船体分段智能车间概念解析

周同明，饶 靖，周荣富

(上海船舶工艺研究所，上海200032)

0 引 言

船体分段根据船体结构特点、船厂生产环境和建造工艺要求，按照一定的原则，将船体合理划分为若干个独立的船体结构段。由于分段数量巨大、建造工艺复杂，分段制造的智能化程度受到较多限制，对高效造船产生了较大的制约[1]。

日韩等国的先进总装化造船企业已形成一条基于标准化作业程序的均衡、连续、有节拍的，以中间产品为导向的积木式造船作业生产线。在船厂内合理布局壳舾涂作业，车间内分道分线，实施专业化流水线节拍生产，通过标准化生产流程提高生产效率，如建立曲面分段流水线、小组生产流水线、T型材流水线等。流水线之间均衡协调，缓冲量小，减少并避免了大量中间产品的堆积[1]。

对于船体分段制造车间来说，需要利用先进的、智能化的技术和管理方法，以减少分段的空置时间、降低库存量，使中间产品可连续均匀地在车间内流动，从而提高车间及船厂的整体生产效率，使分段制造平稳、有序地进行[2]。

本文探讨船体分段智能车间的特征、总体架构、车间布局设计、数据流通架构、管理系统及其采用的技术等。

1 船体分段智能车间定义及特征

1.1 船体分段智能车间定义

船体分段智能车间是将先进制造技术、物联网技术、人工智能技术、大数据技术、设备监控技术与智能装备相结合，在整个生产过程中加强数据的采集和管理，实时掌控船体分段的生产流程，提高生产过程的可控性，减少生产线上的人工干预，同时实时准确采集生产线数据，实现实时感知、全流程融合，记录生产过程中的多维度数据，进行智能决策、精准执行，达到精益化管理的车间。

1.2 船舶分段智能车间特征

船体分段智能车间有如下8个特征：

(1) 数字化。船体分段智能车间从设计图纸、派工物流、设备运营、生产协调等各个方面采集数据，进行数据挖掘，预测协调。从生产的各个环节中记录生产过程，通过数据集成，增强分段车间的数字化制造能力。

(2) 网络化。船体分段智能车间是基于计算机网络的数字化网络制造系统。通过物联网技术，将设备、人力及其他各要素进行实时物联，起到监控和充分利用各类资源的作用，减少中间产品和设备的闲置时间。

(3) 标准化。规范整个生产过程的体系结构、功能、技术、方法，保证智能制造的标准化，有利于数字化智能制造的有效集成和柔性生产。

(4) 实时化。船体分段智能车间在生产过程中产生了大量流数据，对这些流数据进行实时采集和分析处理，保障设备的稳定运行和资源的充分利用。

(5) 集成化。船体分段智能车间将先进制造技术、物联网技术、人工智能技术、大数据技术、设备监控技术与智能装备相结合，实现生产过程的信息化畅通、数字化集成和智能化管控。

(6) 协同化。在智能车间制造环节，车间内部设备多样化，各制造环节之间、设计与工艺环节和统筹管理等环节协同交互，通过数字化的形式统筹安排生产，以达到效率最大、效益最高、生产最优的目标。

(7) 绿色化。船体分段制造是一个高耗能、高污染的制造过程，通过智能车间绿色工艺的执行、生产调度与控制的优化，提高生产效率、减少环境污染。

(8) 柔性化。船体分段生产具有品种多、批量小的特点，由于船体分段的功能和个性化需求各不相同，智能车间为此产生按需生产的先进生产方式，增加制造的灵活性和应变能力，改善产品品质[3]。

2 船体分段智能车间总体架构

船体分段智能车间总体架构分为4个层级：基础设施层、设备层、执行层和控制层，如图1所示。各层相关描述如下。

图1 船体分段智能车间总体架构图

2.1 船体分段智能车间基础设施层

基础设施层一般由数据中心机房工程、安防监控、综合布线等组成，为车间的数据通信服务提供基础设施保障。

2.2 船体分段智能车间设备层

设备层主要包括制造设备、物流设备、检测设备和网络通信基础设备。这些设备按作业类型又可为预处理设备、切割加工设备、部件装焊设备和分段加工设备。设备层采用工业网络实现统一联网。

