基于CPS的船舶智能制造體系結構研究

楊思維，黃雙喜，尹作重

（1.清華大學 國家CIMS中心，北京 100084；2.北京機械工業自動化研究所有限公司，北京 100120）

0 引言

船舶制造的模式經過不斷發展，經歷了大致5個主要階段。從早期的整體制造模式，逐步經歷了以分段制造、分道制造為特征的階段，到本世紀80年代，由于信息技術的快速發展，一系列計算機輔助軟件和制造執行管理軟件在船舶行業得到了應用，產生了船舶集成制造的新模式，到目前為止，我國的大部分船舶制造企業仍都處于這個階段。船舶集成制造模式的核心是在設計、生產、管理深度融合的基礎上，對制造過程的整體統籌優化，應用成組技術生產船舶的“中間產品”，如船殼、舾裝件、動力設備等，通過合理分配時間和空間，科學規劃船體建造、舾裝、涂裝等制造環節，達到資源間相互協調、流程上不間斷造船的目的[1]。在歐美等一些發達國家，造船模式正從集成制造模式逐漸向智能制造模式轉變，即在造船過程中采用CPS、物聯網、智能傳感等新一代信息通信技術，實現過程控制的可視化和全方位系統監管，以及制造的綠色化[2]，進一步提高船舶設計和建造流程的質量和效率，使造船企業更好的應對可能發生的市場需求變化[3]。

信息物理系統（CPS），是隨計算、感知、通信、控制等技術不斷發展而出現的一種集成化的智能系統，它融合了虛擬空間的計算進程與實體空間的真實進程，真實進程的數據通過感知和通訊過程傳輸到虛擬世界，計算進程在對采集數據分析預測的基礎上，優化控制過程，對實體空間設備下達指令，實現閉環反饋，形成虛擬空間與實體空間互相耦合的同步操作。在船舶生產制造過程中，CPS的應用主要分為兩步：采集存儲船廠實體空間包含的各種裝備、活動、位置、時間、環境數據，基于船舶制造的內在邏輯和機理，進行仿真建模；應用數據模型開展分析挖掘，應用采集到的數據對船舶制造的執行過程進行評估、預測、動態優化，平衡各項制造資源。CPS通過對各類動態信息優化整合，實現其合理配置，而智能制造本質上就是優化配置資源的一種新制造范式，所以CPS是實現船舶智能制造的重要手段[4]。

本文在現有智能制造通用體系架構基礎上，根據船舶制造行業的發展方向和特點，對其涉及的主要業務流程、系統架構、應用的關鍵技術等進行研究，在提出船舶智能制造總體需求的基礎上，重點結合CPS、物聯網、智能傳感等關鍵技術，提出船舶智能制造的業務、系統、關鍵技術體系架構，覆蓋船舶制造的設計、生產、運維全生命周期，對于相關領域的研究和智能船廠的建設具有參考作用。

1 基于CPS的船舶智能制造總體需求

船舶智能制造的目標，是應用現代信息技術促進造船模式朝高度機械化、自動化、集成化、模塊化和智能化方向發展，逐漸利用如傳感器、機器人、智能物流設備等取代人進行各種作業，并實現船舶建造過程對制造資源、市場變化、客戶需求等快速響應。為實現這一目標，需要考慮設計、制造、管理、服務等一系列業務活動，設備設施層到管理層各層級的設備和信息系統，以及與之配套的管理手段和環境、資源配置。本文研究的船舶智能制造總體需求主要從業務活動的智能化角度出發，面向船舶設計、船舶制造、船舶制造管理、船舶運維服務四個方面，提出各自的需求。

在船舶設計環節，船舶智能制造的需求主要體現在數據標準化、協同設計和與制造環節的信息集成三方面。數據標準化主要解決船舶設計各環節間數據的交換和集成問題，同時為確保數據在船舶建造整體過程中傳輸的完整性、準確性奠定基礎；協同設計主要解決因船舶設計周期長、專業面廣、涉及人員多造成的工作效率底下，支撐設計工作的并行開展，提升對環境變化的響應速度；此外如何打通設計與制造環節，使設計環節的數據能自動導入到生產設備或指導現場工人作業，也是船舶設計環節智能化的重點需求。

