的．因此，模型中固定上述元素．同時，總體設計人員中的技術查新和規范要求分析、技術指標的落實、研發項目的專利規避等元素，以及經驗設計人員中的廠內、外專家元素，也是通用的．上述機器人升級改造的通用元素，在船廠任何制造階段都一致，因此模型中直接體現，不再變更，不確定的元素，在模型中以橫線“—”表示．由上述分析可見，模型所包含的各類基礎用戶元素，可以在目前船廠內普遍機器人創新設計過程中通用．

2.2 增強需求模型的加權分析

從增強需求分析模型中，可以得到增強的基層信息集屬性Ⅲ中的權重λi的如下表達式：

{λi}={λ1，λ2，…，λ11}

結合船廠實際，由于任何生產設備的升級改造，最終目標是面向產品的高質量生產，如果船舶部件產品質量出問題，則機器人的改造不成功．因此，船東、船級、廠家及廠內等質檢人員如對機器人所生產的產品有質疑，將會使機器人性能直接被否決．因此，在該增強需求分析中，將增強基層信息集屬性Ⅲ中權重λ1所表示的完工質檢人員部分權重等同于其他全部基層用戶權重．則有

將權重指標滿意飽和度設為100，則有

根據船廠生產設備改造經驗，對模型圖4中增強的基層信息集屬性Ⅲ中的λi分別加權，則有

{λi}={λ1，λ2，…，λ11}=

{100，10，5，5，5，10，15，5，20，10，15}

建立模型圖4中的模型公式如下：

在模型圖4中，對固定的用戶一線信息元素ηi，j分別加權，根據船廠產品的質量檢驗、生產設備改造財算、技術管理經驗等加權．加權過程中，由于技術管理人員主要依靠現場事實數據來進行決策，為降低管理者的主觀判斷風險，增加設備改造的客觀實際需求性，將技術管理權重普遍降低，則有

3 算例分析

以某船廠塢內船體外板噴涂作業設備的升級改造為例，具體參數見文獻[9]．船廠在對該類機器人創新設計開發方面，首先進行國內外同類機器人的技術水平、發展趨勢對比分析，見文獻[10]．然后要增強塢內作業的設備作業者、上下游作業者、設備維護者等需求分析，在模型中重點分析手持噴槍并高空作業的噴涂槍手、操作高架車一同進行高空作業的高架車手、船塢底部負責油漆攪拌的漆攪拌手，以及供漆設備的搬運、吊裝、保養維護者等，還要考慮整體工藝通道中的上下游作業者，以避免給上下游作業帶來負擔．根據模型圖4，建立船廠塢內船體外板噴涂機器人增強需求模型如圖5所示．

圖5 塢內船體外板噴涂機器人增強需求模型

根據塢內船體外板涂裝實際，對各個創造主體人員進行加權分析，對模型圖5中增強的基層信息集屬性Ⅲ中的λi分別加權，各個λi權重與模型圖4一致．此外，針對塢內噴涂作業的實際，對一線信息集屬性Ⅳ中的ηi，j進行加權，總體加權值如下：

η7，5+η9，2+η9，3+η9，5+η11，3=25

η2，1+η2，2+η11，1=12

η7，1+η7，2+η9，1+η10，1+η10，3+η11，2+η11，4=21

從矩陣式中可見，權重為5的元素有5個，權重為4的元素有3個，權重為3的元素有7個，權重為2以下(含2)的元素有35個，但是有6個元素值為0，視為無效項，權重為2以下(含2)的有效項有29個．各個權重元素分析具體見表1．

表1 塢內船體外板噴涂機器人性能需求權重分析

Tab.1 Weighted analysis for performance requirement of robot for ship shell plate spraying in dock

權重值創造主體權重元素統計權重個數權重值總和權重值占比/%個數分布552512.55/4943126.03/49372110.57/49≤235(有效29)4221.029/49

由表1可見，權重小于等于2的有效項目非常多，有29個，諸多創造主體用戶需求的一線信息元素權重很小，但是，總體權重卻達21%，如按照傳統模型圖3，則僅考慮了基層信息集屬性的用戶信息代表，機器人設計人員所采集的基層信息源將非常模糊，且忽視了一線信息集屬性Ⅳ及其諸多一線信息源，可見，對機器人性能需求的增強分析是必要的．

同時，在本階段的增強分析中可得：權重為5的專利規避、風險分析、技術指標、方案設計、科研院所等一線信息元素最為重要，也即進行該類作業的創造主體相關人員對機器人的性能需求和技術見解最為重要．

此外，權重為4的噴涂槍手、高架車手、涂裝廠家，要重點考慮他們的一線用戶需求，在實際現場用戶需求征詢中，這3個用戶一線信息元素均對高空作業、漆霧污染兩個問題的性能改善期望強烈．同時，將高空作業和漆霧污染的性能需求與其他用戶信息相確認，均對其性能改善的期望強烈．可見，權重為4的噴涂槍手、高架車手、涂裝廠家等相關創造主體人員所提出的高空作業和漆霧污染問題，是該類機器人性能需求的主要技術矛盾．

模型圖5所示的性能需求分析說明，船廠塢內人工船體外板噴涂作業存在如下重點需要機器人進行改善的性能需求：(1)存在粉塵、漆霧、漆毒等對人和環境的危害和污染；(2)存在工人高空墜落、高架車刮碰船板等安全風險．需要采用爬壁機器人搭載噴槍作業并輔助真空漆霧回收防護的方法解決該技術矛盾，具體方法見文獻[10]．

4 結 論

(1)在船廠進行機器人創新設計的過程中，針對當前傳統QFD需求分析存在的對機器人性能需求模糊問題，詳細地對船廠各層用戶進行了劃分，并對各用戶元素進行了加權需求分析，建立了一種增強的船廠機器人主體需求模型．該模型簡單，具備船廠多個生產線環節設備改造的通用性，可從用戶集中確定機器人創新設計的主要技術矛盾，明確機器人性能需求重點，有助于船廠智能制造的轉型和智慧船廠的服務功能提升．

(2)應用該需求分析模型，經過模型用戶元素的建立、用戶元素的矩陣加權分析得出：噴涂槍手、高架車手、涂裝廠家是用戶集的重點對象；最大權重5的專利規避、風險分析、技術指標、方案設計、科研院所等相關創造主體人員的性能需求和技術見解最為重要；較大權重4的噴涂槍手、高架車手、涂裝廠家等相關創造主體人員所提出的高空作業和漆霧污染問題，是該類機器人性能需求的主要技術矛盾．

(3)通過該需求分析模型的技術矛盾分析，某船廠對當前存在一定問題的船體外板塢內人工涂裝施工作業進行了設計，獲得了一種安全、環保、綠色、人本的爬壁機器人創新設計原理性解決方案．