基于CPS的船舶智能制造體系結(jié)構(gòu)研究

楊思維，黃雙喜，尹作重

（1.清華大學(xué) 國(guó)家CIMS中心，北京 100084；2.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

船舶制造的模式經(jīng)過不斷發(fā)展，經(jīng)歷了大致5個(gè)主要階段。從早期的整體制造模式，逐步經(jīng)歷了以分段制造、分道制造為特征的階段，到本世紀(jì)80年代，由于信息技術(shù)的快速發(fā)展，一系列計(jì)算機(jī)輔助軟件和制造執(zhí)行管理軟件在船舶行業(yè)得到了應(yīng)用，產(chǎn)生了船舶集成制造的新模式，到目前為止，我國(guó)的大部分船舶制造企業(yè)仍都處于這個(gè)階段。船舶集成制造模式的核心是在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理深度融合的基礎(chǔ)上，對(duì)制造過程的整體統(tǒng)籌優(yōu)化，應(yīng)用成組技術(shù)生產(chǎn)船舶的“中間產(chǎn)品”，如船殼、舾裝件、動(dòng)力設(shè)備等，通過合理分配時(shí)間和空間，科學(xué)規(guī)劃船體建造、舾裝、涂裝等制造環(huán)節(jié)，達(dá)到資源間相互協(xié)調(diào)、流程上不間斷造船的目的[1]。在歐美等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，造船模式正從集成制造模式逐漸向智能制造模式轉(zhuǎn)變，即在造船過程中采用CPS、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感等新一代信息通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)過程控制的可視化和全方位系統(tǒng)監(jiān)管，以及制造的綠色化[2]，進(jìn)一步提高船舶設(shè)計(jì)和建造流程的質(zhì)量和效率，使造船企業(yè)更好的應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的市場(chǎng)需求變化[3]。

信息物理系統(tǒng)（CPS），是隨計(jì)算、感知、通信、控制等技術(shù)不斷發(fā)展而出現(xiàn)的一種集成化的智能系統(tǒng)，它融合了虛擬空間的計(jì)算進(jìn)程與實(shí)體空間的真實(shí)進(jìn)程，真實(shí)進(jìn)程的數(shù)據(jù)通過感知和通訊過程傳輸?shù)教摂M世界，計(jì)算進(jìn)程在對(duì)采集數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制過程，對(duì)實(shí)體空間設(shè)備下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋，形成虛擬空間與實(shí)體空間互相耦合的同步操作。在船舶生產(chǎn)制造過程中，CPS的應(yīng)用主要分為兩步：采集存儲(chǔ)船廠實(shí)體空間包含的各種裝備、活動(dòng)、位置、時(shí)間、環(huán)境數(shù)據(jù)，基于船舶制造的內(nèi)在邏輯和機(jī)理，進(jìn)行仿真建模；應(yīng)用數(shù)據(jù)模型開展分析挖掘，應(yīng)用采集到的數(shù)據(jù)對(duì)船舶制造的執(zhí)行過程進(jìn)行評(píng)估、預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化，平衡各項(xiàng)制造資源。CPS通過對(duì)各類動(dòng)態(tài)信息優(yōu)化整合，實(shí)現(xiàn)其合理配置，而智能制造本質(zhì)上就是優(yōu)化配置資源的一種新制造范式，所以CPS是實(shí)現(xiàn)船舶智能制造的重要手段[4]。

本文在現(xiàn)有智能制造通用體系架構(gòu)基礎(chǔ)上，根據(jù)船舶制造行業(yè)的發(fā)展方向和特點(diǎn)，對(duì)其涉及的主要業(yè)務(wù)流程、系統(tǒng)架構(gòu)、應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)等進(jìn)行研究，在提出船舶智能制造總體需求的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)結(jié)合CPS、物聯(lián)網(wǎng)、智能傳感等關(guān)鍵技術(shù)，提出船舶智能制造的業(yè)務(wù)、系統(tǒng)、關(guān)鍵技術(shù)體系架構(gòu)，覆蓋船舶制造的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維全生命周期，對(duì)于相關(guān)領(lǐng)域的研究和智能船廠的建設(shè)具有參考作用。

