船體零部件制造數(shù)據(jù)模型研究

金風明，曹新朝

（北京中船信息科技有限公司，北京 100861）

0 引言

伴隨新一代計算機、通信、控制和傳感器等技術的快速發(fā)展以及新技術向傳統(tǒng)行業(yè)深度滲透，一場以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化、個性化、服務化、綠色化為特征的產(chǎn)業(yè)革命正在加速到來。信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）作為各行業(yè)實現(xiàn)轉型升級的有效實現(xiàn)途徑，受到了國內(nèi)外學界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關注，各國政府及組織紛紛開展相關領域的探索研究。

信息物理系統(tǒng)的本質是通過傳感、通信、計算和控制等信息單元和物理對象在網(wǎng)絡環(huán)境下的高度集成與交互，提升信息系統(tǒng)在信息感知、實時通信、數(shù)據(jù)處理、分析決策、精準控制等方面的能力，實現(xiàn)物理世界的自主協(xié)調(diào)、效率提升、性能優(yōu)化與安全保障。船舶制造業(yè)作為勞動、資金和技術密集的現(xiàn)代綜合性產(chǎn)業(yè)，為海洋開發(fā)、水上交通和國防建設等行業(yè)提供技術裝備，其技術水平的發(fā)展對拉動經(jīng)濟增長和增強綜合國力發(fā)揮著很大的作用[1，2]。日韓等國通過建立計算機集成制造系統(tǒng)，大力推進信息化和數(shù)字化，加強造船生產(chǎn)設計和生產(chǎn)管理，大幅度提高了造船生產(chǎn)效率。為了應對激烈的國際競爭，國內(nèi)造船業(yè)必須提高自主創(chuàng)新能力和產(chǎn)業(yè)的綜合素質[3]。在船舶行業(yè)開展數(shù)字雙胞胎、邊緣計算以及全生命周期優(yōu)化技術應用開發(fā)和相關數(shù)據(jù)系統(tǒng)的建設，歸納相關技術的應用模式驗證方案對于CPS的建設具有重要的意義。

1 船體分段車間的工業(yè)生態(tài)模型

信息物理系統(tǒng)的建設是一種工業(yè)PaaS技術方案。在其核心能力建設中，重點在于工業(yè)生態(tài)模型、產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、三維模型數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)、工業(yè)知識庫等方面的建設。

在物理信息系統(tǒng)的建設過程中，為了保持協(xié)同業(yè)務中的數(shù)據(jù)一致性，需要建立基礎的數(shù)據(jù)模型。在此基礎上，可以根據(jù)不同的需求對企業(yè)業(yè)務進行組合。以工業(yè)生態(tài)模型為核心，建立模型數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，可以融合生產(chǎn)自動化系統(tǒng)與生產(chǎn)經(jīng)營管理系統(tǒng)，打通船舶產(chǎn)業(yè)鏈上下游信息共享通道，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的全程在線與數(shù)據(jù)共享，提升產(chǎn)業(yè)鏈整體綜合效能，推動船舶制造業(yè)轉型升級。此外，基于工業(yè)生態(tài)模型還可以建立實體產(chǎn)品（如實體船）的數(shù)字孿生（digital twin），不僅記錄產(chǎn)品全生命周期（設計、制造、交付、維保、回收）的全部數(shù)據(jù)，而且可以通過不斷反饋迭代，優(yōu)化產(chǎn)品設計、制造、維保等過程。

在分析、參考ISA 95等制造模型，但更主要的是針對船舶產(chǎn)品特色進行分析后，本文將工業(yè)生態(tài)模型分解為產(chǎn)品模型、行為模型、資源模型三個子模型，如圖1所示。

圖1 船舶產(chǎn)品模型

在這三個模型中，產(chǎn)品模型是主線，是對所生產(chǎn)或制造的產(chǎn)品的全生命期描述。對船舶產(chǎn)品而言，是按照船舶中間產(chǎn)品的構成，從整船開始逐級往下分解，形成中間產(chǎn)品樹，包括了在設計、工藝、制造、質檢、試航、交船、維保、回收各階段的產(chǎn)品相關信息。產(chǎn)品模型不僅對產(chǎn)品本身做出定義，而且提出產(chǎn)品設計、制造、維保、回收過程中的資源需求、行為需求，再由資源模型、行為模型對此做出響應，并且實際設計、制造、維保、回收過程中的計劃、實作等過程信息也都存儲在產(chǎn)品模型中。

行為模型指的是與船舶設計、制造過程相關的各種行為準則。行為模型與產(chǎn)品模型之間通常通過產(chǎn)品模型的工藝屬性關聯(lián)在一起。即產(chǎn)品模型中每一個節(jié)點的工藝屬性，其制造工藝、工時、物量等，均從行為模型中的工作流程和操作規(guī)范中選取。

