船舶智能制造

1、船舶智能制造摘要：當前世界經濟復蘇艱難曲折、全球航運市場持續(xù)低迷、造船產能面臨著嚴重過剩，市場競爭激烈。在這種形勢下，振興制造業(yè)，加快結構調整、全面轉型升級、推動產業(yè)快速邁向高端，已成為全行業(yè)的共識。當前，我國船舶制造行業(yè)處于一個變革的時代。新一輪的工業(yè)變革已經開始，而其中，制造業(yè)數字化、網絡化、智能化作為革命的核心力量。這場“智”造革命所帶來的風暴，將深刻影響著我國造船業(yè)的未來。關鍵詞：船舶；智能制造；數字化；自動化1.引言 西方發(fā)達國家振興制造業(yè)走的是一條新路子，主要是依靠科技創(chuàng)新，搶占國際產業(yè)競爭制高點、增強經濟發(fā)展核心競爭力，謀求未來發(fā)展的主動權。以智能化為核心的裝備制造業(yè)變革正牽引著

2、傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展革命性的演變，正推動著全球新一輪科技創(chuàng)新高峰的形成。 德、英、日等國家相繼推出一系列重振制造業(yè)的重大舉措，力圖在知識技術密集的高端制造業(yè)重塑競爭優(yōu)勢。如“工業(yè) 4.0”是德國政府推出的高技術戰(zhàn)略 2020十大未來項目之一。作為一個風靡全球的概念，“工業(yè) 4.0”提供了工業(yè)制造的新思維，被稱為是繼蒸汽機應用、規(guī)?；a和電氣、電子信息技術等三次工業(yè)革命后的第四次工業(yè)革命，其特征是以大數據為基礎、以預測技術為核心的智能制造使用，目的是大幅度提高產品生產、產業(yè)鏈運行的質量和效率，推動實現傳統(tǒng)制造業(yè)的轉型。此外，美國提出了“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”，日本提出組建科技工業(yè)聯(lián)盟，英國提出了“工

3、業(yè) 2050”。最近，中國也公布了中國版的“工業(yè) 4.0”，即“中國制造 2025”規(guī)劃，并提出了“互聯(lián)網+”計劃。 專家表示，我國要著力改變造船業(yè)“大而不強”的局面，就要依靠創(chuàng)新驅動發(fā)展，推動中國造船業(yè)盡快實現智能化。而“互聯(lián)網+”行動計劃和“中國制造 2025”戰(zhàn)略的提出，為我國造船業(yè)實現從“量”到“質”的轉變創(chuàng)造了機遇，同時也帶來重大挑戰(zhàn)。 2.智能制造介紹“工業(yè)4.0”是繼蒸汽機應用（機械時代）、電子信息技術（電氣時代）和網絡通信技術（信息時代）之后的第四次工業(yè)革命，最早在2013年4月的德國漢諾威工業(yè)博覽會上正式提出，與美國通過程序提升“先進制造業(yè)”、推進“柔性制造系統(tǒng)”有異曲同工之

4、妙。“工業(yè)4.0”為中國經濟特別是制造業(yè)的轉型升級、結構調整指明了發(fā)展方向。“工業(yè)4.0”其特征是基于信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網和互聯(lián)服務，通過大數據分析和云計算，以預測技術為核心來指導高效高品質生產的智能制造和應用，目的是大幅度地提高產品生產、運行的質量和效率，實現信息技術、物聯(lián)網、智能生產和流通消費相融合的革命性方法，將徹底推動傳統(tǒng)制造工業(yè)的服務化轉型升級。智能制造技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術是在現代傳感技術、網絡技術、自動化技術以及人工智能的基礎上，通過感知、人機交互、決策、執(zhí)行和反饋，實現產品設計過程、制造過程和企業(yè)管理及服務的智能化，是信息技術與制造技術的深度融合與集成。智能

