海洋装备数字化工程

数字化是这个时代显著的特征。
工业物联网、云计算、边缘计算、人工智能、数字孪生等构成的工业数字群落，正在不断融合并形成制造业的数字化血脉。数字化力量以前所未有的速度推动着制造业数字化转型，这种转型升级带来的影响可媲美 20世纪初大规模生产所产生的推动力量，数字化影响体现在方方面面。
生产力——设计、制造和运维一体化，使设计和开发迭代更快、更科学。互相连接的机器设备传递重要的维护数据，利用这些数据来防止故障、优化产出、简化生产流程，将停机时间降到。
质量——遍布的传感器在整个生产过程中监控产品的生产参数，机器学习算法和设计模型被应用于生产数据分析、自动破译缺陷的根源，并在缺陷发生前预测与质量相关的问题。
成本——捕捉和分析生产过程中所有阶段的数据，包括生产线和设备数据、物流配送数据等，使其能够识别降低成本的要素，更好地管理库存，更精准地满足配送需求，同时提供了生产线高度的灵活性，可以在不同产品之间快速切换。
定制化——定制化是智能制造的一个关键特征。数字化的生产线可以提供定制化选项，同时也能满足大规模、高效率的运行。
安全性——在危险/恶劣环境中的工作可以由机器人来完成，并在整个工厂安装专门的传感器，可以提醒操作人员注意潜在的危险。
海洋装备是开发、利用和保护海洋所使用的各类装备的总称，是海洋经济发展的前提和基础。加快发展海洋装备是我国建设海洋强国的必由之路，是建设世界造船强国的必然要求，也是我国工业转型升级的重要引擎，必然成为带动整个制造产业升级的重要环节。必须认识到，数字化业务已经成为现实和趋势。各种规模和形式的企业都已经在仔细评估数字技术以及它们将如何影响企业的发展。海洋装备企业应该规划一个强大的、面向未来的数字基础设施，这一点至关重要。
每洋装备的数字化工程是海洋、制造、自动化、信息与管理等多个学科的交叉、融合与发展应用的系统工程。根据其研发流程，大致可分为设计阶段的数字化工程、制造阶段的数字化工程和服务阶段的数字化工程。本书按此分类进行介绍，并从智能制造的角度分析数字化工程的落地和应用。
数字技术日新月异，从构架体系到实现手段和表达方式等进展迅速。作者在书稿撰写这段时间，认识到海洋装备的数字化工程包罗万象，但本书忽略了海洋装备制造的很多环节，仅仅聚焦在一些比较典型的阶段，并结合了作者所开展的有限实践。书稿中给出的数字化工程管中窥豹，描述了自认为的数字化工程的重要技术与发展趋势，实为一家之言，仅供读者参考，如需了解更多内容，应该广泛参考其他资料。同时作者才疏学浅，对数字化工程领域的理解也很肤浅，书中定有错误之处，希望读者告知，以便修改提高。
本书付梓之际，感谢上海交通大学金烨教授、东华大学张洁教授对全书的构架提出了建设性意见;上海振华重工（集团）股份有限公司的张华军研究员、姚海博士、梁燕博士等提供了海洋平台桩腿焊接数字化工程和海工网络协同制造的研究成果，参加了第7、第13 章的撰写;上海外高桥造船有限公司的袁轶对薄板生产线数字化工程和虚拟工厂提供材料并整理了书稿第8、第9章;江南造船（集团）有限责任公司的朱明华研究员、曹恒玲高工等针对数字仿真技术在海洋工程的落地应用实践给予大力指导;沪东中华造船（集团）有限公司程庆和研究员、潘建辉研究员、苏文荣研究员、马彦军博士等在船舶尺寸精度控制方面给予长期的指导和支持。还要感谢中国船舶及海洋工程设计研究院刘晓明研究员，上海交通大学武殿梁、郑宇、陈晓波、蔡鸿明、李晓勇、姚斌、明新国、王丽亚、范秀敏、习俊通和蒋祖华等多位教授，为本书编写提供了大量的技术支持。同时特别感谢沪东中华造船（集团）有限公司、上海外高桥造船有限公司、上海振华重工（集团）股份有限公司、江南造船（集团）有限责任公司长期的科研经费资助和现场调研安排，使得本书有了翔实的案例。另外，感谢参加本书查阅资料、绘制框图并校对的研究生们，他们付出了大量心血。
我国海洋装备制造需努力前行，对准国际科技发展的新趋势，以数字化转型升级为主线，扎扎实实推进数字化、网络化、智能化制造，定能实现海洋装备制造由大到强、质的飞跃。

