基于工业互联网的大型钢结构装配精度检测系统构架

张 浩，黄咏文，秦浩然，于学超，袁 轶

（上海外高桥造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

随着造船领域的知识和理念及造船模式的不断进步，钢材快速加工、处理和成型，分段制作和总组，总段搭载等船舶建造工艺流程对中间产品的精度管控不断加强。建造精度要求需通过高效、高精度的精度测量和控制系统予以满足，成熟、完善的精度控制有助于促进建造效率的提升、建造周期的缩短和公司成本的下降。当前，建造船舶过程中的组立层级和零部件精度控制已相对成熟，大型分段的精度测量和变形量控制还存在很大误差，影响着船舶建造的质量和效率。

国外船舶企业的数字化造船已较为成熟，其采用的船舶建造模式与数字化测量相辅相成，中间产品和装配精度测量已达到很高的水平。韩国研制的新型测量系统有效解决了船舶总装建造过程中的船体组立和零部件、分段和总段、船体结构、吊装和工件上船台后修整等方面的三维精度测量问题。美国研制出了一种名为NET23-D的测量仪，能用于测量中间产品的几何尺寸及其变形。芬兰开发出了一套名为ACMAN 的精度控制管理系统，用于对船体的组立和零部件、分段和总段、船体结构、吊装和工件上船台后的修整进行分析与处理。瑞士联邦理工学院的大地测量和摄影测量研究所已将摄影和测量技术应用于船舶建造中。

总体来说，我国在船舶建造的精度与测量的理论和工程实践方面与国外相比还有很大差距。基于工业互联网构建完善的大型钢结构装配精度检测系统有助于大大提升精度控制能力。现代化的精度检测系统是一个数字化系统，数字化的互联网系统离不开信息数据的传输，5G技术作为最新一代蜂窝移动通信技术，能有效解决无线通信的低时延、高并发和大带宽问题，有助于解决工业网络系统的大数据量的即时性问题。

1 工业互联网和精度测量技术分析

1.1 工业互联网

工业互联网是工业系统与高级的计算、分析、感应技术和互联网相融合产生的结果，其实质上是指通过全球化、共享化和开放化的理念构建一个工业级互联网网络平台，将设备、生产线、工厂、供应商和客户等各种资源紧密地衔接起来，通过信息化、智能化和自动化的生产方式提高生产效率，降低生产成本，促进制造业产业链的延长，推动制造业的转型与发展。我国非常重视工业互联网的发展，提出了战略性的发展方向、部署实施和应用要求，统筹规划了网络、平台和信息安全三大体系建设，大力推进工业互联网的建设和应用。但是，与传统工业相比，工业互联网的复杂程度较高，建设周期较长，投资广泛（包括人、财、物，要持续性投入），在产业应用和推广层面会面临行业基础薄弱、行业场景复杂多变等很多困难与挑战。当前，我国的工业互联网平台的相关技术要求仍需不断完善，只有如此才能真正进入成熟阶段。

1.2 船舶精度测量技术

在船舶分段建造过程中，各项装配工作都有一定的精度要求，测量精度是从另一角度评价测量误差大小的量，其与误差大小相对应，即：误差大，精度低；误差小，精度高。装配高有利于减少累计误差，从而保证整个工程的整体建造精度。精度测量技术的发展是指通过有效的手段减少检测时间，保证检测精度，缩短精度分析时长，从而保证精度分析报告的产生。对于船舶精度测量，在理论方面，韩国和日本都基于不同的理论算法对船体装配分段定位等进行了研究，并实现了三维测量、补偿量计算和精度控制系统的研发与应用。日本和韩国等造船业先进的国家已构建出一整套相对完善的精度控制体系，将精度控制管理应用到造船的全生命周期中，几乎达到了分段100%无余量搭载，提升了造船的质量、精度和效率。

1.3 工业互联网与精度测量技术的融合

到20 世纪80 年代中后期，国内的造船企业实现了艏艉分段预修整后上船台、货舱分段高精度建造和船坞快速搭载等。当前，国内船厂已基本构建起精度管控体制，这使得船坞周期相比以往明显缩短。例如，新时代造船有限公司建造的首艘超大型油船（Very Large Crude Carrier，VLCC）的坞期搭载合格率由2011 年的36%上升到了2012 年的94%。近年来，国内的船舶企业多在探索将结构精度检测与工业互联网相结合，通过更加信息化的手段，进一步提升精度控制能力，从而提高作业的合格率。

