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船舶智能制造
摘要：
当前世界经济复苏艰难曲折、全球航运市场持续低迷、造船产能面临着严重过剩，市场竞争激烈。
在这种形势下，振兴制造业，加快结构调整、全面转型升级、推动产业快速迈向高端，已成为全行业的共识。
当前，我国船舶制造行业处于一个变革的时代。
新一轮的工业变革已经开始，而其中，制造业数字化、网络化、智能化作为革命的核心力量。
这场“智”造革命所带来的风暴，将深刻影响着我国造船业的未来。
关键词：
船舶；智能制造；数字化；自动化
1.引言
西方发达国家振兴制造业走的是一条新路子，主要是依靠科技创新，抢占国际产业竞争制高点、增强经济发展核心竞争力，谋求未来发展的主动权。
以智能化为核心的装备制造业变革正牵引着传统工业发展革命性的演变，正推动着全球新一轮科技创新高峰的形成。
德、英、日等国家相继推出一系列重振制造业的重大举措，力图在知识技术密集的高端制造业重塑竞争优势。
如“工业4.0”是德国政府推出的《高技术战略2020》十大未来项目之一。
作为一个风靡全球的概念，“工业4.0”提供了工业制造的新思维，被称为是继蒸汽机应用、规模化生产和电气、电子信息技术等三次工业革命后的第四次工业革命，其特征是以大数据为基础、以预测技术为核心的智能制造使用，目的是大幅度提高产品生产、产业链运行的质量和效率，推动实现传统制造业的转型。
此外，美国提出了“先进制造业国家战略计划”，日本提出组建科技工
业联盟，英国提出了“工业2050”。
最近，中国也公布了中国版的“工业4.0”，即“中国制造2025”规划，并提出了“互联网+”计划。
专家表示，我国要着力改变造船业“大而不强”的局面，就要依靠创新驱动发展，推动中国造船业尽快实现智能化。
而“互联网+”行动计划和“中国制造2025”战略的提出，为我国造船业实现从“量”到“质”的转变创造了机遇，同时也带来重大挑战。
2.智能制造介绍
“工业4.0”是继蒸汽机应用（机械时代）、电子信息技术（电气时代）和网络通信技术（信息时代）之后的第四次工业革命，最早在2013年4月的德国汉诺威工业博览会上正式提出，与美国通过程序提升“先进制造业”、推进“柔性制造系统”有异曲同工之妙。
“工业4.0”为中国经济特别是制造业的转型升级、结构调整指明了发展方向。
“工业4.0”其特征是基于信息物理系统、物联网和互联服务，通过大数据分析和云计算，以预测技术为核心来指导高效高品质生产的智能制造和应用，目的是大幅度地提高产品生产、运行的质量和效率，实现信息技术、物联网、智能生产和流通消费相融合的革命性方法，将彻底推动传统制造工业的服务化转型升级。
智能制造技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术是在现代传感技术、网络技术、自动化技术以及人工智能的基础上，通过感知、人机交互、决策、执行和反馈，实现产品设计过程、制造过程和企业管理及服务的智能化，是信息技术与制造技术的深度融合与集成。
智能化和自动化的最大区别在于知识的含量。
智能制造是基于科学而非仅凭经验的制造，科学知识是智能化的基础。
因此，智能制造包含物质的和非物质的处理过程，不仅具有完善和快捷响应的物料供应链，还需要有稳定且强有力的知识供应链和产学研联盟，源源不断地提供高素质人才和工业需要的创新成果，发展高附加值的新产品，促进产业不断转型升级。
智能制造是可持续发展的制造模式，它借助计算机建模仿真和信息通信技术的巨大潜力，优化产品的设计和制造过程，大幅度减少物质资源和能源的消耗以及各种废弃物的产生，同时实现循环再用，减少排放，保护环境。
3.船舶智能制造
“船舶工业4.0”，需要在现有信息化、自动化条件下构建网络—实体融合架构，通过适应于各类用户需求的评估、分析、预测和优化体系，以“多源数据条件下的多维评估与预测、实现协同优化”为核心，形成更具高附加值的船舶制造、使用、管理、物流等面向全生命周期的中国船舶工业全产业链，从而使得中国船舶工业未来能够更好地以市场为导向，以智能船舶为纽带，走向定制规模化、管理精细化、服务高效化，以更好地创造和实现新价值。