5、化和自動化的最大區(qū)別在于知識的含量。智能制造是基于科學而非僅憑經驗的制造，科學知識是智能化的基礎。因此，智能制造包含物質的和非物質的處理過程，不僅具有完善和快捷響應的物料供應鏈，還需要有穩(wěn)定且強有力的知識供應鏈和產學研聯(lián)盟，源源不斷地提供高素質人才和工業(yè)需要的創(chuàng)新成果，發(fā)展高附加值的新產品，促進產業(yè)不斷轉型升級。智能制造是可持續(xù)發(fā)展的制造模式，它借助計算機建模仿真和信息通信技術的巨大潛力，優(yōu)化產品的設計和制造過程，大幅度減少物質資源和能源的消耗以及各種廢棄物的產生，同時實現循環(huán)再用，減少排放，保護環(huán)境。3.船舶智能制造“船舶工業(yè)4.0”，需要在現有信息化、自動化條件下構建網絡實體融合架構，通過

6、適應于各類用戶需求的評估、分析、預測和優(yōu)化體系，以“多源數據條件下的多維評估與預測、實現協(xié)同優(yōu)化”為核心，形成更具高附加值的船舶制造、使用、管理、物流等面向全生命周期的中國船舶工業(yè)全產業(yè)鏈，從而使得中國船舶工業(yè)未來能夠更好地以市場為導向，以智能船舶為紐帶，走向定制規(guī)?；?、管理精細化、服務高效化，以更好地創(chuàng)造和實現新價值。“船舶工業(yè)4.0”將促使造船廠借助物聯(lián)網、大數據、人工智能取代封閉性的生產制造系統(tǒng)，成為未來船舶工業(yè)的根基，徹底使我國由造船大國向造船強國轉變。雖然“船舶工業(yè)4.0”還在探索，但新的變革浪潮必然會席卷而來，企業(yè)只有占得先機才能成為行業(yè)的引領者。智能制造是自動化制造未來發(fā)展的方向

7、，是信息化和自動化的高度集成，具有智能化、柔性化和高度集成化。船舶智能制造是指實現船舶制造工業(yè)各個環(huán)節(jié)的最優(yōu)化、智能化和自動化。涉及到的智能技術主要包括：新型的傳感技術、網絡互聯(lián)技術、先進的控制和優(yōu)化技術、基于虛擬現實的故障診斷與維護技術、基于 RFID 芯片的識別技術、特殊工藝和精密制造技術以及安全技術等。3.1智能船舶系統(tǒng)體系結構 智能船舶不是單指船舶實體本身，而是一套完整的系統(tǒng)，其核心技術是網絡和智能船舶融合、岸海一體的智能信息服務體系。智能船舶系統(tǒng)是通過設計企業(yè)、制造企業(yè)、運營企業(yè)和服務企業(yè)之間的信息共享，構建一個“網絡化、系統(tǒng)化、智能化和服務化”的網絡和智能船舶的融合架構，實現從設計

8、、生產、運營到服務的全流程體系的協(xié)同，建立船舶全生命周期的產業(yè)鏈，通過相關數據的分析挖掘，為企業(yè)創(chuàng)造新的價值。智能船舶系統(tǒng)主要包括：智能設計、智能制造、智能船舶、智能操作、智能運營、智能服務以及云計算平臺七大模塊，如圖1 所示。 圖1 智能船舶系統(tǒng)體系結構智能船舶系統(tǒng)構建在云計算平臺之上，實現數據的云存儲以及大數據的分析與挖掘，系統(tǒng)以智能船舶實體為核心，涉及智能船舶的設計、制造、操縱、運營以及服務各功能模塊，涵蓋了智能船舶從設計制造到報廢淘汰的整個生命周期數據的分析與應用。智能船舶系統(tǒng)的生命周期如圖2 所示。 圖2 智能船舶系統(tǒng)生命周期智能船舶系統(tǒng)具有以下特點： 1）系統(tǒng)性。智能船舶系統(tǒng)不再單

