提升智能制造应用水平 探索行业转型升级之路

马誉贤

(南通中远海运川崎船舶工程有限公司, 江苏 南通 226005)

0 引 言

当前智能化装备已在航空、汽车制造、电子、纺织、工程机械等多个行业广泛应用，但在造船行业的普及率还很低，相比汽车等流程工业及工程机械等离散制造业，船舶行业的自动化、智能化水平大为落后。对尚处在以劳动密集型为主模式的造船业，随着人口红利优势的减弱，造船业传统的低成本优势不再。伴随智能制造技术的快速发展，工业机器人、自动化生产线和流水线在造船业的广泛应用是未来的发展趋势。

推进船舶智能制造，提升船舶工业的自动化和智能化水平，是解决人口红利减少、人工成本上升、提高生产效率、稳定产品质量、减轻劳动强度、缩短生产周期等一系列问题的突破口。面对船舶行业转型升级趋势，南通中远海运川崎船舶工程有限公司提前谋划、推进智能化战略，实现由劳动密集型向技术信息密集型转变。

近年来，南通中远海运川崎船舶工程有限公司(以下简称公司)超前谋划生产方式转型升级，将生产设备自动化、智能化、网络化作为智能制造的切入点，公司已经成为我国造船行业中首批具有较大规模应用工业机器人并取得成功的造船企业之一。通过多年持续推进数字化精益设计、智能制造技术，有效集成数字化设计(CAD)/数字化工艺设计(CAPP)/数字化制造系统(CAM)、企业资源计划管理系统(Enterprise Resource Planning, ERP)、制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)等核心系统，推进自动化、智能化生产线、流水线的建设，建设有中国特色的智能船厂。凭借在国内造船业领先的智能制造技术，公司初步实现了由劳动密集型向技术信息密集型企业转型，推动了企业发展的提质增效。

1 船舶智能制造的内涵及其国内外发展现状与趋势

1.1 船舶智能制造的内涵

船舶智能制造是基于新一代信息技术，以人、机器和资源间智能互联为特征，贯穿船舶设计、生产、管理、服务等制造活动环节，具有信息自感知与测量、智慧自决策与优化、控制自执行等功能的先进制造执行过程、系统与模式的总称。

1.2 国内外船舶智能制造发展现状与趋势

1.2.1 先进造船国家智能制造的现状与发展趋势

国外先进造船企业处于由“工业3.0”向“工业4.0”推进阶段。日、韩等国先进造船企业广泛应用自动化、智能化、数字化、网络化等技术，实现厂域边界有线、无线网络覆盖，物联网相关技术应用，从智能单元和智能生产线2个方向推进船舶智能制造。

日本船厂普遍应用切割机器人、焊接机器人、涂装机器人等智能化装备，构建船舶中间产品智能化生产线，提高船舶建造质量和效率。

韩国造船业在信息集成系统、自动化系统、实时监控系统的基础上，构建数字化虚拟船厂，建设人与环境协调的智能船厂。同时，特别重视信息集成技术、物联网技术(Internet of Things, IOT)、可视化、虚拟现实(Virtual Reality, VR)等新一代信息技术在船舶制造中的应用。

欧盟一些船厂以数字化、网络化、模块化平台为支撑，组建模块化、专业化合作生产的动态联盟，保持在高人力成本下的竞争优势。

1.2.2 我国船舶行业智能制造现状及与先进造船技术的主要差距

我国骨干船厂以信息化和数字化为基础的智能化水平较低，工业机器人的普及应用较少，总体处于 “工业2.0”阶段，正在向“工业3.0”迈进。相比汽车等流程工业以及工程机械等离散制造业，船舶工业智能制造的水平要低一些，目前还没有真正意义上的智能船厂，现有的研究主要集中在厂区信息基础设施建设和车间数字化阶段。数字化、自动化、精益生产等方面发展水平参差不齐，仍有许多短板需要补齐。少数骨干船厂在物联网、智能单元等方面取得一定进展，智能造船技术与国际先进水平相比有较大差距，主要表现如下：

(1) 船舶制造装备与系统的自动化、智能化水平低。切割、成形、焊接、涂装等作业基本以机械化、半自动化为主；国内手工打磨作业，国外自动化装备；生产流水线作业与日、韩差距明显：国内骨干船厂焊接自动化率远低于日、韩先进船厂；中组立焊接，国内手工作业，国外先进船厂已实现智能化焊接。