1 基于CPS的船舶智能制造總體需求

船舶智能制造的目標(biāo)，是應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)促進(jìn)造船模式朝高度機(jī)械化、自動(dòng)化、集成化、模塊化和智能化方向發(fā)展，逐漸利用如傳感器、機(jī)器人、智能物流設(shè)備等取代人進(jìn)行各種作業(yè)，并實(shí)現(xiàn)船舶建造過程對(duì)制造資源、市場(chǎng)變化、客戶需求等快速響應(yīng)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要考慮設(shè)計(jì)、制造、管理、服務(wù)等一系列業(yè)務(wù)活動(dòng)，設(shè)備設(shè)施層到管理層各層級(jí)的設(shè)備和信息系統(tǒng)，以及與之配套的管理手段和環(huán)境、資源配置。本文研究的船舶智能制造總體需求主要從業(yè)務(wù)活動(dòng)的智能化角度出發(fā)，面向船舶設(shè)計(jì)、船舶制造、船舶制造管理、船舶運(yùn)維服務(wù)四個(gè)方面，提出各自的需求。

在船舶設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，船舶智能制造的需求主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、協(xié)同設(shè)計(jì)和與制造環(huán)節(jié)的信息集成三方面。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化主要解決船舶設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)間數(shù)據(jù)的交換和集成問題，同時(shí)為確保數(shù)據(jù)在船舶建造整體過程中傳輸?shù)耐暾?、?zhǔn)確性奠定基礎(chǔ)；協(xié)同設(shè)計(jì)主要解決因船舶設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、專業(yè)面廣、涉及人員多造成的工作效率底下，支撐設(shè)計(jì)工作的并行開展，提升對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)速度；此外如何打通設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)，使設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)能自動(dòng)導(dǎo)入到生產(chǎn)設(shè)備或指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)工人作業(yè)，也是船舶設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)智能化的重點(diǎn)需求。

在船舶制造環(huán)節(jié)，船舶智能制造的需求主要體現(xiàn)在智能化生產(chǎn)設(shè)備的投入和仿真優(yōu)化過程在船舶行業(yè)的應(yīng)用。使用具備現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程指令接收、自動(dòng)生產(chǎn)加工功能的智能化設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)；仿真優(yōu)化是CPS技術(shù)在船舶制造過程中的具體體現(xiàn)，通過對(duì)人員、設(shè)備、資源、工藝等進(jìn)行模擬，預(yù)測(cè)生產(chǎn)結(jié)果，減少生產(chǎn)事故發(fā)生的可能性，同時(shí)為生產(chǎn)流程和生產(chǎn)工藝的改進(jìn)優(yōu)化提供支撐。

在船舶制造管理環(huán)節(jié)，智能制造的需求與問題具備制造企業(yè)的通用性，即如何實(shí)現(xiàn)對(duì)制造全生命周期涉及的工作流、數(shù)據(jù)流、物流及成本等進(jìn)行統(tǒng)一管理和決策。統(tǒng)一管理主要涉及不同信息系統(tǒng)間的集成和數(shù)據(jù)交換的問題，以及為提高管理效率采用可視化等展示手段；智能決策以云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等為技術(shù)基礎(chǔ)，基于從CPS獲得的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、企業(yè)知識(shí)庫和模型算法，支撐企業(yè)管理者的智能決策。