9、指船舶實體本身，它是由多個子系統(tǒng)集成的船舶與岸基一體化智能信息服務體系，主要包括船舶設計、制造、操作、運營、服務等系統(tǒng)。2）網絡性。系統(tǒng)的基礎是基于網絡互聯(lián)，借鑒傳感技術、互聯(lián)網、云計算等先進技術，實現船舶設備與設備之間、設備與船舶、船舶與岸基、岸基與云中心等的網絡聯(lián)結，實現信息共享、遠程控制與通信交流等。 3）智能性。智能船舶系統(tǒng)是一個多智能體系統(tǒng)，通過云計算平臺對船舶相關大數據的分析、預測、評估、推理等，實現正確的決策，通過傳感技術、虛擬技術、識別技術等理論方法，實現船舶設計、制造、操縱、運營、服務過程的智能化。 4）協(xié)同性。智能船舶系統(tǒng)涵蓋了船舶設計企業(yè)、制造企業(yè)、運營企業(yè)以及服務企業(yè)，

10、實現信息共享，企業(yè)之間可以相互提出請求和提供服務，實現協(xié)調運作與競爭，共同發(fā)展。 5）柔韌性。系統(tǒng)能夠適應快速變化的船舶設計、制造、運營和服務需求，通過大數據分析和溝通交流，能夠對變化的市場需求做出及時的反應，具有較強的適應性。 6）追溯性。系統(tǒng)對船舶從設計、制造、使用、淘汰的全過程進行跟蹤，對船舶出現的問題能夠及時的追溯和處理。 7）服務性。智能船舶系統(tǒng)是船舶與岸基一體化的智能信息服務體系，能夠及時提供各種增值服務，從設計、制造、使用、維護、維修、物流等全方位提供不同的服務需求。 3.2數字化造船3.2.1數據集成平臺技術船舶平臺信息集成系統(tǒng)是進行數據交換和業(yè)務系統(tǒng)運行的平臺，它規(guī)范了信息交

11、換和系統(tǒng)運行標準及接口定義等，為業(yè)務應用系統(tǒng)提供良好的系統(tǒng)接口、穩(wěn)定的運行環(huán)境和嚴格的管理界面。船舶信息系統(tǒng)的結構如圖3所示，其中處理機、智能傳感器和帶有數字化接口的設備物理地分布于船上的各個部位，各自獨立運行，它們通過網絡設備連接，構成一個分布式系統(tǒng)。該系統(tǒng)又是通過集成支撐環(huán)境將各個獨立的系統(tǒng)連通集成進行信息交換和消息傳遞，形成一個有機的整體。船舶平臺信息集成系統(tǒng)負責除指控系統(tǒng)外其他所有信息的共享與交換。資源管理中心、控制中心、信息管理中心和操控臺之間的信息傳輸和消息傳遞統(tǒng)一通過船舶平臺信息集成系統(tǒng)控制完成。圖3船舶信息系統(tǒng)的結構船舶平臺信息集成系統(tǒng)的核心是任務管理調度子系統(tǒng)和數據訪問中間件

12、兩大部分，平臺本身也是作為中間件以通用組件的形式對應用要求的功能提供支持，包括流程調度與控制、權限控制和數據訪問等支持。系統(tǒng)的最底層是各類分布的異構數據庫管理系統(tǒng)。船舶平臺信息集成系統(tǒng)的體系結構，任務管理調度子系統(tǒng)通過傳遞消息控制應用系統(tǒng)中模塊的運行演程、數據訪問中間件通過發(fā)送和接收數據控制應用系統(tǒng)的數據流程。權限控制子系統(tǒng)、任務與信息監(jiān)控子系統(tǒng)通過對數據流和控制流的監(jiān)控和控制完成自身的功能。3.2.2虛擬現實技術虛擬現實技術最早由美國VPL Research Inc公司提出的，涉及計算機、微電子、仿真與傳感測量等眾多高新技術，它是利用計算機在電腦上構造出一個與現實世界相同或相似的環(huán)境，人們通

