面向船舶總裝制造智能綜合管控平臺(tái)應(yīng)用研究

王 雷，李 剛，左振波，張國(guó)政，韓永磊

（江蘇杰瑞信息科技有限公司，江蘇 連云港222000）

“新基建”推動(dòng)了各種新型信息技術(shù)在智能工廠的應(yīng)用，數(shù)字孿生、5G 等技術(shù)得到了廣泛的推廣應(yīng)用，同時(shí)隨著中國(guó)船舶制造行業(yè)復(fù)蘇，提高生產(chǎn)效率，培育新型生產(chǎn)方式，提升智能化綜合管控的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。本文結(jié)合實(shí)際工程需求以及適配新技術(shù)，對(duì)船舶總裝制造領(lǐng)域的綜合管控平臺(tái)進(jìn)行了較為深入的研究，提出了綜合管控平臺(tái)總體架構(gòu)亟需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)船舶總裝制造具有參考意義，同時(shí)也可推廣應(yīng)用至其他軍工應(yīng)用領(lǐng)域[1]。

1 智能化綜合管控需求分析

目前，中國(guó)造船業(yè)總體上處于向“工業(yè)3.0”轉(zhuǎn)型升級(jí)階段，生產(chǎn)制造過(guò)程信息傳遞還未形成協(xié)同閉環(huán)。

某船舶總裝廠信息化應(yīng)用現(xiàn)狀如下：①基本建立覆蓋各業(yè)務(wù)部門的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)，建立了較為完整的生產(chǎn)信息系統(tǒng)。②打破信息孤島，初步實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成。已部署ERP、MES等應(yīng)用子系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)信息、物流信息、資金信息的集成管控。③部分應(yīng)用了智能化裝備和技術(shù)。部署無(wú)人車、工業(yè)機(jī)器人等，提高生產(chǎn)效率。

雖然已進(jìn)行了部分信息化升級(jí)改造，但是要實(shí)現(xiàn)智能化綜合管控還存在較大距離，本文在分析現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地進(jìn)行應(yīng)用研究和業(yè)務(wù)分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶總裝廠智能綜合管控的探索[2-3]。

2 面向船舶總裝制造智能綜合管控平臺(tái)應(yīng)用研究

2.1 總體功能架構(gòu)研究

船舶總裝廠智能制造智能綜合體平臺(tái)以船舶智能工廠未來(lái)的建設(shè)發(fā)展特點(diǎn)為主導(dǎo)思想，整體建設(shè)將融合信息化數(shù)字化建設(shè)、物理與虛擬制造的連接與協(xié)作、數(shù)字孿生及可視化應(yīng)用、制造業(yè)務(wù)全流程全方位透明化、未來(lái)基于制造大數(shù)據(jù)及數(shù)字孿生的預(yù)測(cè)優(yōu)化分析等技術(shù)，形成一套系統(tǒng)化、數(shù)字化、可視化、個(gè)性化及智能化的船舶智能制造綜合體驗(yàn)平臺(tái)。面向高校學(xué)生和企業(yè)實(shí)踐人員提供船舶設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的設(shè)計(jì)建模、工藝仿真、制造過(guò)程管控、優(yōu)化分析等方面的培訓(xùn)與體驗(yàn)環(huán)境。平臺(tái)整體功能框架如圖1 所示。

圖1 平臺(tái)整體功能框架

三維實(shí)體建模技術(shù)研究是通過(guò)專用三維制作軟件構(gòu)建出具有接近真實(shí)空間的三維數(shù)據(jù)的模型。通過(guò)調(diào)研，軟件需支持Pro/E、SolidWorks、CATIA、NX、SINOVATION 等各種主流CAD 各版本數(shù)模的數(shù)據(jù)讀取，并且要將各種車間、產(chǎn)線、設(shè)備、工具等三維模型進(jìn)行導(dǎo)入到仿真系統(tǒng)中。這樣便可在保證模型質(zhì)量的前提下，完整轉(zhuǎn)換主流三維CAD 軟件（Pro/E、SolidWorks、CATIA、NX、SINOVATION 等）[4]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與配置技術(shù)研究

數(shù)據(jù)采集與配置技術(shù)研究是結(jié)合UI 設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)好可視化的數(shù)據(jù)采集與管理配置界面，明確設(shè)置仿真數(shù)據(jù)的來(lái)源、數(shù)據(jù)的傳輸方式以及數(shù)據(jù)的采集頻率等信息。

在傳輸方式指數(shù)據(jù)的通迅協(xié)議選取中，需能支持profibus 通信、profinet、Modbus 通訊協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)等[5]。

