郭佳 周飛 趙磊

摘要：為對(duì)接船舶與海洋工程裝備制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展，必須針對(duì)新的船舶建造過(guò)程中技術(shù)工藝、人員培訓(xùn)、生產(chǎn)管理的難推廣、難落實(shí)、難改革問(wèn)題，通過(guò)在船舶與海洋工程裝備類企業(yè)中運(yùn)用基于虛擬仿真技術(shù)的智慧船廠，開展新裝備、新技術(shù)的人員培訓(xùn)，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)管理，提高建造工藝效率，推動(dòng)造船企業(yè)高質(zhì)量發(fā)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.

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);智慧船廠;管控平臺(tái);人員培訓(xùn)

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

中圖分類號(hào)：U673 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）03-0160-03

0 ?引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，包括船舶與海洋工程裝備行業(yè)正在快速的向設(shè)計(jì)三維化、制造智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，在這快速的變化過(guò)程中，如何將新技術(shù)、新工藝、新生產(chǎn)管理模式快速落實(shí)到生產(chǎn)制造一線，成為行業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的重要一環(huán)。

1 ?建設(shè)基于虛擬仿真技術(shù)智慧船廠的必要性

從中國(guó)制造向著中國(guó)智造的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變以來(lái)，國(guó)內(nèi)各行各業(yè)均出現(xiàn)了信息化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)的趨勢(shì)，隨著船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型的不斷深入，造船企業(yè)對(duì)改革造船傳統(tǒng)工藝的動(dòng)力越強(qiáng)，但縱觀船舶與海洋工程裝備行業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)標(biāo)產(chǎn)業(yè)未來(lái)轉(zhuǎn)型升級(jí)的生產(chǎn)工藝改革和生產(chǎn)管理改革升級(jí)速度較慢，其中對(duì)新裝備、新工藝引入企業(yè)后成敗的憂慮，對(duì)掌握信息化、船舶智能制造知識(shí)和技能的高素質(zhì)人才的短缺，對(duì)建造新流程帶來(lái)的生產(chǎn)管理改革壓力等特殊困難是其中的重要原因。

通過(guò)建設(shè)基于虛擬仿真技術(shù)、覆蓋船舶建造工藝內(nèi)容的智慧船廠，并實(shí)現(xiàn)在虛擬仿真環(huán)境中引入行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)中的新技術(shù)、新裝備、新工藝，從而幫助船舶與海洋工程裝備行業(yè)企業(yè)對(duì)轉(zhuǎn)型升級(jí)的認(rèn)識(shí)和決策，協(xié)助企業(yè)培養(yǎng)高素質(zhì)人才，指導(dǎo)造船現(xiàn)場(chǎng)新建造的生產(chǎn)管理等作用，將在很大程度上解決企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)過(guò)程中的痛點(diǎn)和難點(diǎn)，成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必備工具。

2 ?建設(shè)基于虛擬仿真技術(shù)的智慧船廠

船舶是在船廠中動(dòng)用數(shù)百米、數(shù)千噸的大型設(shè)備進(jìn)行建造的，由數(shù)以百萬(wàn)、千萬(wàn)計(jì)的零部件在船體平臺(tái)上有機(jī)地組合成的一種十分復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品。一艘船舶的建造周期長(zhǎng)達(dá)九個(gè)月以上，將船舶設(shè)計(jì)、生產(chǎn)計(jì)劃、成本管理、工藝應(yīng)用、質(zhì)量檢測(cè)、安全管理等各種不同類型的功能交織在一起。綜上所述，船舶產(chǎn)業(yè)的特點(diǎn)決定了唯有結(jié)合當(dāng)今最先進(jìn)的三維虛擬軟硬件技術(shù)（數(shù)字孿生、MR、AR、VR）和AI、大數(shù)據(jù)云等數(shù)字化技術(shù)，融入最新的船舶智能制造技術(shù)，建設(shè)基于真實(shí)船廠的虛擬仿真智慧船廠，在智慧船廠中完整的再現(xiàn)船舶建造工藝，才能讓建造者和管理者能從多維度、沉浸式、高交互的參與船舶智能制造過(guò)程，充分運(yùn)用虛擬與現(xiàn)實(shí)的互動(dòng)，讓沉重、形體過(guò)大而難以展示的船舶智能制造過(guò)程、新設(shè)備、新工藝和新技術(shù)以各種信息化方式得以重現(xiàn)。

“智慧船廠”應(yīng)基于船廠現(xiàn)有真實(shí)布局，利用三維虛擬引擎技術(shù)進(jìn)行建模與系統(tǒng)集成，構(gòu)建虛擬廠區(qū)平臺(tái)，結(jié)合船舶智能制造技術(shù)，在虛擬仿真環(huán)境中建設(shè)一座具備新設(shè)備、新工藝的智慧船廠（如圖1），全方位無(wú)死角展示整個(gè)智慧船廠，包括環(huán)境、布局、車間、設(shè)備。

