船舶智能制造技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

王蒙云 劉桂香 王玲

（江蘇海事職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210000）

近年來，隨著企業(yè)之間全球競爭的不斷加劇以及客戶需求的多樣化趨勢，船舶產(chǎn)品生命周期隨之變短，這也給船舶制造提出了更高要求。為了適應(yīng)技術(shù)、市場的新變化，企業(yè)應(yīng)在數(shù)字化和智能化的制造環(huán)境中采用新的范式，而船舶智能制造技術(shù)的應(yīng)用就成為解決這一問題的有效途徑。以互聯(lián)網(wǎng)為核心的造船和海洋工程領(lǐng)域的信息技術(shù)（IT）不斷發(fā)展，進一步提高了制造組織的靈活性和工作流程的分散性，外包服務(wù)不斷增多，各項制造業(yè)務(wù)也開始適應(yīng)全球化的市場需求。作為積極應(yīng)對這些環(huán)境變化的手段，數(shù)字造船、虛擬造船廠、基于仿真的設(shè)計（SBD）、物聯(lián)網(wǎng)等許多新概念不斷涌現(xiàn)?；诖?，應(yīng)對船舶智能制造技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀進行分析，并深入研究智能制造造船在造船和海洋工業(yè)中的相關(guān)技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域和方法，以推動智能制造技術(shù)更好的應(yīng)用于船舶制造領(lǐng)域，推動我國船舶業(yè)和制造業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

1 船舶智能制造技術(shù)的發(fā)展趨勢

2013 年，國際海事組織（IMO） 引入了船舶能效設(shè)計指數(shù)（EEDI），該指標(biāo)定義了新船舶的能效標(biāo)準(zhǔn)（IMO 2016），提出2025年后建造的所有船舶的燃油效率將至少提高30%，這幾乎涉及船上的所有系統(tǒng)，要求環(huán)保造船和先進的供應(yīng)商解決方案[1]；2016 年發(fā)布的《中國制造2025》將海洋工程裝備和高技術(shù)船舶列為十大重點領(lǐng)域之一[2]。到2025 年，建立較為完善的船舶總裝建造智能化標(biāo)準(zhǔn)體系，全面覆蓋基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)和船廠應(yīng)用等領(lǐng)域，基本達(dá)到國際先進造船國家同等水平[3]。面對行業(yè)需求的變化，船舶制造行業(yè)需要通過優(yōu)化造船流程來提高整體企業(yè)協(xié)作，將流程與生產(chǎn)、維護完美同步。新型船舶設(shè)計和制造趨勢，朝著更高的創(chuàng)造力、更低的成本和更符合船東需求的方向發(fā)展[4]。據(jù)此，船舶智能制造技術(shù)中需要實現(xiàn)以下功能：造船標(biāo)準(zhǔn)的識別和分類；互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)；無線傳感器；橫向整合；垂直整合；端到端集成；智能服務(wù)；人機交互；安全環(huán)保的生產(chǎn)，互操作性；數(shù)字建模技術(shù)；虛擬化；可視化技術(shù)；自動化；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；云計算；大數(shù)據(jù)；靈活性（即插即用）；安全和保障（數(shù)據(jù)隱私）；培訓(xùn)和持續(xù)專業(yè)發(fā)展[5]。

2 船舶智能制造技術(shù)在船舶行業(yè)中的應(yīng)用

2.1 虛擬裝配仿真（VASSS）

造船從下單到交付可分為設(shè)計階段和制造階段。設(shè)計階段又可分為與船東協(xié)商進行的合同設(shè)計、滿足船東要求的基本設(shè)計和功能方面的制造設(shè)計。同時，制造過程包括前處理、加工、組裝、舾裝、涂裝、砌塊、砌塊組裝、舾裝等，所有過程都需要在一定時間內(nèi)完成且較為復(fù)雜，如圖1 所示。

圖1 船舶智能制造的基本框架與流程

船舶智能制造實際上集成了技術(shù)、管理等多個方面，因此其應(yīng)用中最重要的問題之一就是解決造船的整體規(guī)劃問題。船舶制造過程中的規(guī)劃是設(shè)計一種方法來以最大限度地減少設(shè)計變更和延遲的影響，并在各個階段都能夠給出適當(dāng)?shù)闹圃旆椒?，以及最大限度地利用資源[6]。這種開發(fā)的仿真模型可以分析產(chǎn)品和造船過程中的問題并進行相應(yīng)優(yōu)化。在船舶智能制造總，虛擬裝配仿真的實現(xiàn)多依賴于系統(tǒng)管理，該系統(tǒng)可以在基于3D CAD 系統(tǒng)的虛擬計算機環(huán)境下實現(xiàn)和驗證包括設(shè)計、制造和維護在內(nèi)的整個產(chǎn)品生命周期[7]。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)

