面向船舶建造的三維作業指示設計技術研究

劉祥博，朱明華，毛申飛，伍朝暉，鄭冬標

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

目前，船舶建造行業的生產現場使用二維圖紙（平面圖、立體圖、剖面圖等）和其他補充文件（作業指導書、施工工藝等）指導工人施工。施工人員從平面圖和工藝文件中獲取生產信息，該過程存在大量判別、評估和確認的工作，且容易產生理解性錯誤，從而導致了大量的工時浪費和施工錯誤。數字化和信息化技術的發展，為解決這些問題提供了方向。三維作業指示作為數字化制造方向的一個應用，可將現場生產作業所需的信息以三維模型及三維工藝模擬形式來傳遞，這種三維立體的表達模式能使現場施工人員更為準確地理解設計者的意圖，節省看圖紙想工藝的時間，從而縮短船舶建造周期，降低生產成本。

1 作業指導書

在船舶建造行業，生產設計人員主要依據三維產品模型進行工藝設計，設繪生產設計圖紙并編制施工工藝以指導現場生產作業。生產設計圖紙主要解決“造什么船”的問題，包含產品的零部件組成及安裝尺寸等信息；施工工藝則重點闡述“船怎么制造”的問題，包含零部件的安裝方法、施工質量要求及安全注意事項等信息。

這種二維作業指導的模式，在生產應用中存在著一些不足。其一，施工工藝未完全覆蓋現場的作業內容，部分作業的工藝描述不具體，有的甚至缺乏工藝指導，施工人員只能憑經驗施工，容易考慮不周，造成返工的現象；其二，紙質圖紙表達的信息較離散且不能相互關聯，施工人員需要花費較多時間才能獲取完整的設計信息，導致等工、待工等現象，造成生產作業不連續；其三，二維施工圖紙和文字描述的施工工藝都缺乏直觀性，不利于施工人員使用和理解。

一些西方發達國家通過協同工作平臺進行并行產品數字化定義，在多個領域推進數字化技術，推行三維電子作業指導模式[1,2]。波音公司在新一代戰神航天運載工具的研制和 C130的航空電子升級中，建立MBD/MBI（基于模型的定義/作業指導書），縮短了57%的裝配工期，將數字化制造推向制造現場的更深層次。中國制造業數字化技術在近二十年來，發生了很大變化。而在船舶建造行業，三維作業指示的研發與應用尚在起步階段[3]。

2 三維作業指示

在精益造船模式下，建造方針和中間產品確定后，生產管理部門是以任務包（WP）和派工單（WO）的形式分配生產任務。為保證作業指導能完全覆蓋現場作業內容，將三維作業指示與WP/WO相關聯，即一個WO對應一份三維作業指示，將成為實現精益生產的必由之路[4]。

2.1 三維作業指示設計

船舶建造所需要的信息主要包括產品、工藝、資源3方面，現有作業指導模式將這些信息分散在圖紙、工藝甚至生產管理的過程中；三維作業指示則依據施工工序組織生產信息，然后再通過三維模型及工藝模擬的方式來表達，其設計流程如圖1所示。

圖1 三維作業指示設計流程

1) 產品數據導入：將數據轉換后的模型導入三維作業指示設計平臺。三維作業指示使用的數據直接來源于 Tribon，即通過數據轉換接口獲取產品的三維模型及其屬性信息，以保證現場與設計的數據相統一，同時還能將二維圖紙中分散于主視圖、俯視圖、剖面圖、放大圖等不同圖紙中的信息關聯起來，使現場施工人員直觀了解零部件形狀、空間位置、安裝尺寸等設計信息。

2) 三維工藝規劃：基于二維的生產崗位作業標準書，在三維作業指示設計平臺下開展工藝規劃，確定零部件的裝配順序，并關聯該裝配過程所需的工裝、工具、輔助材料及場地設施等制造資源，建立起工藝與產品、工裝、資源的關聯關系。

3) 三維工藝仿真：在三維工藝規劃結果的基礎上，在仿真環境中對工藝過程進行仿真模擬，評估工藝方案的合理性和準確性，并進行優化。通過工藝模擬及驗證，設計出最優裝配順序。與此同時，在三維工藝仿真過程中還融入了現行工藝中未涉及的工裝、設備等資源信息，將工裝的使用與船舶建造過程相結合，使工藝設計與現場施工環境保持一致。