根據(jù)船舶的建造流程，可以將智慧船廠分為五個(gè)模塊，以船體智能制造車間為核心，各個(gè)模塊中包含有完整的虛擬仿真船舶建造工藝過(guò)程（如表1），并能和船廠生產(chǎn)實(shí)際數(shù)據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)通過(guò)虛擬的智慧船廠指導(dǎo)實(shí)際船廠的人員培訓(xùn)、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的雙重功能。

虛擬船廠零件加工車間的鋼材預(yù)處理子模塊，和實(shí)際船廠一樣，是對(duì)鋼材在加工前進(jìn)行表面拋丸除銹并涂上一層保護(hù)底漆的加工工藝過(guò)程的虛擬重現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)該功能：①需要建立船舶建造鋼材預(yù)處理生產(chǎn)線所需的三維模型，主要包括鋼料堆場(chǎng)、吊車、輥道輸送系統(tǒng)、掃碼器、預(yù)熱設(shè)備、拋丸、自動(dòng)噴漆系統(tǒng)、烘干室、印字劃線機(jī)等;②整個(gè)子模塊在生產(chǎn)線仿真過(guò)程中，附有智能制造預(yù)處理知識(shí)點(diǎn)講解，幫助學(xué)習(xí)者了解智能制造生產(chǎn)線工作原理和工藝流程;③實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼料堆場(chǎng)的吊車進(jìn)行交互控制，能夠吊起堆場(chǎng)鋼板至上料工位;④實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼板進(jìn)行掃碼識(shí)別;⑤能夠進(jìn)行加熱設(shè)備、拋丸機(jī)、噴漆機(jī)、烘干室的參數(shù)設(shè)定;⑥能夠?qū)φ麄€(gè)預(yù)處理加工流程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，直觀掌握預(yù)處理整個(gè)流程;⑦實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中鋼板加工完畢，采用全面印字劃線機(jī)進(jìn)行印字劃線;⑧支持將鋼板吊離預(yù)處理流水線仿真模擬;⑨可以進(jìn)行場(chǎng)景重置操作。

虛擬船廠船體智能制造車間的智能制造組立生產(chǎn)線子模塊，和實(shí)際船廠一樣，是對(duì)船體組立智能制造產(chǎn)線相關(guān)工位新設(shè)備的虛擬展示，是對(duì)智能制造技術(shù)在船舶組立裝配過(guò)程中所使用的新工藝、新技術(shù)的虛擬重現(xiàn)。為實(shí)現(xiàn)該功能：①建立船舶小組立生產(chǎn)線三維場(chǎng)景，主要包括上料工位、焊接工位、修補(bǔ)工位、背燒工位、下料工位等;②對(duì)拼裝、電焊、焊接、修補(bǔ)、背燒、卸料工藝等智能化手段進(jìn)行仿真模擬;③整個(gè)子模塊在生產(chǎn)線仿真過(guò)程中，附有智能制造小組立生產(chǎn)線知識(shí)點(diǎn)說(shuō)明，幫助了解智能制造生產(chǎn)線工作原理和工藝流程;④提供工件上料工位仿真，能夠吊起型材至上料工位;⑤提供焊接編程插件，可對(duì)點(diǎn)焊、機(jī)器人焊接等過(guò)程進(jìn)行自主設(shè)置;⑥系統(tǒng)具有機(jī)器人參數(shù)設(shè)備面板，可在面板上對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行電流、電壓、焊接速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定;⑦系統(tǒng)具有修補(bǔ)工位，組立焊接完畢，通過(guò)輥道移運(yùn)至修補(bǔ)工位進(jìn)行打磨修補(bǔ)操作，通過(guò)構(gòu)建的三維修補(bǔ)工位，對(duì)焊接完成后的小組立進(jìn)行修補(bǔ)仿真模擬;⑧修補(bǔ)完畢，通過(guò)輥道移運(yùn)至背燒工位進(jìn)行火工矯正;⑨可仿真展示小組立智能化運(yùn)輸至下料工位過(guò)程;⑩系統(tǒng)提供場(chǎng)景重置功能。

虛擬船廠船體智能制造車間的智能制造平面分段流水線子子模塊，可實(shí)際船廠的現(xiàn)有補(bǔ)給上進(jìn)行虛擬升級(jí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平面分段流水線的智能化升級(jí)，實(shí)現(xiàn)平面分段裝配焊接作業(yè)的機(jī)械化和智能化。為實(shí)現(xiàn)該功能：①建立船舶分段車間平面分段流水線三維模型，主要包括拼板工位、FCB單面焊工位、修補(bǔ)劃線工位、縱骨安裝工位、縱骨焊接工位、肋板裝配工位、肋板焊接工位、預(yù)舾裝工位、頂升移出工位等;②整個(gè)子模塊在生產(chǎn)線仿真過(guò)程中，附有智能制造平面分段流水線知識(shí)點(diǎn)講解，幫助了解智能制造生產(chǎn)線工作原理和工藝流程;③智能制造平面分段流水線仿真場(chǎng)景可以自由觀察;④通過(guò)平面分段流水線完成某一典型雙層底分段的交互裝配，裝配過(guò)程中對(duì)各個(gè)工位的工藝順序、技術(shù)、要求和注意事項(xiàng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明;⑤實(shí)現(xiàn)對(duì)肋板焊接工位能夠進(jìn)行機(jī)器人參數(shù)設(shè)置，可在面板上對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行電流、電壓、焊接速度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定;⑥能夠進(jìn)行焊接機(jī)器人的路徑自動(dòng)規(guī)劃焊接操作仿真模擬;⑦提供焊接編程插件，可對(duì)點(diǎn)焊、機(jī)器人焊接等過(guò)程進(jìn)行自主設(shè)置;⑧分段制造完畢，通過(guò)頂升工位將分段放至平板車，運(yùn)至分段堆場(chǎng);⑨系統(tǒng)提供場(chǎng)景重置功能。

