船舶智能制造技術(shù)評價指標(biāo)體系

邵明智, 周 楠, 楊 虎, 周同明

(上海船舶工藝研究所， 上海 200032)

0 引 言

隨著國家智能制造政策的貫徹落實和有序推進(jìn)，船舶建造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平和技術(shù)創(chuàng)新能力不斷提升，造船企業(yè)的生產(chǎn)效率得到了有效提升。但是，國內(nèi)尚未完全形成一套適應(yīng)當(dāng)前船舶智能制造發(fā)展現(xiàn)狀的船舶智能制造技術(shù)評價指標(biāo)體系，無法有效支撐造船企業(yè)開展智能制造技術(shù)的評價和對標(biāo)。因此，船舶行業(yè)亟需制訂一套適應(yīng)船舶智能制造特點且行之有效的評價指標(biāo)體系和評價方法，以滿足當(dāng)前的評價需求。

1 智能船廠系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 智能船廠的內(nèi)涵

依據(jù)國家對智能制造[1]的定義，智能船廠的內(nèi)涵包括：通過新一代信息技術(shù)擴(kuò)大船廠基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，構(gòu)建船廠互聯(lián)互通平臺，實現(xiàn)整個船舶生命周期的設(shè)計、生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)的互聯(lián)和資源共享；基于數(shù)字化設(shè)計甚至是虛擬船廠，利用三維模型和數(shù)據(jù)的虛擬仿真驅(qū)動產(chǎn)品的高效生產(chǎn)和精益管控；通過船廠縱向、橫向和端到端的系統(tǒng)集成，包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management, PDM)、企業(yè)資源計劃(Enterprise Resource Planning, ERP)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System, MES)、供應(yīng)鏈管理(Supply Chain Management, SCM)等，構(gòu)建企業(yè)的系統(tǒng)集成平臺，強化企業(yè)各類數(shù)據(jù)的采集、處理、分析和應(yīng)用等；通過智能化的關(guān)鍵裝備構(gòu)建企業(yè)智能化的產(chǎn)線和車間，提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量。智能船廠的構(gòu)想最終實現(xiàn)整個船廠的生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)文檔無紙化、生產(chǎn)過程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場少人化等。

1.2 智能船廠的系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合中國智能制造參考模型的系統(tǒng)層級[2]，依據(jù)智能船廠的內(nèi)涵和特征提出智能船廠的系統(tǒng)架構(gòu)，主要分為網(wǎng)絡(luò)感知、智能制造執(zhí)行、智能管控3層，具體如圖1所示。

圖1 智能船廠的系統(tǒng)架構(gòu)示例

(1) 網(wǎng)絡(luò)感知層。主要涉及船廠信息數(shù)據(jù)采集和傳輸，包含基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)2方面的內(nèi)容：基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)包括有線、Wi-Fi、ZigBee等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；信息采集包括掌上電腦(Personal Digital Assistant, PDA)、射頻識別(Radio Frequency Identification, RFID)、智能手機(jī)等采集傳感設(shè)備。

(2) 智能制造執(zhí)行層。在船舶建造過程中，按照造船主流程，以車間和區(qū)域為單位，均衡、連續(xù)地安排生產(chǎn)，主要包括：數(shù)字化單元/模塊車間、數(shù)字化分段車間、涂裝車間、總組區(qū)域等。

(3) 智能管控層。智能管控層是智能船廠的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，可采集數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過分析綜合決策，管控各個車間乃至智能設(shè)備，同時對設(shè)計、供應(yīng)鏈、物資/能源進(jìn)行管控，打通設(shè)計、生產(chǎn)、管理的信息通道，實現(xiàn)真正意義上的互聯(lián)互通。

2 船舶智能制造技術(shù)評價要素

基于智能船廠系統(tǒng)架構(gòu)要素，以及國內(nèi)外智能制造技術(shù)評價方法所涉及的評價要素，如美國國家標(biāo)準(zhǔn)研究院(NIST)的智能制造成熟度模型(Smart Manufacturing System Readiness Level， SMSRL)、德國機(jī)械設(shè)備制造業(yè)聯(lián)合會(VDMA)工業(yè)4.0就緒度模型、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院(CESI)的智能制造能力成熟度模型[3]、中國電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院(CCID)的智能制造評價體系[4]等，可總結(jié)歸納出智能制造技術(shù)評價多是從產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計、制造、管理、服務(wù)等出發(fā)，重點評價企業(yè)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、車間智能裝備的應(yīng)用、企業(yè)的信息化集成與集中管控、跨企業(yè)的互聯(lián)互通和資源共享等。因此，結(jié)合國內(nèi)外智能制造技術(shù)評價成熟度模型/體系的評價內(nèi)容，得出船舶智能制造技術(shù)水平評價方向和要素，如表1所示。

