船體分段智能車間概念解析

周同明，饒 靖，周榮富

(上海船舶工藝研究所，上海200032)

0 引 言

船體分段根據(jù)船體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、船廠生產(chǎn)環(huán)境和建造工藝要求，按照一定的原則，將船體合理劃分為若干個(gè)獨(dú)立的船體結(jié)構(gòu)段。由于分段數(shù)量巨大、建造工藝復(fù)雜，分段制造的智能化程度受到較多限制，對高效造船產(chǎn)生了較大的制約[1]。

日韓等國的先進(jìn)總裝化造船企業(yè)已形成一條基于標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)程序的均衡、連續(xù)、有節(jié)拍的，以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的積木式造船作業(yè)生產(chǎn)線。在船廠內(nèi)合理布局殼舾涂作業(yè)，車間內(nèi)分道分線，實(shí)施專業(yè)化流水線節(jié)拍生產(chǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)流程提高生產(chǎn)效率，如建立曲面分段流水線、小組生產(chǎn)流水線、T型材流水線等。流水線之間均衡協(xié)調(diào)，緩沖量小，減少并避免了大量中間產(chǎn)品的堆積[1]。

對于船體分段制造車間來說，需要利用先進(jìn)的、智能化的技術(shù)和管理方法，以減少分段的空置時(shí)間、降低庫存量，使中間產(chǎn)品可連續(xù)均勻地在車間內(nèi)流動(dòng)，從而提高車間及船廠的整體生產(chǎn)效率，使分段制造平穩(wěn)、有序地進(jìn)行[2]。

本文探討船體分段智能車間的特征、總體架構(gòu)、車間布局設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)流通架構(gòu)、管理系統(tǒng)及其采用的技術(shù)等。

1 船體分段智能車間定義及特征

1.1 船體分段智能車間定義

船體分段智能車間是將先進(jìn)制造技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、設(shè)備監(jiān)控技術(shù)與智能裝備相結(jié)合，在整個(gè)生產(chǎn)過程中加強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集和管理，實(shí)時(shí)掌控船體分段的生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)過程的可控性，減少生產(chǎn)線上的人工干預(yù)，同時(shí)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集生產(chǎn)線數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知、全流程融合，記錄生產(chǎn)過程中的多維度數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能決策、精準(zhǔn)執(zhí)行，達(dá)到精益化管理的車間。

1.2 船舶分段智能車間特征

船體分段智能車間有如下8個(gè)特征：

(1) 數(shù)字化。船體分段智能車間從設(shè)計(jì)圖紙、派工物流、設(shè)備運(yùn)營、生產(chǎn)協(xié)調(diào)等各個(gè)方面采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，預(yù)測協(xié)調(diào)。從生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)中記錄生產(chǎn)過程，通過數(shù)據(jù)集成，增強(qiáng)分段車間的數(shù)字化制造能力。

(2) 網(wǎng)絡(luò)化。船體分段智能車間是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)制造系統(tǒng)。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將設(shè)備、人力及其他各要素進(jìn)行實(shí)時(shí)物聯(lián)，起到監(jiān)控和充分利用各類資源的作用，減少中間產(chǎn)品和設(shè)備的閑置時(shí)間。

(3) 標(biāo)準(zhǔn)化。規(guī)范整個(gè)生產(chǎn)過程的體系結(jié)構(gòu)、功能、技術(shù)、方法，保證智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化，有利于數(shù)字化智能制造的有效集成和柔性生產(chǎn)。

(4) 實(shí)時(shí)化。船體分段智能車間在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量流數(shù)據(jù)，對這些流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和分析處理，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行和資源的充分利用。

(5) 集成化。船體分段智能車間將先進(jìn)制造技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、設(shè)備監(jiān)控技術(shù)與智能裝備相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的信息化暢通、數(shù)字化集成和智能化管控。

(6) 協(xié)同化。在智能車間制造環(huán)節(jié)，車間內(nèi)部設(shè)備多樣化，各制造環(huán)節(jié)之間、設(shè)計(jì)與工藝環(huán)節(jié)和統(tǒng)籌管理等環(huán)節(jié)協(xié)同交互，通過數(shù)字化的形式統(tǒng)籌安排生產(chǎn)，以達(dá)到效率最大、效益最高、生產(chǎn)最優(yōu)的目標(biāo)。

