船舶智能制造模式的核心要素和體系架構(gòu)

邵明智， 周成蔭， 謝 新， 郄金波

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

隨著國(guó)家智能制造戰(zhàn)略的有序推進(jìn)，新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代造船模式深度融合，對(duì)現(xiàn)代造船模式在實(shí)現(xiàn)形式和內(nèi)涵上將產(chǎn)生深刻影響和變化，必須實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代造船模式向船舶智能制造模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)，構(gòu)建船舶智能車(chē)間、智慧船廠成為船舶行業(yè)和造船企業(yè)面臨的十分迫切的現(xiàn)實(shí)需求。

1 船舶智能制造模式的定義及內(nèi)涵

1.1 船舶智能制造模式的定義

船舶智能制造模式是基于新一代信息通信技術(shù)(云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等)與現(xiàn)代造船模式的深度融合，貫穿于船舶設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)全過(guò)程，以基于單一數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理一體化為基礎(chǔ)，以船舶中間產(chǎn)品殼舾涂一體化關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的數(shù)字化、智能化為核心，以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通為支撐，以智能車(chē)間、智慧船廠為載體，具有船舶制造過(guò)程自感知、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)特征的先進(jìn)制造模式。

1.2 船舶智能制造模式的內(nèi)涵

船舶智能制造模式主要由設(shè)計(jì)模式、生產(chǎn)模式、管理模式和服務(wù)模式構(gòu)成。

設(shè)計(jì)模式：以采用基于模型定義(Model Based Definition, MBD)技術(shù)的船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系為基礎(chǔ)，以廠所協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)為支撐，推進(jìn)全三維綜合數(shù)字設(shè)計(jì)，打通總裝廠與船舶所有人、設(shè)計(jì)院所、船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、供應(yīng)商的信息鏈條，實(shí)現(xiàn)以單一數(shù)據(jù)源貫穿于產(chǎn)品全壽命周期的全過(guò)程、面向現(xiàn)場(chǎng)智能制造的三維可視化作業(yè)指導(dǎo)和無(wú)紙化施工。

生產(chǎn)模式：以數(shù)據(jù)和模型驅(qū)動(dòng)為主要特征，以生產(chǎn)過(guò)程具備動(dòng)態(tài)感知、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、智能分析等功能的數(shù)字化、智能化生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)線、生產(chǎn)車(chē)間為主要載體，以制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)為重要支撐，實(shí)現(xiàn)殼舾涂一體化精度制造。

管理模式：以工程計(jì)劃為基礎(chǔ)，以基于信息集成的一體化綜合信息管理平臺(tái)為支撐，以物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)等使能技術(shù)(Enabling Technology)為手段，對(duì)船舶制造全過(guò)程、全要素實(shí)施實(shí)時(shí)智能管控，實(shí)現(xiàn)“物流、信息流、價(jià)值流”合一的量化精益管理。

服務(wù)模式：以優(yōu)化完善造船產(chǎn)業(yè)鏈為導(dǎo)向，以造船產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同服務(wù)平臺(tái)為支撐，以分布式技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云存儲(chǔ)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)/虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)技術(shù)、人工智能(Artificial Intelligence, AI)技術(shù)等為手段，對(duì)造船供應(yīng)鏈管理、遠(yuǎn)程運(yùn)維等業(yè)務(wù)進(jìn)行優(yōu)化完善，實(shí)現(xiàn)船舶所有人、設(shè)計(jì)院所、總裝廠、船舶檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)、供應(yīng)商等整個(gè)造船產(chǎn)業(yè)鏈的多方協(xié)同服務(wù)。

2 船舶智能制造模式的核心要素和體系架構(gòu)

2.1 船舶智能制造模式的核心要素

參考工信部提出的智能制造5種模式[1]，結(jié)合船舶智能制造模式定義和內(nèi)涵，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)、基礎(chǔ)建設(shè)等方面提出船舶智能制造模式13個(gè)核心要素。

2.1.1 設(shè)計(jì)模式

(1) 采用MBD技術(shù)的數(shù)字化設(shè)計(jì)體系。建立產(chǎn)品全壽命周期協(xié)同研制的數(shù)字化設(shè)計(jì)體系，構(gòu)建統(tǒng)一的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，推進(jìn)MBD方法，快速精準(zhǔn)推進(jìn)“兩個(gè)一體化”(設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理一體化、殼舾涂一體化)的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)施面向現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的三維工藝可視化仿真和作業(yè)指導(dǎo)，提高船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造的綜合技術(shù)能力。

