船體分段智能車間概念解析

周同明，饒 靖，周榮富

(上海船舶工藝研究所，上海200032)

0 引 言

船體分段根據船體結構特點、船廠生產環境和建造工藝要求，按照一定的原則，將船體合理劃分為若干個獨立的船體結構段。由于分段數量巨大、建造工藝復雜，分段制造的智能化程度受到較多限制，對高效造船產生了較大的制約[1]。

日韓等國的先進總裝化造船企業已形成一條基于標準化作業程序的均衡、連續、有節拍的，以中間產品為導向的積木式造船作業生產線。在船廠內合理布局殼舾涂作業，車間內分道分線，實施專業化流水線節拍生產，通過標準化生產流程提高生產效率，如建立曲面分段流水線、小組生產流水線、T型材流水線等。流水線之間均衡協調，緩沖量小，減少并避免了大量中間產品的堆積[1]。

對于船體分段制造車間來說，需要利用先進的、智能化的技術和管理方法，以減少分段的空置時間、降低庫存量，使中間產品可連續均勻地在車間內流動，從而提高車間及船廠的整體生產效率，使分段制造平穩、有序地進行[2]。

本文探討船體分段智能車間的特征、總體架構、車間布局設計、數據流通架構、管理系統及其采用的技術等。

1 船體分段智能車間定義及特征

1.1 船體分段智能車間定義

船體分段智能車間是將先進制造技術、物聯網技術、人工智能技術、大數據技術、設備監控技術與智能裝備相結合，在整個生產過程中加強數據的采集和管理，實時掌控船體分段的生產流程，提高生產過程的可控性，減少生產線上的人工干預，同時實時準確采集生產線數據，實現實時感知、全流程融合，記錄生產過程中的多維度數據，進行智能決策、精準執行，達到精益化管理的車間。

1.2 船舶分段智能車間特征

船體分段智能車間有如下8個特征：

(1) 數字化。船體分段智能車間從設計圖紙、派工物流、設備運營、生產協調等各個方面采集數據，進行數據挖掘，預測協調。從生產的各個環節中記錄生產過程，通過數據集成，增強分段車間的數字化制造能力。

(2) 網絡化。船體分段智能車間是基于計算機網絡的數字化網絡制造系統。通過物聯網技術，將設備、人力及其他各要素進行實時物聯，起到監控和充分利用各類資源的作用，減少中間產品和設備的閑置時間。

(3) 標準化。規范整個生產過程的體系結構、功能、技術、方法，保證智能制造的標準化，有利于數字化智能制造的有效集成和柔性生產。

(4) 實時化。船體分段智能車間在生產過程中產生了大量流數據，對這些流數據進行實時采集和分析處理，保障設備的穩定運行和資源的充分利用。

(5) 集成化。船體分段智能車間將先進制造技術、物聯網技術、人工智能技術、大數據技術、設備監控技術與智能裝備相結合，實現生產過程的信息化暢通、數字化集成和智能化管控。

(6) 協同化。在智能車間制造環節，車間內部設備多樣化，各制造環節之間、設計與工藝環節和統籌管理等環節協同交互，通過數字化的形式統籌安排生產，以達到效率最大、效益最高、生產最優的目標。

(7) 綠色化。船體分段制造是一個高耗能、高污染的制造過程，通過智能車間綠色工藝的執行、生產調度與控制的優化，提高生產效率、減少環境污染。

(8) 柔性化。船體分段生產具有品種多、批量小的特點，由于船體分段的功能和個性化需求各不相同，智能車間為此產生按需生產的先進生產方式，增加制造的靈活性和應變能力，改善產品品質[3]。

2 船體分段智能車間總體架構

船體分段智能車間總體架構分為4個層級：基礎設施層、設備層、執行層和控制層，如圖1所示。各層相關描述如下。

圖1 船體分段智能車間總體架構圖

2.1 船體分段智能車間基礎設施層

基礎設施層一般由數據中心機房工程、安防監控、綜合布線等組成，為車間的數據通信服務提供基礎設施保障。

2.2 船體分段智能車間設備層

設備層主要包括制造設備、物流設備、檢測設備和網絡通信基礎設備。這些設備按作業類型又可為預處理設備、切割加工設備、部件裝焊設備和分段加工設備。設備層采用工業網絡實現統一聯網。