智能车间与传统车间的不同主要在于新增了大量传感器、执行器、射频识别、智能装置、通信装置，以达到通过基础设施层的底层通信将整个智能车间进行统一联网，将万物互联，将信息集中汇总至控制层，统一做出决策。

2.3 船体分段智能车间执行层

执行层主要包括车间生产计划派工、工艺管理、质量管理、生产物流、车间设备管理和成本管理等功能模块。数据分析人员通过船体分段智能车间决策控制室，根据边缘层收集的生产现场的实时生产进度、物料、质量和设备信息等数据，进行数据挖掘分析处理；与此同时，决策层接收边缘层的船体分段生产计划、执行状态、生产结果，经过数据挖掘、智能决策之后，再向边缘层发出新的生产指令及工艺技术更新。

智能车间执行层的功能与模块如下：

(1) 通过车间计划与派工模块实现车间生产计划排产的管理；

(2) 通过任务包与派工单管理，在设计包基础上生成任务包；

(3) 通过生产与物流节拍管理实现物流调度及物料配送；

(4) 通过质量管理模块采集质量控制所需的关键数据，提供质量判异和过程判稳等在线质量检测和预警方法；

(5) 通过设备管理模块实现设备基本信息、使用信息和维保信息的全过程管理；

(6) 通过成本管理模块实现成本分析、成本控制和成本核算；

(7) 基础数据采集与统计等处理。

船体分段智能车间生产执行系统将车间内设备、人力、物料、过程统一为生产资源来管理，通过生产资源的数据传递，优化产品的整个生产过程，同时通过收集和处理生产过程中大量的实时数据和事件对车间的生产活动，进行指导、响应并生成报告[4-5]。

2.4 船体分段智能车间控制层

控制层实现设备联网、数据采集和控制，实现设备管控。控制层包括二次开发工具，为系统扩展提供工具和支撑。

设备联网方案利用异构网络中间件，统一车间现场各种自动化设备接口的标准，实现车间设备的统一联网管理。

数据采集与监控主要执行车间内的生产设备运行状态参数采集、设备状态信息显示以及控制调节指令的下发等任务。设备状态采集及显示一般包括：(1)设备启停状态，运行及闲置时间；(2)故障及报警信息；(3)工艺参数设定值与实际值，如焊接电流、电压、焊接速度、气体流量和焊丝量；(4)设备运行轨迹、速度等参数。

控制调节指令下发是指对生产过程进行调节，并下发控制调节指令至车间生产设备。

3 船体分段智能车间空间布局设计

船体分段智能车间主要包括钢板预处理工场、理料工场、切割加工工场、部件装焊工场、分段装焊工场等。从加工流程和地理位置安排的角度考虑，布局设计如图2所示。

图2 船体分段智能车间布局设计

3.1 预处理工场

完成钢板和型钢的表面预处理、钢材抛丸除锈(应达到Sa 2.5标准)、喷涂底漆及底漆烘干等工作。

主要生产设备为板材预处理流水线和板材型材通用预处理流水线、自动驳移喷码打印设备等。

3.2 理料工场

完成预处理后的钢板印字、卸料、存放和整理等工作，并为各工场提供钢板和型材。

主要生产设备为全面印字机等。

3.3 切割加工工场

完成型钢、条材、内部平直构件的号料、划线切割、打码、打磨及配套等工作，以及内部平直构件折边、单曲和双曲面板材的弯曲加工及配套工作。

主要生产设备有型材切割流水线、条材自动生产线、激光切割机、等离子切割机、火焰切割机、打磨机器人、油压机、三芯辊、肋骨冷弯机、自动倒边机等。

3.4 部件装焊工场

完成先行小组立、小组立、部分拼板、部分单曲板架的装焊、矫正等工作。

主要生产设备有先行小组立焊接流水线、小组立焊接流水线、薄板部件生产线等。

3.5 分段装焊工场

分段装焊工场分为平面分段装焊工场和曲面分段装焊工场，本文只阐述平面分段装焊工场部分。

平面分段智能化车间承担船体平面分段的制造任务，如底部分段、舷部分段(舷侧、上边水舱)、甲板分段、纵横舱壁等的装配、焊接和矫正。

平面分段的工艺流程如图3所示，利用流水线生产有助于提高平面分段建造质量和效率。平面分段智能化流水线采用难度较低、灵活性较高、投资较少的纵骨先装法工艺，板列焊接采用单面焊双面成形焊接工艺，纵骨及桁材(肋板、纵桁)与板列的焊接采用CO2气体保护焊等高效焊接方法。

