船體分段智能車間發展趨勢

侯 星， 劉 東， 郭 威， 李楊梅， 董家琛

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海申博信息系統工程有限公司，上海 200032；3.江南造船(集團)有限責任公司，上海 201913)

0 引 言

自“中國制造2025”頒布實施以來，國內船舶制造企業積極響應發展綱要規劃，結合企業自身現狀，通過對車間進行智能化改造及生產設備智能化升級，持續推進信息化與工業化的“兩化融合”，開展分段智能數字化車間建設，推進企業轉型升級，提升企業先進制造能力，突破船舶制造業發展瓶頸。因此，探索智能車間落地應用，是落實“中國制造2025”的重要舉措。

1 國內船體分段制造車間存在問題

(1)車間整體信息化水平較低，現場缺乏實時感知系統[1]，對分段建造狀態、計劃執行狀態、中間產品堆放位置、物流配送狀態等尚未實現實時監控，無法獲取實時數據，且記錄方式基本靠人工。在建造過程中由于工藝改進、計劃調整等因素，無法及時響應，從而影響建造進度。

(2)車間并未建立工位級網絡傳輸平臺，工藝數據、派工數據、物料數據無法傳輸至制造現場，導致生產節奏混亂，建造質量及精度無法精確管控。車間網絡互聯互通等基礎條件仍需要完善，軟硬件資源不足或配置不夠，基礎設施不完備。

(3)車間各類信息系統相對孤立，信息集成度不高，形成信息孤島。制造過程中的工藝信息、計劃信息、派工信息、質量信息、精度信息等融合度較低，無法實現信息共享，且各部門之間協作存在諸多瓶頸造成部分真空區。

(4)廠區建設初期車間工位及設備布置與實際建造存在差異，現場環境復雜，致使船舶建造過程變更較多，穩定性可靠性較差，在很大程度上影響船體分段建造的質量。

2 船體分段智能車間建設藍圖

智能車間是推進信息化與工業化深度融合的重要切入點[1]，是在船舶設計制造過程中通過信息深度自感知、智能優化自決策、精準控制自執行、有效提高生產效率、提升產品質量、降低資源消耗、促進轉型升級的重要途徑[2]。船體分段智能車間建設藍圖如圖1所示。

圖1 船體分段智能車間建設藍圖

(1)生產計劃的科學性：通過計劃的制訂和分解、下發、執行進度反饋等進行閉環，實時報警或提醒，快速響應計劃變更、插單等突發情況，通過計劃的自適應調整進行柔性生產，提高車間制造資源的利用率和建造效率。

(2)生產過程的執行管控與可視化：按照工藝流程及排產計劃，實時追蹤每個中間產品的加工狀態，并將其作業狀態、物流狀態、質檢狀態等進行實時展示，同時監測每臺設備的運行參數，監控生產過程中工藝參數的變化，以達到計劃、執行、質量、數據的全過程信息追溯，實現可視化管理、透明化展示。

(3)實現工藝流程、物流和信息流的完全融合：通過現場調度和管理，確保工藝流、物流與信息流時刻保持一致。

(4)基于計劃、執行、檢查、處理循環(Plan-Do-Check-Act Cycle，PDCA循環)的質量管理：構建質量計劃、質量檢驗、質量反饋、質量信息采集、質量結果分析、質量追溯等全流程質量管理體系，實現船體分段車間建造過程質量管控及追蹤，并逐步建立質量信息知識庫，可隨時對質量數據進行分析統計，最終實現質量管理的PDCA循環。

(5)實現生產輔助決策分析：確定物料采購周期，合理分配計劃，減少非增值勞動，提升產品質量，為改進生產效率等提供分析依據。

3 船體分段智能車間智能制造實施路徑

船體分段智能車間制造使用智能切割、智能加工、智能焊接、智能物流等裝備，基于物聯網、工控網等數據采集、傳輸與控制網絡，綜合集成全三維設計系統、產品數據管理系統、制造執行系統，實現由設計到制造的驅動數據無縫集成及船體分段制造過程的產品狀態監控、進度監控、質量監控、設備狀態監控等，可對生產、設備、人員、質量異常作出提前預警及正確判斷，實現制造執行管控系統與研發設計、智能裝備、智能物流的集成，實現設計制造管理的數字化、網絡化、智能化。

