中船第九设计研究院工程有限公司
上海市杨浦区河间路1280号
船舶行业数字化应用服务工业互联网平台
分类：工业互联网平台体系
发布时间：2021-04-19
上海市杨浦区河间路1280号
案例应用场景 
船舶行业是我国的战略性支柱产业，属于离散型（单件小批量）行业，由于船厂空间大、船舶建造周期长、工艺复杂、作业环境恶劣，业界对降本增效，改善人员作业环境有非常现实的渴求，迫切需要利用新一代信息技术提升行业能级。我国船舶行业仍处于数字化制造起步阶段，基础数据缺乏积累、信息集成化水平低等突出问题亟待解决。
中船九院面向船舶行业数字化发展总体规划，站在66年历史积淀上，依托独有的300余家国内外船厂工程建设实施的海量高价值核心数据，围绕船厂基础设施、高端装备和绿色环保三大船舶建造专业领域，开展船舶行业数字化应用服务工业互联网平台的建设与应用，搭建产业链、价值链多方协同的行业平台，致力于提供行业规划设计与运营咨询服务，实践覆盖行业全生命周期的数字化应用整体解决方案。该项目可将行业基础设施建设成本降低约12%，数字化工厂建设周期缩短约20%，车间生产效率提升约15%。(*数据为项目完成前后的比较估值，仅供参考)
案例方案内容
中船九院面向船舶行业数字化发展总体规划，站在66年历史积淀上，依托独有的300余家国内外船厂工程建设实施的海量高价值核心数据，围绕船厂基础设施、高端装备和绿色环保三大船舶建造专业领域，开展工业互联网平台建设与应用，搭建产业链、价值链多方协同的行业平台，致力于提供覆盖行业全生命周期的数字化应用服务整体解决方案。
一、行业面临的挑战
船舶行业是我国的战略性支柱产业，由于船厂空间尺度大、船舶建造周期相对较长、工艺流程复杂、单件小批量、中间产品种类非标件数量多、物理尺寸差异大、作业环境相对恶劣，业界对降本增效，改善人员作业环境有非常现实的渴求，迫切需要利用新一代信息技术提升行业能级，对数字化、网络化、智能化技术应用提出了特殊要求。我国船舶制造业仍处于数字化制造起步阶段，国内船舶行业骨干制造企业总体还处于“自动化补课、数字化普及”阶段，基础数据缺乏积累、信息集成化水平低等突出问题亟待解决，具体如下：
1. 数字化顶层规划与设计的短板；
2. 智慧化制造基础能力薄弱；
3. 服务型制造转型不足。
二、技术实现
中船九院构建船舶行业数字化应用服务工业互联网平台，致力于提供船舶行业高质量发展的规划设计与运营咨询服务，实践覆盖行业全生命周期的数字化应用整体解决方案。
以船厂全生命周期建设为切入点，构建集工业大数据、数据算法分析为一体的平台，围绕船厂基础设施、高端装备和绿色环保三大船舶建造专业领域，开展基础设施运营优化管理、设备运行预测预警、高端装备预测性维护、产能监测与方案优化、节能环保服务等专业技术研究，最终将形成多个子平台，分别是船厂大数据平台、智能评估与优化平台、数字运维服务平台。
该项目通过子平台业务流和数据流的集成，开创以数据和算法为驱动的船厂规划设计与运维业务新模式，探索船舶工业智能工厂建设全生命周期的赛博物理系统（CPS）的具体应用。
船舶行业数字化应用服务工业互联网平台，以《船厂总体设计标准》等标准体系为指导，搭建系统架构。提供行业智能装备、生产线与车间的规划、设计、建造（改造）、运营监控集成服务能力。
- 图1 船舶行业数字化应用服务工业互联网平台架构图
图 2 船厂大数据平台逻辑架构图
按照相关船厂建设与运营数据标准和数据管理规范构建，船厂大数据平台主要有两个数据来源，一是以中船九院在多家船厂规划设计中所积累的半结构化数据、非结构化数据和结构化数据为基础，通过知识库和信息系统提炼处理生成的核心数据，包括既往设计的船厂基础设施（建筑结构、水工码头、公用动力）、重要设备（机械设计、电气设计）、绿色环保（噪声、污水、除尘）等数据；二是来源于船厂的实际反馈数据，作为工业互联网背景下的数据服务平台，可通过数据采集、监测等方式，对船舶实际生产过程中的数据进行收集，作为新的数据源存储于平台数据库。通过大数据技术对船舶工业建设与运营管理环节进行改造，打造研发设计与运营服务等网络化的服务平台。
1) 应用实例：数字化船台（车间）船舶运移及环段对接系统
