船舶智能制造的頂層設計——智慧船廠的功能概念【學習目標】了解智能船廠的功能、層級結構、生產流程及發(fā)展進程。【重點】了解智能船廠的功能定義及層級結構。【建議學時】2課時。船舶智能制造的頂層設計當前，人類在技術革命領域不斷開拓創(chuàng)新，大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)以及務聯(lián)網(wǎng)（InternetofService）等技術得以成熟應用，工業(yè)自動化、數(shù)字化的水平不斷提高，這些都悄然孕育著一場新的工業(yè)革命。本節(jié)闡述了智能工廠的內涵與特征；描繪了智能工廠的層級結構、生產流程及體系架構。本節(jié)通過解讀智能工廠的功能、層級結構及發(fā)展，闡述了智能工廠的完整概念，讓同學更好的理解智能工廠相關的理念。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品是典型的訂單生產，隨著船東不斷提出需求，個性化定制逐步呈現(xiàn)，個性化設計要求越來越高。由于船舶產品批量少、品種多，同一船型的裝備可能存在較大的復雜多樣性，建造周期長，建造過程中變更多，建造協(xié)調過程中涉及船廠多部門、多環(huán)節(jié)、多人員協(xié)調，這就使得船廠更需要廠外配套廠家的遠程支援和入廠支援。特別是，我國船廠主要布局在長三角、珠三角和環(huán)渤海區(qū)域，船舶產品的部件配套物流戰(zhàn)線長，控制物資采購和供應鏈更加繁瑣。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)、計算機集成制造puterIntegratedManufacturingSystem，CIMS）、虛擬制造（VirtualManufacturingSystemVMS）、敏捷制造（AgilityManufacturing，AM）、網(wǎng)絡化制造（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，進一步促進了產品生產的智能化。隨著整體工業(yè)化進程的推進，各船廠不斷嘗試在設計、建造和管理等方面，采用三維CAD設計、CIMS計算機集成制造、企業(yè)資源計劃（EnterpriseResourcePlan，ERP）、AVEVAMARINE船舶產品設計軟件、CATIA產品設計軟件、PLM產品生命周期管理以及機器人的切割焊接、打磨、涂裝、吊裝、搬運等技術手段，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、設備、資源和人有機地聯(lián)系在一起，推動各個環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)共享，實現(xiàn)預處理生產線、型材切割生產線、條材切割生產線、組立生產線、平面分段生產線、曲面分段生產線到組立建造、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，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、質量與穩(wěn)定性均得以顯著提升，最終實現(xiàn)船舶制造企業(yè)的整體轉型升級。工業(yè)網(wǎng)絡安全防護服務資源智能匹配企業(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)驅動知識自動化生產操作機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)船廠生產結構和船舶產品的特點，以供給側調整船廠資源配置定義智慧船廠，即以船舶的智慧生產為重點，以并入船舶行業(yè)的云制造網(wǎng)絡為目標，通過虛擬技術驅動船廠智能設計，通過自動化機器人技術驅動船廠智能制造，通過信息化技術驅動船廠管理統(tǒng)一協(xié)調，實現(xiàn)數(shù)字大腦控制下的船廠少人多機化高效生產。對智慧船廠的概念進行詳細分解，具體為：（1）智慧接單：船東全球客戶虛擬化遠程接單。