13、過虛擬設備就可以與虛擬環(huán)境進行交流互動，就像在現實世界中一樣。人們不僅能從視覺上感知虛擬世界，同時也可以從嗅覺、聽覺甚至觸覺等方面來感知虛擬世界。在計算機中構造的虛擬世界是一個開放的環(huán)境，不僅能夠對人們通過虛擬設備傳遞給它的信息做出反饋，還能夠讓人們“真實”地感知虛擬環(huán)境下的虛擬實物。虛擬現實系統(tǒng)主要由五方面組成：虛擬引擎、輸入/輸出設備、軟件和數據庫、用戶以及任務，其中虛擬引擎和I/O設備是虛擬現實系統(tǒng)的核心，他們之間是通過以下組成關系來完成虛擬任務的，如圖3所示：圖3 虛擬現實系統(tǒng)組成部分VR引擎是虛擬仿真系統(tǒng)的核心部位，通過讀取輸入設備中的數據信息，訪問與任務相關的數據庫并進行實時計算，

14、完成相應工作任務，最后通過輸出設備反饋任務結果。I/O設備是實現虛擬環(huán)境交互性的基礎。人們通過專門的數據接口給計算機發(fā)送命令，同時計算機也會將實時的模擬信息反饋給用戶。比較常見的I/O設備有三維位置跟蹤器，即傳感衣、三維聲音發(fā)生器、數據傳感手套等。軟件和數據庫，根據各個領域的應用側重點不同，目前虛擬現實系統(tǒng)的VR仿真軟件有很多種，軟件和數據庫的主要功能有兩部分：1)建立虛擬對象的幾個模型，根據需要也可以加入物理屬性和行為特性，同時構造虛擬對象層次結構，建立I/O設備到虛擬場景的映射。2)創(chuàng)建虛擬環(huán)境，創(chuàng)建連通應用程序與虛擬世界的數據接口，從而實現人機交互。任務指的是虛擬現實系統(tǒng)需要完成的命令和

15、工作。傳統(tǒng)的虛擬現實系統(tǒng)主要運用在教育、娛樂、醫(yī)療和軍事，新型的虛擬現實系統(tǒng)主要運用在機器人、制造業(yè)和信息可視化等領域。虛擬現實技術的特點主要通過四個方面來表現，他們之間的關系如圖4所示：圖4虛擬現實技術的特點多感知性：所謂多感知性就是除了一般計算機所具有的視覺感知之外，還擁有其他方面的感知，比如聽覺感知、觸覺感知、嗅覺感知、味覺感知、甚至運動感知等。沉浸感：沉浸感是指計算機生成的虛擬環(huán)境讓人有一種真實的存在感，猶如身臨其境，所有感知就像在真實世界一樣。要有沉浸感，除了逼真的三維模型，還必須有人機交互作用才能夠實現。想象性：在進入虛擬環(huán)境時，不僅僅是依靠外設的一些虛擬設備，像數據手套之類的來提

16、供沉浸感，同時也要通過想象把虛擬的環(huán)境構造出來，想象性從一方面也表達了作者的設計思路。交互性：虛擬環(huán)境是一個開放的環(huán)境，它能通過人們輸入的信息感知人們的意愿，并做出相應的反饋，交互性的優(yōu)劣主要由實時性和自然性來體現。在經濟全球化的今天，國際市場競爭非常激烈，尤其是工程制造領域。新技術、新產品日新月異，這對新產品的設計開發(fā)和制造提出了更高的要求，企業(yè)要在這樣嚴峻的挑戰(zhàn)下生存發(fā)展，就必須有全新的、強有力的技術支撐，虛擬現實技術就是工程制造領域未來發(fā)展的技術力量。虛擬現實技術最早是由國外提出的，經過多年的發(fā)展已經在航空航天、汽車制造、醫(yī)療康復、教育娛樂以及軍事等領域得到了廣泛的應用。而我國在上世紀九

17、十年代，工程界和科學界才開始關注虛擬現實技術的研究和開發(fā)，雖然起步較晚，但是信息技術的快速發(fā)展和信息共享，目前虛擬現實技術在我國的各個領域也得到了廣泛的應用，同時國內的科研院所和高校也在不斷的對其進行深入地研究。虛擬現實技術在工程制造業(yè)的應用主要體現在兩個方面：產品外形結構設計，產品裝配工藝過程的優(yōu)化確定。產品外形結構的設計又分為三個方面：以設計為中心的虛擬制造技術、以生產為中心的虛擬制造技術和以控制為中心的虛擬制造技術。4.船廠項目案例4.1南通中遠川崎船舶智能制造項目案例南通中遠川崎的船舶制造智能車間建設，實現了各加工系列的智能制造，達到工裝自動化、工藝流水化、控制智能化、管理精益化，保障