(2) 造船过程管控缺少有效的数据支持。工时、物量和质量等基础数据的完整性、准确性不足，导致作业计划的制定粗放；生产过程动态数据的采集、分析与反馈缺少技术手段，导致计划执行的一致性难以保证，无法实现生产资源的动态平衡。

(3) 制造技术与信息技术的融合与集成程度低。信息融合程度低，系统、装备、零部件以及人员之间难以实现信息互联互通和有效集成。

2 推进智能制造的发展历程

推进智能制造是一个长期积累的过程，其基础是精益设计、精益生产、精益管理和集成化信息系统。公司自1995年底成立以来就坚持不懈地推进信息系统和自动化生产线建设，大部分车间已经实现自动化生产。智能制造经历了以下3个发展阶段。

2.1 1995年成立初期-2005年，初步建成计算机集成制造系统

在此阶段，建成了覆盖全厂的计算机局域网，引进CAD，并在此基础上开发了CAPP和CAM，导入数字化工程系统(Computer Aided Engineering, CAE)、ERP、财务管理系统、工时系统、管金系统等，信息系统普遍应用于船舶设计与生产工艺设计、物流管理、现场制造等。

建成9条自动化生产线，以及数十台(套)的数控切割机、自动焊接设备、喷砂机等数字化、自动化设备。

2.2 2006年-2011年，推进基于数字化造船的信息化和工业化融合

伴随着公司新内业车间、二号船坞、新组立车间、新涂装车间、新综合仓库等二期工程的建设、完工及投产，公司大规模利用信息技术改造传统设计、建造及管理手段。

(1) 全面推进船舶设计数字化、多专业设计人员并行设计，利用“互联网+设计”，实现船舶产品设计异地协同化，提高设计效率和质量，缩短设计周期，整合设计资源。

(2) 对ERP系统进行重要升级(操作系统平台升级及功能增加)，将管金系统、非船用品采购系统、工程管理系统、工时系统等集成到ERP系统中，大幅提高信息系统集成度，实现CAD/CAPP/CAM与ERP系统的深度集成。

(3) 扩大数字化、自动化制造装备的使用规模，通过对原有设备技术改造，全面实现设计数据经CAM系统自动生成数控数据。

建成另外9条自动化生产线，以及数十台(套)数控切割机、自动焊接设备、预涂喷枪等数字化、自动化设备。

2.3 2012年起，推行生产设备自动化、智能化改造，企业进入推进智能制造阶段

(1) 利用信息技术、仿真技术，通过建立工艺数据库，结合船舶产品的三维模型，利用推理、创成等形式，辅助进行船舶建造工艺过程的规划，生成工艺流程模型，对船舶制造中的人、物、信息及制造过程进行仿真，以发现制造中可能出现的问题，使船舶制造过程处于安全状态，实现精益化生产。

(2) 实现舾装托盘管理电子化、流程化，并集成到ERP系统，能精确控制船舶物资的采购节点、入出库节点，有效降低库存，为船厂的物流管理提供新的平台。

(3) 先后投产型钢自动加工线、条材机器人切割线、先行小组立机器人焊接线、小组立机器人焊接线等自动化、智能化生产线，建成了船舶制造智能车间。2016年起开始建设船舶管加工智能车间，已建成并投产中一径和中二径管加工机器人生产线、马鞍相贯线自动切割机等智能化、自动化生产线。

3 推进智能制造的实施路径

公司以数字化精益设计为主要源头，精益生产和智能化装备为重要抓手，集成化信息系统为主要支撑，精益管理为重要保障，将工业机器人应用和自动化生产线改造作为两化融合、智能制造的切入点，分步推进自动化、智能化生产线、流水线的技术改造，打造智能车间，在国内率先开辟出一条初级阶段的智能船厂建设之路。

3.1 确立实施智能制造的规划、方案和组织体系

公司智能制造的规划、方案归纳起来大致有以下几点：确立总体规划、分步实施的顶层框架；确立自主设计、再造流程的建设方案；建立推进智能制造的组织体系并明确职责，确保规划方案落地执行。

3.2 构建覆盖全厂的通信网络和信息安全体系

公司计算机网络覆盖整个厂区，通过光纤连接到各生产车间、班组。利用互联网专线，实现与成员单位协同经营、协同设计、协同采购、信息共享。公司建有自己的企业网站和邮件系统，通过光纤接入互联网。

公司所有计算机都实现了局域网互联互通，智能制造设备实现了网络化集中管控。在数字化车间，用于控制智能制造设备的计算机通过光纤接入到局域网，以便接收来自设计系统和ERP的数据及控制指令。

