船舶智能制造模式的核心要素和体系架构

邵明智， 周成荫， 谢 新， 郄金波

(上海船舶工艺研究所， 上海 200032)

0 引 言

随着国家智能制造战略的有序推进，新一代信息通信技术与现代造船模式深度融合，对现代造船模式在实现形式和内涵上将产生深刻影响和变化，必须实现现代造船模式向船舶智能制造模式的转型升级，构建船舶智能车间、智慧船厂成为船舶行业和造船企业面临的十分迫切的现实需求。

1 船舶智能制造模式的定义及内涵

1.1 船舶智能制造模式的定义

船舶智能制造模式是基于新一代信息通信技术(云计算、大数据、物联网、人工智能、区块链等)与现代造船模式的深度融合，贯穿于船舶设计、生产、管理、服务等制造活动全过程，以基于单一数据源的设计、生产、管理一体化为基础，以船舶中间产品壳舾涂一体化关键制造环节的数字化、智能化为核心，以网络互联互通为支撑，以智能车间、智慧船厂为载体，具有船舶制造过程自感知、自决策、自执行、自适应特征的先进制造模式。

1.2 船舶智能制造模式的内涵

船舶智能制造模式主要由设计模式、生产模式、管理模式和服务模式构成。

设计模式：以采用基于模型定义(Model Based Definition, MBD)技术的船舶产品设计、工艺设计标准规范体系为基础，以厂所协同设计平台为支撑，推进全三维综合数字设计，打通总装厂与船舶所有人、设计院所、船舶检验机构、供应商的信息链条，实现以单一数据源贯穿于产品全寿命周期的全过程、面向现场智能制造的三维可视化作业指导和无纸化施工。

生产模式：以数据和模型驱动为主要特征，以生产过程具备动态感知、数据自动采集、智能分析等功能的数字化、智能化生产装备、生产线、生产车间为主要载体，以制造执行系统(Manufacturing Execution System, MES)为重要支撑，实现壳舾涂一体化精度制造。

管理模式：以工程计划为基础，以基于信息集成的一体化综合信息管理平台为支撑，以物联网、互联网和大数据等使能技术(Enabling Technology)为手段，对船舶制造全过程、全要素实施实时智能管控，实现“物流、信息流、价值流”合一的量化精益管理。

服务模式：以优化完善造船产业链为导向，以造船产业链协同服务平台为支撑，以分布式技术、互联网技术、云存储技术、增强现实(Augmented Reality, AR)/虚拟现实(Virtual Reality, VR)技术、人工智能(Artificial Intelligence, AI)技术等为手段，对造船供应链管理、远程运维等业务进行优化完善，实现船舶所有人、设计院所、总装厂、船舶检验机构、供应商等整个造船产业链的多方协同服务。

2 船舶智能制造模式的核心要素和体系架构

2.1 船舶智能制造模式的核心要素

参考工信部提出的智能制造5种模式[1]，结合船舶智能制造模式定义和内涵，从设计、生产、管理、服务、基础建设等方面提出船舶智能制造模式13个核心要素。

2.1.1 设计模式

(1) 采用MBD技术的数字化设计体系。建立产品全寿命周期协同研制的数字化设计体系，构建统一的产品设计和工艺设计标准，推进MBD方法，快速精准推进“两个一体化”(设计生产管理一体化、壳舾涂一体化)的关联设计，实施面向现场作业的三维工艺可视化仿真和作业指导，提高船舶数字化设计与制造的综合技术能力。

(2) 厂所协同一体化综合数字设计。构建厂所协同的一体化综合数字设计平台，支撑合同设计、详细设计与生产设计的并行设计，促进基于模型的设计、工艺、制造协同，提高设计效率和质量。推进基于单一数据源的数字化综合设计，打通设计、物流、建造、管理、服务等船舶全生命周期数据链，推动完工产品数字化交付。推进采用MBD技术的完整三维建模和工艺性建模，对工艺过程和精度控制实施虚拟仿真、评估与优化，形成涵盖设计、工艺、管理等全要素的一体化三维数字模型、数据包、三维可视化作业指导书。

(3) 船舶产品数据管理信息化。突破面向智能制造的船舶产品数据组织、船舶生产设计系统数据集成、精细化工时物量管理、设计工艺信息管理、设计及物资编码映射、工时物量与任务包(Work Package, WP)/派工单(Work Order, WO)的关联等关键技术，支持设计包、采购包、WP等中间产品数据信息之间的相互关联，形成面向智能制造应用的船舶产品数据管理(Product Data Management, PDM)系统[2]。

2.1.2 生产模式

(1) 车间数字化建模。以船舶制造的关键工艺环节为重点，分析适应船舶智能制造需求的工艺流程和工序流程，优化与生产工序、功能相匹配的工位、装备、生产线布局，构建车间数字化模型，实现数据流、信息流与物流的有机统一。运用大数据挖掘技术，对生产过程数据分析，持续优化车间工艺流程，支撑数字化车间的建设。

