數(shù)字智慧方案5780丨智慧船廠的功能概念

船舶智能制造的頂層設(shè)計(jì)——智慧船廠的功能概念【學(xué)習(xí)目標(biāo)】了解智能船廠的功能、層級(jí)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)流程及發(fā)展進(jìn)程。【重點(diǎn)】了解智能船廠的功能定義及層級(jí)結(jié)構(gòu)?！窘ㄗh學(xué)時(shí)】2課時(shí)。船舶智能制造的頂層設(shè)計(jì)當(dāng)前，人類在技術(shù)革命領(lǐng)域不斷開拓創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及務(wù)聯(lián)網(wǎng)（InternetofService）等技術(shù)得以成熟應(yīng)用，工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化的水平不斷提高，這些都悄然孕育著一場(chǎng)新的工業(yè)革命。本節(jié)闡述了智能工廠的內(nèi)涵與特征；描繪了智能工廠的層級(jí)結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)流程及體系架構(gòu)。本節(jié)通過解讀智能工廠的功能、層級(jí)結(jié)構(gòu)及發(fā)展，闡述了智能工廠的完整概念，讓同學(xué)更好的理解智能工廠相關(guān)的理念。3.3智慧船廠的功能概念3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型船舶產(chǎn)品是典型的訂單生產(chǎn)，隨著船東不斷提出需求，個(gè)性化定制逐步呈現(xiàn)，個(gè)性化設(shè)計(jì)要求越來越高。由于船舶產(chǎn)品批量少、品種多，同一船型的裝備可能存在較大的復(fù)雜多樣性，建造周期長(zhǎng)，建造過程中變更多，建造協(xié)調(diào)過程中涉及船廠多部門、多環(huán)節(jié)、多人員協(xié)調(diào)，這就使得船廠更需要廠外配套廠家的遠(yuǎn)程支援和入廠支援。特別是，我國(guó)船廠主要布局在長(zhǎng)三角、珠三角和環(huán)渤海區(qū)域，船舶產(chǎn)品的部件配套物流戰(zhàn)線長(zhǎng)，控制物資采購和供應(yīng)鏈更加繁瑣。原有工業(yè)正在與信息化融合，這催生了信息物理系統(tǒng)municationPhysicsSystem，CPS)、柔性制造（FlexibleManufactureSystem，F(xiàn)MS)、計(jì)算機(jī)集成制造puterIntegratedManufacturingSystem，CIMS）、虛擬制造（VirtualManufacturingSystemVMS）、敏捷制造（AgilityManufacturing，AM）、網(wǎng)絡(luò)化制造（NetworkManufacturing，NM)及智能制造（IntelligentManufacturingSystem，IMS)等，制造模式集中于分布式、網(wǎng)絡(luò)化和虛擬化框架。3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型近年來，云制造（CloudManufacturing，CM）作為新制造模式，進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)品生產(chǎn)的智能化。隨著整體工業(yè)化進(jìn)程的推進(jìn)，各船廠不斷嘗試在設(shè)計(jì)、建造和管理等方面，采用三維CAD設(shè)計(jì)、CIMS計(jì)算機(jī)集成制造、企業(yè)資源計(jì)劃（EnterpriseResourcePlan，ERP）、AVEVAMARINE船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件、CATIA產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件、PLM產(chǎn)品生命周期管理以及機(jī)器人的切割焊接、打磨、涂裝、吊裝、搬運(yùn)等技術(shù)手段，從各角度提升船廠智慧化。但是，較系統(tǒng)的模型和功能定義尚未見論述。智慧船廠就是依托工業(yè)4.0政策，旨在把車間、設(shè)備、資源和人有機(jī)地聯(lián)系在一起，推動(dòng)各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享，實(shí)現(xiàn)預(yù)處理生產(chǎn)線、型材切割生產(chǎn)線、條材切割生產(chǎn)線、組立生產(chǎn)線、平面分段生產(chǎn)線、曲面分段生產(chǎn)線到組立建造、分段建造、總段總組、船塢搭載、碼頭作業(yè)全階段的智能生產(chǎn)，通過這種全生命周期和全制造流程的數(shù)字化，使企業(yè)的工作效率、質(zhì)量與穩(wěn)定性均得以顯著提升，最終實(shí)現(xiàn)船舶制造企業(yè)的整體轉(zhuǎn)型升級(jí)。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)服務(wù)資源智能匹配企業(yè)決策智能化三網(wǎng)信息全面感知智慧工廠定義數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)知識(shí)自動(dòng)化生產(chǎn)操作機(jī)器換人智能船廠的功能定義及概念模型3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型基于智慧工廠的廣義概念，根據(jù)船廠生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和船舶產(chǎn)品的特點(diǎn)，以供給側(cè)調(diào)整船廠資源配置定義智慧船廠，即以船舶的智慧生產(chǎn)為重點(diǎn)，以并入船舶行業(yè)的云制造網(wǎng)絡(luò)為目標(biāo)，通過虛擬技術(shù)驅(qū)動(dòng)船廠智能設(shè)計(jì)，通過自動(dòng)化機(jī)器人技術(shù)驅(qū)動(dòng)船廠智能制造，通過信息化技術(shù)驅(qū)動(dòng)船廠管理統(tǒng)一協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字大腦控制下的船廠少人多機(jī)化高效生產(chǎn)。對(duì)智慧船廠的概念進(jìn)行詳細(xì)分解，具體為：（1）智慧接單：船東全球客戶虛擬化遠(yuǎn)程接單。