“船舶工业4.0”将促使造船厂借助物联网、大数据、人工智能取代封闭性的生产制造系统，成为未来船舶工业的根基，彻底使我国由造船大国向造船强国转变。
虽然“船舶工业4.0”还在探索，但新的变革浪潮必然会席卷而来，企业只有占得先机才能成为行业的引领者。
智能制造是自动化制造未来发展的方向，是信息化和自动化的高度集成，具有智能化、柔性化和高度集成化。
船舶智能制造是指实现船舶制造工业各个环节的最优化、智能化和自动化。
涉及到的智能技术主要包括：
新型的传感技术、网络互联技术、先进的控制和优化技术、基于虚拟现实的故障诊断与维护技术、基于RFID芯片的识别技术、特殊工艺和精密制造技术以及安全技术等。
3.1智能船舶系统体系结构
智能船舶不是单指船舶实体本身，而是一套完整的系统，其核心技术是网络和智能船舶融合、岸海一体的智能信息服务体系。
智能船舶系统是通过设计企业、制造企业、运营企业和服务企业之间的信息共享，构建一个“网络化、系统化、智能化和服务化”的网络和智能船舶的融合架构，实现从设计、生产、运营到服务的全流程体系的协同，建立船舶全生命周期的产业链，通过相关数据的分析挖掘，为企业创造新的价值。
智能船舶系统主要包括：
智能设计、智能制造、智能船舶、智能操作、智能运营、智能服务以及云计算平台七大模块，如图1所示。
图1智能船舶系统体系结构
智能船舶系统构建在云计算平台之上，实现数据的云存储以及大数据的分析与挖掘，系统以智能船舶实体为核心，涉及智能船舶的设计、制造、操纵、运营以及服务各功能模块，涵盖了智能船舶从设计制造到报废淘汰的整个生命周期数据的分析与应用。
智能船舶系统的生命周期如图2所示。
图2智能船舶系统生命周期
智能船舶系统具有以下特点：
1）系统性。
智能船舶系统不再单指船舶实体本身，它是由多个子系统集成的船舶与岸基一体化智能信息服务体系，主要包括船舶设计、制造、操作、运营、服务等系统。
2）网络性。
系统的基础是基于网络互联，借鉴传感技术、互联网、云计算等先进技术，实现船舶设备与设备之间、设备与船舶、船舶与岸基、岸基与云中心等的网络联结，实现信息共享、远程控制与通信交流等。
3）智能性。
智能船舶系统是一个多智能体系统，通过云计算平台对船舶相关大数据的分析、预测、评估、推理等，实现正确的决策，通过传感技术、虚拟技术、识别技术等理论方法，实现船舶设计、制造、操纵、运营、服务过程的智能化。
4）协同性。
智能船舶系统涵盖了船舶设计企业、制造企业、运营企业以及服务企业，实现信息共享，企业之间可以相互提出请求和提供服务，实现协调运作与竞争，共同发展。
5）柔韧性。
系统能够适应快速变化的船舶设计、制造、运营和服务需求，通过大数据分析和沟通交流，能够对变化的市场需求做出及时的反应，具有较强的适应性。
6）追溯性。
系统对船舶从设计、制造、使用、淘汰的全过程进行跟踪，对船舶出现的问题能够及时的追溯和处理。
7）服务性。
智能船舶系统是船舶与岸基一体化的智能信息服务体系，能够及时提供各种增值服务，从设计、制造、使用、维护、维修、物流等全方位提供不同的服务需求。
3.2数字化造船
3.2.1数据集成平台技术
船舶平台信息集成系统是进行数据交换和业务系统运行的平台，它规范了信息交换和系统运行标准及接口定义等，为业务应用系统提供良好的系统接口、稳定的运行环境和严格的管理界面。
船舶信息系统的结构如图3所示，其中处理机、智能传感器和带有数字化接口的设备物理地分布于船上的各个部位，各自独立运行，它们通过网络设备连接，构成一个分布式系统。
该系统又是通过集成支撑环境将各个独立的系统连通集成进行信息交换和消息传递，形成一个有机的整体。
船舶平台信息集成系统负责除指控系统外其他所有信息的共享与交换。
资源管理中心、控制中心、信息管理中心和操控台之间的信息传输和消息传递统一通过船舶平台信息集成系统控制完成。
