散貨數(shù)字船虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)建設(shè)方案研究

劉強(qiáng)

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧 興城 125100）

1 散貨數(shù)字船虛擬建設(shè)理念

以整船為依托，融合所有院系學(xué)科內(nèi)容打造數(shù)字化可交互仿真船舶，完全精細(xì)化模擬建造出整船結(jié)構(gòu)，符合船舶建造的要求，每塊鋼板為單獨(dú)個(gè)體可進(jìn)行拆分，呈現(xiàn)建造船舶的整體布局、生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過(guò)程、加入虛擬體驗(yàn)?zāi)Ｊ?，設(shè)計(jì)崗位情景化任務(wù)模式，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)崗位的認(rèn)知、模擬各種實(shí)習(xí)實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)船舶建造虛擬仿真功能模塊，依據(jù)船舶建造廠生產(chǎn)流程、工藝進(jìn)行建設(shè)，其中包括船舶制造、船舶動(dòng)力、船舶電氣、船舶焊接等專業(yè)的知識(shí)點(diǎn)和技能點(diǎn)，也包括安全生產(chǎn)教育方面內(nèi)容，船舶分段可以模擬船舶建造教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行合并和拆分。

實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)虛擬仿真功能模塊，模擬船舶制造理化測(cè)試與質(zhì)檢技術(shù)虛擬仿真車間，根據(jù)虛擬車間的功能，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)綜合虛擬實(shí)訓(xùn)室，在開(kāi)發(fā)建設(shè)資源的同時(shí)包括實(shí)訓(xùn)設(shè)備與器材的展示介紹功能、實(shí)訓(xùn)設(shè)備與器材的使用方法、無(wú)損檢測(cè)的技能培訓(xùn)操作多媒體資源，并能通過(guò)無(wú)損檢測(cè)虛擬仿真實(shí)訓(xùn)功能模塊進(jìn)行工藝文件設(shè)備實(shí)操的案例分析和技能實(shí)訓(xùn)考核，提高技能培訓(xùn)的實(shí)效。

實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙液壓系統(tǒng)、舵機(jī)液壓系統(tǒng)、錨機(jī)液壓系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)教學(xué)多媒體課程資源，將液壓與氣壓傳動(dòng)的典型知識(shí)與企業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際工作相結(jié)合，在組裝中采用最小的元件來(lái)完成液壓回路，并通過(guò)按鈕的操作，可以實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的功能，還可以通過(guò)表盤觀察液壓系統(tǒng)和其他主要元件的工作狀態(tài)，在液壓元件單元的基礎(chǔ)上，對(duì)可以拆分的一些部件進(jìn)行細(xì)化，能夠很清楚地對(duì)液壓元件的各個(gè)部分進(jìn)行展示，了解元件的原理及裝配工藝。

2 散貨數(shù)字船虛擬教學(xué)系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)

2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)配置

通過(guò)現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以建立船舶虛擬制造系統(tǒng)，在虛擬的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)部件之間的匹配問(wèn)題，為了能夠更好地滿足虛擬狀態(tài)下項(xiàng)目開(kāi)發(fā)和制造的情境，虛擬系統(tǒng)主要包括虛擬主機(jī)、顯示系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。利用這一虛擬的系統(tǒng)，可以提升造船廠的工作效率，如果只依靠自身的力量獨(dú)立地進(jìn)行硬件的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，在生產(chǎn)系統(tǒng)中所用的軟硬件也需要與其他廠商進(jìn)行合作，共同開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，以當(dāng)前的虛擬系統(tǒng)來(lái)確定生產(chǎn)的方向是可行的。但當(dāng)前還沒(méi)有一家公司能夠完全達(dá)到虛擬制造的全部要求，不同的公司在虛擬系統(tǒng)中能夠提供不同的數(shù)據(jù)和硬件等，因此要加強(qiáng)各方面的合作，來(lái)解決虛擬制造系統(tǒng)中的一系列問(wèn)題。

2.2 散貨數(shù)字船虛擬制造系統(tǒng)