智能車間與傳統車間的不同主要在于新增了大量傳感器、執行器、射頻識別、智能裝置、通信裝置，以達到通過基礎設施層的底層通信將整個智能車間進行統一聯網，將萬物互聯，將信息集中匯總至控制層，統一做出決策。

2.3 船體分段智能車間執行層

執行層主要包括車間生產計劃派工、工藝管理、質量管理、生產物流、車間設備管理和成本管理等功能模塊。數據分析人員通過船體分段智能車間決策控制室，根據邊緣層收集的生產現場的實時生產進度、物料、質量和設備信息等數據，進行數據挖掘分析處理；與此同時，決策層接收邊緣層的船體分段生產計劃、執行狀態、生產結果，經過數據挖掘、智能決策之后，再向邊緣層發出新的生產指令及工藝技術更新。

智能車間執行層的功能與模塊如下：

(1) 通過車間計劃與派工模塊實現車間生產計劃排產的管理；

(2) 通過任務包與派工單管理，在設計包基礎上生成任務包；

(3) 通過生產與物流節拍管理實現物流調度及物料配送；

(4) 通過質量管理模塊采集質量控制所需的關鍵數據，提供質量判異和過程判穩等在線質量檢測和預警方法；

(5) 通過設備管理模塊實現設備基本信息、使用信息和維保信息的全過程管理；

(6) 通過成本管理模塊實現成本分析、成本控制和成本核算；

(7) 基礎數據采集與統計等處理。

船體分段智能車間生產執行系統將車間內設備、人力、物料、過程統一為生產資源來管理，通過生產資源的數據傳遞，優化產品的整個生產過程，同時通過收集和處理生產過程中大量的實時數據和事件對車間的生產活動，進行指導、響應并生成報告[4-5]。

2.4 船體分段智能車間控制層

控制層實現設備聯網、數據采集和控制，實現設備管控。控制層包括二次開發工具，為系統擴展提供工具和支撐。

設備聯網方案利用異構網絡中間件，統一車間現場各種自動化設備接口的標準，實現車間設備的統一聯網管理。

數據采集與監控主要執行車間內的生產設備運行狀態參數采集、設備狀態信息顯示以及控制調節指令的下發等任務。設備狀態采集及顯示一般包括：(1)設備啟停狀態，運行及閑置時間；(2)故障及報警信息；(3)工藝參數設定值與實際值，如焊接電流、電壓、焊接速度、氣體流量和焊絲量；(4)設備運行軌跡、速度等參數。

控制調節指令下發是指對生產過程進行調節，并下發控制調節指令至車間生產設備。

3 船體分段智能車間空間布局設計

船體分段智能車間主要包括鋼板預處理工場、理料工場、切割加工工場、部件裝焊工場、分段裝焊工場等。從加工流程和地理位置安排的角度考慮，布局設計如圖2所示。

圖2 船體分段智能車間布局設計

3.1 預處理工場

完成鋼板和型鋼的表面預處理、鋼材拋丸除銹(應達到Sa 2.5標準)、噴涂底漆及底漆烘干等工作。

主要生產設備為板材預處理流水線和板材型材通用預處理流水線、自動駁移噴碼打印設備等。

3.2 理料工場

完成預處理后的鋼板印字、卸料、存放和整理等工作，并為各工場提供鋼板和型材。

主要生產設備為全面印字機等。

3.3 切割加工工場

完成型鋼、條材、內部平直構件的號料、劃線切割、打碼、打磨及配套等工作，以及內部平直構件折邊、單曲和雙曲面板材的彎曲加工及配套工作。

主要生產設備有型材切割流水線、條材自動生產線、激光切割機、等離子切割機、火焰切割機、打磨機器人、油壓機、三芯輥、肋骨冷彎機、自動倒邊機等。

3.4 部件裝焊工場

完成先行小組立、小組立、部分拼板、部分單曲板架的裝焊、矯正等工作。

主要生產設備有先行小組立焊接流水線、小組立焊接流水線、薄板部件生產線等。

3.5 分段裝焊工場

分段裝焊工場分為平面分段裝焊工場和曲面分段裝焊工場，本文只闡述平面分段裝焊工場部分。

平面分段智能化車間承擔船體平面分段的制造任務，如底部分段、舷部分段(舷側、上邊水艙)、甲板分段、縱橫艙壁等的裝配、焊接和矯正。

平面分段的工藝流程如圖3所示，利用流水線生產有助于提高平面分段建造質量和效率。平面分段智能化流水線采用難度較低、靈活性較高、投資較少的縱骨先裝法工藝，板列焊接采用單面焊雙面成形焊接工藝，縱骨及桁材(肋板、縱桁)與板列的焊接采用CO2氣體保護焊等高效焊接方法。

