船体分段智能车间发展趋势

侯 星， 刘 东， 郭 威， 李杨梅， 董家琛

(1.上海船舶工艺研究所，上海 200032；2.上海申博信息系统工程有限公司，上海 200032；3.江南造船(集团)有限责任公司，上海 201913)

0 引 言

自“中国制造2025”颁布实施以来，国内船舶制造企业积极响应发展纲要规划，结合企业自身现状，通过对车间进行智能化改造及生产设备智能化升级，持续推进信息化与工业化的“两化融合”，开展分段智能数字化车间建设，推进企业转型升级，提升企业先进制造能力，突破船舶制造业发展瓶颈。因此，探索智能车间落地应用，是落实“中国制造2025”的重要举措。

1 国内船体分段制造车间存在问题

(1)车间整体信息化水平较低，现场缺乏实时感知系统[1]，对分段建造状态、计划执行状态、中间产品堆放位置、物流配送状态等尚未实现实时监控，无法获取实时数据，且记录方式基本靠人工。在建造过程中由于工艺改进、计划调整等因素，无法及时响应，从而影响建造进度。

(2)车间并未建立工位级网络传输平台，工艺数据、派工数据、物料数据无法传输至制造现场，导致生产节奏混乱，建造质量及精度无法精确管控。车间网络互联互通等基础条件仍需要完善，软硬件资源不足或配置不够，基础设施不完备。

(3)车间各类信息系统相对孤立，信息集成度不高，形成信息孤岛。制造过程中的工艺信息、计划信息、派工信息、质量信息、精度信息等融合度较低，无法实现信息共享，且各部门之间协作存在诸多瓶颈造成部分真空区。

(4)厂区建设初期车间工位及设备布置与实际建造存在差异，现场环境复杂，致使船舶建造过程变更较多，稳定性可靠性较差，在很大程度上影响船体分段建造的质量。

2 船体分段智能车间建设蓝图

智能车间是推进信息化与工业化深度融合的重要切入点[1]，是在船舶设计制造过程中通过信息深度自感知、智能优化自决策、精准控制自执行、有效提高生产效率、提升产品质量、降低资源消耗、促进转型升级的重要途径[2]。船体分段智能车间建设蓝图如图1所示。

图1 船体分段智能车间建设蓝图

(1)生产计划的科学性：通过计划的制订和分解、下发、执行进度反馈等进行闭环，实时报警或提醒，快速响应计划变更、插单等突发情况，通过计划的自适应调整进行柔性生产，提高车间制造资源的利用率和建造效率。

(2)生产过程的执行管控与可视化：按照工艺流程及排产计划，实时追踪每个中间产品的加工状态，并将其作业状态、物流状态、质检状态等进行实时展示，同时监测每台设备的运行参数，监控生产过程中工艺参数的变化，以达到计划、执行、质量、数据的全过程信息追溯，实现可视化管理、透明化展示。

(3)实现工艺流程、物流和信息流的完全融合：通过现场调度和管理，确保工艺流、物流与信息流时刻保持一致。

(4)基于计划、执行、检查、处理循环(Plan-Do-Check-Act Cycle，PDCA循环)的质量管理：构建质量计划、质量检验、质量反馈、质量信息采集、质量结果分析、质量追溯等全流程质量管理体系，实现船体分段车间建造过程质量管控及追踪，并逐步建立质量信息知识库，可随时对质量数据进行分析统计，最终实现质量管理的PDCA循环。

(5)实现生产辅助决策分析：确定物料采购周期，合理分配计划，减少非增值劳动，提升产品质量，为改进生产效率等提供分析依据。

3 船体分段智能车间智能制造实施路径

船体分段智能车间制造使用智能切割、智能加工、智能焊接、智能物流等装备，基于物联网、工控网等数据采集、传输与控制网络，综合集成全三维设计系统、产品数据管理系统、制造执行系统，实现由设计到制造的驱动数据无缝集成及船体分段制造过程的产品状态监控、进度监控、质量监控、设备状态监控等，可对生产、设备、人员、质量异常作出提前预警及正确判断，实现制造执行管控系统与研发设计、智能装备、智能物流的集成，实现设计制造管理的数字化、网络化、智能化。

德国率先提出工业4.0的概念，旨在利用信息化、智能化技术促进工业领域变革。国内多数船厂在总体上处于自动化补课数字化普及阶段，正在积极探索物联网等新一代信息技术与先进制造技术的融合，在夯实智能制造基础的前提下，根据自身生产特点制订智能制造实施路径，如图2所示。

图2 船体分段智能车间智能制造实施路径

(1)开展2.0补课。针对现有装备自动化、数字化水平不高的问题，开展针对传统装备的数字化改造，重点开展切割机数字化集成与联网、数字化焊机取代模拟焊机及联网等建设内容，消除传统装备的数据孤岛问题，提升对于船舶制造过程数据感知、传输及精准执行的能力。

(2)推进3.0普及。全面推进模型驱动的船舶数字化研制能力建设。在设计阶段，全面推行基于模型的全三维设计技术，构建基于模型的全三维数字样船，实现基于模型的完整性工艺定义，打通基于模型的设计制造信息集成链路，建立基于三维模型的可视化作业指导模式。

(3)实施4.0试点。从装备、生产线及车间等3个层次着手，开展智能制造技术试点。推进中小组立焊接机器人、高精度三维测量装备等智能化装备的试点应用；打通设计、装备、物联网、管控系统的信息集成链路，实现数字化/智能化装备的综合运用，推进船体分段智能车间生产线试点建设；推进切割、焊接、测量等智能化生产线/装备的集成应用，以船体分段车间为对象，开展船舶智能制造车间的建设与应用。