2 船舶大型钢结构精度检测问题分析

目前，典型的船舶建造主流程是按总装化造船原则，以船体为基础，以舾装为中心，以涂装为重点的壳、舾、涂一体化的精度制造。船体的钢结构建造主要由钢板切割、零部件加工、小组立、中组立、分段、总段和大合拢等工序组成。船体分段和总段作为典型的大型钢结构，结构相对复杂，测量条件（在平台上或在船坞内）相对复杂，在测量的准确度和变形量分析等方面误差较大，所得结果对后续的拼接效率和船坞占用时间等有很大的负面影响。传统的人工测量受作业环境和人员素质的影响，测量精度受限，引入工业互联网概念，构建精度检测系统，是提升测量精度的有效方法之一。现阶段，国内船厂普遍采用全站仪与标靶配合，通过在建造现场采集检测点的坐标，在利用计算机构建的三维环境中将其与3D分段设计模型相对比，从而分析、控制精度。这种精度测量分析方法虽然能相对准确地测量精度并给出评价，但检测仪器精度不高，且是由人员操作取点测量的，在测量精度和人员安全方面均存在不足。同时，该方法在船舶制造精度测量方面的数字化和信息化程度较低，会影响船舶制造的效率。该方法的主要问题在于：

1）精度管理体系不完善，未建立全流程的精度数据采集、统计和分析架构；

2）中间产品精度标准不统一；

3）相关精度检测技术和仪器不够先进，测量速度较慢；

4）精度测量受建造环境的影响较大；

5）精度测量与补偿等系统的自动化程度较低，测量速率和计算反馈速率较低；

6）精度控制尚未形成完善的系统性检测、控制系统平台。

工业互联网技术将工业与网络相结合，能有效地将人、数据和机器连接起来，从而解决上述问题。

3 大型钢结构装配精度检测系统构架研究

当前，面对船舶行业大型钢结构建造装配面临的精度检测和控制方面的问题，依托工业互联网技术构建装配精度检测系统的趋势日渐明显。通过应用大型钢结构装配精度全自动化检测技术，构建感知、数据平台、应用反馈等系统层级，减少对测量人员的投入，降低对环境的影响，提高精度测量和控制效率。图1 为上海外高桥造船有限公司构建的装配精度检测系统。

图1 装配精度检测系统

3.1 数据感知层

引入高精度工业照相机，用立体扫描代替单点测量，通过照片将摄影工装上的靶标转换为空间三维坐标，将照相机架设在被检测钢结构的外部，大大降低对检测场和人员的要求。同时，通过植入移动信号终端模组，将测量感知测量设备接入5G信号，实现终端感知设备与互联网平台的数据交互。根据测量场景的不同，测量设备可采用固定式的或移动式的。

3.2 数据平台层

随着数据信息传输量的增加，对网络性能的需求也越来越高，在超大型测量场景下，为保障高精度照相机拍摄的有效性，设备数量和图片数据量会相应增加。5G网络能提供超高的接入速率、超低的时延和超高可靠性的用户体验，满足超高流量密度、超高连接数密度和超高移动性的接入要求，为数据平台的计算应用提供联通的基础。设备接入模块根据不同的物联网终端设备数据通信连接方式，提供对MQTT、Http 和工业协议（Modbus、CANbus）等常用行业协议或接口的适配支持，实现对感知层的各类型终端设备的大规模接入。测量设备可通过5G移动网络与平台联接，实时将设备的基本参数和工作状态等数据上传给平台。平台会对各类参数进行记录和存储，并提供数据字典，开放数据查询权限。数据可通过专业处理软件进行更方便的管理和展示，可快速地与第三方应用集成，进行数据计算拟合、分析对比、超差显示和报告生成等。

3.3 应用反馈层

在平台层之上，建立基于工业检测大数据的精度分析软件。感知层用视觉检测技术替代传统的人工检测方式，降低人为因素对质检质量的干扰，提高检测的准确度和效率。数据平台层提供数据接口和数据信息存储功能。在应用反馈层，对采集的数据进行集成处理、建模分析、决策优化和反馈控制。

具体而言，在获取通过拍照得到的空间三维坐标数据之后，系统会自动对产品尺寸、形位公差和型面偏差等参数进行计算，计算分析结束之后，会自动统计测量结果并生成测量报告，将结果和报告传输到现场显示屏上供现场测量人员查看。通过报告继续进行后续的精度控制和修正。

4 结 语

不同行业对精度控制有不同的要求，本文面向船舶行业的大型钢结构，开展了基于工业互联网平台的大型钢结构装配精度检测系统研究，通过无线通信信号（5G）进行数据信息传输，可实现数据采集、传输、分析和反馈等流程的自动化精度测量，能有效减少对测量人员的投入，提高测量和分析效率。通过应用该系统，能大大降低对检测场地的要求，测量的最高精度要求可达到1 mm以内，能满足规范对船舶装配精度的要求。该研究可供船舶行业的大型钢结构精度检测的智能化和数字化发展参考。