數(shù)字化造船現(xiàn)狀、趨勢及對策分析

宋雷 趙立響 任昱衡

引言：數(shù)字化造船是以造船知識(shí)融合為基礎(chǔ)，以數(shù)字化建模仿真與優(yōu)化為特征，將信息技術(shù)全面應(yīng)用于船舶的產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、管理、經(jīng)營和決策的全過程，最終達(dá)到快速設(shè)計(jì)、快速建造、快速檢測、快速響應(yīng)和快速重組的目的。

一、數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

（一）國外發(fā)展現(xiàn)狀

日本IHI、住友等已在各種信息系統(tǒng)和船舶通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，著手“大數(shù)據(jù)”在船舶工業(yè)應(yīng)用。韓國三星、現(xiàn)代大量開發(fā)應(yīng)用各種信息系統(tǒng)，并利用超高速網(wǎng)、轉(zhuǎn)送大容量的數(shù)據(jù)，取得了顯著的成果。美國作為軍用艦船制造領(lǐng)先國家，采用數(shù)字化、虛擬企業(yè)、舾裝單元流水線和激光機(jī)器人等技術(shù)的全新軍用艦船建造方式， 實(shí)現(xiàn)了低成本、高質(zhì)量的艦船制造。

（二）國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)造船企業(yè)目前引進(jìn)或開發(fā)了各種信息系統(tǒng)，如CAD/CAM系統(tǒng)、PDM系統(tǒng)，虛擬仿真；有的企業(yè)引進(jìn)了國外造船CIMS系統(tǒng)，并在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上開始了設(shè)計(jì)生產(chǎn)一體化的應(yīng)用實(shí)施，并在船舶焊接工藝智能設(shè)計(jì)，精益造船系統(tǒng)、船舶虛擬仿真平臺(tái)取得突破。

（三）國內(nèi)外技術(shù)差距

我國造船企業(yè)在造船數(shù)字化方面，與美日韓同行仍存在較大差距，主要體現(xiàn)在：

1.船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)方面，基于3D模型的CAD/CAM已得到了廣泛應(yīng)用，但基本送審設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)之間的信息載體仍為紙質(zhì)圖紙，全過程的三維設(shè)計(jì)遠(yuǎn)沒有實(shí)現(xiàn)。CAE的應(yīng)用局限于設(shè)計(jì)分析階段，在船舶建造過程中CAE的應(yīng)用程度不足。

2.造船數(shù)字化管理方面，CAPP、PDM、CIMS等船舶建造信息支持系統(tǒng)以單個(gè)應(yīng)用為主，標(biāo)準(zhǔn)和編碼等基礎(chǔ)工作不夠扎實(shí)，并缺乏準(zhǔn)確而齊全的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。

3.船舶數(shù)字化建造方面信息流對生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)施僅僅是離散型的驅(qū)動(dòng)，并且僅局限于船體部件加工階段，船舶建造過程中的集成度、自動(dòng)化程度和數(shù)字化程度還相當(dāng)?shù)汀?/p>

二、未來發(fā)展趨勢

在先進(jìn)造船理念和新技術(shù)浪潮的推動(dòng)下，船舶科技迅猛發(fā)展，造船數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的趨勢已初現(xiàn)端倪。

（一）基于數(shù)字化技術(shù)的造船模塊化

模塊化造船是通過組裝單元件和標(biāo)準(zhǔn)件，形成造船中廣泛采用的結(jié)構(gòu)模塊、舾裝模塊、殼舾涂一體化模塊，這些模塊具有獨(dú)立功能、通用性和特定界面，最終在船臺(tái)（塢）內(nèi)合攏成船舶，使船廠真正成為了總裝企業(yè)。發(fā)達(dá)國家船舶制造普遍采用殼舾涂一體化集成制造模式，并向模塊化建造過渡。

（二）基于數(shù)字化技術(shù)的造船智能化

智能化造船是造船生產(chǎn)的最高階段，它以企業(yè)為對象，在系統(tǒng)科學(xué)的指導(dǎo)下將企業(yè)的全部生產(chǎn)經(jīng)營過程（包括市場研究、經(jīng)營決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工制造、生產(chǎn)管理、銷售及服務(wù)等）采用軟硬件綜合成一個(gè)由智能計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化裝備所組成的集成系統(tǒng)，在制造過程中廣泛采用切割機(jī)器人、裝配焊接機(jī)器人等智能化制造裝備進(jìn)行加工和裝配，使船廠逐漸成為沒有灰塵、沒有危險(xiǎn)和沒有疲勞的真正現(xiàn)代化工廠。

（三）基于數(shù)字化技術(shù)的造船網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)化制造是按照敏捷制造的思想，采用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立靈活有效、互惠互利的動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟，有效地實(shí)研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和銷售各種資源的重組，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，集成和流通科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及其過程控制信息和經(jīng)營、管理、服務(wù)等信息，從而提高企業(yè)對市場的快速響應(yīng)能力和競爭能力。

（四）基于數(shù)字化技術(shù)的造船綠色化

發(fā)展綠色船舶是全球造船界的選擇。綠色造船技術(shù)不是單一的綠色制造技術(shù)，它涉及船舶設(shè)計(jì)、建造、配套、原材料、標(biāo)準(zhǔn)、管理等各個(gè)環(huán)節(jié)，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。實(shí)施綠色造船的源頭在綠色設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)的手段是綠色工藝技術(shù)與裝備，實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)在于綠色管理，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于數(shù)字化技術(shù)。