(2) 技术基础。以面向智能制造、涵盖船舶制造全过程的中间产品分类体系及完整性标准为依据，构建拉动式工程计划管理，通过算法技术，优化中间产品生产期量标准，建立适应船舶智能制造新模式的工时物量管理系统，实现均衡、连续、有节拍的总装化造船。构建企业造船精度补偿模型及数据库，推进以补偿量替代裕量，将造船精度控制从船体搭载工序向切割加工工序、从船体工程向舾装工程延伸扩展，推进全工艺过程的无裕量制造。

(3) 中间产品智能生产。以船舶分段制造为重点，强化底层设备数字化、网络化改造，全面推进船舶中间产品流水线的数字化、智能化升级，逐步实现中间产品数字化、智能化生产。重点突破船体零件智能理料、船体零件自由边智能打磨、小组立智能焊接、中组立智能焊接、分段装焊、分段智能喷涂、管件智能加工等船舶智能制造短板装备/生产线[2]。

(4) 车间智能管控。推进智能车间MES建设，实现船舶车间计划、调度、设备、生产、效能的全过程闭环管理，并与企业资源计划(Enterprise Resource Planning, ERP)系统实现高效的协同，推进生产过程数据采集和分析系统建设，实现生产进度、工时物量、现场操作、质量检验、设备状态、物料传送、能耗等生产现场数据的采集和自动上传，实现数据集成和智能分析[2]。

(5) 智能车间/智慧船厂。推进数字化车间建设，形成集计划管理、过程协同、设备管控、资源优化、质量控制、决策支持等功能于一体的智能车间/船厂。在船体分段、管子加工、分段涂装等关键环节率先示范应用，再覆盖到船坞/船台搭载、区域舾装和码头系泊试验、交船等核心区域，实现车间/区域之间的互联互通，为构建智慧船厂奠定坚实基础。

2.1.3 管理模式

(1) 一体化综合信息管理。推进企业中心数据库建设，构建一体化综合信息管理平台，实现PDM系统、ERP系统和MES的高度集成，打通设计、物流、制造、管理与服务的信息通道，实现设计、生产和管理等关键环节的信息集成和持续优化。

(2) 造船大数据分析与决策。基于船舶建造过程大数据，推动船舶制造过程大数据的存储、分析、可视化、模式识别、AI决策等技术的研发与创新应用，为智能装备运行、车间智能管控和企业智能决策等提供技术支撑，显著提升船厂生产过程的决策水平和管理效率。

2.1.4 服务模式

推进船舶行业工业互联网建设，搭建造船产业链协同服务平台，加快客户关系管理、供应链管理、远程运维服务等系统的推广应用，逐步打通造船企业与相关业务单位的信息链条，实现企业间有效的信息集成与协同，推动船舶制造业向服务型制造转型。

2.1.5 基础建设

(1) 标准体系建设。以国家智能制造标准体系建设指南为基础，针对船舶智能制造特点和标准需求，立足基础共性、关键技术、船厂应用3个层面[3]，着重围绕总体规划、智能设计、智能工艺、智能装备/生产线、智能管理、智能服务、互联互通等方面推进智能制造标准体系建设，为船舶智能制造提供有力标准支撑。

(2) 各类系统互联互通。以互联互通为目标，利用云存储、云计算等技术，加强企业网络与数据安全能力建设；全力推动船舶设计、制造、管理和服务等云服务平台建设，推动企业信息集成与产业链协同运营。加快工业互联网标识解析体系的创新应用，推进设计信息、工艺信息、工时物量信息、托盘集配、物流、资金流、能耗、设备等船舶制造过程海量多源异构数据信息的实时采集与传输，提高综合管理效率。

2.2 船舶智能制造模式的体系架构

船舶智能制造模式的体系架构主要分为设计模式、生产模式、管理模式、服务模式和基础建设等方面。设计模式主要体现设计基础建设、数据管理和厂所协同设计3个方面；生产模式主要体现数字化、智能化的装备建设(点)、生产线建设(线)、车间生产管控(面)、企业生产管控(体)4个方面的构建；管理模式主要体现企业内一体化综合信息管理和基于大数据的智能决策；服务模式主要体现造船产业链中供应链和远程运维2个方面的协同服务；基础建设主要体现标准体系建设和各类系统互联互通2个方面。具体如图1所示。

图1 船舶智能制造模式的体系架构

3 结 语

随着智能制造示范工程在船舶行业试点示范，船舶行业的智能制造能力不断增强，现代造船模式发生了新的变化，需要提出新的造船模式作为理论引导。结合国家智能制造规划和船舶行业发展现状，提出船舶智能制造模式的定义、内涵、核心要素、体系架构等，为造船企业开展智能制造、推动行业造船模式的转型升级提供方向指引和路径支撑。