2.3 工藝仿真優(yōu)化技術(shù)研究

離線工藝仿真主要記錄運(yùn)動(dòng)對(duì)象的平移、旋轉(zhuǎn)等機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真過(guò)程。動(dòng)畫過(guò)程以結(jié)構(gòu)樹方式管理，與模型之間有映射關(guān)系，可通過(guò)指令或鼠標(biāo)控制動(dòng)畫仿真，支持檢索與重用。能夠模擬產(chǎn)品流轉(zhuǎn)過(guò)程、物流線運(yùn)動(dòng)過(guò)程、物流要素運(yùn)動(dòng)過(guò)程、機(jī)器人協(xié)同運(yùn)動(dòng)過(guò)程、加工設(shè)備運(yùn)行過(guò)程、立體倉(cāng)庫(kù)庫(kù)運(yùn)行過(guò)程、狀態(tài)燈啟停等過(guò)程。主要設(shè)計(jì)工藝內(nèi)容為活塞自動(dòng)化加工工藝仿真、AGV 及智能工藝物流仿真、車間倉(cāng)庫(kù)物流仿真等。

在線工藝仿真方面以裝配為例，主要是通過(guò)高精度測(cè)量設(shè)備，實(shí)時(shí)獲得高精度機(jī)床、裝配件等實(shí)際裝配測(cè)量信息（實(shí)際位置和坐標(biāo)），在此基礎(chǔ)上根據(jù)裝配件拼接精度要求建立以直線度、平行度、搭接誤差為目標(biāo)的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合待裝配件實(shí)時(shí)理想位置信息，采用優(yōu)化算法對(duì)待裝配件標(biāo)記點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，給出最佳裝配位置，指導(dǎo)安裝，并在裝配過(guò)程中根據(jù)標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)時(shí)位置，確定工裝坐標(biāo)系與測(cè)量坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，給出微調(diào)工裝實(shí)際調(diào)整量從而指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配。

2.4 制造過(guò)程管控技術(shù)研究

制造過(guò)程管控技術(shù)主要包括實(shí)時(shí)進(jìn)度跟蹤、車間數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互三個(gè)方面。根據(jù)配套件裝配狀態(tài)及總裝流程進(jìn)度實(shí)時(shí)更新計(jì)劃進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品與設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，運(yùn)用集成數(shù)采集系統(tǒng)，采用數(shù)字化和虛擬化方式實(shí)時(shí)展示設(shè)備、物流以及人員等信息。

2.5 智能綜合管控技術(shù)研究

智能綜合管控技術(shù)研究主要從產(chǎn)線工藝優(yōu)化分析與質(zhì)量?jī)?yōu)化分析兩方面進(jìn)行研究。

產(chǎn)線工藝優(yōu)化分析：針對(duì)成熟的工藝產(chǎn)線，可直接在原有工藝的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工作地址指派；針對(duì)新的工藝產(chǎn)線，可通過(guò)新平衡工具提供的自動(dòng)平衡算法，根據(jù)線上節(jié)拍，自動(dòng)計(jì)算作業(yè)基礎(chǔ)上單元在工作地上的分配，并在計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。產(chǎn)線工藝優(yōu)化分析可通過(guò)提供工位柱狀圖、平衡率統(tǒng)計(jì)等圖表等匯總分析方法，獲取整條線的效率以及每個(gè)工作地上的工藝負(fù)荷。

質(zhì)量?jī)?yōu)化分析：支持面向質(zhì)量管理人員的集成產(chǎn)品全質(zhì)量過(guò)程數(shù)據(jù)可視化視圖；支持基于產(chǎn)品進(jìn)行匯總評(píng)價(jià)和分析判定，支持基于質(zhì)量過(guò)程數(shù)據(jù)完整性要求，定義檢查規(guī)則，通過(guò)質(zhì)量過(guò)程結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)完整性；支持基于航天質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量規(guī)范進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)質(zhì)量數(shù)據(jù)合規(guī)性驗(yàn)證，減少質(zhì)量人員工作量；支持基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證質(zhì)量環(huán)節(jié)的有效性、測(cè)試覆蓋性、試驗(yàn)充分性，用過(guò)程數(shù)據(jù)支撐產(chǎn)品質(zhì)量的合格率。

3 總結(jié)

本文對(duì)船舶總裝廠信息化現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，對(duì)適配的智能綜合管控平臺(tái)應(yīng)用進(jìn)行了研究，并結(jié)合數(shù)字孿生等新興技術(shù)，對(duì)工藝優(yōu)化、智能管控等方面進(jìn)行了較為深入的研究，對(duì)指導(dǎo)船舶總裝廠的信息化升級(jí)改造具有參考價(jià)值，同時(shí)也可以向其他領(lǐng)域進(jìn)行推廣，促進(jìn)中國(guó)智能制造事業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。