船舶智能制造标准体系构建研究 石磊1 马强1陈华达2 杨琳2 张国华2（1.中国船舶工业综合技术经济研究院；2.中国船舶工业集团有限公司）1引言船舶智能制造是物联网、大数据、云计算等新一代信息通信技术与先进造船技术的融合，是区域造船、数字化造船的深度发展，对船舶工业的发展至关重要，可为船舶工业提供新的生产方式、产业形态、商业模式和经济增长点，促进我国船舶工业转型升级，推动船舶工业由大变强，是船舶工业供给侧改革的重要发力点智能制造、标准先行”，为在新一轮装备制造业变革中抢占主导地位，美国与德国等工业强国均提出各自的智能制造标准体系架构，将标准作为推进智能制造发展的强有力抓手为指导我国智能制造标准化工作，工业和信息化部、国家标准化管理委员会分别于2015年和2018年共同组织制定了两版《国家智能制造标准体系建设指南》，建立了涵盖基础共性、关键技术和行业应用等三类标准的国家智能制造标准体系为促进船舶智能制造的发展，工业和信息化部于2019年发布《推进船舶总装建造智能化转型行动计划（2019-2021）》，并将“建立船舶智能制造标准体系”列为重点任务之一，旨在夯实船舶智能制造基础，为船舶总装建造智能化转型提供支撑。
当前，我国船舶智能制造相关标准的建设工作缺乏体系化设计，标准之间界面不清、关键急需标准缺失等问题导致我国船舶行业在推动智能制造实施工作时面临一系列困难，在一定程度上影响了船舶智能制造工作进展，急需开展船舶智能制造标准体系研究工作，为船舶智能制造中标准化工作的开展提供顶层指导2船舶建造特点不同于常规批量化生产的产品，船舶建造在产品设计上具有产品结构复杂、零部件单件小批量、材料种类繁多、中间产品种类非标件数量多、物理尺寸差异大等特点；在产品建造上具有船厂空间尺度大、作业环境相对恶劣，工艺专业种类多、加工/装配工艺流程复杂、建造周期较长、零部件配套关系复杂等特点；在管理上具有供应链复杂、产品质量要求高、按船型管理等特点，并且船舶装备复杂产品通常会涉及分段建造，在其产品生命周期涉及到多产品、多企业、多部门、多业务之间的复杂协作管理结合船舶建造的特点，在船舶智能制造发展中，应重点从以下几点加以突破2.1协同设计制造信息技术和通讯技术的发展引发船舶产品研制模式的巨大变革，基于经验的传统设计方式被抛弃，以数字样机、多学科优化设计、人机工程等为核心的数字化设计技术在船舶产品设计中得以应用；伴随船舶产品对制造精度要求的提升，制造过程中尺寸传递体系由模拟量传递全面转变为数字量传递，数字化制造技术发展迅猛，船舶产品对设计与制造协同程度提高，以基于模型的全三维研制为核心的协同设计制造成为未来重要的发展趋势。
协同设计制造模式可实现船舶设计建造中真正的单一数据源，保证设计数据的唯一性，消除可能的双源数据之间的不协调，方便模型优化和数据管理，为制造车间提供完整、准确的工艺数据，真正达到无图纸、无纸质工作指令的三维数字化集成制造，提升分段建造效率并保证数据安全性，船舶智能制造中应注重对协同设计制造的应用2.2精细化管理为降低船舶产品研制中的能源消耗、资源浪费、环境污染等，需要对船舶建造的各个环节进行严格控制，并运用系统工程思想对全过程进行优化和完善，精细化管理成为船舶建造重要发展趋势通过建立与造船新模式相适应的工时管理系统，实现对研制过程中工时的统筹分配和调度，柔性调节生产进度，优化作业流程；通过引入过程实时管控的生产模式，综合运用监控、检测设备，将造船精度控制从船体搭载工序向切割加工工序、从船体工程向舾装工程延伸扩展，推进无余量制造，提升安全生产水平，降低建造过程中物料消耗、设备故障、质量缺陷和安全事故；通过加强供应链管理，合理调整库存，注重降本增效，提升经济资源利用水平2.3个性化定制服务伴随装备制造业的盈利模式由“卖产品”向“卖服务”转变，未来船舶企业为提升自身竞争力，需对其产品提供个性化定制服务，注重服务的质量和水平。