图3船舶信息系统的结构
船舶平台信息集成系统的核心是任务管理调度子系统和数据访问中间件两大部分，平台本身也是作为中间件以通用组件的形式对应用要求的功能提供支持，包括流程调度与控制、权限控制和数据访问等支持。
系统的最底层是各类分布的异构数据库管理系统。
船舶平台信息集成系统的体系结构，任务管理调度子系统通过传递消息控制应用系统中模块的运行演程、数据访问中间件通过发送和接收数据控制应用系统的数据流程。
权限控制子系统、任务与信息监控子系统通过对数据流和控制流的监控和控制完成自身的功能。
3.2.2虚拟现实技术
虚拟现实技术最早由美国VPLResearchInc．公司提出的，涉及计算机、微电子、仿真与传感测量等众多高新技术，它是利用计算机在电脑上构造出一个与现实世界相同或相似的环境，人们通过虚拟设备就可以与虚拟环境进行交流互动，就像在现实世界中一样。
人们不仅能从视觉上感知虚拟世界，同时也可以从嗅觉、听觉甚至触觉等方面来感知虚拟世界。
在计算机中构造的虚拟世界是一个开放的环境，不仅能够对人们通过虚拟设备传递给它的信息做出反馈，还能够让人们“真实”地感知虚拟环境下的虚拟实物。
虚拟现实系统主要由五方面组成：
虚拟引擎、输入/输出设备、软件和数据库、用户以及任务，其中虚拟引擎和I/O设备是虚拟现实系统的核心，他们之间是通过以下组成关系来完成虚拟任务的，如图3所示：
图3虚拟现实系统组成部分
VR引擎是虚拟仿真系统的核心部位，通过读取输入设备中的数据信息，访问与任务相关的数据库并进行实时计算，完成相应工作任务，最后通过输出设备反馈任务结果。
I/O设备是实现虚拟环境交互性的基础。
人们通过专门的数据接口给计算机发送命令，同时计算机也会将实时的模拟信息反馈给用户。
比较常见的I/O设备有三维位置跟踪器，即传感衣、三维声音发生器、数据传感手套等。
软件和数据库，根据各个领域的应用侧重点不同，目前虚拟现实系统的VR仿真软件
有很多种，软件和数据库的主要功能有两部分：
1）建立虚拟对象的几个模型，根据需要也可以加入物理属性和行为特性，同时构造虚拟对象层次结构，建立I/O设备到虚拟场景的映射。
2）创建虚拟环境，创建连通应用程序与虚拟世界的数据接口，从而实现人机交互。
任务指的是虚拟现实系统需要完成的命令和工作。
传统的虚拟现实系统主要运用在教育、娱乐、医疗和军事，新型的虚拟现实系统主要运用在机器人、制造业和信息可视化等领域。
虚拟现实技术的特点主要通过四个方面来表现，他们之间的关系如图4所示：
图4虚拟现实技术的特点
多感知性：
所谓多感知性就是除了一般计算机所具有的视觉感知之外，还拥有其他方面的感知，比如听觉感知、触觉感知、嗅觉感知、味觉感知、甚至运动感知等。
沉浸感：
沉浸感是指计算机生成的虚拟环境让人有一种真实的存在感，犹如身临其境，所有感知就像在真实世界一样。
要有沉浸感，除了逼真的三维模型，还必须有人机交互作用才能够实现。
想象性：
在进入虚拟环境时，不仅仅是依靠外设的一些虚拟设备，像数据手套之类的来提供沉浸感，同时也要通过想象把虚拟的环境构造出来，想象性从一方面也表达了作者的设计思路。
交互性：
虚拟环境是一个开放的环境，它能通过人们输入的信息感知人们的意愿，并做出相应的反馈，交互性的优劣主要由实时性和自然性来体现。
在经济全球化的今天，国际市场竞争非常激烈，尤其是工程制造领域。
新技术、新产品日新月异，这对新产品的设计开发和制造提出了更高的要求，企业要在这样严峻的挑战下生存发展，就必须有全新的、强有力的技术支撑，虚拟现实技术就是工程制造领域未来发展的技术力量。
虚拟现实技术最早是由国外提出的，经过多年的发展已经在航空航天、汽车制造、医疗康复、教育娱乐以及军事等领域得到了广泛的应用。
而我国在上世纪九十年代，工程界和科学界才开始关注虚拟现实技术的研究和开发，虽然起步较晚，但是信息技术的快速发展和信息共享，目前虚拟现实技术在我国的各个领域也得到了广泛的应用，同时国内的科研院所和高校也在不断的对其进行深入地研究。
虚拟现实技术在工程制造业的应用主要体现在两个方面：
