船體零部件制造數據模型研究

金風明，曹新朝

（北京中船信息科技有限公司，北京 100861）

0 引言

伴隨新一代計算機、通信、控制和傳感器等技術的快速發展以及新技術向傳統行業深度滲透，一場以數字化、網絡化、智能化、個性化、服務化、綠色化為特征的產業革命正在加速到來。信息物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）作為各行業實現轉型升級的有效實現途徑，受到了國內外學界和產業界的廣泛關注，各國政府及組織紛紛開展相關領域的探索研究。

信息物理系統的本質是通過傳感、通信、計算和控制等信息單元和物理對象在網絡環境下的高度集成與交互，提升信息系統在信息感知、實時通信、數據處理、分析決策、精準控制等方面的能力，實現物理世界的自主協調、效率提升、性能優化與安全保障。船舶制造業作為勞動、資金和技術密集的現代綜合性產業，為海洋開發、水上交通和國防建設等行業提供技術裝備，其技術水平的發展對拉動經濟增長和增強綜合國力發揮著很大的作用[1，2]。日韓等國通過建立計算機集成制造系統，大力推進信息化和數字化，加強造船生產設計和生產管理，大幅度提高了造船生產效率。為了應對激烈的國際競爭，國內造船業必須提高自主創新能力和產業的綜合素質[3]。在船舶行業開展數字雙胞胎、邊緣計算以及全生命周期優化技術應用開發和相關數據系統的建設，歸納相關技術的應用模式驗證方案對于CPS的建設具有重要的意義。

1 船體分段車間的工業生態模型

信息物理系統的建設是一種工業PaaS技術方案。在其核心能力建設中，重點在于工業生態模型、產品模型數據交換系統、三維模型數據交換系統、工業知識庫等方面的建設。

在物理信息系統的建設過程中，為了保持協同業務中的數據一致性，需要建立基礎的數據模型。在此基礎上，可以根據不同的需求對企業業務進行組合。以工業生態模型為核心，建立模型數據交換系統，可以融合生產自動化系統與生產經營管理系統，打通船舶產業鏈上下游信息共享通道，實現產業鏈的全程在線與數據共享，提升產業鏈整體綜合效能，推動船舶制造業轉型升級。此外，基于工業生態模型還可以建立實體產品（如實體船）的數字孿生（digital twin），不僅記錄產品全生命周期（設計、制造、交付、維保、回收）的全部數據，而且可以通過不斷反饋迭代，優化產品設計、制造、維保等過程。

在分析、參考ISA 95等制造模型，但更主要的是針對船舶產品特色進行分析后，本文將工業生態模型分解為產品模型、行為模型、資源模型三個子模型，如圖1所示。

圖1 船舶產品模型

在這三個模型中，產品模型是主線，是對所生產或制造的產品的全生命期描述。對船舶產品而言，是按照船舶中間產品的構成，從整船開始逐級往下分解，形成中間產品樹，包括了在設計、工藝、制造、質檢、試航、交船、維保、回收各階段的產品相關信息。產品模型不僅對產品本身做出定義，而且提出產品設計、制造、維保、回收過程中的資源需求、行為需求，再由資源模型、行為模型對此做出響應，并且實際設計、制造、維保、回收過程中的計劃、實作等過程信息也都存儲在產品模型中。

行為模型指的是與船舶設計、制造過程相關的各種行為準則。行為模型與產品模型之間通常通過產品模型的工藝屬性關聯在一起。即產品模型中每一個節點的工藝屬性，其制造工藝、工時、物量等，均從行為模型中的工作流程和操作規范中選取。

資源模型指的是與船舶設計、制造、維保、回收過程相關的各種相關資源，包括人力資源、設備資源（含工具工裝）、軟件資源、服務資源等。資源模型與產品模型之間通常通過產品模型的工藝屬性、制造屬性關聯在一起。即產品模型中每一個節點制造工藝所要求的加工場地、加工設備、加工人員資質，及實際制造所采用的加工場地、加工設備、加工班組等。

在實際操作中，采用如下建模方法保障產品模型定義的普適性與靈活性：

（1）首先按照產品構成對產品進行分解，如船舶產品可以分解為各級中間產品，包括分段、設備等。

（2）對于產品及各中間產品，按照階段性屬性組對生命期各階段的數據進行分組管理，因此除表示產品本身特性的實體屬性外，還有設計屬性、工藝屬性、制造屬性等。

（3）屬性組中所包含的具體屬性描述了船舶產品及中間產品在某一階段的某項數據。

2 數據模型設計實例

2.1 數據模型范圍

從產品的角度出發，船舶主要由船體、動力系統、電力系統、照明系統、通訊系統、自動控制系統等組成。在實際生產中，一般將造船過程劃分為船體建造、舾裝和涂裝三大工藝流程。其中船體建造包括零件加工、部件裝配（小組立）、分段裝配（中組立）、分段組合（大組立）和船臺合攏幾個主要過程[4]。

船體分段車間可劃分為業務層、數據層和應用層三個部分。在業務層，可依據示范船廠現有的船體車間，通過智能技術抽象出船體分段智能車間的目標圖像，并梳理出詳細業務流程，構建業務模型。在數據層，以車間智能管控為目標，完成船體分段車間的數字化描述，實現生產業務流程和生產要素的全覆蓋。在應用層，抽象出數據類型和表達式，可以支撐數據庫和管控系統的開發和應用。