(7) 綠色化。船體分段制造是一個(gè)高耗能、高污染的制造過程，通過智能車間綠色工藝的執(zhí)行、生產(chǎn)調(diào)度與控制的優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率、減少環(huán)境污染。

(8) 柔性化。船體分段生產(chǎn)具有品種多、批量小的特點(diǎn)，由于船體分段的功能和個(gè)性化需求各不相同，智能車間為此產(chǎn)生按需生產(chǎn)的先進(jìn)生產(chǎn)方式，增加制造的靈活性和應(yīng)變能力，改善產(chǎn)品品質(zhì)[3]。

2 船體分段智能車間總體架構(gòu)

船體分段智能車間總體架構(gòu)分為4個(gè)層級(jí)：基礎(chǔ)設(shè)施層、設(shè)備層、執(zhí)行層和控制層，如圖1所示。各層相關(guān)描述如下。

圖1 船體分段智能車間總體架構(gòu)圖

2.1 船體分段智能車間基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層一般由數(shù)據(jù)中心機(jī)房工程、安防監(jiān)控、綜合布線等組成，為車間的數(shù)據(jù)通信服務(wù)提供基礎(chǔ)設(shè)施保障。

2.2 船體分段智能車間設(shè)備層

設(shè)備層主要包括制造設(shè)備、物流設(shè)備、檢測設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)備。這些設(shè)備按作業(yè)類型又可為預(yù)處理設(shè)備、切割加工設(shè)備、部件裝焊設(shè)備和分段加工設(shè)備。設(shè)備層采用工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)。

智能車間與傳統(tǒng)車間的不同主要在于新增了大量傳感器、執(zhí)行器、射頻識(shí)別、智能裝置、通信裝置，以達(dá)到通過基礎(chǔ)設(shè)施層的底層通信將整個(gè)智能車間進(jìn)行統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)，將萬物互聯(lián)，將信息集中匯總至控制層，統(tǒng)一做出決策。

2.3 船體分段智能車間執(zhí)行層

執(zhí)行層主要包括車間生產(chǎn)計(jì)劃派工、工藝管理、質(zhì)量管理、生產(chǎn)物流、車間設(shè)備管理和成本管理等功能模塊。數(shù)據(jù)分析人員通過船體分段智能車間決策控制室，根據(jù)邊緣層收集的生產(chǎn)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)生產(chǎn)進(jìn)度、物料、質(zhì)量和設(shè)備信息等數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析處理；與此同時(shí)，決策層接收邊緣層的船體分段生產(chǎn)計(jì)劃、執(zhí)行狀態(tài)、生產(chǎn)結(jié)果，經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘、智能決策之后，再向邊緣層發(fā)出新的生產(chǎn)指令及工藝技術(shù)更新。

智能車間執(zhí)行層的功能與模塊如下：

(1) 通過車間計(jì)劃與派工模塊實(shí)現(xiàn)車間生產(chǎn)計(jì)劃排產(chǎn)的管理；

(2) 通過任務(wù)包與派工單管理，在設(shè)計(jì)包基礎(chǔ)上生成任務(wù)包；

(3) 通過生產(chǎn)與物流節(jié)拍管理實(shí)現(xiàn)物流調(diào)度及物料配送；

(4) 通過質(zhì)量管理模塊采集質(zhì)量控制所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，提供質(zhì)量判異和過程判穩(wěn)等在線質(zhì)量檢測和預(yù)警方法；

(5) 通過設(shè)備管理模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備基本信息、使用信息和維保信息的全過程管理；

(6) 通過成本管理模塊實(shí)現(xiàn)成本分析、成本控制和成本核算；

(7) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)等處理。

船體分段智能車間生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)將車間內(nèi)設(shè)備、人力、物料、過程統(tǒng)一為生產(chǎn)資源來管理，通過生產(chǎn)資源的數(shù)據(jù)傳遞，優(yōu)化產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過程，同時(shí)通過收集和處理生產(chǎn)過程中大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和事件對車間的生產(chǎn)活動(dòng)，進(jìn)行指導(dǎo)、響應(yīng)并生成報(bào)告[4-5]。

2.4 船體分段智能車間控制層

控制層實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備管控?？刂茖影ǘ伍_發(fā)工具，為系統(tǒng)擴(kuò)展提供工具和支撐。

設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方案利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中間件，統(tǒng)一車間現(xiàn)場各種自動(dòng)化設(shè)備接口的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)車間設(shè)備的統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)管理。