資源模型指的是與船舶設計、制造、維保、回收過程相關的各種相關資源，包括人力資源、設備資源（含工具工裝）、軟件資源、服務資源等。資源模型與產(chǎn)品模型之間通常通過產(chǎn)品模型的工藝屬性、制造屬性關聯(lián)在一起。即產(chǎn)品模型中每一個節(jié)點制造工藝所要求的加工場地、加工設備、加工人員資質，及實際制造所采用的加工場地、加工設備、加工班組等。

在實際操作中，采用如下建模方法保障產(chǎn)品模型定義的普適性與靈活性：

（1）首先按照產(chǎn)品構成對產(chǎn)品進行分解，如船舶產(chǎn)品可以分解為各級中間產(chǎn)品，包括分段、設備等。

（2）對于產(chǎn)品及各中間產(chǎn)品，按照階段性屬性組對生命期各階段的數(shù)據(jù)進行分組管理，因此除表示產(chǎn)品本身特性的實體屬性外，還有設計屬性、工藝屬性、制造屬性等。

（3）屬性組中所包含的具體屬性描述了船舶產(chǎn)品及中間產(chǎn)品在某一階段的某項數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)模型設計實例

2.1 數(shù)據(jù)模型范圍

從產(chǎn)品的角度出發(fā)，船舶主要由船體、動力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等組成。在實際生產(chǎn)中，一般將造船過程劃分為船體建造、舾裝和涂裝三大工藝流程。其中船體建造包括零件加工、部件裝配（小組立）、分段裝配（中組立）、分段組合（大組立）和船臺合攏幾個主要過程[4]。

船體分段車間可劃分為業(yè)務層、數(shù)據(jù)層和應用層三個部分。在業(yè)務層，可依據(jù)示范船廠現(xiàn)有的船體車間，通過智能技術抽象出船體分段智能車間的目標圖像，并梳理出詳細業(yè)務流程，構建業(yè)務模型。在數(shù)據(jù)層，以車間智能管控為目標，完成船體分段車間的數(shù)字化描述，實現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務流程和生產(chǎn)要素的全覆蓋。在應用層，抽象出數(shù)據(jù)類型和表達式，可以支撐數(shù)據(jù)庫和管控系統(tǒng)的開發(fā)和應用。

以示范船廠為例，從船廠的實際生產(chǎn)中抽象出的智能車間目標圖像包含以下13個部分：智能倉儲與鋼板堆場、鋼板預處理區(qū)、型材預處理區(qū)、構件加工智能單元、零件分揀智能單元、板材切割智能生產(chǎn)線、型材加工智能生產(chǎn)線、物流管控智能配盤、小組立智能生產(chǎn)線、中組立智能生產(chǎn)線、大組立智能生產(chǎn)線、曲板加工智能單元和分段組立堆放區(qū)域。

以示范船廠為例，從船廠的實際生產(chǎn)中抽象出的智能車間生產(chǎn)線業(yè)務流程包含以下5條生產(chǎn)線：鋼材切割智能生產(chǎn)線、型材加工智能生產(chǎn)線、小組立制作智能生產(chǎn)線、中組立制作智能生產(chǎn)線和大組立制作智能生產(chǎn)線。

其中，本文主要研究的小組立制作智能生產(chǎn)線示意圖如圖2所示。

圖2 小組立制作智能生產(chǎn)線

2.2 智能車間對象的數(shù)據(jù)分類

智能車間生產(chǎn)過程中需要用到的數(shù)據(jù)可以按照數(shù)據(jù)類型的不同劃分為結構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)。其中，大部分的數(shù)據(jù)為結構化數(shù)據(jù)，如產(chǎn)品的類型、位置、型號、參數(shù)等。在模型構建過程中，涉及到的非結構化數(shù)據(jù)包括狀態(tài)、功能、技能和中日程計劃。結構化數(shù)據(jù)可以用數(shù)據(jù)庫二維邏輯來表現(xiàn)。

智能車間對象的數(shù)據(jù)大體由中間產(chǎn)品、車間資源和管理數(shù)據(jù)三部分構成。每部分還可以根據(jù)涉及業(yè)務的不同繼續(xù)細分。具體來說，智能車間的數(shù)據(jù)主要由以下幾部分組成：

（1）中間產(chǎn)品：工藝：設計信息，精度要求，品質要求；執(zhí)行過程：工位，精度，品質。

（2）車間資源：場地：位置，尺寸，狀態(tài)，功能；工裝：類型，位置，功能；人員：工種，工號，工位，技能；設備：管理屬性（類型、位置、功能），基本參數(shù)（型號、參數(shù)），運行狀態(tài)（電流、電壓、功率）。

（3）管理數(shù)據(jù)：生產(chǎn)計劃：中日程計劃，工作包/WP，派工單/WO；工時物量：標準周期，零件重量，焊縫長度，切割長度；生產(chǎn)實績：實績工時，實績能耗。

2.3 小組立智能生產(chǎn)線數(shù)據(jù)模型的實現(xiàn)