數(shù)字化制造和虛擬裝配仿真大多針對系統(tǒng)以及整體造船設(shè)計與規(guī)劃，應(yīng)用了如CAD 或PLM 的IT 工具，但也僅僅是在一些半自動流程中實現(xiàn)了智能化。而船舶制造車間屬勞動密集型環(huán)境，其智能化的實現(xiàn)則需要依賴物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。目前，船舶制造行業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用還較少，但其在制造業(yè)中的理念是通用的，其在工業(yè)制造業(yè)中的應(yīng)用基本上存在三個觀點：一是面向?qū)ο?，關(guān)注機器的可見性；二是面向互聯(lián)網(wǎng)，旨在改進網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議；三是面向通信的語義，側(cè)重于如何表示、存儲、互連、搜索和組織“智能對象”產(chǎn)生的所有信息[8]。在船舶智能制造中應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通常采用第三種觀點，主要用于管控和處理生產(chǎn)過程。在很多情況下，信息基礎(chǔ)設(shè)施無法成功地聚合和管理來自傳感器網(wǎng)絡(luò)以及來自各種數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)，例如帶有工廠車間和機器層信息的MES 系統(tǒng)或帶有企業(yè)層數(shù)據(jù)的ERP 系統(tǒng)[9]。

3 船舶智能制造技術(shù)的應(yīng)用策略

3.1 合理配置虛擬裝配仿真系統(tǒng)

為了解決傳統(tǒng)船舶制造中設(shè)計與生產(chǎn)之間存在差異的情況，應(yīng)在數(shù)字化建設(shè)的基礎(chǔ)上合理配置虛擬裝配仿真系統(tǒng)，以促進船舶智能制造技術(shù)的有效應(yīng)用。

3.1.1 虛擬裝配仿真系統(tǒng)總體設(shè)計

通過比對市面上較為主流的建模軟件，選擇符合智能制造定制化需求的工具。應(yīng)首先根據(jù)3D CAD 系統(tǒng)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)和日計劃系統(tǒng)構(gòu)建船舶裝配工作單元，然后通過過程建模生成可以優(yōu)化的路徑。需要注意的是，在配置VASSS 時還應(yīng)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域選擇合適的系統(tǒng)開發(fā)工具。一般選用ENVISION 用于虛擬原型工具，而QUEST 用于過程模擬；Window NT 4.0 用于O/S。和Visual Basic、Visual Fortran 和Visual C++ 用于應(yīng)用程序開發(fā)。

3.1.2 約束條件公式設(shè)定建立

根據(jù)虛擬裝配涉及到的環(huán)節(jié)，將裝配評價因素分為以下幾種，并對其進行建立目標(biāo)函數(shù)所需要的相應(yīng)信息提取。

（1）吊裝工具約束條件分析

假定有四種起重機，其各自的起重能力分別用wa，wb，wc，wd表示，其對應(yīng)的成本則為ca，cb，cc，cd，用wi表示組立i 的重量，則吊裝消耗的總成本為：

（2）聚合度分析

聚合度通過組立裝配時是否更換起重機來進行判斷，也是衡量裝配效率的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。分別以fe（c）和fe（t）表示起重機更換所消耗的時間和成本，其公式可以表示為：

其中，e 表示其中更換的總次數(shù)，j 表示起重機更換的序列，Tj、Tj+1分別表示對應(yīng)組立所使用的工具。

（3）裝配效率分析

不同裝配方向時的裝配效率有一定差別，特別是對于重量較大的配件來說更為如此。一般來說與重力方向保持一致則裝配效率最高，用dd表示；水平方向次之，用dh表示；效率最低的是與重力方向相反，用du表示。假定每種裝配方向都能以最高效率運作時完成任務(wù)所花費的時間tconst=15min，那么實際吊裝實踐則為：

（4）焊接效率分析

對于大型船舶制造來說，組立之間的焊接工藝尤為重要，也是消耗較長時間的工藝之一，對效益影響較為提出。智能船舶制造下組立間的焊接通常與裝配同步進行，因此其中一個組立的消耗時間可以表達(dá)為：

3.1.3 目標(biāo)函數(shù)建立

虛擬裝配仿真系統(tǒng)建立的目的在于精簡成產(chǎn)流程，達(dá)到最佳效益。一般來說船舶制造的效益主要受成本和總裝配時長的影響，因此應(yīng)以“成本”和“時間”為權(quán)重系數(shù)設(shè)立目標(biāo)函數(shù)，公式為：

其中c 和t 分別代表成本和事件，α 和β 則分別表示其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