在船舶制造環節，船舶智能制造的需求主要體現在智能化生產設備的投入和仿真優化過程在船舶行業的應用。使用具備現場數據采集、遠程指令接收、自動生產加工功能的智能化設備，是實現智能制造的基礎；仿真優化是CPS技術在船舶制造過程中的具體體現，通過對人員、設備、資源、工藝等進行模擬，預測生產結果，減少生產事故發生的可能性，同時為生產流程和生產工藝的改進優化提供支撐。

在船舶制造管理環節，智能制造的需求與問題具備制造企業的通用性，即如何實現對制造全生命周期涉及的工作流、數據流、物流及成本等進行統一管理和決策。統一管理主要涉及不同信息系統間的集成和數據交換的問題，以及為提高管理效率采用可視化等展示手段；智能決策以云計算、數據挖掘等為技術基礎，基于從CPS獲得的實時運行數據、企業知識庫和模型算法，支撐企業管理者的智能決策。

在船舶運維服務環節，在原有客戶管理和定期檢修的基礎上，智能制造強調對客戶需求的精準、快速響應和以數據為依據的船舶運行狀態預測。需要建設以造船企業和船主為核心，包含供應商、服務商的運維服務平臺，實現跨企業的信息交流；建立數字化的船舶運維模型，對運行數據進行實時采集，跟蹤船舶運行狀態，提供智能化的船舶維護服務。

通過需求分析可以得出，CPS在船舶制造、管理環節起到了重要作用，在運維服務的船舶狀態跟蹤中也得到應用。CPS在船舶智能制造過程的具體表現是一個與物理實體船廠對應的，覆蓋船舶制造全生命周期的，具備數據采集分析和與實體設備操作功能的數字化虛擬船廠。

2 基于CPS的船舶智能制造業務體系

通過對船舶制造的需求調研分析，并結合國內主要船廠的現狀，本文提出的基于CPS的船舶智能制造業務體系包含3個關鍵階段，即船舶設計階段、船舶生產階段、船舶運維階段，此外還包括引入CPS后對應的數字化造船過程（虛擬船廠），如圖1所示[5]。

1）船舶設計階段

圖1 基于CPS的船舶智能制造業務體系

船舶設計包含合同設計、詳細設計和生產設計三個階段。合同設計是對船舶的初步設計，包括總體的性能指標和技術指標、采用的動力裝置、主要設備和系統等；詳細設計是合同設計的細化，需要綜合考慮在功能、安全、經濟以及工藝方面的需求，確定制造過程中的各項技術要求和標準，進行設備的選型并制定采購訂貨計劃；生產設計是對船舶建造過程的詳細設計和規劃，關注具體的流程、方法和工藝。

引入CPS后，需要在船舶合同設計階段同期創建船舶的設計模型——數字孿生體，構建包含產品全生命周期全過程全要素的船舶模型，與真實世界的船舶相互映射。船舶制造的數字孿生模型應包含船舶的構型數據、設計模型、工藝模型、檢驗模型等。經過一系列物理性能方面運動學、動力學的仿真優化，在虛擬船廠進行虛擬制造.對可制造性進行仿真驗證，其后應用虛擬使用環境，對可使用性進行仿真驗證。

2）船舶生產階段

船舶生產是指生產零部件和建造船只的階段。生產對象按照工藝分為幾大類，包含船體、舾裝、輪機、電機等。生產流程一般分為鋼料加工階段、分段制作階段、舾裝件加工/集配/安裝階段、分段涂裝階段、船臺合攏階段、水下作業階段、適航交船階段等。

引入CPS后，生產任務的管理主要通過虛擬船廠的制造運行管理系統進行，由智能設備的邊緣層輔助控制對實時性要求高的調度及控制任務，在生產階段的智能制造，是虛擬制造與實際制造的結合。虛擬船廠是在船舶數字孿生體的基礎上，增加人員、設備、資源、工藝等仿真要素，形成的物理船廠的數字孿生，物理船廠的智能生產設備、傳感設備、網絡設備等組成的工業通信網絡，利用低延遲的網絡與邊緣層和虛擬船廠進行交互，完成生產運行數據上傳和指令下達的過程，虛擬船廠通過制造運行管理系統對設備下達指令，實現對實際生產過程的控制，同時將生產運行數據反饋到虛擬船廠中，驅動虛擬船廠與物理船廠同步運行。

3）船舶運維階段

傳統的船舶運維階段業務內容一般包括定期檢修、計劃養護和臨時事故修理。引入CPS后，船廠在交付時，同時提供船舶的數字孿生體，對上述活動進行優化。通過傳感器對船舶的主要性能參數、設備健康狀態、環境因素等進行采集和監控，并與運維系統交互，使船廠可以有針對性的安排檢修時間，提出檢修項目，并對檢修效果進行評價；當遭遇突發情況時，提供預警預測，支撐遠程故障檢測和維修工作的開展[6]。