通过边缘计算技术的应用，科学合理地建设海外保障基地，及时为客户提供最近端维护、保养等服务，提升服务的合理性；根据船舶产品使用环境的差异，以预测性维修替代预防性维修，降低维修成本，提升服务的针对性；建立智能型服务系统，注重服务过程中对数据的收集和分析，结合客户需求创新服务方式，并为产品设计和制造的持续改进优化提供支撑，提升服务的科学性3国内外标准化现状实施智能制造，需要标准化为建设工程发挥引领、指导、规范、保障作用[1]美国、德国等工业发达国家在智能工作推进中均对标准化工作都非常重视，将制定标准作为首要任务体系架构是系统各部件的结构、各部分之间的关系以及制约它们设计和随时间演化的原则和指南[2]，为促进标准化工作有序开展，各国均结合自身制造业特色建立了智能制造体系架构，并结合架构组织开展了具体标准制定工作，美国和德国是其中的典型代表3.1国外标准化现状3.1.1美国2011年6月，为保持本国制造业在全球竞争优势，美国智能制造领导联盟(Smart Manufacturing Leadership Coalition，SMLC)发表了《实施21世纪智能制造》报告，明确推进智能制造发展的目标和路径，并提供了智能制造企业框架。
2012年2月，美国提出《先进制造业国家战略计划》，这些计划旨在依托新一代信息技术、新材料、新能源等创新技术，在美国加快发展技术密集型的先进制造业2013年6月，美国发布了《工业互联网—打破智能与机器的边界》报告，提出了工业互联网战略，通过工业互联网提升智能制造水平2016年2月，美国国家标准与技术研究院（NIST）发布了《智能制造系统标准化愿景》报告，提出美国智能制造体系架构，从产品、生产系统和商业（业务）三个维度对美国的智能制造系统进行了分析，并引入制造金字塔的概念NIST提出智能制造标准制定的优先领域：智能制造系统（SMS）的参考模型架构、物联网（IoT）对于制造的参考模型架构、制造服务模型、机-机通信、产品生命周期管理（PLM）/制造执行系统（MES）/企业资源计划系统（ERP）/供应链管理系统（SCM）/客户关系管理系统（CRM）集成、云制造、制造可持续性、制造信息安全等，美国智能制造体系架构如图1所示图1美国智能制造体系架构NIST认为制造金字塔是智能制造生态系统的核心，产品生命周期、生产系统周期和商业（业务）周期都在制造金字塔聚集和交互智能制造实现的是从机器到工厂、再从工厂到企业系统之间的信息集成，其中标准是至关重要的，基于标准之上的智能制造系统，可以实现工厂数据快速决策、优化产量和质量，准确评估能源和材料的使用，改善车间安全，促进制造业可持续发展。
美国智能制造体系架构和自身装备制造业特点密切相关，美国装备制造业凭借其科研技术优势，能够保证率先实现新产品开发，并通过跨国投资，建设海外生产基地，充分利用全球不同地区的资源优势，获得最大收益跨国公司是美国装备制造业发展的主体，因此美国智能制造体系架构除将产品生命周期作为分析维度外，将生产系统的设计、创建、调试、运营等作为生产系统生命周期维度的分析对象，并将商业（业务）周期作为第三分析维度，以便实现对其覆盖全球的供应链优化管理，更好地协调制造商、供应商、客户、合作伙伴之间的关系，促进智能制造水平的提升自《智能制造系统标准化愿景》报告发布以来，美国标准化研究机构开展了相关标准制定工作，如ASME Y14.36《表面粗糙度标注》、IEC 62832《工业过程测量控制和自动化 数字工厂框架》、ISO 18828《生产系统工程研制标准化程序》等这些标准不仅是为智能制造提供技术依据，更重要的是用于确定技术制式、技术构架、技术性能和技术水平，以引领智能制造的发展目前，美国智能制造相关标准制定工作在持续开展中3.1.2德国2013年4月，德国为提高本国工业竞争力，在诺威工业博览会上提出“工业4.0（Industry 4.0）”的概念，即“工业4.0”是利用信息化技术促进产业变革的时代，也就是智能化时代。