通過(guò)虛擬系統(tǒng)可以生產(chǎn)出數(shù)字化的樣船，這些數(shù)字養(yǎng)成建造完成后，可以對(duì)各個(gè)部件的三維數(shù)字進(jìn)行記錄，成為制造食物模型的參照，還可以根據(jù)虛擬的系統(tǒng)來(lái)完成加工與裝配的過(guò)程，對(duì)這一過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行評(píng)估；對(duì)船舶的生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行模擬，制定建造策略、生產(chǎn)計(jì)劃、組織方式，并能夠?qū)φ麄€(gè)過(guò)程進(jìn)行有效的控制，消除制造過(guò)程中可能出現(xiàn)的一些矛盾與沖突問(wèn)題，使整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程變得效率更高，同時(shí)，也能降低研發(fā)和生產(chǎn)的成本，更好地適應(yīng)市場(chǎng)的變化。目前的船舶制造虛擬系統(tǒng)主要是通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行計(jì)算和搭建的，在當(dāng)前的實(shí)際制造系統(tǒng)中，還會(huì)出現(xiàn)一些其他的影響因素，要想把虛擬的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)的船舶產(chǎn)品，還需要全面地進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)，使實(shí)際產(chǎn)品達(dá)到數(shù)字化模型狀態(tài)，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.3 散貨數(shù)字船虛擬制造體系結(jié)構(gòu)

船舶虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)也是以網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)為基礎(chǔ)，在虛擬的環(huán)境中進(jìn)行生產(chǎn)和搭建，利用所開(kāi)發(fā)的仿真軟件，達(dá)到集成化生產(chǎn)平臺(tái)所需要的要求，使船舶的設(shè)計(jì)，制造和管理能夠?qū)崿F(xiàn)一體化。散貨數(shù)字傳虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，目前主要包括設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)等功能，在一個(gè)仿真的環(huán)境中來(lái)進(jìn)行零件的生產(chǎn)和整體的裝配，船舶虛擬制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)建模，對(duì)各個(gè)部件的安裝結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等進(jìn)行分析和管理?？梢詫?duì)虛擬的產(chǎn)品，整個(gè)生產(chǎn)的工作流程進(jìn)行管理，并能夠發(fā)現(xiàn)其中可能存在的一些問(wèn)題，在這一動(dòng)態(tài)的過(guò)程中，船舶虛擬工藝及制造系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用，并可以向著生產(chǎn)的方向進(jìn)行延伸。船舶虛擬公益通過(guò)對(duì)零件加工裝配以及人體工程學(xué)方面的分析，在3d的環(huán)境中進(jìn)行預(yù)演，可以對(duì)整個(gè)的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全面的把握，在虛擬裝配的過(guò)程中，同樣可以發(fā)現(xiàn)，未來(lái)實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的一些問(wèn)題，這就避免在未來(lái)的實(shí)際生產(chǎn)中，由于各類問(wèn)題而導(dǎo)致的返工現(xiàn)象。同時(shí)還可以對(duì)生產(chǎn)的環(huán)境、資源、制造流程以及生產(chǎn)的實(shí)際情況進(jìn)行仿真分析，制定更有效的生產(chǎn)方案，提高生產(chǎn)的效率。船舶制造虛擬企業(yè)環(huán)境是船舶虛擬設(shè)計(jì)制造和管理體化的系統(tǒng)。通過(guò)在船舶企業(yè)內(nèi)首先構(gòu)建虛擬的車間對(duì)生產(chǎn)的過(guò)程進(jìn)行虛擬的操作，這樣就可以提高實(shí)際生產(chǎn)的效率。在造船企業(yè)外部與各個(gè)科研機(jī)構(gòu)的合作中，也可以通過(guò)這一系統(tǒng)完成異地的設(shè)計(jì)和裝配，通過(guò)仿真數(shù)據(jù)共享交換不同意見(jiàn)，將不同的地域和環(huán)境很好地組合在一起，更好地適應(yīng)市場(chǎng)的變化，這樣的形式也成為未來(lái)造船企業(yè)發(fā)展的方向。

3 散貨數(shù)字船虛擬制造系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 船舶三維設(shè)計(jì)的虛擬動(dòng)態(tài)監(jiān)控技術(shù)