产品外形结构设计，产品装配工艺过程的优化确定。
产品外形结构的设计又分为三个方面：
以设计为中心的虚拟制造技术、以生产为中心的虚拟制造技术和以控制为中心的虚拟制造技术。
4.船厂项目案例
4.1南通中远川崎船舶智能制造项目案例
南通中远川崎的船舶制造智能车间建设，实现了各加工系列的智能制造，达到工装自动化、工艺流水化、控制智能化、管理精益化，保障了产品质量的稳定，缩短了加工周期，极大地提高了生产效率，产品质量和建造效率达到世界先进水平。
南通中远川崎在船舶智能化制造方面，率开国内先河，高度自动化的流水作业生产线加上柔性化的船舶生产工艺流程，实现了船舶制造的自动化操作和流水式作业。
1．型钢生产线
型钢是船体常川部材之一，原先的生产方式．从画线、写字到切割、分料．完全采用手工作业，效率低。
周期长．劳动强度大，且难免出现误操作。
型钢自动化生产线建成后．实现了从进料一切割一自动分拣一成材分类叠放全过程的智能制造．包括物料信息传输和物料切割智能化以及物料分类感知智能化．配员由原来的20人减少为7人．有效减少了人工成本，缩短了生产周期．降低了劳动强度，为后续扩大机器人应用积累了经验。
2．条材机器人生产线
条材是分段制造的主要部材之一，它的特点是数量多，大部分部材比较短小原来的生产方式．包括画线、写字、开条、端部切割、打磨、分料等全是手工作业．效率低．生产周期长，容易出错。
条材机器人生产线的投产，实现了信息传输和物料传输感知智能化以及加工智能化．配员南原来的22人减少为8人，提高了生产效率．缩短了生产周期，降低了劳动强度．
3．先行小组立机器人生产线
尽管造船中厚板电弧焊接实现机器人作业困难很多，但南通巾远川崎还是从最简单的先行小组材开始，推进机器人焊接。
传统的制造方式是，钢板在定盘上全面铺开。
一块一块地装配、焊接、翻身、背烧，占用面积大，制造周期长．效率低。
先行小组立机器人生产线投产后．实现了工件传输和焊接智能化，以及自动背烧、自动工件出料．整条生产线仅配一名员员操作，配员减少一半以上。
流水线生产方式是工业化大生产的必然要求．对造船业而言．车间内生产作业的流水线化将是今后实施船舶智能制造的一个重要发展方向。
目前南通中远川崎已实施了大舱肋骨生产线、Y龙筋生产线、焊接装置等数个半自动化生产线技改项目，取得了良好的效果。
4．智能物流系统
采用“横向到边、纵向到底”的设计原则，建立了功能完善的智能物流系统，并与设计系统高度集成，从而将企业的人力、资金、信息、物料、设备、时间、方法等各方面资源充分调配和平衡，为企业加强财务管理、提高资金运营水平、减少库存、提高生产效率、降低成本等提供强有力的支持。
4.2金海重工打造智能船厂之路
船舶制造是一项传统产业，近年来，金海重工股份有限公司对其进行数字化和智能制造的改造，以期把企业打造成先进的智能船厂。
目前，这项工作取得了一定进展和成效。
攻坚重点
金海重工在开始打造智能化船厂时，非常重视数字化基础工作的落地。
目前，金海重工主要围绕以下3个核心开展工作：
一是生产计划管理与实施核心；二是物流核心；三是设计核心。
3个核心中有一个灵魂，就是生产计划管理与实施。
这项计划管理工作不是一个数据管理，而是一个行为管理。
它的里面包括了计划的制订和计划实施的监控，以及可控化的计划的落实。
此项工作是金海重工众多数字化项目中比较通顺的。
船厂的物流情况通常十分复杂，不仅厂外供应商物流复杂，而是厂内各种配料、送料等情况也十分繁琐。
为此，金海重工搭建了一套完整的供应链系统。
这套供应链系统从设计环节开始，包括设计、预算/规划、供应商、询价/合同、送货/质检、厂区物流、领导生产、托盘集配、仓诸管理等子项目。
金海重工十分重视设计工作，无图纸化设计是其目前大力推广的一项内容。
与设计相关的各种工作，都离不开数据的支撑。
为此，金海重工重点实施了把行为变成数据、让数据变成可控状态的一项工作。
这项工作紧要，却十分艰巨，仅其中一项编码工作，就花了6个月的时间。
注重工作协同船厂工作千端万绪，若要做好工作，必须加强协同。
