虛擬仿真智慧船廠的建設與研究

郭佳 周飛 趙磊

摘要：為對接船舶與海洋工程裝備制造業轉型發展，必須針對新的船舶建造過程中技術工藝、人員培訓、生產管理的難推廣、難落實、難改革問題，通過在船舶與海洋工程裝備類企業中運用基于虛擬仿真技術的智慧船廠，開展新裝備、新技術的人員培訓，實現智能化生產管理，提高建造工藝效率，推動造船企業高質量發展。

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.

關鍵詞：虛擬仿真技術;智慧船廠;管控平臺;人員培訓

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

中圖分類號：U673 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0160-03

0 ?引言

隨著時代的發展，包括船舶與海洋工程裝備行業正在快速的向設計三維化、制造智能化轉型升級，在這快速的變化過程中，如何將新技術、新工藝、新生產管理模式快速落實到生產制造一線，成為行業實現數字化、智能化轉型的重要一環。

1 ?建設基于虛擬仿真技術智慧船廠的必要性

從中國制造向著中國智造的戰略轉變以來，國內各行各業均出現了信息化、數字化、智能化轉型升級的趨勢，隨著船舶總裝建造智能化轉型的不斷深入，造船企業對改革造船傳統工藝的動力越強，但縱觀船舶與海洋工程裝備行業企業的生產實際，對標產業未來轉型升級的生產工藝改革和生產管理改革升級速度較慢，其中對新裝備、新工藝引入企業后成敗的憂慮，對掌握信息化、船舶智能制造知識和技能的高素質人才的短缺，對建造新流程帶來的生產管理改革壓力等特殊困難是其中的重要原因。

通過建設基于虛擬仿真技術、覆蓋船舶建造工藝內容的智慧船廠，并實現在虛擬仿真環境中引入行業轉型升級中的新技術、新裝備、新工藝，從而幫助船舶與海洋工程裝備行業企業對轉型升級的認識和決策，協助企業培養高素質人才，指導造船現場新建造的生產管理等作用，將在很大程度上解決企業轉型升級過程中的痛點和難點，成為產業發展的必備工具。

2 ?建設基于虛擬仿真技術的智慧船廠

船舶是在船廠中動用數百米、數千噸的大型設備進行建造的，由數以百萬、千萬計的零部件在船體平臺上有機地組合成的一種十分復雜的工業產品。一艘船舶的建造周期長達九個月以上，將船舶設計、生產計劃、成本管理、工藝應用、質量檢測、安全管理等各種不同類型的功能交織在一起。綜上所述，船舶產業的特點決定了唯有結合當今最先進的三維虛擬軟硬件技術（數字孿生、MR、AR、VR）和AI、大數據云等數字化技術，融入最新的船舶智能制造技術，建設基于真實船廠的虛擬仿真智慧船廠，在智慧船廠中完整的再現船舶建造工藝，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程，充分運用虛擬與現實的互動，讓沉重、形體過大而難以展示的船舶智能制造過程、新設備、新工藝和新技術以各種信息化方式得以重現。

“智慧船廠”應基于船廠現有真實布局，利用三維虛擬引擎技術進行建模與系統集成，構建虛擬廠區平臺，結合船舶智能制造技術，在虛擬仿真環境中建設一座具備新設備、新工藝的智慧船廠（如圖1），全方位無死角展示整個智慧船廠，包括環境、布局、車間、設備。

根據船舶的建造流程，可以將智慧船廠分為五個模塊，以船體智能制造車間為核心，各個模塊中包含有完整的虛擬仿真船舶建造工藝過程（如表1），并能和船廠生產實際數據相結合，實現通過虛擬的智慧船廠指導實際船廠的人員培訓、指導現場生產的雙重功能。

虛擬船廠零件加工車間的鋼材預處理子模塊，和實際船廠一樣，是對鋼材在加工前進行表面拋丸除銹并涂上一層保護底漆的加工工藝過程的虛擬重現。為實現該功能：①需要建立船舶建造鋼材預處理生產線所需的三維模型，主要包括鋼料堆場、吊車、輥道輸送系統、掃碼器、預熱設備、拋丸、自動噴漆系統、烘干室、印字劃線機等;②整個子模塊在生產線仿真過程中，附有智能制造預處理知識點講解，幫助學習者了解智能制造生產線工作原理和工藝流程;③實現對鋼料堆場的吊車進行交互控制，能夠吊起堆場鋼板至上料工位;④實現對鋼板進行掃碼識別;⑤能夠進行加熱設備、拋丸機、噴漆機、烘干室的參數設定;⑥能夠對整個預處理加工流程進行動態模擬，直觀掌握預處理整個流程;⑦實現系統中鋼板加工完畢，采用全面印字劃線機進行印字劃線;⑧支持將鋼板吊離預處理流水線仿真模擬;⑨可以進行場景重置操作。