德國率先提出工業4.0的概念，旨在利用信息化、智能化技術促進工業領域變革。國內多數船廠在總體上處于自動化補課數字化普及階段，正在積極探索物聯網等新一代信息技術與先進制造技術的融合，在夯實智能制造基礎的前提下，根據自身生產特點制訂智能制造實施路徑，如圖2所示。

圖2 船體分段智能車間智能制造實施路徑

(1)開展2.0補課。針對現有裝備自動化、數字化水平不高的問題，開展針對傳統裝備的數字化改造，重點開展切割機數字化集成與聯網、數字化焊機取代模擬焊機及聯網等建設內容，消除傳統裝備的數據孤島問題，提升對于船舶制造過程數據感知、傳輸及精準執行的能力。

(2)推進3.0普及。全面推進模型驅動的船舶數字化研制能力建設。在設計階段，全面推行基于模型的全三維設計技術，構建基于模型的全三維數字樣船，實現基于模型的完整性工藝定義，打通基于模型的設計制造信息集成鏈路，建立基于三維模型的可視化作業指導模式。

(3)實施4.0試點。從裝備、生產線及車間等3個層次著手，開展智能制造技術試點。推進中小組立焊接機器人、高精度三維測量裝備等智能化裝備的試點應用；打通設計、裝備、物聯網、管控系統的信息集成鏈路，實現數字化/智能化裝備的綜合運用，推進船體分段智能車間生產線試點建設；推進切割、焊接、測量等智能化生產線/裝備的集成應用，以船體分段車間為對象，開展船舶智能制造車間的建設與應用。

4 船體分段智能車間建設思路和架構

4.1 船體分段智能車間建設思路

船體分段智能車間的建設思路為智能單元-智能生產線-智能車間。

(1)智能單元：完成關鍵工序、瓶頸工序和重要工序。根據生產任務需要，通過采集和分析物料、設備、質量數據，實現特定、復雜、聯動的生產操作要求，對智能工裝、工藝優化、人工參與程度等進行嘗試和摸索[2]。

(2)智能生產線：由多個工位及智能單元組成智能生產線[1]，覆蓋特定產品生產的所有工序或主要工序。智能生產線在相關智能化設備和軟件系統的支持下，可實現對場地、人員、工裝等制造資源的工藝數據、管理數據及生產設備的運行狀態信息、參數信息等進行實時采集、讀取、存儲和分析。通過對這些數據信息進行分類存儲及挖掘，對生產線的運轉進行故障診斷分析，并對設備進行維護保障預警。同時，根據設備之間的協同關系，實現生產計劃、物料配套、人員調度之間的優化配置及重組，充分利用智能車間的所有制造資源[3-4]。

(3)智能車間：打造多條智能生產線，完成多種產品的智能生產[4]。

4.2 船體分段智能車間架構

船體分段智能車間業務流程主要包括鋼材預處理、板材型材切割、部件拼板焊接、裝配、小組立焊接、中組立焊接、平直/曲面分段建造等業務環節，是多條生產線之間的協同作業。針對不同工位的特殊需求及智能化發展現狀，初步擬定智能車間架構(見圖3)，實現生產設備的數字化、工位工序的自動化及車間作業管理的智能化。