利用船厂大数据的设计平台，以该案例为典型代表，创建了平地造船新模式。新模式和原有船坞造船模式比较，该模式生产效率可提升约10倍。该系统的出现彻底打破了传统的造船模式，不再占用船台或船坞资源，为平地造船的实现提供了可靠的、高效的、智能的解决方案，从而达到了提高造船效率、降低造船成本及实现船厂智能化的目的。
船舶运移及环段对接系统是实现平地造船的最为关键的配套设备之一，可用于从平台造船到环形总段对接再到移船过驳下水的全过程。该系统采用全数字化控制，既可以实现单台单独控制，亦可以通过便携式无线操作盒或集控台控制任意台车组动作。
2) 应用实例：数字化车间薄板分段翻身装置系统
同样利用该设计平台，创造了国内首台薄板分段翻身装置,该设备为豪华邮轮生产线关键配套设备之一，基本实现了降本增效，改善人员作业环境的用户需求。该设备可避免薄板分段的翻身变形，简化薄板分段的制造工艺，使其高效自动、安全可靠，创造了豪华邮轮制造新模式。
工作过程全自动数字控制，整个生产工位的分段运入定位、提升、翻身、下降到移出等作业仅由1人操作，也可通过工厂MES系统由中控室远程操控，实现无人操控。是构建智能数字工厂的关键设备之一。
翻身旋转设计时，利用设计的三维模型、作运动数字仿真分析，根据动态数据，设置最优的机构和配置最优的的驱动动力系统和控制系统。
薄板分段翻身工艺设计及动态仿真模拟，优化薄板分段再翻身装置上的固定位置，达到驱动机构最优的平衡。
2．智能评估与优化平台
该平台以智能评价体系为切入点，通过人机混合决策，实现绿色环保智能评估、工艺设计智能评估、智能咨询服务。
图 3 智能评估与优化平台逻辑架构图
该平台建立在船厂大数据平台（设计数据和反馈数据）的基础上，通过在训练信息库内进行计算机深度学习，模仿专家进行智能评估与决策的计算机神经网络感知系统，提出智能评价指标，并利用层次分析法确定各指标间的权重比例系数，构建智能评价体系。当船厂有智慧化制造新建或改造项目需求时，以智能评估与优化平台下的智能评价体系和指标管理模型为依据，结合人机混合决策工作模式，在绿色环保智能评估、智能咨询服务方面，为船厂业主匹配最适合的设计咨询方案，发挥咨询分析服务的保障作用，为智慧船厂设计与智慧化制造项目实施提供决策参考和设计依据。
应用实例：数字化车间VOCs环境评估及改造
该平台以智能评价体系为切入点，通过人机混合决策，以该案例为典型代表实现绿色环保智能评估、工艺设计智能评估、智能咨询服务。
挥发性有机物（VOCs）是上海市十三五期间大气污染治理的重点，也是船舶行业的“老大难”问题，具有风量大、浓度高、波动频繁的特点。为此，中船九院与高校、企业联合开展“工业污染源挥发性有机物治理关键材料研制及工程应用”研究，开发的浓缩转轮与RTO复合系统技术是作为大风量、低浓度有机废气最有效的处理方式，成功应用于船舶、汽车、石化、印刷、医药等多个行业，并于2019年5月15日荣获上海市科技进步一等奖。目前技术已广泛应用于国内工业挥发性有机物治理工程,开展工程分段涂装工场喷漆间有机废气净化系统改造和现有工程钢材预处理流水线有机废气净化系统改造。
治理成果：现有企业2017年7月1日之后，污染物排放浓度、速率执行上海市《船舶工业大气污染物排放标准》（DB31/934－2015）。
3．数字运维服务平台
建设数字运维服务平台，开展基础设施运营优化、设备运行预测预警、高端装备预测性维护、节能环保服务等服务创新的开拓。
图 4 数字运维服务平台逻辑架构图
数字运维服务平台包括五大功能子系统：智能监控、诊断决策、自动处理、能力共享和报表管理，为船厂推送远程预测信息、车间（设备）改造升级建议，以及船厂基础设施监测与优化服务，实现构建主动预警提示、客户自诊断、现场智能诊断、远程诊断的服务保障体系，提升对船厂基础设施和生产设施管理的综合服务保障能力。
应用实例：船舶业起重机械安全监控管理系统
远程运维作为智慧化制造五大新兴业态之一，是制造体系中智能服务分支的重要内容。以该项目为典型代表，探索实践了运维服务的新兴业态。
图 5 区域起重机安监网络图
信息安全是平台可靠、平稳运行的综合保障基础。按照等级保护三级的基本要求，结合《信息安全技术云计算服务安全指南》和《信息安全技术云计算服务安全能力要求》两个文件，建立统一的船舶行业协同服务平台安全保障体系，加强安全管理、统一标准规范，保障协同服务云平台安全可靠运行，平台建成后拟通过国家测评机构测评，最终通过公安部的备案认可。