面向全球化船舶基于云端的智能接單，實現(xiàn)船東、貨主、航運公司、船廠、船級社、港口、碼頭、海事組織和政府的多級別技術資源高度共享。

對船舶產品全生命周期資源進行整合，提供生產標準、入級規(guī)范、共享制造等服務。船東通過公共云數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)船舶產品下單，通過平臺的船型虛擬設計了解船舶產品的功能，通過平臺的船廠虛擬動態(tài)生產模擬認識船廠的制造能力和船型的技術經濟論證。3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型（2）智慧設計：船型個性化定制設計。船舶是典型的個性化產品，大型、小批量生產，即使是同一船型，船東也有很多不同的設計要求，屬于典型的用戶參與性設計。面向服務船東，基于虛擬3D仿真技術，將船舶的船體結構布局、舾裝動力設備裝配、主機和輔機等動力件運轉、駕駛操控和無人機艙或無人駕駛等靜態(tài)、動態(tài)模擬出來，完成船東對船舶的功能預先體驗設計，以實現(xiàn)船舶個性化定制設計，實現(xiàn)船東用戶的參與設計、船級社的幫助設計、船舶功能需求的直接設計和預留設計。（3）智慧制造：多位機器人系統(tǒng)協(xié)同造船。簡單的造船生產線機器人換人，僅能解決部分環(huán)節(jié)的自動化，而要真正實現(xiàn)智能化，甚至智慧化，必然要采用多機器人協(xié)調造船。通信、控制、傳感、算法、定位、精度等技術是必要的手段，核心工作在于多機器人共同執(zhí)行造船階段任務時，機器人間如何處理同伴之間運動的干涉。面向高效造船、精益造船、智能造船，基于數(shù)據(jù)處理技術的各種優(yōu)化算法將各個建造環(huán)節(jié)有序聯(lián)系并協(xié)同制造，完成多機器人的協(xié)同搬運、協(xié)同焊接、協(xié)同吊裝、協(xié)同裝配等，實現(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)絡化物流集成。以中間產品為導向的造船模式，大部分中間產品來源于配套廠家，未來智慧船廠生產目標的主體是機器人總裝。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)絡化集成采購、物流、運輸、倉儲、調度，將配套企業(yè)與船廠智慧統(tǒng)一，在線時時監(jiān)控舾裝部件設備的選型、下單、定制、生產、調試、封裝、發(fā)運、運輸、入庫、倉儲，實現(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)的各方關注分為三個方面。船廠關注降低生產和管理成本，按工期進行各項目報檢保證交船；船級社關注保證船舶檢驗最低安全，船廠必須滿足最低規(guī)范要求；船東關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)造面向精細化造船，進一步服務船東檢驗，基于三維全船全設備建模，將建造進度可視化，一目了然、在線掌控、在線對應船東、船級社意見，完成生產過程控制的智能監(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，輔助生產的管理層級多，信息傳遞誤差幾率大、傳遞速度慢、決策精度低且耗時較長。而智慧管理是將船廠的運行統(tǒng)一駕控在上游集團，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。面向生產管理極度精簡，實現(xiàn)大數(shù)據(jù)交換與高密度信息集成，以及物聯(lián)網(wǎng)、服務網(wǎng)絡與信息網(wǎng)絡的融合，完成復雜信息獲取與處理、異構信息存儲和分析、故障診斷，保障工業(yè)網(wǎng)絡安全、生產安全預警、應急調度，智能完成船廠建造質量提升和資源優(yōu)化配置，智慧負荷調整和工時進度顯示，實現(xiàn)極少人與多機器人交互的云制造，從集團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，將船廠或車間各個智能設備的單體小腦統(tǒng)一到集團中央的總體大腦。（7）智慧售后：船舶營運全生命周期監(jiān)測改善。船東客戶的反饋對船舶產品的改善最為有效。智慧售后是將船舶產品供應鏈管理（SupplyChainManagement，SCM）、客戶關系管理（CustomerRelationManagement，CRM）和企業(yè)資源計劃（ERP）三方面集成，實現(xiàn)上述智慧接單、智慧設計、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，實現(xiàn)船舶產品全生命周期的全面數(shù)字化，實現(xiàn)船廠和船東使用知識的實時共享，完成船舶產品的時時改善優(yōu)化，提升生產效率，提高產品質量，全面完成船舶產品的智慧生產任務。3.3.1智能船廠的功能定義及概念模型智慧船廠

3.3.2智能船廠的層級結構（1）基礎設施層

企業(yè)首先應當建立有線或者無線的工廠網(wǎng)絡，實現(xiàn)生產指令的自動下達和設備與產線信息的自動采集；形成集成化的車間聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，解決不同通訊協(xié)議的設備之間，以及PLCC、機器人、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)對車間的環(huán)境，人員行為進行監(jiān)控、識別與報警；此外，工廠應當在、濕度、潔凈度的控制和工業(yè)安全（包括工業(yè)自動化系統(tǒng)的安全、生產環(huán)境的安全和人員安全）等方面達到智能化水平。

