面向船舶建造的三維作業(yè)指示設(shè)計技術(shù)研究

劉祥博，朱明華，毛申飛，伍朝暉，鄭冬標(biāo)

（江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

目前，船舶建造行業(yè)的生產(chǎn)現(xiàn)場使用二維圖紙（平面圖、立體圖、剖面圖等）和其他補充文件（作業(yè)指導(dǎo)書、施工工藝等）指導(dǎo)工人施工。施工人員從平面圖和工藝文件中獲取生產(chǎn)信息，該過程存在大量判別、評估和確認(rèn)的工作，且容易產(chǎn)生理解性錯誤，從而導(dǎo)致了大量的工時浪費和施工錯誤。數(shù)字化和信息化技術(shù)的發(fā)展，為解決這些問題提供了方向。三維作業(yè)指示作為數(shù)字化制造方向的一個應(yīng)用，可將現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)所需的信息以三維模型及三維工藝模擬形式來傳遞，這種三維立體的表達(dá)模式能使現(xiàn)場施工人員更為準(zhǔn)確地理解設(shè)計者的意圖，節(jié)省看圖紙想工藝的時間，從而縮短船舶建造周期，降低生產(chǎn)成本。

1 作業(yè)指導(dǎo)書

在船舶建造行業(yè)，生產(chǎn)設(shè)計人員主要依據(jù)三維產(chǎn)品模型進(jìn)行工藝設(shè)計，設(shè)繪生產(chǎn)設(shè)計圖紙并編制施工工藝以指導(dǎo)現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)。生產(chǎn)設(shè)計圖紙主要解決“造什么船”的問題，包含產(chǎn)品的零部件組成及安裝尺寸等信息；施工工藝則重點闡述“船怎么制造”的問題，包含零部件的安裝方法、施工質(zhì)量要求及安全注意事項等信息。

這種二維作業(yè)指導(dǎo)的模式，在生產(chǎn)應(yīng)用中存在著一些不足。其一，施工工藝未完全覆蓋現(xiàn)場的作業(yè)內(nèi)容，部分作業(yè)的工藝描述不具體，有的甚至缺乏工藝指導(dǎo)，施工人員只能憑經(jīng)驗施工，容易考慮不周，造成返工的現(xiàn)象；其二，紙質(zhì)圖紙表達(dá)的信息較離散且不能相互關(guān)聯(lián)，施工人員需要花費較多時間才能獲取完整的設(shè)計信息，導(dǎo)致等工、待工等現(xiàn)象，造成生產(chǎn)作業(yè)不連續(xù)；其三，二維施工圖紙和文字描述的施工工藝都缺乏直觀性，不利于施工人員使用和理解。

一些西方發(fā)達(dá)國家通過協(xié)同工作平臺進(jìn)行并行產(chǎn)品數(shù)字化定義，在多個領(lǐng)域推進(jìn)數(shù)字化技術(shù)，推行三維電子作業(yè)指導(dǎo)模式[1,2]。波音公司在新一代戰(zhàn)神航天運載工具的研制和 C130的航空電子升級中，建立MBD/MBI（基于模型的定義/作業(yè)指導(dǎo)書），縮短了57%的裝配工期，將數(shù)字化制造推向制造現(xiàn)場的更深層次。中國制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)在近二十年來，發(fā)生了很大變化。而在船舶建造行業(yè)，三維作業(yè)指示的研發(fā)與應(yīng)用尚在起步階段[3]。

2 三維作業(yè)指示

在精益造船模式下，建造方針和中間產(chǎn)品確定后，生產(chǎn)管理部門是以任務(wù)包（WP）和派工單（WO）的形式分配生產(chǎn)任務(wù)。為保證作業(yè)指導(dǎo)能完全覆蓋現(xiàn)場作業(yè)內(nèi)容，將三維作業(yè)指示與WP/WO相關(guān)聯(lián)，即一個WO對應(yīng)一份三維作業(yè)指示，將成為實現(xiàn)精益生產(chǎn)的必由之路[4]。

2.1 三維作業(yè)指示設(shè)計

船舶建造所需要的信息主要包括產(chǎn)品、工藝、資源3方面，現(xiàn)有作業(yè)指導(dǎo)模式將這些信息分散在圖紙、工藝甚至生產(chǎn)管理的過程中；三維作業(yè)指示則依據(jù)施工工序組織生產(chǎn)信息，然后再通過三維模型及工藝模擬的方式來表達(dá)，其設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 三維作業(yè)指示設(shè)計流程