船舶的生產(chǎn)是一項(xiàng)非常復(fù)雜和煩瑣的工程，在虛擬的生產(chǎn)當(dāng)中也會(huì)遇到許多問(wèn)題。第一，目前的虛擬系統(tǒng)還缺少相應(yīng)的測(cè)試手段，主要是靠人的肉眼對(duì)數(shù)以幾十萬(wàn)計(jì)的零件進(jìn)行檢查，工作量非常大，有時(shí)候愛(ài)容易出現(xiàn)疏漏。根據(jù)以往數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，會(huì)有30%～40%的系統(tǒng)干涉無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，最終導(dǎo)致返工或者生產(chǎn)無(wú)法繼續(xù)。其次，即使發(fā)現(xiàn)了集中存在的問(wèn)題，要想重新完成設(shè)計(jì)工作量也非常大，導(dǎo)致設(shè)計(jì)和修改困難重重。利用虛擬仿真手段進(jìn)行動(dòng)態(tài)的技術(shù)監(jiān)控，突破船舶三維設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的困難，這是當(dāng)前需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)當(dāng)中，通過(guò)軟硬件的配合，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的問(wèn)題，并不受到其他因素的影響，就可以完成設(shè)計(jì)模型的總裝。按區(qū)域和模塊把整個(gè)船舶展現(xiàn)在大屏幕上，這樣就可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程的檢測(cè)。檢測(cè)人員可以利用視覺(jué)頭盔等虛擬漫游設(shè)備對(duì)各個(gè)軟件進(jìn)行細(xì)致的檢查，如果出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改，這就提高了對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的掌控力。

3.2 產(chǎn)品裝配工藝過(guò)程的仿真演算技術(shù)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)手段，可以對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行仿真式的操演，解決動(dòng)態(tài)干涉以及程序之間可能出現(xiàn)的問(wèn)題，利用這一建造方案，對(duì)已有的部件進(jìn)行三維的模擬，對(duì)整個(gè)過(guò)程所涉及的順序問(wèn)題、路徑問(wèn)題、檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)一的管理。還可以通過(guò)立體式分段整體吊裝的過(guò)程，對(duì)各個(gè)部分的力學(xué)性能進(jìn)行檢測(cè)，掌握生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的一些狀況，并對(duì)整體情況進(jìn)行有效的策劃和吊裝裝配。

3.3 船舶生產(chǎn)流水節(jié)拍模擬控制技術(shù)

現(xiàn)在的船舶制造主要采用集成連續(xù)生產(chǎn)的方式，近似流水線工藝，在對(duì)船舶生產(chǎn)模式進(jìn)行改進(jìn)的同時(shí)，還應(yīng)該保證當(dāng)前的生產(chǎn)體系能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)。利用船舶生產(chǎn)流水節(jié)拍的模擬系統(tǒng)，可以在虛擬的生產(chǎn)環(huán)境下，對(duì)船舶建造方案是否能夠得到有效的實(shí)施進(jìn)行模擬，對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)估，監(jiān)控整個(gè)過(guò)程是否能夠達(dá)到理想的狀態(tài)。以中間的產(chǎn)品為例，虛擬的制造系統(tǒng)按照預(yù)先規(guī)劃好的制作方案和作業(yè)流程，模擬相似的生產(chǎn)過(guò)程和物流走向，并把現(xiàn)有的工藝融入生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的節(jié)拍進(jìn)行掌握，并對(duì)生產(chǎn)資源要求進(jìn)行改進(jìn)，嘗試不同方案和流程之下生產(chǎn)效率水平，最終選擇出優(yōu)化方案。

3.4 零部件制造級(jí)數(shù)字化車間仿真分析技術(shù)

現(xiàn)代造船模式下的船舶生產(chǎn)加工，主要是對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行規(guī)劃，根據(jù)產(chǎn)品的特征和生產(chǎn)工藝進(jìn)行分類，利用成組技術(shù)批量化地生產(chǎn)。所以船體零部件以及一些附屬零件在加工車間里都可以實(shí)現(xiàn)混流加工，對(duì)其制造性能進(jìn)行有效的評(píng)估與分析非常重要。

利用現(xiàn)在的三維數(shù)字技術(shù)，建立虛擬的加工車間，可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)流程、生產(chǎn)工藝、資源裝配等多個(gè)程序的仿真與分析。在模擬生產(chǎn)過(guò)程中，可以對(duì)各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的問(wèn)題與注意事項(xiàng)進(jìn)行有效的分析，提高生產(chǎn)和裝配的效率。同時(shí)，還可以選擇最優(yōu)化的生產(chǎn)方案，實(shí)現(xiàn)節(jié)約成本，提高效率的目的；還可以對(duì)現(xiàn)有的工作人員進(jìn)行有效的調(diào)配，合理地分配庫(kù)存，解決設(shè)備故障等。