根據(jù)上文中的約束條件公式，目標(biāo)函數(shù)可以轉(zhuǎn)化為下式：

3.1.4 虛擬裝配評價

智能制造技術(shù)對裝配的實時反應(yīng)與方案優(yōu)化提出更高要求，因此還應(yīng)注重對仿真的評價。仿真評價包括兩個部分：一是可裝配型評價。通常來說，對于某一分段可裝配性評價中如果裝配合格則為1，裝配不合格則為0。該評價可用閥函數(shù)F（x）來表示：

其中1 代表裝配合格，0 代表不合格，產(chǎn)品需要進一步修改；二是裝配效率評估。智能制造技術(shù)應(yīng)用的一大優(yōu)勢就是提高船舶制造能效，因此應(yīng)對傳統(tǒng)評價方式進行改進，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法求最優(yōu)值，可由目標(biāo)函數(shù)表示：

其中，t 為時間因素；q 為質(zhì)量因素；c 成本因素；e 為環(huán)境因素。

3.2 架構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)挖掘、識別與釋義

3.2.1 架構(gòu)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

在上述的中提出船舶智能制造中物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用面向通信的語義，因此應(yīng)重點加u 強智能網(wǎng)關(guān)的設(shè)計和數(shù)據(jù)的識別。智能網(wǎng)關(guān)連接了造船環(huán)節(jié)中任一傳感器節(jié)點和通信網(wǎng)絡(luò)，其主體架構(gòu)又由接入層、協(xié)議裝換層、適配層和網(wǎng)絡(luò)層組成，如圖2所示。其中，接入層主要進行數(shù)據(jù)包的接受和發(fā)送；協(xié)議轉(zhuǎn)換層與適配層進行網(wǎng)關(guān)路由邏輯的處理、通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換和網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)備的管理等；網(wǎng)絡(luò)層主要承擔(dān)通信任務(wù)，在船舶制造中主要使用RFID。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)架構(gòu)圖

3.2.2 確定數(shù)據(jù)挖掘算法

數(shù)據(jù)挖掘是發(fā)現(xiàn)有價值信息的重要環(huán)節(jié)，有利于船舶制造過程中各項數(shù)據(jù)的提取，通常來說應(yīng)用的數(shù)據(jù)挖掘模型包括分類挖掘、聚類挖掘、決策樹挖掘等，根據(jù)智能船舶制造的特點應(yīng)EM 算法（Expectation Maximization Algorithm），其優(yōu)勢是算法簡單，穩(wěn)定上升的步驟能非常可靠地找到“最優(yōu)的收斂值”。第1步，假定EM 算法含有m 條d 維的數(shù)據(jù)集合，數(shù)據(jù)挖掘的終止閾值為ε。第2 步，將x 設(shè)定為數(shù)據(jù)聚類，因此x 從屬于h 聚類概率的公示為：

最后，計算終止閾值ε，如何符合初定條件，則計算結(jié)束，公式為：

3.2.3 確定數(shù)據(jù)識別算法

數(shù)據(jù)識別包括數(shù)據(jù)檢測和數(shù)據(jù)釋義兩個部分，由于數(shù)據(jù)識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)是一種時間序列數(shù)據(jù)，因此，在進行數(shù)據(jù)檢測和釋義時，需要按照時間序列模式進行分析。以O(shè)CSVM 技術(shù)為例，想要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速識別與釋義，就應(yīng)對其算法進行優(yōu)化。根據(jù)張欽鋒在其研究中對異常數(shù)據(jù)監(jiān)控的高位映射序列[10]，可將數(shù)據(jù)采集時間進一步縮短，并引入函數(shù)K（xi，xj）,可得新的實時數(shù)據(jù)高位映射序列為：

式中：ρ 為向量機超平面的法向量；αi為高維序列數(shù)據(jù)；f（x）為決策函數(shù)。在特征空間中求解決策函數(shù)，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的識別。

4 結(jié)論

船舶工業(yè)是我國21 世紀(jì)海洋強國的重點產(chǎn)業(yè)，為此，應(yīng)主動挖掘和創(chuàng)新智能制造技術(shù)在其中的應(yīng)用與推廣，以補充傳統(tǒng)設(shè)計和制造工藝的缺陷。為提高船舶智能制造技術(shù)應(yīng)用的效益，筆者重點從虛擬裝配仿真系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的角度進行探索與實踐。其中，虛擬裝配仿真系統(tǒng)主要通過對吊裝工具分析、聚合度分析、裝配效率分析和焊接效率分析來得出最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)計算方法，減少裝配成本、縮短裝配實踐；物聯(lián)網(wǎng)方面則通過構(gòu)建由接入層、協(xié)議裝換層、適配層和網(wǎng)絡(luò)層組成的智能互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，采用EM 算法計算終止閾值ε，以O(shè)CSVM 技術(shù)為例得出實時數(shù)據(jù)高位映射序列來提高船舶制造過程中數(shù)據(jù)交換、共享與識別水平，以提高船舶智能制造技術(shù)的實際應(yīng)用水平。