1) 產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入：將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后的模型導(dǎo)入三維作業(yè)指示設(shè)計平臺。三維作業(yè)指示使用的數(shù)據(jù)直接來源于 Tribon，即通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口獲取產(chǎn)品的三維模型及其屬性信息，以保證現(xiàn)場與設(shè)計的數(shù)據(jù)相統(tǒng)一，同時還能將二維圖紙中分散于主視圖、俯視圖、剖面圖、放大圖等不同圖紙中的信息關(guān)聯(lián)起來，使現(xiàn)場施工人員直觀了解零部件形狀、空間位置、安裝尺寸等設(shè)計信息。

2) 三維工藝規(guī)劃：基于二維的生產(chǎn)崗位作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書，在三維作業(yè)指示設(shè)計平臺下開展工藝規(guī)劃，確定零部件的裝配順序，并關(guān)聯(lián)該裝配過程所需的工裝、工具、輔助材料及場地設(shè)施等制造資源，建立起工藝與產(chǎn)品、工裝、資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3) 三維工藝仿真：在三維工藝規(guī)劃結(jié)果的基礎(chǔ)上，在仿真環(huán)境中對工藝過程進(jìn)行仿真模擬，評估工藝方案的合理性和準(zhǔn)確性，并進(jìn)行優(yōu)化。通過工藝模擬及驗證，設(shè)計出最優(yōu)裝配順序。與此同時，在三維工藝仿真過程中還融入了現(xiàn)行工藝中未涉及的工裝、設(shè)備等資源信息，將工裝的使用與船舶建造過程相結(jié)合，使工藝設(shè)計與現(xiàn)場施工環(huán)境保持一致。

4) 編制三維工藝文檔：將現(xiàn)場需要的產(chǎn)品信息、生產(chǎn)信息在輕量化的三維模型上進(jìn)行標(biāo)識，從而得到三維作業(yè)指示的三維界面。三維作業(yè)指示將在工藝仿真平臺上使用三維模型進(jìn)行工藝模擬，表達(dá)并完善現(xiàn)行施工工藝。如管子安裝作業(yè)中，施工工藝指出管子安裝應(yīng)遵循“先大后小，先難后易，先里后外”等原則，但并未說明管件的安裝順序，現(xiàn)場施工具有“靈活性”。三維作業(yè)指示可采用文字注釋、指定視角、尺寸標(biāo)注等表達(dá)方式對施工方法、注意事項、裝配工藝尺寸等進(jìn)行說明；而在三維模型或工藝模擬中不便表達(dá)的“質(zhì)量要求”、“安全環(huán)境健康”等作業(yè)要求則以列表形式展現(xiàn)，并與具體工序相關(guān)聯(lián)。此外，三維作業(yè)指示使用產(chǎn)品明細(xì)表和資源明細(xì)表列出工序中涉及的產(chǎn)品與資源，并使之與三維模型相關(guān)聯(lián)，點擊即可查詢相關(guān)屬性信息。

5) 生產(chǎn)部門審核：將編制完成的三維工藝文檔發(fā)送給生產(chǎn)部門審核，若審核通過，則進(jìn)入下一步驟；若審核不通過，則返回“編制三維工藝文檔”步驟，按照生產(chǎn)部門所提出的意見進(jìn)行修改。

6) 發(fā)布三維作業(yè)指示：以三維作業(yè)指示平臺編制生成的三維工藝文檔為基礎(chǔ)，生成信息豐富且利于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娜S作業(yè)指示的過程。根據(jù)現(xiàn)場實際生產(chǎn)的需求，三維作業(yè)指示還需有工藝列表、零件明細(xì)、工裝明細(xì)的信息、作業(yè)方法及質(zhì)量要求、安全環(huán)境健康要求及精度質(zhì)量要求等信息。這些信息不可能全部在三維工藝文檔的編制界面中表達(dá)，且它們與三維作業(yè)過程存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。依據(jù)上述需求，軟件方開發(fā)出WEB界面，即將船舶建造的三維作業(yè)指示信息生成HTML格式或PDF格式，并與WP/WO相關(guān)聯(lián)，再通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布三維作業(yè)指示，使船舶設(shè)計三維模型延伸至生產(chǎn)現(xiàn)場，從而為現(xiàn)場工人提供更為直觀和精準(zhǔn)的作業(yè)指導(dǎo)。