以示范船廠為例，從船廠的實際生產中抽象出的智能車間目標圖像包含以下13個部分：智能倉儲與鋼板堆場、鋼板預處理區、型材預處理區、構件加工智能單元、零件分揀智能單元、板材切割智能生產線、型材加工智能生產線、物流管控智能配盤、小組立智能生產線、中組立智能生產線、大組立智能生產線、曲板加工智能單元和分段組立堆放區域。

以示范船廠為例，從船廠的實際生產中抽象出的智能車間生產線業務流程包含以下5條生產線：鋼材切割智能生產線、型材加工智能生產線、小組立制作智能生產線、中組立制作智能生產線和大組立制作智能生產線。

其中，本文主要研究的小組立制作智能生產線示意圖如圖2所示。

圖2 小組立制作智能生產線

2.2 智能車間對象的數據分類

智能車間生產過程中需要用到的數據可以按照數據類型的不同劃分為結構化數據和非結構化數據。其中，大部分的數據為結構化數據，如產品的類型、位置、型號、參數等。在模型構建過程中，涉及到的非結構化數據包括狀態、功能、技能和中日程計劃。結構化數據可以用數據庫二維邏輯來表現。

智能車間對象的數據大體由中間產品、車間資源和管理數據三部分構成。每部分還可以根據涉及業務的不同繼續細分。具體來說，智能車間的數據主要由以下幾部分組成：

（1）中間產品：工藝：設計信息，精度要求，品質要求；執行過程：工位，精度，品質。

（2）車間資源：場地：位置，尺寸，狀態，功能；工裝：類型，位置，功能；人員：工種，工號，工位，技能；設備：管理屬性（類型、位置、功能），基本參數（型號、參數），運行狀態（電流、電壓、功率）。

（3）管理數據：生產計劃：中日程計劃，工作包/WP，派工單/WO；工時物量：標準周期，零件重量，焊縫長度，切割長度；生產實績：實績工時，實績能耗。

2.3 小組立智能生產線數據模型的實現

與圖2中已知的小組立智能生產線相對應，小組立加工智能車間的生產部分主要有上料裝配工位、焊接機器人、檢測機器人、自動背燒工位、卸料工位、托盤堆放區1和托盤堆放區2共七個環節，由流水線、AGV實現自動傳輸，完成加工件在各個環節的流轉。

根據小組立車間生產線工位職責，可以得到生產線的數據模型如下：

（1）托盤堆放區1：執行過程的工位信息；場地管理的位置、尺寸、功能和狀態信息；設備管理的管理屬性、基本參數和運行狀態；生產計劃的中日程、WP和WO。

（2）上料裝配工位：工藝數據的設計信息和精度要求；執行過程的工位信息和精度信息；場地管理的位置、功能和狀態信息；工裝管理的類型、位置和功能；人員管理的工號、工種、工位和技能；設備管理的管理屬性、基本參數和運行狀態；生產計劃的中日程、WP和WO；工時物量的標準周期和物量數據；生產實績的實績工時和實績耗能。

（3）焊接機器人：工藝數據的設計信息、精度要求和品質要求；執行過程的工位信息、精度信息和品質信息；場地管理的位置、功能和狀態信息；設備管理的管理屬性、基本參數和運行狀態；生產計劃的中日程、WP和WO；工時物量的標準周期、物量數據和焊接長度；生產實績的實績工時和實績耗能。

（4）檢測機器人：上料裝配工位：工藝數據的設計信息、精度要求和品質要求；執行過程的工位信息、精度信息和品質信息；場地管理的位置、功能和狀態信息；人員管理的工號、工種、工位和技能；設備管理的管理屬性、基本參數和運行狀態；生產實績的實績耗能。

（5）自動背燒：工藝數據的設計信息和精度要求；執行過程的工位信息和精度信息；場地管理的位置、尺寸、功能和狀態信息；設備管理的管理屬性、基本參數和運行狀態；工時物量的標準周期；生產實績的實績工時和實績耗能。

（6）卸料工位：場地管理的位置、尺寸、功能和狀態信息；工裝管理的類型、位置和功能；人員管理的工號、工種、工位和技能；設備管理的管理屬性、基本參數和運行狀態；生產計劃的WP和WO；工時物量的標準周期和物量數據。

（7）托盤堆放區2：執行過程的工位信息；場地管理的位置、尺寸、功能和狀態信息；設備管理的管理屬性、基本參數和運行狀態；生產計劃的中日程、WP和WO。

2.4 船舶分段車間數據模型的數據庫設計

根據小組立智能生產數據模型，可以得到船舶分段車間數據模型的數據庫設計如表1所示。

表1 船舶分段車間數據模型的數據庫設計

以上數據模型中的編碼由船廠分段車間和零部件編碼規范產生。為保證數據的規范性，各個編碼全部采用全名存儲，保證每個零部件在數據庫中具有唯一性。

3 結束語

本文基于船舶制造的工業生態模型，抽象出船體零部件制造的數據模型，并給出了數據庫設計的參考方案。該數據模型是相應基礎數據集的重要組成部分，可以為物理信息系統的大范圍行業應用提供保障。目前，該數據模型已在示范船廠的生產車間實現應用，為物理信息系統建設在零部件加工行業開展數字雙胞胎、邊緣計算和全生命周期優化等新技術新模式的應用提供支持。

[1]徐學光.先進制造技術與造船業的發展[J].自然雜志，1999，2.

[2]K.Park，K.Lee，S.Park，et al.Modeling and solving the spatial block scheduling problem in a shipbuilding company[J].Computers Industrial Engineering，1996，3.

[3]陳強.中心制造船模式的研究與應用[D].哈爾濱工程大學，2002.

[4]王蕾.面向船體曲面分段建造的空間調度方法研究[D].上海交通大學，2009.