冯妍 科技日报记者 王春
造船厂中，两段接近10层楼高的巨轮船身，正被下方几十台黄色定位器托着缓缓靠近，直至面积大如两个篮球场的船身断面上，上千个仅有指甲盖大小的对位点严丝合缝地拼接在一起。
这些黄色的定位器，是上海交通大学机械与动力工程学院（以下简称“上海交大机动学院”）王皓教授团队发明的“大型部件高效对接装配技术及船舶航天应用”相关成套技术装备系统的组成部分。7月2日，该技术获得2025年度上海市技术发明奖特等奖。
当前，我国造船订单已达全球近70%，超大箱船等大型船舶订单激增，船坞坞期紧张；同时，载人航天、卫星组网等国家重大工程，对同为大型装备的航天运载工具需求激增，运载火箭年发射需求接近百发，大型装备制造产能亟待提升。
该系列技术装备系统能将船舶巨型总段对接时间大幅缩短，效率提升到原来的数倍；也大幅缩减了运载火箭舱段总装对接时间，显著提升高新船舶、大型运载火箭的总装效率，达到国际领先水平。
智能系统重塑巨型构件装配工艺
“以前大型船舶建造就像‘盖房子’，在船坞里一点点从下往上安装，船坞占用时间动辄数年。后来改为分段建造，多个分段同时施工，加快整体速度，但后期总装合拢效率低下成为极端制造难题。”王皓介绍。
大型船舶、运载火箭分段，常达“百米级尺寸、万吨级载荷”，然而其拼接却要求“毫米级精度”，相当于把上海大剧院和上海城市规划博物馆大小的部件对接起来，位置偏差不超过一枚硬币的厚度。王皓举例说，几十米长的船舶总段，前端两个部件对接的角度如果偏斜0.01度，末端的错位可能就多达十几毫米。
传统方法对接，依靠单点测量、单机操作、经验决策。一个有经验的老师傅，指挥几十个操作人员，调整部件进行移动和对位，由于未能掌握对接定位的运动规划、精度标定、结构变形等内在规律，对接过程反复试错，效率低下；肉眼实在看不清楚的时候，甚至只能把两边船体拉近“碰一碰”。
“我们这套系统能够精准对接成功，而不是像过去那样反复试凑。”王皓说。
怎么做到的？通过设备扫描，给部件的对接面进行“高清三维摄像”，取样点多达几十亿个，再通过算法自动识别，确认相应的对位特征。近千个对位特征，系统都“心里有数”，从而指挥几十到上百个定位器相互配合，精准做到“榫对卯、卯对榫”。
但这还不够，另一个难题是大型部件存在变形问题。例如船体中，各种各样的设备在不同支撑状态和重力的作用下，不同的部位会产生程度不一的形变，甚至因为热胀冷缩，早上和晚上的形状都有所差异。如何应对？
“我们的系统能实时测量部件的形变，算法还使用了神经网络技术，类似于‘生成式模型’，能以智能的方式控制定位器去调控部件的变形。”王皓说，“不同装备的变形情况不同，例如火箭箭身使用铝合金，局部变形比船舶更明显，船舶总段则整体变形更大，这也可以通过软件调整来控制。”
对接精度高了，制造质量也获得提升。江南造船（集团）有限责任公司（以下简称“江南造船”）首席专家张国新介绍，若船舶部件对接精度不够，对接面之间便会产生较大的内应力，这种“拉扯的力量”会埋下长期服役的安全隐患。
“一些高新船舶的安装要求非常高，近百米长度只允许有毫米级误差。安装精度高，内应力就小，就更能承受得起大风大浪。”张国新说。
当前，该系统已应用于我国高新船舶等船舶巨型总段对接装配、新一代运载火箭等多型火箭舱段的总装，奠定了我国船舶总装建造效率的领先优势，社会经济效益显著。
基础创新赋能大国重器智造
从实验室到工程现场，重大技术突破从来不会一蹴而就。
基础理论创新是起点。获奖团队陈根良教授说：“船舶、火箭等大型部件的对接装配，需要数十台甚至上百台定位器协同作业。由于相关模型高度复杂，数学推导长期未能建立，工程上也只能依赖经验试错。”
陈根良介绍，众多定位器共同托举一个万吨部件，系统必须精确知道每台定位器此刻到底站在哪里、偏了多少，才能指挥它们协同动作，让部件精准升降、平移、旋转。这个系统中涉及的参数成百上千，好比一团乱麻，根本无法判断哪些参数是真正重要的，整体调控也就无从下手。
王皓、陈根良团队在国际上首次从数学上证明了，无论这类系统多复杂，模型中都存在一个“最小独立参数集”，就像从乱麻中一定能够找到几根关键线头，从而实现对整个系统的控制。这不仅攻克了困扰机器人学界多年的国际学术难题，而且以该成果为基础，大型部件标定-匹配-调姿一体化的高效对接装配技术得以发明，实现了国际引领。
理论创新和相关技术突破，最终催生了集“高精度标定、多特征匹配、自动化调姿”功能于一体的大型部件对接系列化成套装备。王皓介绍，最初相关平台仅在校内使用，后来参与到航天相关单位的工作当中，再后来开始和江南造船厂等造船企业合作。
“在江南造船，我们的技术从几百吨的船开始应用，后来到上千吨，再到近万吨……大学和企业携手合作，把实验室里做的事情逐级推进成为先进技术，最后用在了‘国之重器’制造上。”中国工程院院士、上海交大机动学院教授林忠钦说。
该技术已形成了具有完整自主知识产权的大型部件高效对接装配技术系统。王皓介绍，该系统正在更多企业落地，“从船舶到航天，我们的软件系统可以和企业已有的定位器和控制系统结合，进行软硬一体‘无缝对接’的合作。”
“未来，该项技术将支持更多大型装备制造，把过去靠经验、靠手工的方法全部自动化和智能化。目前的技术是阶段性的成果，不是结束，而是开始。”王皓说。
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