3 ?以智慧船廠為基礎(chǔ)建設(shè)管控平臺(tái)

“管控平臺(tái)”以智慧船廠為基礎(chǔ)，與實(shí)際船廠互通生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以全面展示船舶生產(chǎn)過(guò)程中間產(chǎn)品、重要生產(chǎn)資源為對(duì)象，通過(guò)三維模型智能交互和基于物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)感知，借助三維模型可視化的收集擴(kuò)展各系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)信息，生產(chǎn)管理人員可在三維環(huán)境中輕松獲取來(lái)自于各層次、各系統(tǒng)及現(xiàn)場(chǎng)的大數(shù)據(jù)信息，并將信息智能化處理匯總，可分為船廠的生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)調(diào)度、能源管控和安全管控等系統(tǒng)（如表2）。

4 ?運(yùn)用智慧船廠開展人員培訓(xùn)，加強(qiáng)生產(chǎn)管理

船舶工程的特殊性，使過(guò)去對(duì)船舶建造人員的培訓(xùn)往往交給現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)師傅帶徒弟的方式進(jìn)行培養(yǎng)，但隨著行業(yè)全面轉(zhuǎn)型升級(jí)引入新工藝，師傅自身也需要通過(guò)學(xué)習(xí)才能適應(yīng)新的工作內(nèi)容，落實(shí)智能制造技術(shù)的人才培養(yǎng)問(wèn)題成為造船企業(yè)的難點(diǎn)。

通過(guò)基于虛擬仿真技術(shù)的智慧船廠的運(yùn)用，在智慧船廠中對(duì)人員開展如焊接機(jī)器人、船舶分段智能產(chǎn)線、涂裝機(jī)器人等新設(shè)備、新工藝、新技術(shù)培訓(xùn)，解決了傳統(tǒng)培訓(xùn)面對(duì)新技術(shù)、新工藝的“做不了、費(fèi)用高、危險(xiǎn)大”的培訓(xùn)困難。并充分發(fā)揮虛擬仿真技術(shù)具有的時(shí)空任意性、互動(dòng)性、學(xué)習(xí)環(huán)境真實(shí)性等特點(diǎn)，同時(shí)讓學(xué)習(xí)人員在培訓(xùn)過(guò)程中有虛擬仿真成果的產(chǎn)出，具體可為數(shù)字化的設(shè)計(jì)方案、船舶零件部件組件、船舶產(chǎn)品等，更能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和效率，達(dá)到系統(tǒng)、多維、低成本高效率的培訓(xùn)造船新技術(shù)、新工藝的目標(biāo)。

通過(guò)智慧船廠中“管控平臺(tái)”的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶建造計(jì)劃、過(guò)程可視化仿真，使船廠各區(qū)域能耗、場(chǎng)地利用率、周轉(zhuǎn)率、搭載總組物量統(tǒng)計(jì)等各項(xiàng)分析數(shù)據(jù)一目了然，可以讓船廠管理者直觀快速的了解造船生產(chǎn)的現(xiàn)狀，了解問(wèn)題所在?？赏ㄟ^(guò)智慧船廠對(duì)實(shí)際造船生產(chǎn)安排、物流安排、分段搭載精度進(jìn)行調(diào)整，重新構(gòu)建船舶生產(chǎn)計(jì)劃、車間生產(chǎn)計(jì)劃安排，并可在智慧船廠中對(duì)新安排進(jìn)行虛擬仿真測(cè)試，運(yùn)用測(cè)試結(jié)果作為最終決策依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)造船生產(chǎn)的智能化、信息化管理。

綜上所述，船舶與海洋工程裝備行業(yè)企業(yè)必須緊跟行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的步伐，堅(jiān)持科技引領(lǐng)、虛實(shí)結(jié)合，建設(shè)和運(yùn)用基于虛擬仿真技術(shù)的智慧船廠，更好的培養(yǎng)船舶與海洋工程裝備領(lǐng)域的高素質(zhì)技術(shù)人才，加強(qiáng)船舶建造智能化設(shè)備和新工藝的運(yùn)用，提升信息化、智能化管理水平，最終實(shí)現(xiàn)降低建造成本、縮短建造周期、產(chǎn)生最少?gòu)U物、獲得最大效益，滿足船舶行業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

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