作 者2020年5月

本书是“深远海工程装备与高技术丛书”之一，是站在智能制造的角度来描述海洋装 备数字化工程的集成与应用技术。海洋装备数字化工程的概念本身比较广，本书针对海 洋装备的设计和制造两大活动展开，详细论述了数字化技术在设计和制造领域的技术和 应用，并重点介绍了海洋装备从设计到制造的数字化贯穿和集成的方法。 

主要作者鲍劲松,东华大学机械工程学院教授,研究方向：智能制造；复杂制造系统建模与仿真。主持国家自然科学基金面上项目2项、科技部支撑计划子项1项、上海市科委制造业专项2项，面向航天的专项1项，上海航天基金1项、上海经信委两化融合专项2项、上海交大重点实验室基金1项；作为负责人承担企业科研攻关项目20余项。参加中国月球车型号项目：移动分系统仿真平台开发、多项成果应用在航天企业和船舶企业。作为主要负责人承担国家自然科学基金1项，发改委重大专项1项，工信部2015智能制造标准化项目。已发表国内外论文40余篇，SCI检索7篇，EI检索26篇；专利授权3项，软件著作权8项。出版专著3本。

第1篇综述篇
第1章海洋装备建造概述3
1.1海洋装备建造的特点6
1.2海洋装备建造链8
1.2.1设计链9
1.2.2制造链9
1.2.3运维服务链13
1.3小结14

第2章海洋装备产品数字化工程内涵15
2.1数字化工程的概念、内涵与内容17
2.1.1数字化工程的概念17
2.1.2数字化工程的内涵18
2.1.3数字化工程的内容19
2.2海洋装备产品数字化工程现状与挑战22
2.2.1海洋装备产品数字化制造现状与发展22
2.2.2数字化工程的挑战25
2.3海洋装备产品生产数字化转型策略28
2.3.1数字化转型背景28
2.3.2数字化转型策略29
2.3.3企业数字化转型的核心要素30
2.3.4海洋装备产品制造数字化转型展望33

第3章智能制造与海洋装备制造35
3.1智能制造技术概述37
3.1.1工业4.0内涵37
3.1.2工业互联网内涵38
3.1.3中国智能制造内涵40
3.2智能制造共性技术42
3.2.1工业物联网42
3.2.2信息物理生产系统45
3.2.3数字主线45
3.2.4工业大数据46
3.2.5机器学习47
3.3海洋工程装备与船舶智能制造战略49
3.3.1工信部智能制造规划49
3.3.2科学技术部重点研发计划50
第2篇数字化设计篇
第4章海洋装备产品数字化设计技术55
4.1海洋装备产品数字化设计概述57
4.1.1设计流程57
4.1.2主流海洋装备CAD设计系统59
4.1.3海洋装备产品的MBD模型63
4.2面向三维设计评审的模型处理67
4.2.1基于中性文件的MBD建模与转换69
4.2.2三维数模轻量化技术73
4.3海洋装备产品虚拟装配与人因工程仿真76
4.3.1产品虚拟装配与工艺规划76
4.3.2人因工程评估技术84
4.4基于Web的三维设计与协同85
4.4.1基于云计算的三维设计变革85
4.4.2关键技术87