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控主要執(zhí)行車間內(nèi)的生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)采集、設(shè)備狀態(tài)信息顯示以及控制調(diào)節(jié)指令的下發(fā)等任務(wù)。設(shè)備狀態(tài)采集及顯示一般包括：(1)設(shè)備啟停狀態(tài)，運(yùn)行及閑置時(shí)間；(2)故障及報(bào)警信息；(3)工藝參數(shù)設(shè)定值與實(shí)際值，如焊接電流、電壓、焊接速度、氣體流量和焊絲量；(4)設(shè)備運(yùn)行軌跡、速度等參數(shù)。

控制調(diào)節(jié)指令下發(fā)是指對生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)節(jié)，并下發(fā)控制調(diào)節(jié)指令至車間生產(chǎn)設(shè)備。

3 船體分段智能車間空間布局設(shè)計(jì)

船體分段智能車間主要包括鋼板預(yù)處理工場、理料工場、切割加工工場、部件裝焊工場、分段裝焊工場等。從加工流程和地理位置安排的角度考慮，布局設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 船體分段智能車間布局設(shè)計(jì)

3.1 預(yù)處理工場

完成鋼板和型鋼的表面預(yù)處理、鋼材拋丸除銹(應(yīng)達(dá)到Sa 2.5標(biāo)準(zhǔn))、噴涂底漆及底漆烘干等工作。

主要生產(chǎn)設(shè)備為板材預(yù)處理流水線和板材型材通用預(yù)處理流水線、自動(dòng)駁移噴碼打印設(shè)備等。

3.2 理料工場

完成預(yù)處理后的鋼板印字、卸料、存放和整理等工作，并為各工場提供鋼板和型材。

主要生產(chǎn)設(shè)備為全面印字機(jī)等。

3.3 切割加工工場

完成型鋼、條材、內(nèi)部平直構(gòu)件的號(hào)料、劃線切割、打碼、打磨及配套等工作，以及內(nèi)部平直構(gòu)件折邊、單曲和雙曲面板材的彎曲加工及配套工作。

主要生產(chǎn)設(shè)備有型材切割流水線、條材自動(dòng)生產(chǎn)線、激光切割機(jī)、等離子切割機(jī)、火焰切割機(jī)、打磨機(jī)器人、油壓機(jī)、三芯輥、肋骨冷彎機(jī)、自動(dòng)倒邊機(jī)等。

3.4 部件裝焊工場

完成先行小組立、小組立、部分拼板、部分單曲板架的裝焊、矯正等工作。

主要生產(chǎn)設(shè)備有先行小組立焊接流水線、小組立焊接流水線、薄板部件生產(chǎn)線等。

3.5 分段裝焊工場

分段裝焊工場分為平面分段裝焊工場和曲面分段裝焊工場，本文只闡述平面分段裝焊工場部分。

平面分段智能化車間承擔(dān)船體平面分段的制造任務(wù)，如底部分段、舷部分段(舷側(cè)、上邊水艙)、甲板分段、縱橫艙壁等的裝配、焊接和矯正。

平面分段的工藝流程如圖3所示，利用流水線生產(chǎn)有助于提高平面分段建造質(zhì)量和效率。平面分段智能化流水線采用難度較低、靈活性較高、投資較少的縱骨先裝法工藝，板列焊接采用單面焊雙面成形焊接工藝，縱骨及桁材(肋板、縱桁)與板列的焊接采用CO2氣體保護(hù)焊等高效焊接方法。

圖3 平直分段智能車間作業(yè)流程

4 船體分段智能車間的加工數(shù)據(jù)信息流通架構(gòu)

船體分段智能車間注重?cái)?shù)據(jù)的采集、分析與應(yīng)用，將數(shù)據(jù)分類錄入工時(shí)數(shù)據(jù)庫。管理層結(jié)合歷史數(shù)據(jù)指導(dǎo)當(dāng)前計(jì)劃的制定，采用計(jì)劃工時(shí)及工程線表等方法平衡勞動(dòng)工時(shí)。

船體分段智能車間生產(chǎn)加工應(yīng)以網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的生產(chǎn)設(shè)備為基礎(chǔ)。為此，車間應(yīng)設(shè)定專門分擔(dān)加工驅(qū)動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息流程，并與船體分段設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，形成有機(jī)的分段加工數(shù)據(jù)流通管控系統(tǒng)。