3 基于CPS的船舶智能制造系統體系

本文參考智能工廠通用模型，結合船舶行業特點，提出按設備設施層、控制層、生產層、管理層分類的基于CPS的船舶智能制造系統體系架構，如圖2所示。

設備設施層主要包括：智能化的生產、物流、檢測設備、工業機器人，以及各種傳感器、智能儀表、條碼等。按照船舶制造的階段，可分為切割設備群、加工成型設備群、焊接設備群、涂裝設備群、檢測設備群、物流設備群等。智能設備作為一個網絡節點，通過無線網絡、智能網關等接入到船廠的工業通信網絡，與網絡中其他設備實現數據交換，實現設備間的相互感知和對設備的數據采集，并能通過傳感器對外部環境進行識別、判斷、理解，支撐控制層的遠程控制、狀態監控等活動。

圖2 基于CPS的船舶智能制造系統體系

控制層主要包括：監控與數據采集系統SCADA、分布式控制系統DCS、現場總線控制系統FCS、可編程邏輯控制器PLC等。控制層對設備設施層采集的數據進行整理、分析，將結果傳輸給更高級的生產層，同時接收生產層的控制指令，應用邊緣計算、大數據、專家系統等進行指令的評估預測和優化，實現對設備的優化控制。

生產層的主體是集成化的制造運行管理系統（MOM），包括生產計劃/調度、生產監控、集配管理、EHS管理、質量管理、能源管理、設備管理等功能，根據船舶制造的工藝類別，可分別對應多個智能車間。生產層的作用是執行管理層下發的任務，對船舶的實際生產過程進行總體把控，合理安排生產進度，達成生產協同，對生產過程中出現的原材料、配件、設備、人員、工藝問題進行處理，并對質量、成本、環保等因素進行控制，將生產制造過程中形成的各種數據以表格、圖片等形式直觀的呈現給管理層，輔助管理層進行決策。

管理層實現對船舶制造的全生命周期管理，主要包括：由多個計算機輔助建模、仿真、設計、工藝規劃軟件系統組成的智能設計系統，面向成本控制、購銷管理、人力資源管理、整體計劃管理、客戶關系管理等內容的企業資源計劃管理系統和供應鏈管理系統，及應用于船舶遠程維護和監控的智能服務系統。管理層從企業管理角度出發，結合數字化模型的分析、評估、預測功能，促進船舶制造的智能設計協同、供應鏈協同、服務鏈協同，實現內外部資源的合理分配，從企業層面開展總體智能決策[7]。

4 基于CPS的船舶智能制造關鍵技術體系

參考《國家智能制造標準體系建設指南》給出的智能制造體系大框架，結合船舶智能制造的技術特征，可將技術體系主要分為基礎共性技術、智能設計技術、智能生產技術、智能管理技術和智能服務技術等五個方面。如圖3所示。

基礎共性技術主要涵蓋的是所有制造型企業在實施智能制造時所面臨的共性問題，包括基礎建設、數據安全、數據標準、通用的電子信息技術、通訊技術、網絡技術等。

智能設計是船廠向數字化、智能化轉變的出發點，也是目前船廠中數字化程度最高的階段，它主要涉及船舶的建模技術、數字孿生技術、異地協同工作技術等。

圖3 基于CPS的船舶智能制造關鍵技術體系

智能生產技術結合造船的生產特征，細化為加工成型、焊接、涂裝、舾裝、管子加工、檢測、物流技術，生產協同技術，以及船舶制造執行系統和生產仿真等技術內容。

智能管理技術大多為制造企業通用的技術，與信息系統的功能相對應，一般包括生產層涉及的生產計劃管理、集配管理、設備管理、質量管理和管理層涉及的財務管理、供應鏈管理、人力資源管理等方面。

智能服務技術主要涉及客戶管理和需求響應、船舶運行數據采集、船舶運行模型管理、船舶智能維護等。

5 結語

本文對基于CPS的船舶智能制造總體需求進行分析，提出了基于CPS的船舶智能制造業務體系、系統體系、關鍵技術體系，覆蓋包括設計、生產、運維的船舶制造全生命周期，對于船舶智能制造領域相關的研究和智能船廠的建設具有參考作用。