虚拟仿真智慧船厂的建设与研究

郭佳 周飞 赵磊

摘要：為对接船舶与海洋工程装备制造业转型发展，必须针对新的船舶建造过程中技术工艺、人员培训、生产管理的难推广、难落实、难改革问题，通过在船舶与海洋工程装备类企业中运用基于虚拟仿真技术的智慧船厂，开展新装备、新技术的人员培训，实现智能化生产管理，提高建造工艺效率，推动造船企业高质量发展。

Abstract： To linking up transformation and development of Shipbuilding and Oceanography Engineering equipment manufacturing industries，the technology， personnel training and production management during the shipbuilding which are hard to expand， implement and reform can be solved by smart shipyard based on virtual simulation technology in Shipbuilding and Oceanography Engineering equipment manufacturing enterprises. We should conduct the personnel training of new equipment and new technology， carry out smart production management， enhance efficiency of constructing technology， improve high quality development of shipbuilding enterprises.

关键词：虚拟仿真技术;智慧船厂;管控平台;人员培训

Key words： virtual simulation technology;smart shipyard;management and control system;personnel training

中图分类号：U673                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0160-03

0  引言

随着时代的发展，包括船舶与海洋工程装备行业正在快速的向设计三维化、制造智能化转型升级，在这快速的变化过程中，如何将新技术、新工艺、新生产管理模式快速落实到生产制造一线，成为行业实现数字化、智能化转型的重要一环。

1  建设基于虚拟仿真技术智慧船厂的必要性

从中国制造向着中国智造的战略转变以来，国内各行各业均出现了信息化、数字化、智能化转型升级的趋势，随着船舶总装建造智能化转型的不断深入，造船企业对改革造船传统工艺的动力越强，但纵观船舶与海洋工程装备行业企业的生产实际，对标产业未来转型升级的生产工艺改革和生产管理改革升级速度较慢，其中对新装备、新工艺引入企业后成败的忧虑，对掌握信息化、船舶智能制造知识和技能的高素质人才的短缺，对建造新流程带来的生产管理改革压力等特殊困难是其中的重要原因。

通过建设基于虚拟仿真技术、覆盖船舶建造工艺内容的智慧船厂，并实现在虚拟仿真环境中引入行业转型升级中的新技术、新装备、新工艺，从而帮助船舶与海洋工程装备行业企业对转型升级的认识和决策，协助企业培养高素质人才，指导造船现场新建造的生产管理等作用，将在很大程度上解决企业转型升级过程中的痛点和难点，成为产业发展的必备工具。

2  建设基于虚拟仿真技术的智慧船厂

船舶是在船厂中动用数百米、数千吨的大型设备进行建造的，由数以百万、千万计的零部件在船体平台上有机地组合成的一种十分复杂的工业产品。一艘船舶的建造周期长达九个月以上，将船舶设计、生产计划、成本管理、工艺应用、质量检测、安全管理等各种不同类型的功能交织在一起。综上所述，船舶产业的特点决定了唯有结合当今最先进的三维虚拟软硬件技术（数字孪生、MR、AR、VR）和AI、大数据云等数字化技术，融入最新的船舶智能制造技术，建设基于真实船厂的虚拟仿真智慧船厂，在智慧船厂中完整的再现船舶建造工艺，才能让建造者和管理者能从多维度、沉浸式、高交互的参与船舶智能制造过程，充分运用虚拟与现实的互动，让沉重、形体过大而难以展示的船舶智能制造过程、新设备、新工艺和新技术以各种信息化方式得以重现。

“智慧船厂”应基于船厂现有真实布局，利用三维虚拟引擎技术进行建模与系统集成，构建虚拟厂区平台，结合船舶智能制造技术，在虚拟仿真环境中建设一座具备新设备、新工艺的智慧船厂（如图1），全方位无死角展示整个智慧船厂，包括环境、布局、车间、设备。

根据船舶的建造流程，可以将智慧船厂分为五个模块，以船体智能制造车间为核心，各个模块中包含有完整的虚拟仿真船舶建造工艺过程（如表1），并能和船厂生产实际数据相结合，实现通过虚拟的智慧船厂指导实际船厂的人员培训、指导现场生产的双重功能。

虚拟船厂零件加工车间的钢材预处理子模块，和实际船厂一样，是对钢材在加工前进行表面抛丸除锈并涂上一层保护底漆的加工工艺过程的虚拟重现。为实现该功能：①需要建立船舶建造钢材预处理生产线所需的三维模型，主要包括钢料堆场、吊车、辊道输送系统、扫码器、预热设备、抛丸、自动喷漆系统、烘干室、印字划线机等;②整个子模块在生产线仿真过程中，附有智能制造预处理知识点讲解，帮助学习者了解智能制造生产线工作原理和工艺流程;③实现对钢料堆场的吊车进行交互控制，能够吊起堆场钢板至上料工位;④实现对钢板进行扫码识别;⑤能够进行加热设备、抛丸机、喷漆机、烘干室的参数设定;⑥能够对整个预处理加工流程进行动态模拟，直观掌握预处理整个流程;⑦实现系统中钢板加工完毕，采用全面印字划线机进行印字划线;⑧支持将钢板吊离预处理流水线仿真模拟;⑨可以进行场景重置操作。