船體分段智能車間運(yùn)行管理主要包括生產(chǎn)管理、成本管理、工藝管理、設(shè)備管理、物流管理、質(zhì)量管理以及派工管理等功能模塊，各管理模塊又分別包含一個(gè)或多個(gè)子功能模塊和基礎(chǔ)設(shè)施。各管理功能模塊之間的主要數(shù)據(jù)流通機(jī)制如圖4所示，其中車間計(jì)劃與派工、生產(chǎn)物流管理模塊分別與企業(yè)資源管理通過基于船廠服務(wù)總線的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行互聯(lián)，形成一個(gè)封閉的數(shù)據(jù)流通網(wǎng)絡(luò)。

圖4 船體分段智能車間管理信息流通架構(gòu)

5 船體分段智能車間管理系統(tǒng)

船體分段智能車間管理系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)系統(tǒng)中船體分段信息提取、船體分段數(shù)據(jù)庫構(gòu)建、預(yù)處理、切割加工、部件裝焊、分段制造等的指令生成、零部件識(shí)別以及監(jiān)控信息記錄與分析、檢測信息記錄與分析、生產(chǎn)計(jì)劃安排、報(bào)表生成等功能。管理系統(tǒng)采用分段制造產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)、分段制造執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、現(xiàn)場終端及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自動(dòng)化及數(shù)控設(shè)備與管理信息系統(tǒng)接口技術(shù)。

(1) 分段制造產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)。研究確定分段設(shè)計(jì)協(xié)同管理模式，建立船舶制造環(huán)節(jié)的建模、產(chǎn)品數(shù)據(jù)抽取、工藝參數(shù)設(shè)定、圖文檔管理的一體化管理模式，并通過統(tǒng)一的信息系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容的同步管理。

(2) 分段制造執(zhí)行系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型。按照制造執(zhí)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，確定造船企業(yè)分段制作的工藝規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)、作業(yè)計(jì)劃及排產(chǎn)、資源分配與狀態(tài)、生產(chǎn)單元調(diào)度、人力管理、產(chǎn)品跟蹤、設(shè)備維護(hù)、質(zhì)量管理、數(shù)據(jù)采集、過程管理、績效分析等的集成管理業(yè)務(wù)模式，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)船體分段制造管理信息系統(tǒng)。

(3) 數(shù)據(jù)采集技術(shù)、現(xiàn)場終端及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。根據(jù)智能車間生產(chǎn)執(zhí)行系統(tǒng)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)用先進(jìn)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集技術(shù)(如條形碼、射頻識(shí)別等)，并通過各種無線或有線的現(xiàn)場+數(shù)據(jù)處理終端，及時(shí)將現(xiàn)場管理數(shù)據(jù)反饋給制造管理信息系統(tǒng)，通過建立區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋，實(shí)現(xiàn)固定式和移動(dòng)式兩種終端數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集[6]。

(4) 自動(dòng)化及數(shù)控設(shè)備與管理信息系統(tǒng)接口技術(shù)。通過自動(dòng)化及數(shù)控設(shè)備操作系統(tǒng)與管理信息系統(tǒng)的接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的雙向傳遞，將自動(dòng)化及數(shù)控設(shè)備的實(shí)時(shí)操作信息傳遞給管理信息系統(tǒng)，滿足管理信息系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的完整記錄要求。

6 結(jié) 論

對船體分段智能車間進(jìn)行定義、對其特征進(jìn)行概要描繪，并對船體分段智能車間總體功能架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，將其分為基礎(chǔ)設(shè)施層、設(shè)備層、車間執(zhí)行層和控制層。在空間布局上，依據(jù)空間布局的四項(xiàng)基本原則將智能車間分為預(yù)處理工場、理料工場、切割加工工場、部件裝焊工場、平面分段智能化車間等。

船體分段智能車間注重?cái)?shù)據(jù)的采集、分析與應(yīng)用，通過基于船廠服務(wù)總線的數(shù)據(jù)接口進(jìn)行互聯(lián)，形成一個(gè)封閉的數(shù)據(jù)流通網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實(shí)現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識(shí)別和管理。船體分段智能車間管理系統(tǒng)將船廠車間各個(gè)單體智能裝備統(tǒng)一集中到控制層，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、智能決策，達(dá)到精準(zhǔn)執(zhí)行、精益化管理的效果。