76000t散貨船204分段船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、舾裝件類型多，船體建造和舾裝件安裝過程涉及較多典型工藝，具有代表性。因此，本文以204分段船體建造和B階段預(yù)舾裝中的典型工藝為例，在船舶建造三維作業(yè)指示方面開展相關(guān)探索，研究三維作業(yè)指示的內(nèi)容及形式。

2.2 船體三維作業(yè)指示

204分段是76000t散貨船機艙甲板分段，采用反造法在支柱式胎架上建造，其WP分為大組立鋪板、構(gòu)架安裝等8個WO，每個WO對應(yīng)一份三維作業(yè)指示，如圖2所示為WO“鋪板”的三維作業(yè)指示。表頭部分既包含三維作業(yè)指示的基本信息，如作業(yè)指導(dǎo)書名稱、編號、編制日期、編制人員等，還羅列了與作業(yè)內(nèi)容相關(guān)的信息，如工位技能、作業(yè)場地、使用勞動防護用品等。

三維作業(yè)指示按照工序組織信息，其主體部分包括工序列表（圖2左側(cè)）、三維模型區(qū)（圖2中部）、工序內(nèi)容及零組件區(qū)（圖2右側(cè)）三塊內(nèi)容。WO“鋪板”共有5道工序，每點擊一道工序，三維模型區(qū)即顯示該工序工藝模擬的內(nèi)容。圖2顯示“主甲板外板拼板”工序的作業(yè)過程：胎架制作已在上道工序完成，本工序開始時將在胎位模型四周出現(xiàn)紅色線框，文字標(biāo)示出此線框為分段輪廓線和船體中心線，提示基準(zhǔn)線位置；其后，甲板定位板模型出現(xiàn)在胎位模型上，文字標(biāo)示其零件名，施工人員依此可迅速找到定位板；最后，箭頭（文字提示其代表實際操作中的線錘）從定位板基線向下延伸至地面，指導(dǎo)施工人員安裝定位板時，應(yīng)使用線錘將定位板上的中心線與地面上船體中心線對齊，同時放大鏡（指定視角）突出顯示線錘與地面輪廓線對齊的細(xì)節(jié)，并使用文字注釋提示施工人員如何將甲板定位板準(zhǔn)確定位。工序內(nèi)容及零組件區(qū)中的作業(yè)方法及內(nèi)容欄用文字描述這一工藝過程，并對其進(jìn)行必要的補充；質(zhì)量要求欄提出該工序質(zhì)量檢測的標(biāo)準(zhǔn)，提示施工人員按要求作業(yè)；安全環(huán)境健康欄說明該作業(yè)過程中應(yīng)注意的安全事項，如提示施工人員應(yīng)該持證上崗；同時零件明細(xì)表和工裝明細(xì)表列出該工序涉及的零部件和工裝。

圖2 204分段大組立鋪板三維作業(yè)指示

三維作業(yè)指示具有人機交互功能，施工人員可對三維模型進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、查看屬性等操作，可充分利用三維模型的屬性信息；其界面還設(shè)有控制按鈕，支持對三維模型區(qū)中內(nèi)容進(jìn)行播放、暫停、快進(jìn)、回退等操作，便于施工人員根據(jù)實際需求調(diào)整播放進(jìn)度，靈活獲取信息；零件明細(xì)表和工裝明細(xì)表均與三維模型相關(guān)聯(lián)，點擊即可查看相應(yīng)的零部件和工裝，方便施工人員備料或準(zhǔn)備工裝。

2.3 舾裝三維作業(yè)指示

204分段為機艙分段，舾裝件種類多樣、數(shù)目繁多，包括船裝管系、機裝管系、船裝鐵舾、機裝鐵舾、船裝風(fēng)管、機裝風(fēng)管六大類約2200個舾裝件。而舾裝件圖紙信息分散，施工工藝不具體且缺乏腳手、支撐、加強等工裝信息，管件安裝順序主要由施工人員的經(jīng)驗決定，在施工前無法判斷舾裝件與工裝之間是否存在干涉或碰撞，導(dǎo)致了大量的返工現(xiàn)象。舾裝的三維作業(yè)指示則解決了這個難題，可直觀全面地提供生產(chǎn)信息。204B階段舾裝分為5個WO，WO“管系安裝”的三維作業(yè)指示如圖3所示。舾裝三維作業(yè)指示的主界面可參照2.2節(jié)。