4) 編制三維工藝文檔：將現場需要的產品信息、生產信息在輕量化的三維模型上進行標識，從而得到三維作業指示的三維界面。三維作業指示將在工藝仿真平臺上使用三維模型進行工藝模擬，表達并完善現行施工工藝。如管子安裝作業中，施工工藝指出管子安裝應遵循“先大后小，先難后易，先里后外”等原則，但并未說明管件的安裝順序，現場施工具有“靈活性”。三維作業指示可采用文字注釋、指定視角、尺寸標注等表達方式對施工方法、注意事項、裝配工藝尺寸等進行說明；而在三維模型或工藝模擬中不便表達的“質量要求”、“安全環境健康”等作業要求則以列表形式展現，并與具體工序相關聯。此外，三維作業指示使用產品明細表和資源明細表列出工序中涉及的產品與資源，并使之與三維模型相關聯，點擊即可查詢相關屬性信息。

5) 生產部門審核：將編制完成的三維工藝文檔發送給生產部門審核，若審核通過，則進入下一步驟；若審核不通過，則返回“編制三維工藝文檔”步驟，按照生產部門所提出的意見進行修改。

6) 發布三維作業指示：以三維作業指示平臺編制生成的三維工藝文檔為基礎，生成信息豐富且利于網絡傳輸的三維作業指示的過程。根據現場實際生產的需求，三維作業指示還需有工藝列表、零件明細、工裝明細的信息、作業方法及質量要求、安全環境健康要求及精度質量要求等信息。這些信息不可能全部在三維工藝文檔的編制界面中表達，且它們與三維作業過程存在關聯關系。依據上述需求，軟件方開發出WEB界面，即將船舶建造的三維作業指示信息生成HTML格式或PDF格式，并與WP/WO相關聯，再通過網絡發布三維作業指示，使船舶設計三維模型延伸至生產現場，從而為現場工人提供更為直觀和精準的作業指導。

76000t散貨船204分段船體結構復雜、舾裝件類型多，船體建造和舾裝件安裝過程涉及較多典型工藝，具有代表性。因此，本文以204分段船體建造和B階段預舾裝中的典型工藝為例，在船舶建造三維作業指示方面開展相關探索，研究三維作業指示的內容及形式。

2.2 船體三維作業指示

204分段是76000t散貨船機艙甲板分段，采用反造法在支柱式胎架上建造，其WP分為大組立鋪板、構架安裝等8個WO，每個WO對應一份三維作業指示，如圖2所示為WO“鋪板”的三維作業指示。表頭部分既包含三維作業指示的基本信息，如作業指導書名稱、編號、編制日期、編制人員等，還羅列了與作業內容相關的信息，如工位技能、作業場地、使用勞動防護用品等。

三維作業指示按照工序組織信息，其主體部分包括工序列表（圖2左側）、三維模型區（圖2中部）、工序內容及零組件區（圖2右側）三塊內容。WO“鋪板”共有5道工序，每點擊一道工序，三維模型區即顯示該工序工藝模擬的內容。圖2顯示“主甲板外板拼板”工序的作業過程：胎架制作已在上道工序完成，本工序開始時將在胎位模型四周出現紅色線框，文字標示出此線框為分段輪廓線和船體中心線，提示基準線位置；其后，甲板定位板模型出現在胎位模型上，文字標示其零件名，施工人員依此可迅速找到定位板；最后，箭頭（文字提示其代表實際操作中的線錘）從定位板基線向下延伸至地面，指導施工人員安裝定位板時，應使用線錘將定位板上的中心線與地面上船體中心線對齊，同時放大鏡（指定視角）突出顯示線錘與地面輪廓線對齊的細節，并使用文字注釋提示施工人員如何將甲板定位板準確定位。工序內容及零組件區中的作業方法及內容欄用文字描述這一工藝過程，并對其進行必要的補充；質量要求欄提出該工序質量檢測的標準，提示施工人員按要求作業；安全環境健康欄說明該作業過程中應注意的安全事項，如提示施工人員應該持證上崗；同時零件明細表和工裝明細表列出該工序涉及的零部件和工裝。

圖2 204分段大組立鋪板三維作業指示

三維作業指示具有人機交互功能，施工人員可對三維模型進行放大、縮小、旋轉、查看屬性等操作，可充分利用三維模型的屬性信息；其界面還設有控制按鈕，支持對三維模型區中內容進行播放、暫停、快進、回退等操作，便于施工人員根據實際需求調整播放進度，靈活獲取信息；零件明細表和工裝明細表均與三維模型相關聯，點擊即可查看相應的零部件和工裝，方便施工人員備料或準備工裝。