图3 平直分段智能车间作业流程

4 船体分段智能车间的加工数据信息流通架构

船体分段智能车间注重数据的采集、分析与应用，将数据分类录入工时数据库。管理层结合历史数据指导当前计划的制定，采用计划工时及工程线表等方法平衡劳动工时。

船体分段智能车间生产加工应以网络传输、数据采集、数据加工、数据驱动的生产设备为基础。为此，车间应设定专门分担加工驱动设备的数据信息流程，并与船体分段设计数据互联互通，形成有机的分段加工数据流通管控系统。

船体分段智能车间运行管理主要包括生产管理、成本管理、工艺管理、设备管理、物流管理、质量管理以及派工管理等功能模块，各管理模块又分别包含一个或多个子功能模块和基础设施。各管理功能模块之间的主要数据流通机制如图4所示，其中车间计划与派工、生产物流管理模块分别与企业资源管理通过基于船厂服务总线的数据接口进行互联，形成一个封闭的数据流通网络。

图4 船体分段智能车间管理信息流通架构

5 船体分段智能车间管理系统

船体分段智能车间管理系统主要实现船舶设计系统中船体分段信息提取、船体分段数据库构建、预处理、切割加工、部件装焊、分段制造等的指令生成、零部件识别以及监控信息记录与分析、检测信息记录与分析、生产计划安排、报表生成等功能。管理系统采用分段制造产品数据管理技术、分段制造执行系统业务模型、数据采集技术、现场终端及网络技术、自动化及数控设备与管理信息系统接口技术。

(1) 分段制造产品数据管理技术。研究确定分段设计协同管理模式，建立船舶制造环节的建模、产品数据抽取、工艺参数设定、图文档管理的一体化管理模式，并通过统一的信息系统平台实现上述内容的同步管理。

(2) 分段制造执行系统业务模型。按照制造执行系统的设计要求，确定造船企业分段制作的工艺规格标准、作业计划及排产、资源分配与状态、生产单元调度、人力管理、产品跟踪、设备维护、质量管理、数据采集、过程管理、绩效分析等的集成管理业务模式，并以此为基础设计船体分段制造管理信息系统。

(3) 数据采集技术、现场终端及网络技术。根据智能车间生产执行系统对现场数据的实时性要求，应用先进的现场数据采集技术(如条形码、射频识别等)，并通过各种无线或有线的现场+数据处理终端，及时将现场管理数据反馈给制造管理信息系统，通过建立区域网络覆盖，实现固定式和移动式两种终端数据的实时采集[6]。

(4) 自动化及数控设备与管理信息系统接口技术。通过自动化及数控设备操作系统与管理信息系统的接口技术，实现数据流的双向传递，将自动化及数控设备的实时操作信息传递给管理信息系统，满足管理信息系统对生产过程的完整记录要求。

6 结 论

对船体分段智能车间进行定义、对其特征进行概要描绘，并对船体分段智能车间总体功能架构进行设计，将其分为基础设施层、设备层、车间执行层和控制层。在空间布局上，依据空间布局的四项基本原则将智能车间分为预处理工场、理料工场、切割加工工场、部件装焊工场、平面分段智能化车间等。

船体分段智能车间注重数据的采集、分析与应用，通过基于船厂服务总线的数据接口进行互联，形成一个封闭的数据流通网络，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对物品和过程的智能化感知、识别和管理。船体分段智能车间管理系统将船厂车间各个单体智能装备统一集中到控制层，进行数据挖掘、智能决策，达到精准执行、精益化管理的效果。