三維作業(yè)指示的三維模型區(qū)表達(dá)管件安裝的工藝過程。在三維工藝模擬中，首先展現(xiàn)的是三維立體完工圖，讓施工人員對作業(yè)對象有初步了解，各管件均帶有Tribon中的屬性，點擊即可了解管件零件名、安裝位置等信息。隨后，管件模型將按工藝驗證過的裝配順序依次出現(xiàn)，使現(xiàn)場施工人員明確管件的安裝順序，以壓縮現(xiàn)場作業(yè)的“靈活”空間，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程可控。與此同時，每根管件均附帶文字注釋，顯示管件名稱以及安裝在這一管件所需的操作、工藝原則或注意事項等，確保管件得以正確安裝。在該過程中還可點擊管件模型，查詢該管件連接件的名稱，以便于提前備料。對于難以吊裝的管件，如管束單元，三維作業(yè)指示可專門模擬其吊裝路徑和吊裝姿態(tài)，免去了現(xiàn)場實物吊裝實驗的過程。值得一提的是，舾裝的三維作業(yè)指示都是基于有腳手、支撐等工裝結(jié)構(gòu)的船體分段建立的，貼合現(xiàn)場實際，對施工人員有切實指導(dǎo)作用。

圖3 204分段B階段舾裝管件安裝的三維作業(yè)指示

2.4 技術(shù)難點

在三維作業(yè)指示的設(shè)計過程，主要存在以下兩項技術(shù)難點：

1) 船舶CAD數(shù)據(jù)到三維作業(yè)指示的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口技術(shù)。異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存在較大的障礙，且均未提供虛擬仿真軟件相關(guān)接口，對此，必須在船舶設(shè)計平臺和三維作業(yè)指示平臺間建立一座橋梁，經(jīng)解析設(shè)計平臺的模型和屬性信息，再將其存為三維作業(yè)指示平臺所必須的文件格式。通過研究并開發(fā)船舶CAD數(shù)據(jù)到三維作業(yè)指示的數(shù)據(jù)接口，設(shè)計人員在用Tribon進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計建模過程中，即可在數(shù)據(jù)接口界面中按照型號產(chǎn)品數(shù)據(jù)的組成方式（例如船體專業(yè)按照分段）快速導(dǎo)出三維模型及相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，自動生成與設(shè)計相一致的模型拓?fù)潢P(guān)系和生產(chǎn)工藝流程相一致的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，并以產(chǎn)品結(jié)構(gòu)為核心組織船舶產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)。

2) 船舶建造工藝的仿真驗證技術(shù)。船舶建造工藝的仿真驗證是在仿真環(huán)境中提取工藝規(guī)劃中的工序、工步、設(shè)備、工裝、裝配件等信息，然后再進(jìn)行工藝仿真模擬，優(yōu)化裝配順序和裝配路徑，這是實現(xiàn)船舶建造工藝仿真的關(guān)鍵。在結(jié)構(gòu)化裝配工藝的基礎(chǔ)上，對裝配路徑的可行性和合理性進(jìn)行驗證和優(yōu)化，尤其是綜合考慮工裝等輔助件的影響，對設(shè)計方案進(jìn)行預(yù)先的驗證，從而提高裝配方案的準(zhǔn)確性和施工作業(yè)的高效性。

3 結(jié) 語

對船舶建造行業(yè)作業(yè)指導(dǎo)的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，提出采用三維模式來表達(dá)生產(chǎn)信息，主要研究了三維作業(yè)指示的形式及內(nèi)容，并建立了76000t散貨船204分段船體及舾裝的三維作業(yè)指示，為后續(xù)研究三維作業(yè)指示的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。三維作業(yè)指示將虛擬的產(chǎn)品和制造工藝的信息準(zhǔn)確、直觀地傳遞給現(xiàn)場，實現(xiàn)虛擬信息向現(xiàn)實世界的轉(zhuǎn)換，提升現(xiàn)場作業(yè)效率。使用三維作業(yè)指示指導(dǎo)現(xiàn)場施工，是數(shù)字化技術(shù)在制造領(lǐng)域應(yīng)用的必然趨勢。

[1] Cha J-H, Roh M-I, Lee K-Y. Integrated Simulation Framework for the Process Planning of Ships and Offshore Structures[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2010, 26(5): 430-453.

[2] Samsung Heavy Industries, Korea. Introduction Video of Digital Shipbuilding Solution of SHI[Z], 2009.

[3] 胡可一，鄭冬標(biāo). 數(shù)字化造船與江南信息化建設(shè)[J]. 上海造船，2005, (1): 1-5.

[4] 范 璠. 船舶設(shè)計計劃管理與控制方法研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, (2): 76-78.