圖3 船體分段智能車間架構

(1)鋼材預處理流水線。首先，在鋼材預處理線板材入口處安裝工業照相機，通過拍照及圖像識別鋼板上的批次信息及爐批號信息；其次，在設計軟件的數據庫中匹配待預處理鋼板的套料信息及其他工藝信息，并依此確定待預處理鋼板需要噴涂的底漆類型及相關噴涂工藝，并將相關指令發送至噴涂設備，指導底漆噴涂作業；最后，在鋼材預處理線出口處部署相關人員并手持噴碼機，根據設計要求及生產計劃要求將所需要的管理信息噴涂在鋼板表面，信息主要包含型號尺寸、分段名、流向(根據每個廠實際需求定義)等信息。方便后道工序(理料、劃線切割)對鋼材的信息讀取，提高整個預處理線的自動化水平，減少人工、提高作業效率。

(2)高精度數字化切割生產線。首先，為切割設備添加高精度高速劃線噴碼系統[3]，并在工位間布置手持噴碼設備，通過制造執行管控平臺與設計軟件的集成共享，獲得的零部件噴碼信息(零部件號、規格、型號、流向、安裝位置)，并用手持式噴碼設備將噴碼信息噴寫在待切割鋼板上，以保證信息的完整性及可追溯性；其次，將噴碼系統與切割設備控制軟件進行集成配套；最后，對現有高精度高速劃線設備進行升級改造，為其配置激光定位裝置、等離子坡口裝置，實現零部件高精度劃線、噴碼、切割等流程。

(3)智能化柔性焊接系統。智能化柔性焊接系統主要包括機械臂、桁架式龍門、機器人控制柜、焊槍及其組件、剪絲裝置、送絲裝置等。通過對設計軟件中的數據進行讀取，自動生成機器人運動軌跡，自動調用焊接工藝數據庫，自動定位焊接位置并進行焊接，對焊接焊縫進行智能化檢測，實現零部件的自動化、智能化、柔性化、高品質焊接。

(4)物流集配及實時監控系統。首先，基于新一代信息技術對中間產品、托盤、物資進行智能標識；其次，通過車間物聯網平臺的搭建及相關傳感器的設置，實現中間產品、托盤、物資的識別及定位；最后，通過與基于物聯網的車間制造執行管控系統的集成，實現物流集配與車物流狀態的跟蹤及可視化監控[5]。其業務過程包括原材料、小型中間產品、舾裝件等的出入庫、倉儲、配送、交接等業務環節，實現物流集配自動化，充分提升物流集配效率。

(5)基于三維模型的高精度測量檢驗系統。基于室內GPS，在船體分段裝配焊接區域搭建數字化測量場，部署高精度測量檢驗系統，并配套使用精度管理軟件，實現精度數據的實時采集、數字化檢測、數字化分析等功能。首先，將固定發射器安裝在車間支撐立柱上，利用發射器在分段作業區域構建一個大型測量場；其次，由檢測人員將接收器裝置放置于分段表面實施測量工作，可實現胎架及分段的定位及完工質量精度檢測(可同時進行多處測量)；最后，基于船體車間高精度測量場，開發船體分段精度管理系統，實現船體分段的精度測量及精度數據分析。

(6)基于物聯網的車間制造執行管控系統。車間制造執行管控系統從車間生產計劃、生產協同、資源(設備、人力、場地)管控、質量管控、決策支持及車間信息的互聯互通等6個方面著手，通過智能倉儲、計劃排產、物流管控、精度管控、品質管控、資源管控和決策分析等功能模塊，實現車間生產過程的自動化、數字化、網絡化、智能化的管理與控制[6]。基于物聯網的車間制造執行管控系統(見圖4)，通過研究數據采集系統、設備控制系統、實時物流管控、精度/品質管理等通用共性技術，構建工藝標準、質量標準、工藝路線、產品結構等統一資源數據庫。

圖4 基于物聯網的車間制造執行管控系統

5 結 語

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。新一代信息技術與制造業的深度融合，正在引發影響巨大、意義深遠的行業變革與產業變革，同時也是我國實現由制造大國向制造強國轉變的絕佳機會。針對國內船體分段制造車間信息化水平低、缺乏互聯互通平臺等諸多問題，有必要結合船廠實際，通過硬件裝備更新、信息化軟件和手段應用，加快船體分段智能車間建設，推動船舶制造業精益生產落地。