18、了產品質量的穩(wěn)定，縮短了加工周期，極大地提高了生產效率，產品質量和建造效率達到世界先進水平。南通中遠川崎在船舶智能化制造方面，率開國內先河，高度自動化的流水作業(yè)生產線加上柔性化的船舶生產工藝流程，實現了船舶制造的自動化操作和流水式作業(yè)。1型鋼生產線型鋼是船體常川部材之一，原先的生產方式從畫線、寫字到切割、分料完全采用手工作業(yè)，效率低。周期長勞動強度大，且難免出現誤操作。型鋼自動化生產線建成后實現了從進料一切割一自動分揀一成材分類疊放全過程的智能制造包括物料信息傳輸和物料切割智能化以及物料分類感知智能化配員由原來的20人減少為7人有效減少了人工成本，縮短了生產周期降低了勞動強度，為后續(xù)擴大機器人

19、應用積累了經驗。2條材機器人生產線條材是分段制造的主要部材之一，它的特點是數量多，大部分部材比較短小原來的生產方式包括畫線、寫字、開條、端部切割、打磨、分料等全是手工作業(yè)效率低生產周期長，容易出錯。條材機器人生產線的投產，實現了信息傳輸和物料傳輸感知智能化以及加工智能化配員南原來的22人減少為8人，提高了生產效率縮短了生產周期，降低了勞動強度 3先行小組立機器人生產線盡管造船中厚板電弧焊接實現機器人作業(yè)困難很多，但南通巾遠川崎還是從最簡單的先行小組材開始，推進機器人焊接。傳統(tǒng)的制造方式是，鋼板在定盤上全面鋪開。一塊一塊地裝配、焊接、翻身、背燒，占用面積大，制造周期長效率低。先行小組立機器人生產

20、線投產后實現了工件傳輸和焊接智能化，以及自動背燒、自動工件出料整條生產線僅配一名員員操作，配員減少一半以上。流水線生產方式是工業(yè)化大生產的必然要求對造船業(yè)而言車間內生產作業(yè)的流水線化將是今后實施船舶智能制造的一個重要發(fā)展方向。目前南通中遠川崎已實施了大艙肋骨生產線、Y龍筋生產線、焊接裝置等數個半自動化生產線技改項目，取得了良好的效果。4智能物流系統(tǒng)采用“橫向到邊、縱向到底”的設計原則，建立了功能完善的智能物流系統(tǒng)，并與設計系統(tǒng)高度集成，從而將企業(yè)的人力、資金、信息、物料、設備、時間、方法等各方面資源充分調配和平衡，為企業(yè)加強財務管理、提高資金運營水平、減少庫存、提高生產效率、降低成本等提供強有

21、力的支持。4.2金海重工打造智能船廠之路船舶制造是一項傳統(tǒng)產業(yè)，近年來，金海重工股份有限公司對其進行數字化和智能制造的改造，以期把企業(yè)打造成先進的智能船廠。目前，這項工作取得了一定進展和成效。攻堅重點金海重工在開始打造智能化船廠時，非常重視數字化基礎工作的落地。目前，金海重工主要圍繞以下3個核心開展工作：一是生產計劃管理與實施核心；二是物流核心；三是設計核心。3個核心中有一個靈魂，就是生產計劃管理與實施。這項計劃管理工作不是一個數據管理，而是一個行為管理。它的里面包括了計劃的制訂和計劃實施的監(jiān)控，以及可控化的計劃的落實。此項工作是金海重工眾多數字化項目中比較通順的。船廠的物流情況通常十分復雜，