计划生产
计划生产这项工作，既涉及到销售环节，又涉及到供应链环节，而且它最后要落实到工人的岗位——金海重工采用的是给每个工人发派工作包的形式。
这个工作包就是每名工人在作业开始的时候就必须要明确的落实的工作内容，包括工作对象、工作量、工作场地和工作中需要注意之处。
供应链
金海重工的供应链很长，包括从供应商开始，经计划调度、项目管理到进库，及进库后的模块化出库。
出库两个含义，一是外来产品组装件的组合，另一个是厂内产品和外来产品的组合——船舶行业称之为“托盘管理”。
托盘管理需要在物流环节、运输环节等供应链中间充分地组合好。
“托盘管理”中可能要涉及到上千个零部件，所以，这项工作的内容也是数字化集成和逻辑关系的一种表现。
生产过程智能化
智能船厂的生产过程必须用自动化和数据化来完成，以实现产品的成本降低、质量提升和安全生产。
目前，金海重工对此领域进行积极而成功的探索。
钢板自动标记
这项工作远非一般人认为的买一块钢板然后在其上贴二维码那么简单。
船厂在生产过程中会遇到一个很大的困难，钢板进厂后，必须进行高温高压条件下的预处理。
如果事先把二维码贴在上面，那么钢板预处理结束后，二维码肯定消失了。
所以，这就要求厂方加强钢板预处理前的一个编码控制。
金海重工经过大量实验，解决了这个难题。
钢板在预处理之后，编码也会留在上面，而且经过多少道工序，都会被找到，甚至它与其他原配料结合一起成为一个零件，都会留有数据基础。
数控联合集成
数控设备已经应用了几十年，传统方式下都是单机操作，金海重工把它们改造成流水线作业组合的操作模式。
目前在切割环节中进行了成功的应用。
汽车行业是用机器人进行切割，而金海重工根据自身生产的特点和需求，用了焊接组合的方式来进行代替，取得了不错的效果。
这种通过对现有设备以适应智能制造要求的模式，在以后还有很大的发展空间。
柔性模具
船体的形状多变，不同的船型，所以要根据实际情况运用冷加工和热加工。
所以，船厂就要设计一个柔性模态。
用同一个模态应对所有船舶曲线、平面的加工。
这其中数据的采集点和数据量，包括有线源的控制，金海重工投入很大精力才完成。
自动涂装系统
涂装工序是一项高风险工作，企业面临招不到工人从事此项工作的困境。
涂装的机器人作为一种理想的解决方案，在船厂向智能化推进过程还面临着一些问题，金海重工目前正存积极研究，博采众长，准备攻克这个难题。
5.结语
船舶智能制造，需要在现有信息化、自动化条件下构建网络—实体融合架构，通过适应于各类用户需求的评估、分析、预测和优化体系，以“多源数据条件下的多维评估与预测、实现协同优化”为核心，形成更具高附加值的船舶制造、使用、管理、物流等面向全生命周期的中国船舶工业全产业链，从而使得中国船舶工业未来能够更好地以市场为导向，以智能船舶为纽带，走向定制规模化、管理精细化、服务高效化，以更好地创造和实现新价值。
船舶智能制造将促使造船厂借助物联网、大数据、人工智能取代封闭性的生产制造系统，成为未来船舶工业的根基，彻底使我国由造船大国向造船强国转变。
虽然船舶智能制造还在探索，但新的变革浪潮必然会席卷而来，企业只有占得先机才能成为行业的引领者。
目前国内船舶业尤其是海工装备产品以型多量少、船东个性化要求高、船型复杂技术含量高著称，但市场的低迷、传统生产的瓶颈、高端技术的缺乏等越来越影响到船舶业的发展，以智能化为核心的装备制造业变革正牵引着传统工业发展革命性的演变，为船舶业产品生产的智能化指明了方向：
建立智能化的生产系统和车间，使智能化设备机器代替人工操作的机器，搭建设计、生产、采购一体化智能生产流程设施，通过云技术把所有生产资源都连接起来，使目前的半自动化生产向智能化生产系统转变，促使船舶及海工产品向定制化、规模化、管理精细化、以最小代价获取最大利益的方向发展，实现定制化与规模化、个性化与普适化、虚拟与实体、微观与宏观、当前与未来的结合。
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