第5章海洋装备产品性能分析的前后处理技术91
5.1海洋装备产品性能分析概述93
5.1.1海洋装备产品性能分析种类93
5.1.2海洋装备产品性能分析流程95
5.1.3海洋装备产品多学科分析与优化96
5.1.4主流的海洋装备CAE软件平台97
5.2面向海洋装备产品CAE分析的四边形网格生成技术100
5.2.1海洋装备产品CAE分析特点100
5.2.2三维中性面模型生成101
5.2.3四边形网格生成107
5.2.4有限元网格重建与生成113
5.3多学科工程分析数据集成可视化116
5.3.1标量场数据可视化116
5.3.2矢量场可视化方法119

第6章海洋装备产品数据全生命周期管理121
6.1海洋装备产品全生命周期数据管理框架123
6.2海洋装备产品全生命周期BOM管理125
6.2.1海洋装备产品集成化BOM管理128
6.2.2BOM演变134
6.2.3基于BOM的数据查询与可视化138
6.3海洋装备产品的主数据管理141
6.3.1主数据管理技术141
6.3.2海洋装备物料主数据信息142
6.3.3主数据管理143
6.3.4主数据管理平台框架144
6.4基于MBD的海洋装备产品PDM集成案例145
6.4.1产品设计模型与EBOM管理146
6.4.2BOM编码规则管理147
6.4.3产品数据文档管理与集成150
6.5基于OSLC的海洋装备产品生命周期协同技术152
6.5.1概述152
6.5.2OSLC服务集成架构154
6.5.3OSLC服务化集成155

第7章基于模型的海洋装备产品数字化工程159
7.1基于模型的系统工程概述161
7.1.1MBSE相关定义与特点161
7.1.2MBSE实施三要素164
7.1.3MBx相关概念区别170
7.2海洋装备产品研发从MBD到MBE172
7.2.1MBE的概念173
7.2.2海洋装备产品3D MBD建模173
7.2.3MBD的信息集成174
7.3MBSE的海洋平台桩腿焊接应用案例179
7.3.1系统建模180
7.3.2桩腿MBD模型及传递182
7.3.3MBD进行PDM和MES集成183
第3篇数字化制造篇
第8章海洋装备在制品工业物联标识与信息集成189
8.1海洋装备产品制造工业物联框架191
8.1.1工业物联网概念191
8.1.2工业物联网框架193
8.2工业物联统一标识195
8.2.1工业物联标识概述195
8.2.2物联编码体系197
8.2.3工业物联标识解析体系200
8.2.4工业物联标识载体201
8.2.5海洋装备产品工业物联标识的赋码方式203
8.2.6海洋装备产品生产标识解析应用方式204
8.3海洋装备产品DM码、DPM和识别方法205
8.3.1DM码设计205
8.3.2DPM的工艺试验206
8.3.3DM码的识别207
8.4基于工业物联标识解析的在制品信息集成208
8.4.1物联标识解析与设计系统（CAD/PLM）信息集成208
8.4.2物联标识解析与制造信息系统集成209
8.4.3物联标识解析与管理信息系统集成211
8.5基于工业物联网的小组立制造系统案例215
8.5.1系统框架215
8.5.2船舶小组立板料统一物联编码215
8.5.3板架自动化智能印码系统216
8.5.4板架自动下料设备集成220
8.5.5基于工业物联的在制品装焊一体化221

第9章海洋装备产品制造的尺寸精度工程技术223
9.1尺寸精度工程概述225
9.1.1海洋装备产品制造中的精度控制概述225
9.1.2尺寸精度控制流程与现状227
9.2海洋装备产品分段部件的测量精度控制235
9.2.1大尺寸部件测量关键技术235
9.2.2大尺寸部件精度管理测量技术239
9.3尺寸精度控制系统与应用241
9.3.1尺寸精度控制系统241
9.3.2海洋装备产品总组精度控制250
9.3.3海洋装备产品搭载精度控制253
9.4尺寸精度数字化工程的管理258