智能裝備是智能工廠運作的重要手段和工具。智能裝備主要包含智能生產設備、智能檢測設備和智能物流設備。制造裝備在經歷了機械裝備到數(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償、償?shù)裙δ?，能夠實現(xiàn)邊檢測、邊加工。工業(yè)機器人通過集成視覺、力覺等傳感器，能夠準確識別工件，自主進行裝配，自動避讓人，實現(xiàn)人機協(xié)作。金屬增材制造設備可以直接制造零件，DNGMORI已開發(fā)出能夠實現(xiàn)同時實現(xiàn)增材制造和切削加工的混合制造加工中心。智能物流設備則包括自動化立體倉庫、智能夾具、AGV、架式機械手、懸掛式輸送鏈等。例如，F(xiàn)anuc工廠就應用了自動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智能船廠的層級結構（3）智能產線層

智能產線的特點是，在生產和裝配的過程中，能夠通過傳感器、數(shù)控系統(tǒng)或RFID自動進行生產、質量、能耗、設備績效（OEE）等數(shù)據(jù)采集，并通過電子看板顯示實時的生產狀態(tài)；通過安燈系統(tǒng)實現(xiàn)工序之間的協(xié)作；生產線能夠實現(xiàn)快速換模，實現(xiàn)柔性自動化；能夠支持多種相似產品的混線生產和裝配，靈活調整工藝，適應小批量、多品種的生產模式；具有一定冗余，如果生產線上有設備出現(xiàn)故障，能夠調整到其他設備生產；針對人工操作的工位，能夠給予智能的提示。（4）智能車間層

要實現(xiàn)對生產過程進行有效管控，需要在設備聯(lián)網(wǎng)的基礎上，利用制造執(zhí)行系統(tǒng)（WES）、先進生產排產（APS）、勞動力管理等軟件進行高效的生產排產和合理的人員排班，提高設備利用率（OEE），實現(xiàn)生產過程的追溯，減少在制品庫存，應用人機界面（HII），以及工業(yè)平板等某著名企業(yè)終端，實現(xiàn)生產過程的無紙化。

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

車間物流的智能化對于實現(xiàn)智能工廠至關重要。企業(yè)需要充分利用智能物流裝備實現(xiàn)生產過程中所需物料的及時配送。企業(yè)可以用DPS系統(tǒng)（DigitalPickingSystem）實現(xiàn)物料揀選的自動化。3.3.2智能船廠的層級結構（5）工廠管控層

工廠管控層主要是實現(xiàn)對生產過程的監(jiān)控，通過生產指揮系統(tǒng)實時洞察工廠的運營，實現(xiàn)多個車間之間的協(xié)作和資源的調度。智慧船廠的系統(tǒng)架構

3.3.2智能船廠生產流程模型智慧船廠的重點是船舶的智慧生產，從船舶產品的研發(fā)、設計、采購、倉儲、加工、裝配、報檢、系泊、試航的生產流程考慮，采用虛擬數(shù)字化研發(fā)、設計，放樣到工業(yè)機器人智能生產線加工，最后融合智能船岸營運大數(shù)據(jù)的反饋進行再設計。貫穿船舶產品全生命周期，實現(xiàn)船舶全生命周期管理必須從基本設計開始。在船舶產品建造過程中，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、上電調試直至試航交船的全制造過程中，融入多機器人協(xié)同作業(yè)，建立現(xiàn)場工業(yè)機器人群，應用總體和分布控制，實現(xiàn)智能車間的劃線、切割、焊接、除銹、碼垛、涂裝、搬運、吊裝等多機器人群和諧統(tǒng)一作業(yè)。智慧船廠的船舶產品生產流程域模型如圖所示。智慧船廠的船舶產品生產流程域模型

3.3.4船廠智慧化的進程模型

船廠從