面向全球化船舶基于云端的智能接單，實(shí)現(xiàn)船東、貨主、航運(yùn)公司、船廠、船級(jí)社、港口、碼頭、海事組織和政府的多級(jí)別技術(shù)資源高度共享。

對(duì)船舶產(chǎn)品全生命周期資源進(jìn)行整合，提供生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、入級(jí)規(guī)范、共享制造等服務(wù)。船東通過公共云數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)船舶產(chǎn)品下單，通過平臺(tái)的船型虛擬設(shè)計(jì)了解船舶產(chǎn)品的功能，通過平臺(tái)的船廠虛擬動(dòng)態(tài)生產(chǎn)模擬認(rèn)識(shí)船廠的制造能力和船型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型（2）智慧設(shè)計(jì)：船型個(gè)性化定制設(shè)計(jì)。船舶是典型的個(gè)性化產(chǎn)品，大型、小批量生產(chǎn)，即使是同一船型，船東也有很多不同的設(shè)計(jì)要求，屬于典型的用戶參與性設(shè)計(jì)。面向服務(wù)船東，基于虛擬3D仿真技術(shù)，將船舶的船體結(jié)構(gòu)布局、舾裝動(dòng)力設(shè)備裝配、主機(jī)和輔機(jī)等動(dòng)力件運(yùn)轉(zhuǎn)、駕駛操控和無人機(jī)艙或無人駕駛等靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬出來，完成船東對(duì)船舶的功能預(yù)先體驗(yàn)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)船舶個(gè)性化定制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)船東用戶的參與設(shè)計(jì)、船級(jí)社的幫助設(shè)計(jì)、船舶功能需求的直接設(shè)計(jì)和預(yù)留設(shè)計(jì)。（3）智慧制造：多位機(jī)器人系統(tǒng)協(xié)同造船。簡(jiǎn)單的造船生產(chǎn)線機(jī)器人換人，僅能解決部分環(huán)節(jié)的自動(dòng)化，而要真正實(shí)現(xiàn)智能化，甚至智慧化，必然要采用多機(jī)器人協(xié)調(diào)造船。通信、控制、傳感、算法、定位、精度等技術(shù)是必要的手段，核心工作在于多機(jī)器人共同執(zhí)行造船階段任務(wù)時(shí)，機(jī)器人間如何處理同伴之間運(yùn)動(dòng)的干涉。面向高效造船、精益造船、智能造船，基于數(shù)據(jù)處理技術(shù)的各種優(yōu)化算法將各個(gè)建造環(huán)節(jié)有序聯(lián)系并協(xié)同制造，完成多機(jī)器人的協(xié)同搬運(yùn)、協(xié)同焊接、協(xié)同吊裝、協(xié)同裝配等，實(shí)現(xiàn)整體少人化和部分無人化。3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型（4）智慧配套：舾裝部件配套網(wǎng)絡(luò)化物流集成。以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向的造船模式，大部分中間產(chǎn)品來源于配套廠家，未來智慧船廠生產(chǎn)目標(biāo)的主體是機(jī)器人總裝。面向快速總裝集成，解決大量的舾裝部件配套物流智能化，基于網(wǎng)絡(luò)化集成采購、物流、運(yùn)輸、倉儲(chǔ)、調(diào)度，將配套企業(yè)與船廠智慧統(tǒng)一，在線時(shí)時(shí)監(jiān)控舾裝部件設(shè)備的選型、下單、定制、生產(chǎn)、調(diào)試、封裝、發(fā)運(yùn)、運(yùn)輸、入庫、倉儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)虛擬船廠與虛擬配套廠家的協(xié)同過程管理。