(2) 廠所協(xié)同一體化綜合數(shù)字設(shè)計(jì)。構(gòu)建廠所協(xié)同的一體化綜合數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái)，支撐合同設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)的并行設(shè)計(jì)，促進(jìn)基于模型的設(shè)計(jì)、工藝、制造協(xié)同，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。推進(jìn)基于單一數(shù)據(jù)源的數(shù)字化綜合設(shè)計(jì)，打通設(shè)計(jì)、物流、建造、管理、服務(wù)等船舶全生命周期數(shù)據(jù)鏈，推動(dòng)完工產(chǎn)品數(shù)字化交付。推進(jìn)采用MBD技術(shù)的完整三維建模和工藝性建模，對(duì)工藝過(guò)程和精度控制實(shí)施虛擬仿真、評(píng)估與優(yōu)化，形成涵蓋設(shè)計(jì)、工藝、管理等全要素的一體化三維數(shù)字模型、數(shù)據(jù)包、三維可視化作業(yè)指導(dǎo)書(shū)。

(3) 船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理信息化。突破面向智能制造的船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)組織、船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成、精細(xì)化工時(shí)物量管理、設(shè)計(jì)工藝信息管理、設(shè)計(jì)及物資編碼映射、工時(shí)物量與任務(wù)包(Work Package, WP)/派工單(Work Order, WO)的關(guān)聯(lián)等關(guān)鍵技術(shù)，支持設(shè)計(jì)包、采購(gòu)包、WP等中間產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息之間的相互關(guān)聯(lián)，形成面向智能制造應(yīng)用的船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)系統(tǒng)[2]。

2.1.2 生產(chǎn)模式

(1) 車(chē)間數(shù)字化建模。以船舶制造的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)為重點(diǎn)，分析適應(yīng)船舶智能制造需求的工藝流程和工序流程，優(yōu)化與生產(chǎn)工序、功能相匹配的工位、裝備、生產(chǎn)線布局，構(gòu)建車(chē)間數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流、信息流與物流的有機(jī)統(tǒng)一。運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)分析，持續(xù)優(yōu)化車(chē)間工藝流程，支撐數(shù)字化車(chē)間的建設(shè)。

(2) 技術(shù)基礎(chǔ)。以面向智能制造、涵蓋船舶制造全過(guò)程的中間產(chǎn)品分類(lèi)體系及完整性標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，構(gòu)建拉動(dòng)式工程計(jì)劃管理，通過(guò)算法技術(shù)，優(yōu)化中間產(chǎn)品生產(chǎn)期量標(biāo)準(zhǔn)，建立適應(yīng)船舶智能制造新模式的工時(shí)物量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)均衡、連續(xù)、有節(jié)拍的總裝化造船。構(gòu)建企業(yè)造船精度補(bǔ)償模型及數(shù)據(jù)庫(kù)，推進(jìn)以補(bǔ)償量替代裕量，將造船精度控制從船體搭載工序向切割加工工序、從船體工程向舾裝工程延伸擴(kuò)展，推進(jìn)全工藝過(guò)程的無(wú)裕量制造。

(3) 中間產(chǎn)品智能生產(chǎn)。以船舶分段制造為重點(diǎn)，強(qiáng)化底層設(shè)備數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化改造，全面推進(jìn)船舶中間產(chǎn)品流水線的數(shù)字化、智能化升級(jí)，逐步實(shí)現(xiàn)中間產(chǎn)品數(shù)字化、智能化生產(chǎn)。重點(diǎn)突破船體零件智能理料、船體零件自由邊智能打磨、小組立智能焊接、中組立智能焊接、分段裝焊、分段智能?chē)娡俊⒐芗悄芗庸さ却爸悄苤圃於贪逖b備/生產(chǎn)線[2]。

(4) 車(chē)間智能管控。推進(jìn)智能車(chē)間MES建設(shè)，實(shí)現(xiàn)船舶車(chē)間計(jì)劃、調(diào)度、設(shè)備、生產(chǎn)、效能的全過(guò)程閉環(huán)管理，并與企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning, ERP)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效的協(xié)同，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)進(jìn)度、工時(shí)物量、現(xiàn)場(chǎng)操作、質(zhì)量檢驗(yàn)、設(shè)備狀態(tài)、物料傳送、能耗等生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集和自動(dòng)上傳，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和智能分析[2]。

(5) 智能車(chē)間/智慧船廠。推進(jìn)數(shù)字化車(chē)間建設(shè)，形成集計(jì)劃管理、過(guò)程協(xié)同、設(shè)備管控、資源優(yōu)化、質(zhì)量控制、決策支持等功能于一體的智能車(chē)間/船廠。在船體分段、管子加工、分段涂裝等關(guān)鍵環(huán)節(jié)率先示范應(yīng)用，再覆蓋到船塢/船臺(tái)搭載、區(qū)域舾裝和碼頭系泊試驗(yàn)、交船等核心區(qū)域，實(shí)現(xiàn)車(chē)間/區(qū)域之間的互聯(lián)互通，為構(gòu)建智慧船廠奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.1.3 管理模式

