基于工業互聯網的大型鋼結構裝配精度檢測系統構架

張 浩，黃詠文，秦浩然，于學超，袁 軼

（上海外高橋造船有限公司，上海 200137）

0 引 言

隨著造船領域的知識和理念及造船模式的不斷進步，鋼材快速加工、處理和成型，分段制作和總組，總段搭載等船舶建造工藝流程對中間產品的精度管控不斷加強。建造精度要求需通過高效、高精度的精度測量和控制系統予以滿足，成熟、完善的精度控制有助于促進建造效率的提升、建造周期的縮短和公司成本的下降。當前，建造船舶過程中的組立層級和零部件精度控制已相對成熟，大型分段的精度測量和變形量控制還存在很大誤差，影響著船舶建造的質量和效率。

國外船舶企業的數字化造船已較為成熟，其采用的船舶建造模式與數字化測量相輔相成，中間產品和裝配精度測量已達到很高的水平。韓國研制的新型測量系統有效解決了船舶總裝建造過程中的船體組立和零部件、分段和總段、船體結構、吊裝和工件上船臺后修整等方面的三維精度測量問題。美國研制出了一種名為NET23-D的測量儀，能用于測量中間產品的幾何尺寸及其變形。芬蘭開發出了一套名為ACMAN 的精度控制管理系統，用于對船體的組立和零部件、分段和總段、船體結構、吊裝和工件上船臺后的修整進行分析與處理。瑞士聯邦理工學院的大地測量和攝影測量研究所已將攝影和測量技術應用于船舶建造中。

總體來說，我國在船舶建造的精度與測量的理論和工程實踐方面與國外相比還有很大差距?；诠I互聯網構建完善的大型鋼結構裝配精度檢測系統有助于大大提升精度控制能力。現代化的精度檢測系統是一個數字化系統，數字化的互聯網系統離不開信息數據的傳輸，5G技術作為最新一代蜂窩移動通信技術，能有效解決無線通信的低時延、高并發和大帶寬問題，有助于解決工業網絡系統的大數據量的即時性問題。

1 工業互聯網和精度測量技術分析

1.1 工業互聯網

工業互聯網是工業系統與高級的計算、分析、感應技術和互聯網相融合產生的結果，其實質上是指通過全球化、共享化和開放化的理念構建一個工業級互聯網網絡平臺，將設備、生產線、工廠、供應商和客戶等各種資源緊密地銜接起來，通過信息化、智能化和自動化的生產方式提高生產效率，降低生產成本，促進制造業產業鏈的延長，推動制造業的轉型與發展。我國非常重視工業互聯網的發展，提出了戰略性的發展方向、部署實施和應用要求，統籌規劃了網絡、平臺和信息安全三大體系建設，大力推進工業互聯網的建設和應用。但是，與傳統工業相比，工業互聯網的復雜程度較高，建設周期較長，投資廣泛（包括人、財、物，要持續性投入），在產業應用和推廣層面會面臨行業基礎薄弱、行業場景復雜多變等很多困難與挑戰。當前，我國的工業互聯網平臺的相關技術要求仍需不斷完善，只有如此才能真正進入成熟階段。

1.2 船舶精度測量技術

在船舶分段建造過程中，各項裝配工作都有一定的精度要求，測量精度是從另一角度評價測量誤差大小的量，其與誤差大小相對應，即：誤差大，精度低；誤差小，精度高。裝配高有利于減少累計誤差，從而保證整個工程的整體建造精度。精度測量技術的發展是指通過有效的手段減少檢測時間，保證檢測精度，縮短精度分析時長，從而保證精度分析報告的產生。對于船舶精度測量，在理論方面，韓國和日本都基于不同的理論算法對船體裝配分段定位等進行了研究，并實現了三維測量、補償量計算和精度控制系統的研發與應用。日本和韓國等造船業先進的國家已構建出一整套相對完善的精度控制體系，將精度控制管理應用到造船的全生命周期中，幾乎達到了分段100%無余量搭載，提升了造船的質量、精度和效率。

1.3 工業互聯網與精度測量技術的融合

到20 世紀80 年代中后期，國內的造船企業實現了艏艉分段預修整后上船臺、貨艙分段高精度建造和船塢快速搭載等。當前，國內船廠已基本構建起精度管控體制，這使得船塢周期相比以往明顯縮短。例如，新時代造船有限公司建造的首艘超大型油船（Very Large Crude Carrier，VLCC）的塢期搭載合格率由2011 年的36%上升到了2012 年的94%。近年來，國內的船舶企業多在探索將結構精度檢測與工業互聯網相結合，通過更加信息化的手段，進一步提升精度控制能力，從而提高作業的合格率。