2.3 舾裝三維作業指示

204分段為機艙分段，舾裝件種類多樣、數目繁多，包括船裝管系、機裝管系、船裝鐵舾、機裝鐵舾、船裝風管、機裝風管六大類約2200個舾裝件。而舾裝件圖紙信息分散，施工工藝不具體且缺乏腳手、支撐、加強等工裝信息，管件安裝順序主要由施工人員的經驗決定，在施工前無法判斷舾裝件與工裝之間是否存在干涉或碰撞，導致了大量的返工現象。舾裝的三維作業指示則解決了這個難題，可直觀全面地提供生產信息。204B階段舾裝分為5個WO，WO“管系安裝”的三維作業指示如圖3所示。舾裝三維作業指示的主界面可參照2.2節。

三維作業指示的三維模型區表達管件安裝的工藝過程。在三維工藝模擬中，首先展現的是三維立體完工圖，讓施工人員對作業對象有初步了解，各管件均帶有Tribon中的屬性，點擊即可了解管件零件名、安裝位置等信息。隨后，管件模型將按工藝驗證過的裝配順序依次出現，使現場施工人員明確管件的安裝順序，以壓縮現場作業的“靈活”空間，從而實現生產過程可控。與此同時，每根管件均附帶文字注釋，顯示管件名稱以及安裝在這一管件所需的操作、工藝原則或注意事項等，確保管件得以正確安裝。在該過程中還可點擊管件模型，查詢該管件連接件的名稱，以便于提前備料。對于難以吊裝的管件，如管束單元，三維作業指示可專門模擬其吊裝路徑和吊裝姿態，免去了現場實物吊裝實驗的過程。值得一提的是，舾裝的三維作業指示都是基于有腳手、支撐等工裝結構的船體分段建立的，貼合現場實際，對施工人員有切實指導作用。

圖3 204分段B階段舾裝管件安裝的三維作業指示

2.4 技術難點

在三維作業指示的設計過程，主要存在以下兩項技術難點：

1) 船舶CAD數據到三維作業指示的數據轉換接口技術。異構系統間的數據轉換存在較大的障礙，且均未提供虛擬仿真軟件相關接口，對此，必須在船舶設計平臺和三維作業指示平臺間建立一座橋梁，經解析設計平臺的模型和屬性信息，再將其存為三維作業指示平臺所必須的文件格式。通過研究并開發船舶CAD數據到三維作業指示的數據接口，設計人員在用Tribon進行生產設計建模過程中，即可在數據接口界面中按照型號產品數據的組成方式（例如船體專業按照分段）快速導出三維模型及相關的屬性數據，自動生成與設計相一致的模型拓撲關系和生產工藝流程相一致的產品結構樹，并以產品結構為核心組織船舶產品設計數據。

2) 船舶建造工藝的仿真驗證技術。船舶建造工藝的仿真驗證是在仿真環境中提取工藝規劃中的工序、工步、設備、工裝、裝配件等信息，然后再進行工藝仿真模擬，優化裝配順序和裝配路徑，這是實現船舶建造工藝仿真的關鍵。在結構化裝配工藝的基礎上，對裝配路徑的可行性和合理性進行驗證和優化，尤其是綜合考慮工裝等輔助件的影響，對設計方案進行預先的驗證，從而提高裝配方案的準確性和施工作業的高效性。

3 結 語

對船舶建造行業作業指導的現狀進行了分析，提出采用三維模式來表達生產信息，主要研究了三維作業指示的形式及內容，并建立了76000t散貨船204分段船體及舾裝的三維作業指示，為后續研究三維作業指示的推廣應用奠定了基礎。三維作業指示將虛擬的產品和制造工藝的信息準確、直觀地傳遞給現場，實現虛擬信息向現實世界的轉換，提升現場作業效率。使用三維作業指示指導現場施工，是數字化技術在制造領域應用的必然趨勢。

[1] Cha J-H, Roh M-I, Lee K-Y. Integrated Simulation Framework for the Process Planning of Ships and Offshore Structures[J].Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2010, 26(5): 430-453.

[2] Samsung Heavy Industries, Korea. Introduction Video of Digital Shipbuilding Solution of SHI[Z], 2009.

[3] 胡可一，鄭冬標. 數字化造船與江南信息化建設[J]. 上海造船，2005, (1): 1-5.

[4] 范 璠. 船舶設計計劃管理與控制方法研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, (2): 76-78.