在船舶運(yùn)維服務(wù)環(huán)節(jié)，在原有客戶管理和定期檢修的基礎(chǔ)上，智能制造強(qiáng)調(diào)對(duì)客戶需求的精準(zhǔn)、快速響應(yīng)和以數(shù)據(jù)為依據(jù)的船舶運(yùn)行狀態(tài)預(yù)測(cè)。需要建設(shè)以造船企業(yè)和船主為核心，包含供應(yīng)商、服務(wù)商的運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)的信息交流；建立數(shù)字化的船舶運(yùn)維模型，對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，跟蹤船舶運(yùn)行狀態(tài)，提供智能化的船舶維護(hù)服務(wù)。

通過需求分析可以得出，CPS在船舶制造、管理環(huán)節(jié)起到了重要作用，在運(yùn)維服務(wù)的船舶狀態(tài)跟蹤中也得到應(yīng)用。CPS在船舶智能制造過程的具體表現(xiàn)是一個(gè)與物理實(shí)體船廠對(duì)應(yīng)的，覆蓋船舶制造全生命周期的，具備數(shù)據(jù)采集分析和與實(shí)體設(shè)備操作功能的數(shù)字化虛擬船廠。

2 基于CPS的船舶智能制造業(yè)務(wù)體系

通過對(duì)船舶制造的需求調(diào)研分析，并結(jié)合國(guó)內(nèi)主要船廠的現(xiàn)狀，本文提出的基于CPS的船舶智能制造業(yè)務(wù)體系包含3個(gè)關(guān)鍵階段，即船舶設(shè)計(jì)階段、船舶生產(chǎn)階段、船舶運(yùn)維階段，此外還包括引入CPS后對(duì)應(yīng)的數(shù)字化造船過程（虛擬船廠），如圖1所示[5]。

1）船舶設(shè)計(jì)階段

圖1 基于CPS的船舶智能制造業(yè)務(wù)體系

船舶設(shè)計(jì)包含合同設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。合同設(shè)計(jì)是對(duì)船舶的初步設(shè)計(jì)，包括總體的性能指標(biāo)和技術(shù)指標(biāo)、采用的動(dòng)力裝置、主要設(shè)備和系統(tǒng)等；詳細(xì)設(shè)計(jì)是合同設(shè)計(jì)的細(xì)化，需要綜合考慮在功能、安全、經(jīng)濟(jì)以及工藝方面的需求，確定制造過程中的各項(xiàng)技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行設(shè)備的選型并制定采購訂貨計(jì)劃；生產(chǎn)設(shè)計(jì)是對(duì)船舶建造過程的詳細(xì)設(shè)計(jì)和規(guī)劃，關(guān)注具體的流程、方法和工藝。

引入CPS后，需要在船舶合同設(shè)計(jì)階段同期創(chuàng)建船舶的設(shè)計(jì)模型——數(shù)字孿生體，構(gòu)建包含產(chǎn)品全生命周期全過程全要素的船舶模型，與真實(shí)世界的船舶相互映射。船舶制造的數(shù)字孿生模型應(yīng)包含船舶的構(gòu)型數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)模型、工藝模型、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷?。?jīng)過一系列物理性能方面運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的仿真優(yōu)化，在虛擬船廠進(jìn)行虛擬制造.對(duì)可制造性進(jìn)行仿真驗(yàn)證，其后應(yīng)用虛擬使用環(huán)境，對(duì)可使用性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2）船舶生產(chǎn)階段

船舶生產(chǎn)是指生產(chǎn)零部件和建造船只的階段。生產(chǎn)對(duì)象按照工藝分為幾大類，包含船體、舾裝、輪機(jī)、電機(jī)等。生產(chǎn)流程一般分為鋼料加工階段、分段制作階段、舾裝件加工/集配/安裝階段、分段涂裝階段、船臺(tái)合攏階段、水下作業(yè)階段、適航交船階段等。