德国“工业4.0”这种全方位的智能联接必然需要一个系统框架，在这个框架内，各种终端设备、应用软件之间的数据信息交换、识别、处理、维护等必须基于一套标准化的体系同年9月，德国发布了《德国“工业4.0”标准化路线图》（1.0版），明确了参考架构模型、用例、基础、非功能属性、技术系统和流程的参考模型、仪器和控制功能的参考模型、技术和组织流程的参考模型、人类在工业4.0中的功能和角色的参考模型、开发流程和指标、工程、标准库、技术和解决方案等12个标准化重点方向，并提出了具体标准化建议2015年4月，德国发布了《德国“工业4.0”标准化路线图》（2.0版），其中“工业4.0”标准化路线图的重点领域根据智能制造重点技术的攻关由原来的12个调整为10个，路线图的可操作性增强2018年4月，德国工业4.0标准化委员会（SCI 4.0）、德国标准化协会（DIN）与德国电气电子和信息技术工作委员会（VDE|DKE）在汉诺威工业博览会共同发布了《德国“工业4.0”标准化路线图》（3.0版），对“工业4.0”的主题与标准化需求进行了更新和调整，继承了原有的标准化术语、参考模型、非功能属性与案例等方向，同时新增加了体系结构和数据模型、工业4.0组件的生命周期记录、生产系统的生命周期、通信技术等方向，德国智能制造体系架构见图2。
图2德国智能制造体系架构“工业4.0”体系架构将制造领域的所有要素和资源间形成全新的交互水平，并使生产资源形成一个网络，产品具备独特的可识别性，客户可直接参与到产品的设计、制造、运行和回收等各个阶段，便于定制化生产小批量产品德国把标准作为“工业4.0”战略实施的优先领域，既是信息技术与工业技术融合发展的内在要求，也是德国工业发展进程中长期以来坚持的基本理念，德国“工业4.0”标准化路线图的发布及更新有效利用了“工业4.0”前期建设取得的信息化成果，增强了信息获取的便捷性，方便了利益相关方的积极参与德国智能制造体系架构的设置同样和自身装备制造业特点密不可分，德国装备制造业发展中注重系统整体效能的发挥，强调通过运用计算机技术，提升生产过程中各要素性能，从而获得最大收益精密的生产系统是德国装备制造业发展的主体，因此德国智能制造体系架构在将产品生命周期作为分析维度的同时，将生产系统的现场设备、控制设备、站点、工作中心等作为生产系统维度的分析对象，并将物理系统按其功能特性分层作为第三分析维度，对系统内各组成部分实现互联互通互操作等过程中涉及的资产、集成、通信、信息等各要素加以协调，提升系统智能化水平。
德国在发布《德国“工业4.0”标准化路线图》后，初步建立了一些顶层标准，如IEC 62890《工业过程测量控制和自动化系统和产品生命周期管理》、 IEC 62264《企业控制系统集成》、IEC 61512《批量控制》等，目的是确保在现有顶层标准的基础上制定新标准，确保各类标准与“工业4.0”的有效衔接，加强标准之间的关联性目前，德国“工业4.0”相关标准仍在补充完善中通过对美国和德国智能制造体系框架的分析获知，智能制造体系架构与制造活动密切相关，对标准制定工作有直接影响产品和生产系统是装备制造业的两大核心要素，美国和德国等国外工业强国智能制造体系架构中均将这两大要素单独作为体系架构的分析维度，两者在产品生命周期维度的分析方法大同小异，但在生产系统的分析角度上存在较大差异，美国智能制造体系架构注重的是生产系统的生命周期，德国智能制造体系架构中注重的是生产系统的层级组成，这些差异主要是由于各自的装备制造业特点导致的3.2国内标准化现状2015年3月，我国提 出加快推 进“中国制造2025”，以应对新一轮科技革命和产业变革智能制造工程是“中国制造2025”五大工程之一，是落实工业化和信息化深度融合、打造制造强国的。