2 船舶大型鋼結構精度檢測問題分析

目前，典型的船舶建造主流程是按總裝化造船原則，以船體為基礎，以舾裝為中心，以涂裝為重點的殼、舾、涂一體化的精度制造。船體的鋼結構建造主要由鋼板切割、零部件加工、小組立、中組立、分段、總段和大合攏等工序組成。船體分段和總段作為典型的大型鋼結構，結構相對復雜，測量條件（在平臺上或在船塢內）相對復雜，在測量的準確度和變形量分析等方面誤差較大，所得結果對后續的拼接效率和船塢占用時間等有很大的負面影響。傳統的人工測量受作業環境和人員素質的影響，測量精度受限，引入工業互聯網概念，構建精度檢測系統，是提升測量精度的有效方法之一?，F階段，國內船廠普遍采用全站儀與標靶配合，通過在建造現場采集檢測點的坐標，在利用計算機構建的三維環境中將其與3D分段設計模型相對比，從而分析、控制精度。這種精度測量分析方法雖然能相對準確地測量精度并給出評價，但檢測儀器精度不高，且是由人員操作取點測量的，在測量精度和人員安全方面均存在不足。同時，該方法在船舶制造精度測量方面的數字化和信息化程度較低，會影響船舶制造的效率。該方法的主要問題在于：

1）精度管理體系不完善，未建立全流程的精度數據采集、統計和分析架構；

2）中間產品精度標準不統一；

3）相關精度檢測技術和儀器不夠先進，測量速度較慢；

4）精度測量受建造環境的影響較大；

5）精度測量與補償等系統的自動化程度較低，測量速率和計算反饋速率較低；

6）精度控制尚未形成完善的系統性檢測、控制系統平臺。

工業互聯網技術將工業與網絡相結合，能有效地將人、數據和機器連接起來，從而解決上述問題。

3 大型鋼結構裝配精度檢測系統構架研究

當前，面對船舶行業大型鋼結構建造裝配面臨的精度檢測和控制方面的問題，依托工業互聯網技術構建裝配精度檢測系統的趨勢日漸明顯。通過應用大型鋼結構裝配精度全自動化檢測技術，構建感知、數據平臺、應用反饋等系統層級，減少對測量人員的投入，降低對環境的影響，提高精度測量和控制效率。圖1 為上海外高橋造船有限公司構建的裝配精度檢測系統。

圖1 裝配精度檢測系統

3.1 數據感知層

引入高精度工業照相機，用立體掃描代替單點測量，通過照片將攝影工裝上的靶標轉換為空間三維坐標，將照相機架設在被檢測鋼結構的外部，大大降低對檢測場和人員的要求。同時，通過植入移動信號終端模組，將測量感知測量設備接入5G信號，實現終端感知設備與互聯網平臺的數據交互。根據測量場景的不同，測量設備可采用固定式的或移動式的。

3.2 數據平臺層

隨著數據信息傳輸量的增加，對網絡性能的需求也越來越高，在超大型測量場景下，為保障高精度照相機拍攝的有效性，設備數量和圖片數據量會相應增加。5G網絡能提供超高的接入速率、超低的時延和超高可靠性的用戶體驗，滿足超高流量密度、超高連接數密度和超高移動性的接入要求，為數據平臺的計算應用提供聯通的基礎。設備接入模塊根據不同的物聯網終端設備數據通信連接方式，提供對MQTT、Http 和工業協議（Modbus、CANbus）等常用行業協議或接口的適配支持，實現對感知層的各類型終端設備的大規模接入。測量設備可通過5G移動網絡與平臺聯接，實時將設備的基本參數和工作狀態等數據上傳給平臺。平臺會對各類參數進行記錄和存儲，并提供數據字典，開放數據查詢權限。數據可通過專業處理軟件進行更方便的管理和展示，可快速地與第三方應用集成，進行數據計算擬合、分析對比、超差顯示和報告生成等。

3.3 應用反饋層

在平臺層之上，建立基于工業檢測大數據的精度分析軟件。感知層用視覺檢測技術替代傳統的人工檢測方式，降低人為因素對質檢質量的干擾，提高檢測的準確度和效率。數據平臺層提供數據接口和數據信息存儲功能。在應用反饋層，對采集的數據進行集成處理、建模分析、決策優化和反饋控制。

具體而言，在獲取通過拍照得到的空間三維坐標數據之后，系統會自動對產品尺寸、形位公差和型面偏差等參數進行計算，計算分析結束之后，會自動統計測量結果并生成測量報告，將結果和報告傳輸到現場顯示屏上供現場測量人員查看。通過報告繼續進行后續的精度控制和修正。

4 結 語

不同行業對精度控制有不同的要求，本文面向船舶行業的大型鋼結構，開展了基于工業互聯網平臺的大型鋼結構裝配精度檢測系統研究，通過無線通信信號（5G）進行數據信息傳輸，可實現數據采集、傳輸、分析和反饋等流程的自動化精度測量，能有效減少對測量人員的投入，提高測量和分析效率。通過應用該系統，能大大降低對檢測場地的要求，測量的最高精度要求可達到1 mm以內，能滿足規范對船舶裝配精度的要求。該研究可供船舶行業的大型鋼結構精度檢測的智能化和數字化發展參考。