第10章海洋装备制造的堆场布局与物流261
10.1海洋装备制造的堆场布局263
10.1.1海洋装备中间产品堆场布局建模264
10.1.2堆场布局优化273
10.2堆场间物流配送与调度284
10.2.1堆场物流配送与调度背景284
10.2.2物流配送与调度建模290
10.2.3物流配送与调度优化算法292
10.2.4某海洋装备企业物流配送与调度实例299
10.2.5作业调度系统开发与验证304

第11章海洋装备产品生产虚拟工厂317
11.1虚拟工厂技术319
11.1.1虚拟工厂的内涵319
11.1.2信息物理系统320
11.1.3虚拟工厂体系与标准323
11.1.4虚拟工厂关键技术327
11.2虚拟工厂三维建模333
11.2.1工厂场景几何建模334
11.2.2三维工厂虚拟布局建模337
11.3虚拟工厂仿真343
11.3.1移动设备的运动仿真344
11.3.2虚拟人作业动作仿真345
11.3.3仿真运动碰撞检测347
11.3.4基于关键帧的虚拟工厂作业动画仿真348
11.4基于信息物理生产系统的虚拟工厂集成与执行349
11.4.1虚拟工厂与真实工厂的互联互通349
11.4.2生产数据采集与监控351
11.4.3虚拟工厂仿真执行353
11.4.4基于虚拟工厂的智能管理353第12章大数据驱动的海洋装备产品生产技术359
12.1概述361
12.2海洋装备制造大数据特点与来源362
12.2.1相关概念与特点362
12.2.2海洋装备制造大数据特点364
12.2.3海洋装备制造大数据来源365
12.3海洋装备制造大数据关键技术366
12.3.1大数据平台366
12.3.2大数据处理374
12.4海洋装备产品制造大数据典型应用场景385
12.4.1设备异常监控与预测386
12.4.2分段精度质量监控387
12.4.3船舶建造计划要素识别387
12.4.4大数据驱动下的配送作业优化391
12.5大数据应用趋势与展望393

第13章海洋装备产品网络化协同制造技术395
13.1网络化协同制造系统397
13.1.1网络协同制造内涵397
13.1.2网络协同参考模型398
13.2海洋装备产品网络协同建造关键技术401
13.2.1网络化协同要素401
13.2.2海洋装备网络协同制造体系407
13.2.3网络协同基础技术： 工业互联网络408
13.2.4网络协同集成技术： 基于模型驱动的一体化集成419
13.2.5网络协同数据基础： 工业数据空间427
13.2.6网络协同系统技术： 信息物理生产系统434
13.2.7网络协同价值链技术： 供应、营销和服务价值链协同436
13.3面向海洋装备的网络化协同制造系统平台439
13.3.1平台功能设计439
13.3.2基于中台的平台构架方法442
第4篇展望篇
第14章展望——新一代海洋装备产品智能制造453
14.15G赋能的工业物联网455
14.2AI赋能海洋装备产品制造459
14.3数字孪生制造461

参考文献466

本书是“深远海工程装备与高技术丛书”之一，是站在智能制造的角度来描述海洋装 备数字化工程的集成与应用技术。海洋装备数字化工程的概念本身比较广，本书针对海 洋装备的设计和制造两大活动展开，详细论述了数字化技术在设计和制造领域的技术和 应用，并重点介绍了海洋装备从设计到制造的数字化贯穿和集成的方法。 

主要作者鲍劲松,东华大学机械工程学院教授,研究方向：智能制造；复杂制造系统建模与仿真。主持国家自然科学基金面上项目2项、科技部支撑计划子项1项、上海市科委制造业专项2项，面向航天的专项1项，上海航天基金1项、上海经信委两化融合专项2项、上海交大重点实验室基金1项；作为负责人承担企业科研攻关项目20余项。参加中国月球车型号项目：移动分系统仿真平台开发、多项成果应用在航天企业和船舶企业。作为主要负责人承担国家自然科学基金1项，发改委重大专项1项，工信部2015智能制造标准化项目。已发表国内外论文40余篇，SCI检索7篇，EI检索26篇；专利授权3项，软件著作权8项。出版专著3本。