(1) 一體化綜合信息管理。推進(jìn)企業(yè)中心數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，構(gòu)建一體化綜合信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)PDM系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)和MES的高度集成，打通設(shè)計(jì)、物流、制造、管理與服務(wù)的信息通道，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的信息集成和持續(xù)優(yōu)化。

(2) 造船大數(shù)據(jù)分析與決策。基于船舶建造過(guò)程大數(shù)據(jù)，推動(dòng)船舶制造過(guò)程大數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、可視化、模式識(shí)別、AI決策等技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新應(yīng)用，為智能裝備運(yùn)行、車(chē)間智能管控和企業(yè)智能決策等提供技術(shù)支撐，顯著提升船廠生產(chǎn)過(guò)程的決策水平和管理效率。

2.1.4 服務(wù)模式

推進(jìn)船舶行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，搭建造船產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同服務(wù)平臺(tái)，加快客戶關(guān)系管理、供應(yīng)鏈管理、遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)等系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，逐步打通造船企業(yè)與相關(guān)業(yè)務(wù)單位的信息鏈條，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間有效的信息集成與協(xié)同，推動(dòng)船舶制造業(yè)向服務(wù)型制造轉(zhuǎn)型。

2.1.5 基礎(chǔ)建設(shè)

(1) 標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。以國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南為基礎(chǔ)，針對(duì)船舶智能制造特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)需求，立足基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)、船廠應(yīng)用3個(gè)層面[3]，著重圍繞總體規(guī)劃、智能設(shè)計(jì)、智能工藝、智能裝備/生產(chǎn)線、智能管理、智能服務(wù)、互聯(lián)互通等方面推進(jìn)智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)，為船舶智能制造提供有力標(biāo)準(zhǔn)支撐。

(2) 各類(lèi)系統(tǒng)互聯(lián)互通。以互聯(lián)互通為目標(biāo)，利用云存儲(chǔ)、云計(jì)算等技術(shù)，加強(qiáng)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)安全能力建設(shè)；全力推動(dòng)船舶設(shè)計(jì)、制造、管理和服務(wù)等云服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，推動(dòng)企業(yè)信息集成與產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同運(yùn)營(yíng)。加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系的創(chuàng)新應(yīng)用，推進(jìn)設(shè)計(jì)信息、工藝信息、工時(shí)物量信息、托盤(pán)集配、物流、資金流、能耗、設(shè)備等船舶制造過(guò)程海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)采集與傳輸，提高綜合管理效率。

2.2 船舶智能制造模式的體系架構(gòu)

船舶智能制造模式的體系架構(gòu)主要分為設(shè)計(jì)模式、生產(chǎn)模式、管理模式、服務(wù)模式和基礎(chǔ)建設(shè)等方面。設(shè)計(jì)模式主要體現(xiàn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)建設(shè)、數(shù)據(jù)管理和廠所協(xié)同設(shè)計(jì)3個(gè)方面；生產(chǎn)模式主要體現(xiàn)數(shù)字化、智能化的裝備建設(shè)(點(diǎn))、生產(chǎn)線建設(shè)(線)、車(chē)間生產(chǎn)管控(面)、企業(yè)生產(chǎn)管控(體)4個(gè)方面的構(gòu)建；管理模式主要體現(xiàn)企業(yè)內(nèi)一體化綜合信息管理和基于大數(shù)據(jù)的智能決策；服務(wù)模式主要體現(xiàn)造船產(chǎn)業(yè)鏈中供應(yīng)鏈和遠(yuǎn)程運(yùn)維2個(gè)方面的協(xié)同服務(wù)；基礎(chǔ)建設(shè)主要體現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)和各類(lèi)系統(tǒng)互聯(lián)互通2個(gè)方面。具體如圖1所示。

圖1 船舶智能制造模式的體系架構(gòu)

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著智能制造示范工程在船舶行業(yè)試點(diǎn)示范，船舶行業(yè)的智能制造能力不斷增強(qiáng)，現(xiàn)代造船模式發(fā)生了新的變化，需要提出新的造船模式作為理論引導(dǎo)。結(jié)合國(guó)家智能制造規(guī)劃和船舶行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，提出船舶智能制造模式的定義、內(nèi)涵、核心要素、體系架構(gòu)等，為造船企業(yè)開(kāi)展智能制造、推動(dòng)行業(yè)造船模式的轉(zhuǎn)型升級(jí)提供方向指引和路徑支撐。