（5）智慧監(jiān)造：船東船檢生產(chǎn)數(shù)字化全程監(jiān)造。傳統(tǒng)船廠監(jiān)造環(huán)節(jié)的各方關(guān)注分為三個(gè)方面。船廠關(guān)注降低生產(chǎn)和管理成本，按工期進(jìn)行各項(xiàng)目報(bào)檢保證交船；船級(jí)社關(guān)注保證船舶檢驗(yàn)最低安全，船廠必須滿足最低規(guī)范要求；船東關(guān)注保證船舶使用性能良好，船廠盡量滿足船東意見和要求。而智慧監(jiān)造面向精細(xì)化造船，進(jìn)一步服務(wù)船東檢驗(yàn)，基于三維全船全設(shè)備建模，將建造進(jìn)度可視化，一目了然、在線掌控、在線對(duì)應(yīng)船東、船級(jí)社意見，完成生產(chǎn)過程控制的智能監(jiān)控。3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型（6）智慧管理：集團(tuán)大腦統(tǒng)籌船廠信息化管理。傳統(tǒng)船廠人員密集，輔助生產(chǎn)的管理層級(jí)多，信息傳遞誤差幾率大、傳遞速度慢、決策精度低且耗時(shí)較長(zhǎng)。而智慧管理是將船廠的運(yùn)行統(tǒng)一駕控在上游集團(tuán)，使整體船廠整體少人化和部分無人化，成為純粹的智慧加工車間。面向生產(chǎn)管理極度精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)交換與高密度信息集成，以及物聯(lián)網(wǎng)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的融合，完成復(fù)雜信息獲取與處理、異構(gòu)信息存儲(chǔ)和分析、故障診斷，保障工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全、生產(chǎn)安全預(yù)警、應(yīng)急調(diào)度，智能完成船廠建造質(zhì)量提升和資源優(yōu)化配置，智慧負(fù)荷調(diào)整和工時(shí)進(jìn)度顯示，實(shí)現(xiàn)極少人與多機(jī)器人交互的云制造，從集團(tuán)層面總體上解決旗下船廠或船廠車間之間的信息“孤島”問題，將船廠或車間各個(gè)智能設(shè)備的單體小腦統(tǒng)一到集團(tuán)中央的總體大腦。（7）智慧售后：船舶營(yíng)運(yùn)全生命周期監(jiān)測(cè)改善。船東客戶的反饋對(duì)船舶產(chǎn)品的改善最為有效。智慧售后是將船舶產(chǎn)品供應(yīng)鏈管理（SupplyChainManagement，SCM）、客戶關(guān)系管理（CustomerRelationManagement，CRM）和企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）三方面集成，實(shí)現(xiàn)上述智慧接單、智慧設(shè)計(jì)、智慧制造、智慧配套、智慧監(jiān)造和智慧管理與智慧售后的閉環(huán)反饋統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)船舶產(chǎn)品全生命周期的全面數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)船廠和船東使用知識(shí)的實(shí)時(shí)共享，完成船舶產(chǎn)品的時(shí)時(shí)改善優(yōu)化，提升生產(chǎn)效率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，全面完成船舶產(chǎn)品的智慧生產(chǎn)任務(wù)。3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型智慧船廠