虚拟船厂船体智能制造车间的智能制造组立生产线子模块，和实际船厂一样，是对船体组立智能制造产线相关工位新设备的虚拟展示，是对智能制造技术在船舶组立装配过程中所使用的新工艺、新技术的虚拟重现。为实现该功能：①建立船舶小组立生产线三维场景，主要包括上料工位、焊接工位、修补工位、背烧工位、下料工位等;②对拼装、电焊、焊接、修补、背烧、卸料工艺等智能化手段进行仿真模拟;③整个子模块在生产线仿真过程中，附有智能制造小组立生产线知识点说明，帮助了解智能制造生产线工作原理和工艺流程;④提供工件上料工位仿真，能够吊起型材至上料工位;⑤提供焊接编程插件，可对点焊、机器人焊接等过程进行自主设置;⑥系统具有机器人参数设备面板，可在面板上对焊接机器人进行电流、电压、焊接速度等参数进行设定;⑦系统具有修补工位，组立焊接完毕，通过辊道移运至修补工位进行打磨修补操作，通过构建的三维修补工位，对焊接完成后的小组立进行修补仿真模拟;⑧修补完毕，通过辊道移运至背烧工位进行火工矫正;⑨可仿真展示小组立智能化运输至下料工位过程;⑩系统提供场景重置功能。

虚拟船厂船体智能制造车间的智能制造平面分段流水线子子模块，可实际船厂的现有补给上进行虚拟升级，实现对平面分段流水线的智能化升级，实现平面分段装配焊接作业的机械化和智能化。为实现该功能：①建立船舶分段车间平面分段流水线三维模型，主要包括拼板工位、FCB单面焊工位、修补划线工位、纵骨安装工位、纵骨焊接工位、肋板装配工位、肋板焊接工位、预舾装工位、顶升移出工位等;②整个子模块在生产线仿真过程中，附有智能制造平面分段流水线知识点讲解，帮助了解智能制造生产线工作原理和工艺流程;③智能制造平面分段流水线仿真场景可以自由观察;④通过平面分段流水线完成某一典型双层底分段的交互装配，装配过程中对各个工位的工艺顺序、技术、要求和注意事项进行详细说明;⑤实现对肋板焊接工位能够进行机器人參数设置，可在面板上对焊接机器人进行电流、电压、焊接速度等参数进行设定;⑥能够进行焊接机器人的路径自动规划焊接操作仿真模拟;⑦提供焊接编程插件，可对点焊、机器人焊接等过程进行自主设置;⑧分段制造完毕，通过顶升工位将分段放至平板车，运至分段堆场;⑨系统提供场景重置功能。

3  以智慧船厂为基础建设管控平台

“管控平台”以智慧船厂为基础，与实际船厂互通生产数据，以全面展示船舶生产过程中间产品、重要生产资源为对象，通过三维模型智能交互和基于物联网的自动感知，借助三维模型可视化的收集扩展各系统及现场的实时信息，生产管理人员可在三维环境中轻松获取来自于各层次、各系统及现场的大数据信息，并将信息智能化处理汇总，可分为船厂的生产计划、生产调度、能源管控和安全管控等系统（如表2）。

4  运用智慧船厂开展人员培训，加强生产管理

船舶工程的特殊性，使过去对船舶建造人员的培训往往交给现场，通过师傅带徒弟的方式进行培养，但随着行业全面转型升级引入新工艺，师傅自身也需要通过学习才能适应新的工作内容，落实智能制造技术的人才培养问题成为造船企业的难点。

通过基于虚拟仿真技术的智慧船厂的运用，在智慧船厂中对人员开展如焊接机器人、船舶分段智能产线、涂装机器人等新设备、新工艺、新技术培训，解决了传统培训面对新技术、新工艺的“做不了、费用高、危险大”的培训困难。并充分发挥虚拟仿真技术具有的时空任意性、互动性、学习环境真实性等特点，同时让学习人员在培训过程中有虚拟仿真成果的产出，具体可为数字化的设计方案、船舶零件部件组件、船舶产品等，更能激发学习兴趣和效率，达到系统、多维、低成本高效率的培训造船新技术、新工艺的目标。

通过智慧船厂中“管控平台”的运用，实现对船舶建造计划、过程可视化仿真，使船厂各区域能耗、场地利用率、周转率、搭载总组物量统计等各项分析数据一目了然，可以让船厂管理者直观快速的了解造船生产的现状，了解问题所在。可通过智慧船厂对实际造船生产安排、物流安排、分段搭载精度进行调整，重新构建船舶生产计划、车间生产计划安排，并可在智慧船厂中对新安排进行虚拟仿真测试，运用测试结果作为最终决策依据，从而实现对造船生产的智能化、信息化管理。

综上所述，船舶与海洋工程装备行业企业必须紧跟行业转型升级的步伐，坚持科技引领、虚实结合，建设和运用基于虚拟仿真技术的智慧船厂，更好的培养船舶与海洋工程装备领域的高素质技术人才，加强船舶建造智能化设备和新工艺的运用，提升信息化、智能化管理水平，最终实现降低建造成本、缩短建造周期、产生最少废物、获得最大效益，满足船舶行业高质量可持续发展。

参考文献：

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