引入CPS后，生產(chǎn)任務(wù)的管理主要通過虛擬船廠的制造運(yùn)行管理系統(tǒng)進(jìn)行，由智能設(shè)備的邊緣層輔助控制對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的調(diào)度及控制任務(wù)，在生產(chǎn)階段的智能制造，是虛擬制造與實(shí)際制造的結(jié)合。虛擬船廠是在船舶數(shù)字孿生體的基礎(chǔ)上，增加人員、設(shè)備、資源、工藝等仿真要素，形成的物理船廠的數(shù)字孿生，物理船廠的智能生產(chǎn)設(shè)備、傳感設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，利用低延遲的網(wǎng)絡(luò)與邊緣層和虛擬船廠進(jìn)行交互，完成生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳和指令下達(dá)的過程，虛擬船廠通過制造運(yùn)行管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備下達(dá)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過程的控制，同時(shí)將生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋到虛擬船廠中，驅(qū)動(dòng)虛擬船廠與物理船廠同步運(yùn)行。

3）船舶運(yùn)維階段

傳統(tǒng)的船舶運(yùn)維階段業(yè)務(wù)內(nèi)容一般包括定期檢修、計(jì)劃養(yǎng)護(hù)和臨時(shí)事故修理。引入CPS后，船廠在交付時(shí)，同時(shí)提供船舶的數(shù)字孿生體，對(duì)上述活動(dòng)進(jìn)行優(yōu)化。通過傳感器對(duì)船舶的主要性能參數(shù)、設(shè)備健康狀態(tài)、環(huán)境因素等進(jìn)行采集和監(jiān)控，并與運(yùn)維系統(tǒng)交互，使船廠可以有針對(duì)性的安排檢修時(shí)間，提出檢修項(xiàng)目，并對(duì)檢修效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；當(dāng)遭遇突發(fā)情況時(shí)，提供預(yù)警預(yù)測(cè)，支撐遠(yuǎn)程故障檢測(cè)和維修工作的開展[6]。

3 基于CPS的船舶智能制造系統(tǒng)體系

本文參考智能工廠通用模型，結(jié)合船舶行業(yè)特點(diǎn)，提出按設(shè)備設(shè)施層、控制層、生產(chǎn)層、管理層分類的基于CPS的船舶智能制造系統(tǒng)體系架構(gòu)，如圖2所示。

設(shè)備設(shè)施層主要包括：智能化的生產(chǎn)、物流、檢測(cè)設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人，以及各種傳感器、智能儀表、條碼等。按照船舶制造的階段，可分為切割設(shè)備群、加工成型設(shè)備群、焊接設(shè)備群、涂裝設(shè)備群、檢測(cè)設(shè)備群、物流設(shè)備群等。智能設(shè)備作為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過無線網(wǎng)絡(luò)、智能網(wǎng)關(guān)等接入到船廠的工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)，與網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的相互感知和對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，并能通過傳感器對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行識(shí)別、判斷、理解，支撐控制層的遠(yuǎn)程控制、狀態(tài)監(jiān)控等活動(dòng)。

圖2 基于CPS的船舶智能制造系統(tǒng)體系

控制層主要包括：監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)SCADA、分布式控制系統(tǒng)DCS、現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)FCS、可編程邏輯控制器PLC等?？刂茖訉?duì)設(shè)備設(shè)施層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析，將結(jié)果傳輸給更高級(jí)的生產(chǎn)層，同時(shí)接收生產(chǎn)層的控制指令，應(yīng)用邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)等進(jìn)行指令的評(píng)估預(yù)測(cè)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的優(yōu)化控制。

生產(chǎn)層的主體是集成化的制造運(yùn)行管理系統(tǒng)（MOM），包括生產(chǎn)計(jì)劃/調(diào)度、生產(chǎn)監(jiān)控、集配管理、EHS管理、質(zhì)量管理、能源管理、設(shè)備管理等功能，根據(jù)船舶制造的工藝類別，可分別對(duì)應(yīng)多個(gè)智能車間。生產(chǎn)層的作用是執(zhí)行管理層下發(fā)的任務(wù)，對(duì)船舶的實(shí)際生產(chǎn)過程進(jìn)行總體把控，合理安排生產(chǎn)進(jìn)度，達(dá)成生產(chǎn)協(xié)同，對(duì)生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的原材料、配件、設(shè)備、人員、工藝問題進(jìn)行處理，并對(duì)質(zhì)量、成本、環(huán)保等因素進(jìn)行控制，將生產(chǎn)制造過程中形成的各種數(shù)據(jù)以表格、圖片等形式直觀的呈現(xiàn)給管理層，輔助管理層進(jìn)行決策。