22、不僅廠外供應商物流復雜，而是廠內各種配料、送料等情況也十分繁瑣。為此，金海重工搭建了一套完整的供應鏈系統(tǒng)。這套供應鏈系統(tǒng)從設計環(huán)節(jié)開始，包括設計、預算/規(guī)劃、供應商、詢價/合同、送貨/質檢、廠區(qū)物流、領導生產、托盤集配、倉諸管理等子項目。金海重工十分重視設計工作，無圖紙化設計是其目前大力推廣的一項內容。與設計相關的各種工作，都離不開數據的支撐。為此，金海重工重點實施了把行為變成數據、讓數據變成可控狀態(tài)的一項工作。這項工作緊要，卻十分艱巨，僅其中一項編碼工作，就花了6個月的時間。注重工作協(xié)同船廠工作千端萬緒，若要做好工作，必須加強協(xié)同。計劃生產 計劃生產這項工作，既涉及到銷售環(huán)節(jié)，又涉及到供應鏈

23、環(huán)節(jié)，而且它最后要落實到工人的崗位金海重工采用的是給每個工人發(fā)派工作包的形式。這個工作包就是每名工人在作業(yè)開始的時候就必須要明確的落實的工作內容，包括工作對象、工作量、工作場地和工作中需要注意之處。供應鏈 金海重工的供應鏈很長，包括從供應商開始，經計劃調度、項目管理到進庫，及進庫后的模塊化出庫。出庫兩個含義，一是外來產品組裝件的組合，另一個是廠內產品和外來產品的組合船舶行業(yè)稱之為“托盤管理”。托盤管理需要在物流環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)等供應鏈中間充分地組合好。“托盤管理”中可能要涉及到上千個零部件，所以，這項工作的內容也是數字化集成和邏輯關系的一種表現。生產過程智能化智能船廠的生產過程必須用自動化和數據

24、化來完成，以實現產品的成本降低、質量提升和安全生產。目前，金海重工對此領域進行積極而成功的探索。鋼板自動標記這項工作遠非一般人認為的買一塊鋼板然后在其上貼二維碼那么簡單。船廠在生產過程中會遇到一個很大的困難，鋼板進廠后，必須進行高溫高壓條件下的預處理。如果事先把二維碼貼在上面，那么鋼板預處理結束后，二維碼肯定消失了。所以，這就要求廠方加強鋼板預處理前的一個編碼控制。金海重工經過大量實驗，解決了這個難題。鋼板在預處理之后，編碼也會留在上面，而且經過多少道工序，都會被找到，甚至它與其他原配料結合一起成為一個零件，都會留有數據基礎。數控聯(lián)合集成 數控設備已經應用了幾十年，傳統(tǒng)方式下都是單機操作，金海

25、重工把它們改造成流水線作業(yè)組合的操作模式。目前在切割環(huán)節(jié)中進行了成功的應用。汽車行業(yè)是用機器人進行切割，而金海重工根據自身生產的特點和需求，用了焊接組合的方式來進行代替，取得了不錯的效果。這種通過對現有設備以適應智能制造要求的模式，在以后還有很大的發(fā)展空間。柔性模具 船體的形狀多變，不同的船型，所以要根據實際情況運用冷加工和熱加工。所以，船廠就要設計一個柔性模態(tài)。用同一個模態(tài)應對所有船舶曲線、平面的加工。這其中數據的采集點和數據量，包括有線源的控制，金海重工投入很大精力才完成。自動涂裝系統(tǒng) 涂裝工序是一項高風險工作，企業(yè)面臨招不到工人從事此項工作的困境。涂裝的機器人作為一種理想的解決方案，在船廠向智能化推進過程還面臨著一些問題，金海重工目前正存積極研究，博采眾長，準備攻克這個難題。5. 結語船舶智能制造，需要在現有信息化、自動化條件下構建網絡實體融合架構，通過適應于各類用戶需求的評估、分析、預測和優(yōu)化體系，以“多源數據條件下的多維評估與預測、實現協(xié)同優(yōu)化”為核心，形成更具高附加值的船舶制造、使用、管理、物流等面向全生命周期