圖3 平直分段智能車間作業流程

4 船體分段智能車間的加工數據信息流通架構

船體分段智能車間注重數據的采集、分析與應用，將數據分類錄入工時數據庫。管理層結合歷史數據指導當前計劃的制定，采用計劃工時及工程線表等方法平衡勞動工時。

船體分段智能車間生產加工應以網絡傳輸、數據采集、數據加工、數據驅動的生產設備為基礎。為此，車間應設定專門分擔加工驅動設備的數據信息流程，并與船體分段設計數據互聯互通，形成有機的分段加工數據流通管控系統。

船體分段智能車間運行管理主要包括生產管理、成本管理、工藝管理、設備管理、物流管理、質量管理以及派工管理等功能模塊，各管理模塊又分別包含一個或多個子功能模塊和基礎設施。各管理功能模塊之間的主要數據流通機制如圖4所示，其中車間計劃與派工、生產物流管理模塊分別與企業資源管理通過基于船廠服務總線的數據接口進行互聯，形成一個封閉的數據流通網絡。

圖4 船體分段智能車間管理信息流通架構

5 船體分段智能車間管理系統

船體分段智能車間管理系統主要實現船舶設計系統中船體分段信息提取、船體分段數據庫構建、預處理、切割加工、部件裝焊、分段制造等的指令生成、零部件識別以及監控信息記錄與分析、檢測信息記錄與分析、生產計劃安排、報表生成等功能。管理系統采用分段制造產品數據管理技術、分段制造執行系統業務模型、數據采集技術、現場終端及網絡技術、自動化及數控設備與管理信息系統接口技術。

(1) 分段制造產品數據管理技術。研究確定分段設計協同管理模式，建立船舶制造環節的建模、產品數據抽取、工藝參數設定、圖文檔管理的一體化管理模式，并通過統一的信息系統平臺實現上述內容的同步管理。

(2) 分段制造執行系統業務模型。按照制造執行系統的設計要求，確定造船企業分段制作的工藝規格標準、作業計劃及排產、資源分配與狀態、生產單元調度、人力管理、產品跟蹤、設備維護、質量管理、數據采集、過程管理、績效分析等的集成管理業務模式，并以此為基礎設計船體分段制造管理信息系統。

(3) 數據采集技術、現場終端及網絡技術。根據智能車間生產執行系統對現場數據的實時性要求，應用先進的現場數據采集技術(如條形碼、射頻識別等)，并通過各種無線或有線的現場+數據處理終端，及時將現場管理數據反饋給制造管理信息系統，通過建立區域網絡覆蓋，實現固定式和移動式兩種終端數據的實時采集[6]。

(4) 自動化及數控設備與管理信息系統接口技術。通過自動化及數控設備操作系統與管理信息系統的接口技術，實現數據流的雙向傳遞，將自動化及數控設備的實時操作信息傳遞給管理信息系統，滿足管理信息系統對生產過程的完整記錄要求。

6 結 論

對船體分段智能車間進行定義、對其特征進行概要描繪，并對船體分段智能車間總體功能架構進行設計，將其分為基礎設施層、設備層、車間執行層和控制層。在空間布局上，依據空間布局的四項基本原則將智能車間分為預處理工場、理料工場、切割加工工場、部件裝焊工場、平面分段智能化車間等。

船體分段智能車間注重數據的采集、分析與應用，通過基于船廠服務總線的數據接口進行互聯，形成一個封閉的數據流通網絡，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。船體分段智能車間管理系統將船廠車間各個單體智能裝備統一集中到控制層，進行數據挖掘、智能決策，達到精準執行、精益化管理的效果。