虛擬船廠船體智能制造車間的智能制造組立生產線子模塊，和實際船廠一樣，是對船體組立智能制造產線相關工位新設備的虛擬展示，是對智能制造技術在船舶組立裝配過程中所使用的新工藝、新技術的虛擬重現。為實現該功能：①建立船舶小組立生產線三維場景，主要包括上料工位、焊接工位、修補工位、背燒工位、下料工位等;②對拼裝、電焊、焊接、修補、背燒、卸料工藝等智能化手段進行仿真模擬;③整個子模塊在生產線仿真過程中，附有智能制造小組立生產線知識點說明，幫助了解智能制造生產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，可對點焊、機器人焊接等過程進行自主設置;⑥系統具有機器人參數設備面板，可在面板上對焊接機器人進行電流、電壓、焊接速度等參數進行設定;⑦系統具有修補工位，組立焊接完畢，通過輥道移運至修補工位進行打磨修補操作，通過構建的三維修補工位，對焊接完成后的小組立進行修補仿真模擬;⑧修補完畢，通過輥道移運至背燒工位進行火工矯正;⑨可仿真展示小組立智能化運輸至下料工位過程;⑩系統提供場景重置功能。

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，可實際船廠的現有補給上進行虛擬升級，實現對平面分段流水線的智能化升級，實現平面分段裝配焊接作業的機械化和智能化。為實現該功能：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、預舾裝工位、頂升移出工位等;②整個子模塊在生產線仿真過程中，附有智能制造平面分段流水線知識點講解，幫助了解智能制造生產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景可以自由觀察;④通過平面分段流水線完成某一典型雙層底分段的交互裝配，裝配過程中對各個工位的工藝順序、技術、要求和注意事項進行詳細說明;⑤實現對肋板焊接工位能夠進行機器人參數設置，可在面板上對焊接機器人進行電流、電壓、焊接速度等參數進行設定;⑥能夠進行焊接機器人的路徑自動規劃焊接操作仿真模擬;⑦提供焊接編程插件，可對點焊、機器人焊接等過程進行自主設置;⑧分段制造完畢，通過頂升工位將分段放至平板車，運至分段堆場;⑨系統提供場景重置功能。

3 ?以智慧船廠為基礎建設管控平臺

“管控平臺”以智慧船廠為基礎，與實際船廠互通生產數據，以全面展示船舶生產過程中間產品、重要生產資源為對象，通過三維模型智能交互和基于物聯網的自動感知，借助三維模型可視化的收集擴展各系統及現場的實時信息，生產管理人員可在三維環境中輕松獲取來自于各層次、各系統及現場的大數據信息，并將信息智能化處理匯總，可分為船廠的生產計劃、生產調度、能源管控和安全管控等系統（如表2）。

4 ?運用智慧船廠開展人員培訓，加強生產管理

船舶工程的特殊性，使過去對船舶建造人員的培訓往往交給現場，通過師傅帶徒弟的方式進行培養，但隨著行業全面轉型升級引入新工藝，師傅自身也需要通過學習才能適應新的工作內容，落實智能制造技術的人才培養問題成為造船企業的難點。

通過基于虛擬仿真技術的智慧船廠的運用，在智慧船廠中對人員開展如焊接機器人、船舶分段智能產線、涂裝機器人等新設備、新工藝、新技術培訓，解決了傳統培訓面對新技術、新工藝的“做不了、費用高、危險大”的培訓困難。并充分發揮虛擬仿真技術具有的時空任意性、互動性、學習環境真實性等特點，同時讓學習人員在培訓過程中有虛擬仿真成果的產出，具體可為數字化的設計方案、船舶零件部件組件、船舶產品等，更能激發學習興趣和效率，達到系統、多維、低成本高效率的培訓造船新技術、新工藝的目標。

通過智慧船廠中“管控平臺”的運用，實現對船舶建造計劃、過程可視化仿真，使船廠各區域能耗、場地利用率、周轉率、搭載總組物量統計等各項分析數據一目了然，可以讓船廠管理者直觀快速的了解造船生產的現狀，了解問題所在。可通過智慧船廠對實際造船生產安排、物流安排、分段搭載精度進行調整，重新構建船舶生產計劃、車間生產計劃安排，并可在智慧船廠中對新安排進行虛擬仿真測試，運用測試結果作為最終決策依據，從而實現對造船生產的智能化、信息化管理。

綜上所述，船舶與海洋工程裝備行業企業必須緊跟行業轉型升級的步伐，堅持科技引領、虛實結合，建設和運用基于虛擬仿真技術的智慧船廠，更好的培養船舶與海洋工程裝備領域的高素質技術人才，加強船舶建造智能化設備和新工藝的運用，提升信息化、智能化管理水平，最終實現降低建造成本、縮短建造周期、產生最少廢物、獲得最大效益，滿足船舶行業高質量可持續發展。

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