船舶智能制造技術評價指標體系

邵明智, 周 楠, 楊 虎, 周同明

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

隨著國家智能制造政策的貫徹落實和有序推進，船舶建造的數字化、網絡化、智能化水平和技術創新能力不斷提升，造船企業的生產效率得到了有效提升。但是，國內尚未完全形成一套適應當前船舶智能制造發展現狀的船舶智能制造技術評價指標體系，無法有效支撐造船企業開展智能制造技術的評價和對標。因此，船舶行業亟需制訂一套適應船舶智能制造特點且行之有效的評價指標體系和評價方法，以滿足當前的評價需求。

1 智能船廠系統架構

1.1 智能船廠的內涵

依據國家對智能制造[1]的定義，智能船廠的內涵包括：通過新一代信息技術擴大船廠基礎網絡覆蓋范圍，構建船廠互聯互通平臺，實現整個船舶生命周期的設計、生產和管理數據的互聯和資源共享；基于數字化設計甚至是虛擬船廠，利用三維模型和數據的虛擬仿真驅動產品的高效生產和精益管控；通過船廠縱向、橫向和端到端的系統集成，包括產品數據管理(Product Data Management, PDM)、企業資源計劃(Enterprise Resource Planning, ERP)、制造執行系統(Manufacturing Execution System, MES)、供應鏈管理(Supply Chain Management, SCM)等，構建企業的系統集成平臺，強化企業各類數據的采集、處理、分析和應用等；通過智能化的關鍵裝備構建企業智能化的產線和車間，提升生產效率和質量。智能船廠的構想最終實現整個船廠的生產設備網絡化、生產數據可視化、生產文檔無紙化、生產過程透明化、生產現場少人化等。

1.2 智能船廠的系統架構

結合中國智能制造參考模型的系統層級[2]，依據智能船廠的內涵和特征提出智能船廠的系統架構，主要分為網絡感知、智能制造執行、智能管控3層，具體如圖1所示。

圖1 智能船廠的系統架構示例

(1) 網絡感知層。主要涉及船廠信息數據采集和傳輸，包含基礎網絡和信息技術2方面的內容：基礎網絡包括有線、Wi-Fi、ZigBee等網絡建設；信息采集包括掌上電腦(Personal Digital Assistant, PDA)、射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)、智能手機等采集傳感設備。

(2) 智能制造執行層。在船舶建造過程中，按照造船主流程，以車間和區域為單位，均衡、連續地安排生產，主要包括：數字化單元/模塊車間、數字化分段車間、涂裝車間、總組區域等。

(3) 智能管控層。智能管控層是智能船廠的中樞神經系統，可采集數據信息，經過分析綜合決策，管控各個車間乃至智能設備，同時對設計、供應鏈、物資/能源進行管控，打通設計、生產、管理的信息通道，實現真正意義上的互聯互通。

2 船舶智能制造技術評價要素

基于智能船廠系統架構要素，以及國內外智能制造技術評價方法所涉及的評價要素，如美國國家標準研究院(NIST)的智能制造成熟度模型(Smart Manufacturing System Readiness Level， SMSRL)、德國機械設備制造業聯合會(VDMA)工業4.0就緒度模型、中國電子技術標準化研究院(CESI)的智能制造能力成熟度模型[3]、中國電子信息產業發展研究院(CCID)的智能制造評價體系[4]等，可總結歸納出智能制造技術評價多是從產品全生命周期的設計、制造、管理、服務等出發，重點評價企業的基礎網絡建設、車間智能裝備的應用、企業的信息化集成與集中管控、跨企業的互聯互通和資源共享等。因此，結合國內外智能制造技術評價成熟度模型/體系的評價內容，得出船舶智能制造技術水平評價方向和要素，如表1所示。

表1 船舶智能制造技術評價方向和要素

3 船舶智能制造技術評價指標體系

基于船舶智能制造技術評價要素，以中國智能制造系統架構為基礎，構建以系統層級為主線，以智能制造特征為核心，以智能化設計、生產和系統集成為抓手，覆蓋整個船舶智能制造全生命周期的評價指標體系。

3.1 評價對象和范圍

(1) 評價對象主要為國內已初步開展數字化、網絡化、智能化轉型升級和改造的造船企業；

(2) 評價范圍主要包括船廠內部的設計、生產、管控、信息集成等。

3.2 指標體系

根據第2節的分析提煉出包含基礎層、車間層、企業層3個層級的智能制造技術評價指標體系，具體如圖2所示。

圖2 船舶智能制造技術評價指標體系

(1) 基礎層。基礎層包括信息網絡和安全防御2個二級指標。信息網絡下設企業網絡空間覆蓋率和無線傳感網絡監測信息覆蓋率2個三級指標；安全防御下設網絡安全和數據安全2個三級指標。指標定義如表2所示。

表2 基礎層各指標定義

(2) 車間層。車間層包括車間生產和車間管理2個二級指標。車間生產下設車間關鍵智能設備數量占比、型材智能切割生產線智能化程度、板材智能切割生產線智能化程度、小組立智能生產線智能化程度、平面分段智能生產線智能化程度、管子加工智能生產線智能化程度、涂裝智能流水線智能化程度7個三級指標；車間管理下設MES系統功能模塊使用率、ERP與MES集成度、PDM與MES集成度3個三級指標。指標含義如表3所示，由于智能生產線要求基本一致，表3僅列出型材智能切割生產線智能化程度指標定義。

表3 車間層各指標定義

(3) 企業層。企業層包括船舶設計、企業管理、物流與倉儲等3個二級指標。船舶設計下設研發經費投入占比、詳細設計和生產設計三維模型共享率、單船三維設計交付物占比、基于規則庫的生產設計信息自動化提取率、仿真優化、可視化作業指導應用率6個三級指標；企業管理下設PDM系統功能模塊使用率、ERP系統功能模塊使用率、PDM與ERP集成度、決策支持系統(Decision Support System, DSS)應用水平、跨企業資源共享平臺5個三級指標；物流與倉儲下設物資數字化標識率和倉庫智能化揀配貨完成率2個三級指標。指標定義如表4所示。

表4 企業層各指標定義

4 船舶智能制造技術評價指標權重

考慮到評價指標多為定性指標且需要通過專家經驗來確定各指標之間的相對重要程度，因此采用專家打分法和層次分析法來確定各評價指標的權重系數。通過構造判斷矩陣、計算權重向量以及一致性檢查，得到船舶智能制造技術評價指標權重系數，如表5所示，造船企業可依據評價指標權重系數進行指標分值的確定，如指標體系總分值為1 000分，則基礎層為140分、車間層為400分、企業層為460分。

表5 船舶智能制造技術水平評價指標權重系數

5 結 語

探討了智能船廠的系統架構，并在分析國內外智能制造技術評價方法的基礎上，提出了船舶智能制造技術評價要素，構建了由基礎層、車間層、企業層3個一級指標、7個二級指標、27個三級指標組成的評價指標體系，確定了指標權重系數。由于當前國內的船舶智能制造正處于起步階段，現只是對船舶智能制造技術水平評價方法的一次探索，后續將依據船舶智能制造的發展趨勢和成果對該評價指標體系進行不斷地迭代完善。