與圖2中已知的小組立智能生產(chǎn)線相對應，小組立加工智能車間的生產(chǎn)部分主要有上料裝配工位、焊接機器人、檢測機器人、自動背燒工位、卸料工位、托盤堆放區(qū)1和托盤堆放區(qū)2共七個環(huán)節(jié)，由流水線、AGV實現(xiàn)自動傳輸，完成加工件在各個環(huán)節(jié)的流轉。

根據(jù)小組立車間生產(chǎn)線工位職責，可以得到生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)模型如下：

（1）托盤堆放區(qū)1：執(zhí)行過程的工位信息；場地管理的位置、尺寸、功能和狀態(tài)信息；設備管理的管理屬性、基本參數(shù)和運行狀態(tài)；生產(chǎn)計劃的中日程、WP和WO。

（2）上料裝配工位：工藝數(shù)據(jù)的設計信息和精度要求；執(zhí)行過程的工位信息和精度信息；場地管理的位置、功能和狀態(tài)信息；工裝管理的類型、位置和功能；人員管理的工號、工種、工位和技能；設備管理的管理屬性、基本參數(shù)和運行狀態(tài)；生產(chǎn)計劃的中日程、WP和WO；工時物量的標準周期和物量數(shù)據(jù)；生產(chǎn)實績的實績工時和實績耗能。

（3）焊接機器人：工藝數(shù)據(jù)的設計信息、精度要求和品質要求；執(zhí)行過程的工位信息、精度信息和品質信息；場地管理的位置、功能和狀態(tài)信息；設備管理的管理屬性、基本參數(shù)和運行狀態(tài)；生產(chǎn)計劃的中日程、WP和WO；工時物量的標準周期、物量數(shù)據(jù)和焊接長度；生產(chǎn)實績的實績工時和實績耗能。

（4）檢測機器人：上料裝配工位：工藝數(shù)據(jù)的設計信息、精度要求和品質要求；執(zhí)行過程的工位信息、精度信息和品質信息；場地管理的位置、功能和狀態(tài)信息；人員管理的工號、工種、工位和技能；設備管理的管理屬性、基本參數(shù)和運行狀態(tài)；生產(chǎn)實績的實績耗能。

（5）自動背燒：工藝數(shù)據(jù)的設計信息和精度要求；執(zhí)行過程的工位信息和精度信息；場地管理的位置、尺寸、功能和狀態(tài)信息；設備管理的管理屬性、基本參數(shù)和運行狀態(tài)；工時物量的標準周期；生產(chǎn)實績的實績工時和實績耗能。

（6）卸料工位：場地管理的位置、尺寸、功能和狀態(tài)信息；工裝管理的類型、位置和功能；人員管理的工號、工種、工位和技能；設備管理的管理屬性、基本參數(shù)和運行狀態(tài)；生產(chǎn)計劃的WP和WO；工時物量的標準周期和物量數(shù)據(jù)。

（7）托盤堆放區(qū)2：執(zhí)行過程的工位信息；場地管理的位置、尺寸、功能和狀態(tài)信息；設備管理的管理屬性、基本參數(shù)和運行狀態(tài)；生產(chǎn)計劃的中日程、WP和WO。

2.4 船舶分段車間數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫設計

根據(jù)小組立智能生產(chǎn)數(shù)據(jù)模型，可以得到船舶分段車間數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫設計如表1所示。

表1 船舶分段車間數(shù)據(jù)模型的數(shù)據(jù)庫設計

以上數(shù)據(jù)模型中的編碼由船廠分段車間和零部件編碼規(guī)范產(chǎn)生。為保證數(shù)據(jù)的規(guī)范性，各個編碼全部采用全名存儲，保證每個零部件在數(shù)據(jù)庫中具有唯一性。

3 結束語

本文基于船舶制造的工業(yè)生態(tài)模型，抽象出船體零部件制造的數(shù)據(jù)模型，并給出了數(shù)據(jù)庫設計的參考方案。該數(shù)據(jù)模型是相應基礎數(shù)據(jù)集的重要組成部分，可以為物理信息系統(tǒng)的大范圍行業(yè)應用提供保障。目前，該數(shù)據(jù)模型已在示范船廠的生產(chǎn)車間實現(xiàn)應用，為物理信息系統(tǒng)建設在零部件加工行業(yè)開展數(shù)字雙胞胎、邊緣計算和全生命周期優(yōu)化等新技術新模式的應用提供支持。

[1]徐學光.先進制造技術與造船業(yè)的發(fā)展[J].自然雜志，1999，2.

[2]K.Park，K.Lee，S.Park，et al.Modeling and solving the spatial block scheduling problem in a shipbuilding company[J].Computers Industrial Engineering，1996，3.

[3]陳強.中心制造船模式的研究與應用[D].哈爾濱工程大學，2002.

[4]王蕾.面向船體曲面分段建造的空間調(diào)度方法研究[D].上海交通大學，2009.