4 船体分段智能车间建设思路和架构

4.1 船体分段智能车间建设思路

船体分段智能车间的建设思路为智能单元-智能生产线-智能车间。

(1)智能单元：完成关键工序、瓶颈工序和重要工序。根据生产任务需要，通过采集和分析物料、设备、质量数据，实现特定、复杂、联动的生产操作要求，对智能工装、工艺优化、人工参与程度等进行尝试和摸索[2]。

(2)智能生产线：由多个工位及智能单元组成智能生产线[1]，覆盖特定产品生产的所有工序或主要工序。智能生产线在相关智能化设备和软件系统的支持下，可实现对场地、人员、工装等制造资源的工艺数据、管理数据及生产设备的运行状态信息、参数信息等进行实时采集、读取、存储和分析。通过对这些数据信息进行分类存储及挖掘，对生产线的运转进行故障诊断分析，并对设备进行维护保障预警。同时，根据设备之间的协同关系，实现生产计划、物料配套、人员调度之间的优化配置及重组，充分利用智能车间的所有制造资源[3-4]。

(3)智能车间：打造多条智能生产线，完成多种产品的智能生产[4]。

4.2 船体分段智能车间架构

船体分段智能车间业务流程主要包括钢材预处理、板材型材切割、部件拼板焊接、装配、小组立焊接、中组立焊接、平直/曲面分段建造等业务环节，是多条生产线之间的协同作业。针对不同工位的特殊需求及智能化发展现状，初步拟定智能车间架构(见图3)，实现生产设备的数字化、工位工序的自动化及车间作业管理的智能化。

图3 船体分段智能车间架构

(1)钢材预处理流水线。首先，在钢材预处理线板材入口处安装工业照相机，通过拍照及图像识别钢板上的批次信息及炉批号信息；其次，在设计软件的数据库中匹配待预处理钢板的套料信息及其他工艺信息，并依此确定待预处理钢板需要喷涂的底漆类型及相关喷涂工艺，并将相关指令发送至喷涂设备，指导底漆喷涂作业；最后，在钢材预处理线出口处部署相关人员并手持喷码机，根据设计要求及生产计划要求将所需要的管理信息喷涂在钢板表面，信息主要包含型号尺寸、分段名、流向(根据每个厂实际需求定义)等信息。方便后道工序(理料、划线切割)对钢材的信息读取，提高整个预处理线的自动化水平，减少人工、提高作业效率。

(2)高精度数字化切割生产线。首先，为切割设备添加高精度高速划线喷码系统[3]，并在工位间布置手持喷码设备，通过制造执行管控平台与设计软件的集成共享，获得的零部件喷码信息(零部件号、规格、型号、流向、安装位置)，并用手持式喷码设备将喷码信息喷写在待切割钢板上，以保证信息的完整性及可追溯性；其次，将喷码系统与切割设备控制软件进行集成配套；最后，对现有高精度高速划线设备进行升级改造，为其配置激光定位装置、等离子坡口装置，实现零部件高精度划线、喷码、切割等流程。

(3)智能化柔性焊接系统。智能化柔性焊接系统主要包括机械臂、桁架式龙门、机器人控制柜、焊枪及其组件、剪丝装置、送丝装置等。通过对设计软件中的数据进行读取，自动生成机器人运动轨迹，自动调用焊接工艺数据库，自动定位焊接位置并进行焊接，对焊接焊缝进行智能化检测，实现零部件的自动化、智能化、柔性化、高品质焊接。

(4)物流集配及实时监控系统。首先，基于新一代信息技术对中间产品、托盘、物资进行智能标识；其次，通过车间物联网平台的搭建及相关传感器的设置，实现中间产品、托盘、物资的识别及定位；最后，通过与基于物联网的车间制造执行管控系统的集成，实现物流集配与车物流状态的跟踪及可视化监控[5]。其业务过程包括原材料、小型中间产品、舾装件等的出入库、仓储、配送、交接等业务环节，实现物流集配自动化，充分提升物流集配效率。

(5)基于三维模型的高精度测量检验系统。基于室内GPS，在船体分段装配焊接区域搭建数字化测量场，部署高精度测量检验系统，并配套使用精度管理软件，实现精度数据的实时采集、数字化检测、数字化分析等功能。首先，将固定发射器安装在车间支撑立柱上，利用发射器在分段作业区域构建一个大型测量场；其次，由检测人员将接收器装置放置于分段表面实施测量工作，可实现胎架及分段的定位及完工质量精度检测(可同时进行多处测量)；最后，基于船体车间高精度测量场，开发船体分段精度管理系统，实现船体分段的精度测量及精度数据分析。

(6)基于物联网的车间制造执行管控系统。车间制造执行管控系统从车间生产计划、生产协同、资源(设备、人力、场地)管控、质量管控、决策支持及车间信息的互联互通等6个方面着手，通过智能仓储、计划排产、物流管控、精度管控、品质管控、资源管控和决策分析等功能模块，实现车间生产过程的自动化、数字化、网络化、智能化的管理与控制[6]。基于物联网的车间制造执行管控系统(见图4)，通过研究数据采集系统、设备控制系统、实时物流管控、精度/品质管理等通用共性技术，构建工艺标准、质量标准、工艺路线、产品结构等统一资源数据库。

图4 基于物联网的车间制造执行管控系统

5 结 语

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。新一代信息技术与制造业的深度融合，正在引发影响巨大、意义深远的行业变革与产业变革，同时也是我国实现由制造大国向制造强国转变的绝佳机会。针对国内船体分段制造车间信息化水平低、缺乏互联互通平台等诸多问题，有必要结合船厂实际，通过硬件装备更新、信息化软件和手段应用，加快船体分段智能车间建设，推动船舶制造业精益生产落地。