表1 船舶智能制造技術(shù)評價方向和要素

3 船舶智能制造技術(shù)評價指標(biāo)體系

基于船舶智能制造技術(shù)評價要素，以中國智能制造系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，構(gòu)建以系統(tǒng)層級為主線，以智能制造特征為核心，以智能化設(shè)計、生產(chǎn)和系統(tǒng)集成為抓手，覆蓋整個船舶智能制造全生命周期的評價指標(biāo)體系。

3.1 評價對象和范圍

(1) 評價對象主要為國內(nèi)已初步開展數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型升級和改造的造船企業(yè)；

(2) 評價范圍主要包括船廠內(nèi)部的設(shè)計、生產(chǎn)、管控、信息集成等。

3.2 指標(biāo)體系

根據(jù)第2節(jié)的分析提煉出包含基礎(chǔ)層、車間層、企業(yè)層3個層級的智能制造技術(shù)評價指標(biāo)體系，具體如圖2所示。

圖2 船舶智能制造技術(shù)評價指標(biāo)體系

(1) 基礎(chǔ)層?；A(chǔ)層包括信息網(wǎng)絡(luò)和安全防御2個二級指標(biāo)。信息網(wǎng)絡(luò)下設(shè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)空間覆蓋率和無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測信息覆蓋率2個三級指標(biāo)；安全防御下設(shè)網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全2個三級指標(biāo)。指標(biāo)定義如表2所示。

表2 基礎(chǔ)層各指標(biāo)定義

(2) 車間層。車間層包括車間生產(chǎn)和車間管理2個二級指標(biāo)。車間生產(chǎn)下設(shè)車間關(guān)鍵智能設(shè)備數(shù)量占比、型材智能切割生產(chǎn)線智能化程度、板材智能切割生產(chǎn)線智能化程度、小組立智能生產(chǎn)線智能化程度、平面分段智能生產(chǎn)線智能化程度、管子加工智能生產(chǎn)線智能化程度、涂裝智能流水線智能化程度7個三級指標(biāo)；車間管理下設(shè)MES系統(tǒng)功能模塊使用率、ERP與MES集成度、PDM與MES集成度3個三級指標(biāo)。指標(biāo)含義如表3所示，由于智能生產(chǎn)線要求基本一致，表3僅列出型材智能切割生產(chǎn)線智能化程度指標(biāo)定義。

表3 車間層各指標(biāo)定義

(3) 企業(yè)層。企業(yè)層包括船舶設(shè)計、企業(yè)管理、物流與倉儲等3個二級指標(biāo)。船舶設(shè)計下設(shè)研發(fā)經(jīng)費投入占比、詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計三維模型共享率、單船三維設(shè)計交付物占比、基于規(guī)則庫的生產(chǎn)設(shè)計信息自動化提取率、仿真優(yōu)化、可視化作業(yè)指導(dǎo)應(yīng)用率6個三級指標(biāo)；企業(yè)管理下設(shè)PDM系統(tǒng)功能模塊使用率、ERP系統(tǒng)功能模塊使用率、PDM與ERP集成度、決策支持系統(tǒng)(Decision Support System, DSS)應(yīng)用水平、跨企業(yè)資源共享平臺5個三級指標(biāo)；物流與倉儲下設(shè)物資數(shù)字化標(biāo)識率和倉庫智能化揀配貨完成率2個三級指標(biāo)。指標(biāo)定義如表4所示。

表4 企業(yè)層各指標(biāo)定義

4 船舶智能制造技術(shù)評價指標(biāo)權(quán)重

考慮到評價指標(biāo)多為定性指標(biāo)且需要通過專家經(jīng)驗來確定各指標(biāo)之間的相對重要程度，因此采用專家打分法和層次分析法來確定各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。通過構(gòu)造判斷矩陣、計算權(quán)重向量以及一致性檢查，得到船舶智能制造技術(shù)評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)，如表5所示，造船企業(yè)可依據(jù)評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)進(jìn)行指標(biāo)分值的確定，如指標(biāo)體系總分值為1 000分，則基礎(chǔ)層為140分、車間層為400分、企業(yè)層為460分。

表5 船舶智能制造技術(shù)水平評價指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

5 結(jié) 語

探討了智能船廠的系統(tǒng)架構(gòu)，并在分析國內(nèi)外智能制造技術(shù)評價方法的基礎(chǔ)上，提出了船舶智能制造技術(shù)評價要素，構(gòu)建了由基礎(chǔ)層、車間層、企業(yè)層3個一級指標(biāo)、7個二級指標(biāo)、27個三級指標(biāo)組成的評價指標(biāo)體系，確定了指標(biāo)權(quán)重系數(shù)。由于當(dāng)前國內(nèi)的船舶智能制造正處于起步階段，現(xiàn)只是對船舶智能制造技術(shù)水平評價方法的一次探索，后續(xù)將依據(jù)船舶智能制造的發(fā)展趨勢和成果對該評價指標(biāo)體系進(jìn)行不斷地迭代完善。