公司于2008年1月首次取得ISO 27001信息安全管理体系认证，2016年通过工信部的两化融合管理体系贯标。为保证造船相关业务的持续性、保护核心技术和满足合同方信息安全需求，公司实施了保障信息安全的必要策略。

3.3 构建面向生产和客户的精益设计体系

精益设计，着力于2个面向：一是面向船舶所有人设计出性能更好、满足船舶所有人和规范要求的数字化船舶；二是面向工厂设计出适合生产装备条件、生产效率高、生产资源节约的绿色节能船舶。精益设计要求做到足够的精细、精密、精确，达到全物量、全过程的数字化管理。

引进先进设计系统、并进行深度二次开发，实现从基本设计、详细设计、生产设计到放样下料、数控切割及机器人数据的自动生成；在船舶建造的最初环节——设计研发环节做到精细、精准、精益。

(1) 数字化设计。公司将CAD广泛运用于船、机、电等各专业，推行数字化建模、多专业设计人员的并行设计。

(2) 数字化工艺设计和数字化制造。为实现设计系统与ERP等系统之间的信息互联互通，公司在CAD的基础上，开发了CAPP和CAM系统, 使设计与制造体系紧密结合。该系统可提取CAD中相关设计数据，根据规范要求和生产工艺条件进行批量的数据加工处理，自动生成多种数据接口。

3.4 建立有效整合与深度集成的信息系统

信息系统是提升船舶设计建造效率和质量的重要支撑。公司十分重视信息化建设，利用信息技术和集成技术，不断升级完善计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System, CIMS)功能，通过信息一体化集成方面的研究，对各个信息系统进行有效整合，形成设计、生产和管理等环节融合、协同运行的集成制造系统，该系统的建成为智能制造提供了有力的支撑。

(1) 构建高效协同的企业资源计划管理系统。ERP系统吸收了按时生产(Just In Time, JIT)、优化生产、精益生产等先进的管理思想,能有效管理船舶上万种材料，对钢板、型材、管材、电线、金物进行分类管理；精确控制船舶物资的采购节点、入出库节点，有效降低库存，实现库存零目标；将企业各方面资源(人力、物料、设备、资金、时间、方法等)充分调配和平衡，为加强企业管理、降低运营成本、提高生产效率等提供有效工具，也为高层管理人员经营决策提供科学依据，实现物流管理的现代化，提高企业竞争力。

(2) 设计系统与制造、物流系统有效对接。采用数字化车间管理模式，以数控和网络等先进技术为基础，把处于船舶制造底层的智能设备(如数控切割机、工业机器人等)与上层控制计算机形成接口，控制计算机接收上游信息系统(CAD/CAPP/CAM)处理完的数据，传输至智能化设备，实现从钢板下料、切割成品产出、先行小组立和小组立焊接到管子焊接的智能化制造；辅助ERP系统的物流配送管理功能，对船用设备、钢材、管材、电缆等物流进行托盘化管理，配合生产节拍，实现生产线“进”“出”物流的高效运作，充分发挥智能化生产线的产能和效率。

(3) 建立深度融合的计算机集成制造系统。通过不断努力，全面建立并完善船舶产品数字化研发设计、制造、测试、管理集成平台，打通船舶建造主线，在此基础上形成具有自身特色的CIMS。设计系统处理生成的信息可直接向ERP系统发出作业指令，如进行原材料订购及管理、生成作业票至生产现场等，从而实现设计系统与ERP等系统(采购管理、支付管理、成本管理、工时管理等)的无缝对接与全面融合。该集成制造系统打破管理与设计环节的“信息孤岛”，实现生产、设计和管理等环节协调运行。

3.5 创建覆盖产品全生命周期的企业大数据

(1) 建立产品设计数据库系统。公司围绕产品的全生命周期，通过建立产品设计数据库系统以及产品售后服务数据系统，从船舶产品营销、研发设计(基本设计、详细设计、生产设计)、生产制造、售后服务一直延伸至船舶拆解阶段，对船舶产品信息和过程信息进行统一管理和集成，形成产品全生命周期大数据系统。其核心在于能够使所有与特定项目相关的人员在项目全生命周期中分享产品数据，以便各部门能够针对各环节出现的问题及改善点，共同研讨并提出改进下一步工作的方案和措施。