安全域与访问规则。为了实现平台的安全等级化划分与保护，规划与区分不同安全保障对象，并根据保障对象设定不同服务功能及安全级别的安全区域，以根据各区域的重要性进行分级的安全管理。
Internet入口区是平台边界区域。是各类用户进入系统的入口，该区域边界直接面向网域网中授权的平台用户，使用环境复杂。在此我们布署了相应的安防系统，如防火墙、入侵检测、网络审计、防毒墙、集中身份管理、运维审计及网络访问准入控制设备，提高平台“入口”安全。
实施效果和创新
该平台在中船九院实际应用中，主要应用效果具体如下：
1．对行业发展的影响。平台通过服务模式创新和示范项目效应，推进行业大型骨干企业完成转型升级，推动我国向海洋强国迈进。中船九院承担的规划设计工作关系到船舶工业发展的全局，具有举足轻重的战略地位，为实现造船大国和强国做出更大的贡献。
2．对区域经济的影响。船舶产业是上海的六大支柱产业之一，提高区域的船舶产业国际竞争力，可以提高上海乃至长三角地区工业设计规划院的工业互联网应用水平。
3．平台的建设充分整合了全要素资源，为船舶行业高质量发展从规划设计，到运维服务，提供了一条有效的途径。按照平台运营过程中使公司新增利润计算，预计2021到2025年共计产生新增利润约5000万元。
主要的创新点包括以下几方面：
1．重构船厂数字化顶层规划与设计
应用船厂大数据平台和智能评估与优化平台，实现模式创新，较大的提高生产效率。如船舶运移及环段对接系统开拓了平地造船新模式；薄板分段翻身装置创造了豪华邮轮制造新模式。
2．提升智慧化制造基础能力
应用智能评估与优化平台和数字运维服务平台，实现技术创新，提升SHE等级。如数字化车间VOCs环境评估及改造项目，实现绿色环保智能评估、工艺设计智能评估、智能咨询服务；起重机械安全监控管理系统对传统起重机进行网络化改造，实现了智慧化制造的基础能力的提升。
3．探索服务型制造转型
应用数字运维服务平台，实现业态创新，探索了运维服务的新兴业态，同时提高人员设备作业环境安全性。如船厂设备全生命周期信息管理运营云平台系统等。
总结
近年来造船行业的进入低谷期，中船九院面临挑战，坚持为海洋强国建设提供工程服务，以高质量发展为中心，以改革促发展、以转型增效益，坚持创新发展为第一动力，持续做强设计咨询、做优总承包、做稳投融资，拓展科技产业化和智能工厂数字化平台创新业务，全面实施“3+2”战略布局，提高发展的全面性、协调性和可持续性。
（一）重构顶层设计
中船九院以“构建智能服务体系”战略方案为指导，借助互联网开放平台，以为国内外超过300家船厂提供基建设计、生产装备设计、技术改造设计所掌握的数据核心资源为基础，提出建立“互联网+船厂智能管理平台”项目。
（二）搭建生态平台
智能工厂数字化平台创新业务——中船九院将工业大数据、人工智能、新一代信息技术应用于船厂规划建设与运营管理服务，全力构建“智能工厂数字化平台”，探索智能工厂全生命周期设计新模式，提供智能化船厂规划设计和全过程运维服务。以工业大数据为主线，中船九院推进工厂总体设计、工艺流程及智能车间的数字化建设，逐步打造船舶工业精益生产的智能工厂，为全面增强中船集团核心竞争力、全面建设世界领先的海洋科技工业集团提供重要支撑。
（三）实现流程再造
在船厂生产流程再造设计中，中船九院已经开展工艺流程与设备三维数字化仿真技术研究。围绕数字化车间工艺装备，开展基于互联网的工程项目三维设计、施工协同工作平台系统研究，研究虚拟现实和数字仿真技术，实现船厂建设数字化、网络化和智能化的阶梯式发展。
专家点评
船舶工业是国家的战略性产业，又面临自身结构性矛盾和市场低谷的双重挑战。本案例中，中船九院建设船舶行业数字化应用服务工业互联网平台，以船厂全生命周期建设为切入点，构建集工业大数据、数据算法分析为一体的平台，开展基础设施运营优化管理、设备运行预测预警、高端装备预测性维护、产能监测与方案优化、节能环保服务等专业技术研究，最终将形成多个子平台，分别是船厂大数据平台、智能评估与优化平台、数字运维服务平台。积极利用工业互联网为船舶业发展和国防建设服务，探索构建新模式和新业态。该船舶行业工业互联网平台汇聚产业链、价值链的资源要素，实现全生命周期的协同与创新，有利于促进行业的数字化、网络化、智能化转型升级与高质量发展。同时，对于设计院的工业互联网应用给出了路径，具有显著的行业带动力和示范影响力。