三、發(fā)展思路分析

中國的船舶工業(yè)正處于一個(gè)新的歷史起點(diǎn)上，“兩化融合”仍將是數(shù)字化造船科學(xué)發(fā)展與自主創(chuàng)新的主題，面對數(shù)字化造船的發(fā)展趨勢，企業(yè)需要將更多的資源投入以下重點(diǎn)：

（一）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)

統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)是異構(gòu)系統(tǒng)間信息交換的重要橋梁，該標(biāo)準(zhǔn)是與具體系統(tǒng)無關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，該標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)和運(yùn)用是船舶行業(yè)或企業(yè)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）的關(guān)鍵。目前，最常用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式有DXF/STEP/IGES等。

（二）數(shù)字化測量技術(shù)

利用先進(jìn)的激光檢測技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)，減少造船過程中樣箱、樣板的使用。完善和提高全站儀等測量工具的功能模塊和測量能力，針對船板加工過程，特別是水火彎板工藝過程，研究先進(jìn)的船板成型測量方法，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，重點(diǎn)突破船板成型精度大尺度激光測量技術(shù)、數(shù)模匹配與比對、檢測結(jié)果多形式表達(dá)、成形工藝過程標(biāo)識(shí)等關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)可現(xiàn)場在位使用的曲面成型數(shù)字化測量系統(tǒng)。

（三）建立智能化造船體系

以船舶企業(yè)數(shù)據(jù)庫和知識(shí)庫為基礎(chǔ)，通過智能化技術(shù)將造船企業(yè)經(jīng)營運(yùn)作整個(gè)過程集成，建立覆蓋船舶生產(chǎn)經(jīng)營全過程的綜合決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜合管理定量分析和決策，指導(dǎo)企業(yè)運(yùn)行管理的柔性化和智能化，并將決策系統(tǒng)延伸到制造過程，以模塊化和自動(dòng)化為核心，將現(xiàn)代造船模式與智能化制造設(shè)備通過信息化技術(shù)充分融合，建立流程化生產(chǎn)作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)造船智能化。

（四）生產(chǎn)現(xiàn)場管理信息化應(yīng)用

推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。通過物聯(lián)網(wǎng)、GPS、GIS（地理信息系統(tǒng)）、無線網(wǎng)絡(luò)、手持或車載終端、無線監(jiān)控、看板設(shè)備、仿真控制等信息技術(shù)和設(shè)備的應(yīng)用，進(jìn)一步深化造船企業(yè)現(xiàn)場管理信息化應(yīng)用，支持現(xiàn)場物流管理、進(jìn)度管理、作業(yè)管理、關(guān)鍵設(shè)備管理、動(dòng)能源管理、看板管理、5S管理、安全管理、質(zhì)量管理等多個(gè)方面的信息化管理。

（五）普及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在船舶建造中的應(yīng)用將越來越廣泛，對于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究重點(diǎn)應(yīng)著力于船舶行業(yè)虛擬仿真應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)的研究、船舶設(shè)計(jì)與虛擬評估一體化集成技術(shù)的研究、船舶建造虛擬裝配技術(shù)應(yīng)用研究與系統(tǒng)開發(fā)的研究、船舶建造生產(chǎn)物流虛擬仿真技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用研究等。

（六）建立網(wǎng)絡(luò)化船舶制造模式

構(gòu)建面向行業(yè)的基于網(wǎng)絡(luò)的制造系統(tǒng)，形成數(shù)字化工程聯(lián)盟，必須通過各級企業(yè)的ERP系統(tǒng)，提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息來最大限度地克服企業(yè)之間供應(yīng)鏈的不確定性，形成高效的動(dòng)態(tài)企業(yè)聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)行業(yè)技術(shù)和資源的優(yōu)化配置，提高行業(yè)最大生產(chǎn)效率、效益和競爭力。例如中船集團(tuán)的管控?cái)?shù)字化，就是以“六集中”管理為核心，以集團(tuán)公司戰(zhàn)略管理、風(fēng)險(xiǎn)管理、生產(chǎn)管理、成本管理、決策支持等為重點(diǎn)開展的集團(tuán)管控信息化建設(shè)。

（七）數(shù)值預(yù)報(bào)與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

利用數(shù)字化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)船舶性能的預(yù)測和優(yōu)化，也需要水動(dòng)力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、振動(dòng)噪聲性能、抗爆抗沖擊和材料性能等理論性、專業(yè)性極強(qiáng)的學(xué)科發(fā)展，其進(jìn)展能直接影響到船舶的性能，對實(shí)現(xiàn)研制時(shí)間和經(jīng)費(fèi)的大幅削減有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1]楊敬東，王智祥等.信息集成的數(shù)字化造船關(guān)鍵技術(shù)研究[J].中國水運(yùn)（下半月）.2013（07）.

[2]宋雷，趙立響等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在船舶工業(yè)中應(yīng)用研究[J].中國電子商務(wù).2014（08）.

（作者單位：1.上海交通大學(xué)信息安全工程學(xué)院；2.湖北財(cái)稅職業(yè)學(xué)院；3.中船信息科技有限公司）