3.3.2智能船廠的層級(jí)結(jié)構(gòu)（1）基礎(chǔ)設(shè)施層

企業(yè)首先應(yīng)當(dāng)建立有線或者無線的工廠網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)指令的自動(dòng)下達(dá)和設(shè)備與產(chǎn)線信息的自動(dòng)采集；形成集成化的車間聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，解決不同通訊協(xié)議的設(shè)備之間，以及PLCC、機(jī)器人、儀表/傳感器和工控/IT系統(tǒng)之間的聯(lián)網(wǎng)問題；利用視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)車間的環(huán)境，人員行為進(jìn)行監(jiān)控、識(shí)別與報(bào)警；此外，工廠應(yīng)當(dāng)在、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全（包括工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的安全、生產(chǎn)環(huán)境的安全和人員安全）等方面達(dá)到智能化水平。

智能裝備是智能工廠運(yùn)作的重要手段和工具。智能裝備主要包含智能生產(chǎn)設(shè)備、智能檢測(cè)設(shè)備和智能物流設(shè)備。制造裝備在經(jīng)歷了機(jī)械裝備到數(shù)控裝備后，目前正在逐步向智能裝備發(fā)展。智能化的加工中心具有誤差補(bǔ)償、償?shù)裙δ?，能夠?qū)崿F(xiàn)邊檢測(cè)、邊加工。工業(yè)機(jī)器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準(zhǔn)確識(shí)別工件，自主進(jìn)行裝配，自動(dòng)避讓人，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。金屬增材制造設(shè)備可以直接制造零件，DNGMORI已開發(fā)出能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)實(shí)現(xiàn)增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能物流設(shè)備則包括自動(dòng)化立體倉庫、智能夾具、AGV、架式機(jī)械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應(yīng)用了自動(dòng)化立體倉庫作為智能加工單元之間的物料傳遞工具。（2）智能裝備層3.3.2智能船廠的層級(jí)結(jié)構(gòu)（3）智能產(chǎn)線層

智能產(chǎn)線的特點(diǎn)是，在生產(chǎn)和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動(dòng)進(jìn)行生產(chǎn)、質(zhì)量、能耗、設(shè)備績(jī)效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實(shí)時(shí)的生產(chǎn)狀態(tài)；通過安燈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產(chǎn)線能夠?qū)崿F(xiàn)快速換模，實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化；能夠支持多種相似產(chǎn)品的混線生產(chǎn)和裝配，靈活調(diào)整工藝，適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)模式；具有一定冗余，如果生產(chǎn)線上有設(shè)備出現(xiàn)故障，能夠調(diào)整到其他設(shè)備生產(chǎn)；針對(duì)人工操作的工位，能夠給予智能的提示。（4）智能車間層

要實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行有效管控，需要在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用制造執(zhí)行系統(tǒng)（WES）、先進(jìn)生產(chǎn)排產(chǎn)（APS）、勞動(dòng)力管理等軟件進(jìn)行高效的生產(chǎn)排產(chǎn)和合理的人員排班，提高設(shè)備利用率（OEE），實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的追溯，減少在制品庫存，應(yīng)用人機(jī)界面（HII），以及工業(yè)平板等某著名企業(yè)終端，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的無紙化。

另外，還可以利用DigitalTwin（數(shù)字映射）技術(shù)將MES系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在虛擬的三維車間模型中實(shí)時(shí)地展現(xiàn)出來，不僅提供車間的VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）環(huán)境，而且還可以顯示設(shè)備的實(shí)際狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合。

車間物流的智能化對(duì)于實(shí)現(xiàn)智能工廠至關(guān)重要。企業(yè)需要充分利用智能物流裝備實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程中所需物料的及時(shí)配送。企業(yè)可以用DPS系統(tǒng)（DigitalPickingSystem）實(shí)現(xiàn)物料揀選的自動(dòng)化。3.3.2智能船廠的層級(jí)結(jié)構(gòu)（5）工廠管控層

工廠管控層主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過程的監(jiān)控，通過生產(chǎn)指揮系統(tǒng)實(shí)時(shí)洞察工廠的運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)車間之間的協(xié)作和資源的調(diào)度。智慧船廠的系統(tǒng)架構(gòu)

3.3.2智能船廠生產(chǎn)流程模型智慧船廠的重點(diǎn)是船舶的智慧生產(chǎn)，從船舶產(chǎn)品的研發(fā)、設(shè)計(jì)、采購、倉儲(chǔ)、加工、裝配、報(bào)檢、系泊、試航的生產(chǎn)流程考慮，采用虛擬數(shù)字化研發(fā)、設(shè)計(jì)，放樣到工業(yè)機(jī)器人智能生產(chǎn)線加工，最后融合智能船岸營(yíng)運(yùn)大數(shù)據(jù)的反饋進(jìn)行再設(shè)計(jì)。貫穿船舶產(chǎn)品全生命周期，實(shí)現(xiàn)船舶全生命周期管理必須從基本設(shè)計(jì)開始。在船舶產(chǎn)品建造過程中，以船體加工和艇裝配套為主，從鋼材分類、鋼材表面處理、放樣編碼、鋼材加工、條材加工、型材加工、管材加工、組立、分段總組、全船涂裝、上電調(diào)試直至試航交船的全制造過程中，融入多機(jī)器人協(xié)同作業(yè)，建立現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)機(jī)器人群，應(yīng)用總體和分布控制，實(shí)現(xiàn)智能車間的劃線、切割、焊接、除銹、碼垛、涂裝、搬運(yùn)、吊裝等多機(jī)器人群和諧統(tǒng)一作業(yè)。智慧船廠的船舶產(chǎn)品生產(chǎn)流程域模型如圖所示。智慧船廠的船舶產(chǎn)品生產(chǎn)流程域模型

3.3.4船廠智慧化的進(jìn)程模型

船廠從