基于CPS的船舶智能制造体系结构研究

2019-12-25杨思维黄双喜尹作重

制造业自动化 2019年12期

杨思维，黄双喜，尹作重

（1.清华大学国家CIMS中心，北京 100084；2.北京机械工业自动化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

船舶制造的模式经过不断发展，经历了大致5个主要阶段。从早期的整体制造模式，逐步经历了以分段制造、分道制造为特征的阶段，到本世纪80年代，由于信息技术的快速发展，一系列计算机辅助软件和制造执行管理软件在船舶行业得到了应用，产生了船舶集成制造的新模式，到目前为止，我国的大部分船舶制造企业仍都处于这个阶段。船舶集成制造模式的核心是在设计、生产、管理深度融合的基础上，对制造过程的整体统筹优化，应用成组技术生产船舶的“中间产品”，如船壳、舾装件、动力设备等，通过合理分配时间和空间，科学规划船体建造、舾装、涂装等制造环节，达到资源间相互协调、流程上不间断造船的目的[1]。在欧美等一些发达国家，造船模式正从集成制造模式逐渐向智能制造模式转变，即在造船过程中采用CPS、物联网、智能传感等新一代信息通信技术，实现过程控制的可视化和全方位系统监管，以及制造的绿色化[2]，进一步提高船舶设计和建造流程的质量和效率，使造船企业更好的应对可能发生的市场需求变化[3]。

信息物理系统（CPS），是随计算、感知、通信、控制等技术不断发展而出现的一种集成化的智能系统，它融合了虚拟空间的计算进程与实体空间的真实进程，真实进程的数据通过感知和通讯过程传输到虚拟世界，计算进程在对采集数据分析预测的基础上，优化控制过程，对实体空间设备下达指令，实现闭环反馈，形成虚拟空间与实体空间互相耦合的同步操作。在船舶生产制造过程中，CPS的应用主要分为两步：采集存储船厂实体空间包含的各种装备、活动、位置、时间、环境数据，基于船舶制造的内在逻辑和机理，进行仿真建模；应用数据模型开展分析挖掘，应用采集到的数据对船舶制造的执行过程进行评估、预测、动态优化，平衡各项制造资源。CPS通过对各类动态信息优化整合，实现其合理配置，而智能制造本质上就是优化配置资源的一种新制造范式，所以CPS是实现船舶智能制造的重要手段[4]。

本文在现有智能制造通用体系架构基础上，根据船舶制造行业的发展方向和特点，对其涉及的主要业务流程、系统架构、应用的关键技术等进行研究，在提出船舶智能制造总体需求的基础上，重点结合CPS、物联网、智能传感等关键技术，提出船舶智能制造的业务、系统、关键技术体系架构，覆盖船舶制造的设计、生产、运维全生命周期，对于相关领域的研究和智能船厂的建设具有参考作用。

1 基于CPS的船舶智能制造总体需求

船舶智能制造的目标，是应用现代信息技术促进造船模式朝高度机械化、自动化、集成化、模块化和智能化方向发展，逐渐利用如传感器、机器人、智能物流设备等取代人进行各种作业，并实现船舶建造过程对制造资源、市场变化、客户需求等快速响应。为实现这一目标，需要考虑设计、制造、管理、服务等一系列业务活动，设备设施层到管理层各层级的设备和信息系统，以及与之配套的管理手段和环境、资源配置。本文研究的船舶智能制造总体需求主要从业务活动的智能化角度出发，面向船舶设计、船舶制造、船舶制造管理、船舶运维服务四个方面，提出各自的需求。

在船舶设计环节，船舶智能制造的需求主要体现在数据标准化、协同设计和与制造环节的信息集成三方面。数据标准化主要解决船舶设计各环节间数据的交换和集成问题，同时为确保数据在船舶建造整体过程中传输的完整性、准确性奠定基础；协同设计主要解决因船舶设计周期长、专业面广、涉及人员多造成的工作效率底下，支撑设计工作的并行开展，提升对环境变化的响应速度；此外如何打通设计与制造环节，使设计环节的数据能自动导入到生产设备或指导现场工人作业，也是船舶设计环节智能化的重点需求。

在船舶制造环节，船舶智能制造的需求主要体现在智能化生产设备的投入和仿真优化过程在船舶行业的应用。使用具备现场数据采集、远程指令接收、自动生产加工功能的智能化设备，是实现智能制造的基础；仿真优化是CPS技术在船舶制造过程中的具体体现，通过对人员、设备、资源、工艺等进行模拟，预测生产结果，减少生产事故发生的可能性，同时为生产流程和生产工艺的改进优化提供支撑。

在船舶制造管理环节，智能制造的需求与问题具备制造企业的通用性，即如何实现对制造全生命周期涉及的工作流、数据流、物流及成本等进行统一管理和决策。统一管理主要涉及不同信息系统间的集成和数据交换的问题，以及为提高管理效率采用可视化等展示手段；智能决策以云计算、数据挖掘等为技术基础，基于从CPS获得的实时运行数据、企业知识库和模型算法，支撑企业管理者的智能决策。

在船舶运维服务环节，在原有客户管理和定期检修的基础上，智能制造强调对客户需求的精准、快速响应和以数据为依据的船舶运行状态预测。需要建设以造船企业和船主为核心，包含供应商、服务商的运维服务平台，实现跨企业的信息交流；建立数字化的船舶运维模型，对运行数据进行实时采集，跟踪船舶运行状态，提供智能化的船舶维护服务。

通过需求分析可以得出，CPS在船舶制造、管理环节起到了重要作用，在运维服务的船舶状态跟踪中也得到应用。CPS在船舶智能制造过程的具体表现是一个与物理实体船厂对应的，覆盖船舶制造全生命周期的，具备数据采集分析和与实体设备操作功能的数字化虚拟船厂。