管理層實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶制造的全生命周期管理，主要包括：由多個(gè)計(jì)算機(jī)輔助建模、仿真、設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃軟件系統(tǒng)組成的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，面向成本控制、購銷管理、人力資源管理、整體計(jì)劃管理、客戶關(guān)系管理等內(nèi)容的企業(yè)資源計(jì)劃管理系統(tǒng)和供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)，及應(yīng)用于船舶遠(yuǎn)程維護(hù)和監(jiān)控的智能服務(wù)系統(tǒng)。管理層從企業(yè)管理角度出發(fā)，結(jié)合數(shù)字化模型的分析、評(píng)估、預(yù)測(cè)功能，促進(jìn)船舶制造的智能設(shè)計(jì)協(xié)同、供應(yīng)鏈協(xié)同、服務(wù)鏈協(xié)同，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外部資源的合理分配，從企業(yè)層面開展總體智能決策[7]。

4 基于CPS的船舶智能制造關(guān)鍵技術(shù)體系

參考《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》給出的智能制造體系大框架，結(jié)合船舶智能制造的技術(shù)特征，可將技術(shù)體系主要分為基礎(chǔ)共性技術(shù)、智能設(shè)計(jì)技術(shù)、智能生產(chǎn)技術(shù)、智能管理技術(shù)和智能服務(wù)技術(shù)等五個(gè)方面。如圖3所示。

基礎(chǔ)共性技術(shù)主要涵蓋的是所有制造型企業(yè)在實(shí)施智能制造時(shí)所面臨的共性問題，包括基礎(chǔ)建設(shè)、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、通用的電子信息技術(shù)、通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

智能設(shè)計(jì)是船廠向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)變的出發(fā)點(diǎn)，也是目前船廠中數(shù)字化程度最高的階段，它主要涉及船舶的建模技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、異地協(xié)同工作技術(shù)等。

圖3 基于CPS的船舶智能制造關(guān)鍵技術(shù)體系

智能生產(chǎn)技術(shù)結(jié)合造船的生產(chǎn)特征，細(xì)化為加工成型、焊接、涂裝、舾裝、管子加工、檢測(cè)、物流技術(shù)，生產(chǎn)協(xié)同技術(shù)，以及船舶制造執(zhí)行系統(tǒng)和生產(chǎn)仿真等技術(shù)內(nèi)容。

智能管理技術(shù)大多為制造企業(yè)通用的技術(shù)，與信息系統(tǒng)的功能相對(duì)應(yīng)，一般包括生產(chǎn)層涉及的生產(chǎn)計(jì)劃管理、集配管理、設(shè)備管理、質(zhì)量管理和管理層涉及的財(cái)務(wù)管理、供應(yīng)鏈管理、人力資源管理等方面。

智能服務(wù)技術(shù)主要涉及客戶管理和需求響應(yīng)、船舶運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、船舶運(yùn)行模型管理、船舶智能維護(hù)等。

5 結(jié)語

本文對(duì)基于CPS的船舶智能制造總體需求進(jìn)行分析，提出了基于CPS的船舶智能制造業(yè)務(wù)體系、系統(tǒng)體系、關(guān)鍵技術(shù)體系，覆蓋包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、運(yùn)維的船舶制造全生命周期，對(duì)于船舶智能制造領(lǐng)域相關(guān)的研究和智能船廠的建設(shè)具有參考作用。