(2) 以市场和客户为导向，开发与应用智能船舶能效系统。以互联网、大数据为基础，在产品研发设计过程中，开发与应用智能船舶能效系统，探索实现纵倾优化、燃油管理、对机舱和导航系统远程监控、对船舶和发动机性能监测与分析(智能机舱)、航速优化、故障诊断等。该系统利用物联网技术，通过卫星传输网络将船舶数据传输到岸端数据中心，实现数据采集、处理和传输自动化，以大数据的积累和分析为基础，优化与改进船舶性能，推动船舶更高效、更安全、更可靠的运营管理，满足船舶所有人对船舶全生命周期的绿色营运要求。

(3) 在生产过程建立采集与分析数据库系统。在主要生产环节，公司建立了能充分采集制造计划与进度、质量管理、安全生产等信息的数据采集与分析系统。各坞船项目、分段、工种等的主要工程节点、生产质量、物料配送情况等信息都有专门的信息化工具进行处理与分析。

3.6 打造高效管控的制造执行系统

随着船舶智能制造的推进，内业、组立、外业、涂装等船舶中间产品的集中管控对缩短建造周期、提高造船效率的作用日益明显。MES是连接企业信息管理系统和底层设备的重要纽带，它可以解决企业资源计划与生产现场信息脱节的问题，如生产计划的执行与调度缺乏优化的协调、生产能力难以得到合理评估、生产成本难以有效控制等问题，使企业信息管理系统能够快速、有效地运行，从而提高生产管理效率，适应敏捷制造和精益生产的要求。

公司船舶建造实行的是拉动式计划管理体系，根据现有订单、劳动力、场地、设备、资金等资源，结合接单计划、人员招聘计划、设备改造计划等，以保障准时交船、均衡生产为原则，制定年度线表计划。根据线表制定的起工、进水、交付三大节点，在起工与进水区间，外业编制搭载计划和定盘计划；根据定盘计划编制大组立计划；搭载计划、定盘计划、大组立计划决定了船舶建造过程中各个大节点，是实际排产的依据。

3.7 制造工艺与装备智能化

制造工艺的智能化，将原先依赖经验的类比设计提升为基于科学的数字模拟和智能规划；制造装备的智能化，将原先依赖经验的手动操作改为智能制造方式，可提高工作效率、稳定产品质量、缩短生产周期、降低人工成本、改善作业环境、减轻劳动强度。

在实施智能化改造的工序选择上，将焦点放在船舶建造 “3D(Dirty，Dangerous，Duplicate)”环节(脏苦累险、重复简单)，由简单的设备到复杂的生产线逐步推进，积累经验，培养人才。

3.8 加强多方位培训，促进持续改进

在推进智能制造的过程中，需要一系列的人本管理措施予以配合才能确保各项工作顺利有效开展，其中多方位培训体系建设、持续改进发挥了重要的作用。

(1) 开展多方位培训。推进智能制造过程中，传统作业人员将出现富余，但适应智能制造的高技能人才需求会大幅提高。通过培训管理提升员工能力、确保工作质量、适应智能化的要求是推进智能制造的重要方面。公司以全方位的培训管理体系为载体对智能制造的各业务环节人员进行培训，顺利实现了人员转岗的平稳过渡。

(2) 坚持开展持续改善活动。公司在推进精益管理过程中，将持续改善作为重要方面加以强化，注重在实际工作中强化员工的持续改善意识，在各种改善活动基础上引申出智能化流程再造的典型案例。

4 结 语

目前,全球80%以上贸易通过海运来完成，随着国家“一带一路”建设中的“海上丝绸之路”政策的逐步实施，“海上丝绸之路”沿线国家间贸易大幅增长，海运业将会得到更为广阔的发展空间,更多的贸易也将会通过海运来完成，对我国造船业来说将是一个长期利好。

南通中远海运川崎船舶工程有限公司以覆盖全厂的网络平台为基础，全面建立设计、采购、制造、物流、质量、管理、财务等业务一体化的信息系统；以精益设计为首要必需，通过设计系统的深度二次开发和定制功能充分发挥其效能；以精益生产和自动化、智能化设备为重要手段，先后投产多条自动化和智能化生产线；以全面的精益管理为重要保障，打造信息化环境下的以数字化、模型化、自动化、可视化、集成化、网络化为特征的技术信息密集型智能制造新模式，适应各种船舶的建造，最大限度提高生产效率、缩短建造周期、提高产品质量和钢材利用率、改善作业环境，为加速推进船舶行业转型升级、提质增效提供有益的探索实践。