2 基于CPS的船舶智能制造业务体系

通过对船舶制造的需求调研分析，并结合国内主要船厂的现状，本文提出的基于CPS的船舶智能制造业务体系包含3个关键阶段，即船舶设计阶段、船舶生产阶段、船舶运维阶段，此外还包括引入CPS后对应的数字化造船过程（虚拟船厂），如图1所示[5]。

1）船舶设计阶段

图1 基于CPS的船舶智能制造业务体系

船舶设计包含合同设计、详细设计和生产设计三个阶段。合同设计是对船舶的初步设计，包括总体的性能指标和技术指标、采用的动力装置、主要设备和系统等；详细设计是合同设计的细化，需要综合考虑在功能、安全、经济以及工艺方面的需求，确定制造过程中的各项技术要求和标准，进行设备的选型并制定采购订货计划；生产设计是对船舶建造过程的详细设计和规划，关注具体的流程、方法和工艺。

引入CPS后，需要在船舶合同设计阶段同期创建船舶的设计模型——数字孪生体，构建包含产品全生命周期全过程全要素的船舶模型，与真实世界的船舶相互映射。船舶制造的数字孪生模型应包含船舶的构型数据、设计模型、工艺模型、检验模型等。经过一系列物理性能方面运动学、动力学的仿真优化，在虚拟船厂进行虚拟制造.对可制造性进行仿真验证，其后应用虚拟使用环境，对可使用性进行仿真验证。

2）船舶生产阶段

船舶生产是指生产零部件和建造船只的阶段。生产对象按照工艺分为几大类，包含船体、舾装、轮机、电机等。生产流程一般分为钢料加工阶段、分段制作阶段、舾装件加工/集配/安装阶段、分段涂装阶段、船台合拢阶段、水下作业阶段、适航交船阶段等。

引入CPS后，生产任务的管理主要通过虚拟船厂的制造运行管理系统进行，由智能设备的边缘层辅助控制对实时性要求高的调度及控制任务，在生产阶段的智能制造，是虚拟制造与实际制造的结合。虚拟船厂是在船舶数字孪生体的基础上，增加人员、设备、资源、工艺等仿真要素，形成的物理船厂的数字孪生，物理船厂的智能生产设备、传感设备、网络设备等组成的工业通信网络，利用低延迟的网络与边缘层和虚拟船厂进行交互，完成生产运行数据上传和指令下达的过程，虚拟船厂通过制造运行管理系统对设备下达指令，实现对实际生产过程的控制，同时将生产运行数据反馈到虚拟船厂中，驱动虚拟船厂与物理船厂同步运行。

3）船舶运维阶段

传统的船舶运维阶段业务内容一般包括定期检修、计划养护和临时事故修理。引入CPS后，船厂在交付时，同时提供船舶的数字孪生体，对上述活动进行优化。通过传感器对船舶的主要性能参数、设备健康状态、环境因素等进行采集和监控，并与运维系统交互，使船厂可以有针对性的安排检修时间，提出检修项目，并对检修效果进行评价；当遭遇突发情况时，提供预警预测，支撑远程故障检测和维修工作的开展[6]。

3 基于CPS的船舶智能制造系统体系

本文参考智能工厂通用模型，结合船舶行业特点，提出按设备设施层、控制层、生产层、管理层分类的基于CPS的船舶智能制造系统体系架构，如图2所示。

设备设施层主要包括：智能化的生产、物流、检测设备、工业机器人，以及各种传感器、智能仪表、条码等。按照船舶制造的阶段，可分为切割设备群、加工成型设备群、焊接设备群、涂装设备群、检测设备群、物流设备群等。智能设备作为一个网络节点，通过无线网络、智能网关等接入到船厂的工业通信网络，与网络中其他设备实现数据交换，实现设备间的相互感知和对设备的数据采集，并能通过传感器对外部环境进行识别、判断、理解，支撑控制层的远程控制、状态监控等活动。

图2 基于CPS的船舶智能制造系统体系

控制层主要包括：监控与数据采集系统SCADA、分布式控制系统DCS、现场总线控制系统FCS、可编程逻辑控制器PLC等。控制层对设备设施层采集的数据进行整理、分析，将结果传输给更高级的生产层，同时接收生产层的控制指令，应用边缘计算、大数据、专家系统等进行指令的评估预测和优化，实现对设备的优化控制。

生产层的主体是集成化的制造运行管理系统（MOM），包括生产计划/调度、生产监控、集配管理、EHS管理、质量管理、能源管理、设备管理等功能，根据船舶制造的工艺类别，可分别对应多个智能车间。生产层的作用是执行管理层下发的任务，对船舶的实际生产过程进行总体把控，合理安排生产进度，达成生产协同，对生产过程中出现的原材料、配件、设备、人员、工艺问题进行处理，并对质量、成本、环保等因素进行控制，将生产制造过程中形成的各种数据以表格、图片等形式直观的呈现给管理层，辅助管理层进行决策。

管理层实现对船舶制造的全生命周期管理，主要包括：由多个计算机辅助建模、仿真、设计、工艺规划软件系统组成的智能设计系统，面向成本控制、购销管理、人力资源管理、整体计划管理、客户关系管理等内容的企业资源计划管理系统和供应链管理系统，及应用于船舶远程维护和监控的智能服务系统。管理层从企业管理角度出发，结合数字化模型的分析、评估、预测功能，促进船舶制造的智能设计协同、供应链协同、服务链协同，实现内外部资源的合理分配，从企业层面开展总体智能决策[7]。