船舶建造數(shù)字化技術(shù)

李偉

摘 要：本文對(duì)船舶建造數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行了深入地分析，介紹了船舶建造過程中數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，著重對(duì)數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了深入地論述和詳細(xì)地說明。

關(guān)鍵詞：船舶建造；數(shù)字化；信息技術(shù)

中圖分類號(hào)：U673 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1.什么是船舶建造數(shù)字化

船舶建造數(shù)字化是以數(shù)據(jù)處理、圖形圖像、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字控制等數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)字化技術(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(yíng)和決策的全過程，使船舶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)向著自動(dòng)化、精細(xì)化、柔性化、智能化的方向發(fā)展。通過數(shù)字化技術(shù)與現(xiàn)代管理思想和先進(jìn)工程方法的融合，形成船舶制造業(yè)信息化的完整體系，實(shí)現(xiàn)對(duì)造船業(yè)的信息化改造，使得造船企業(yè)全面提升產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)能力，降低生產(chǎn)成本，縮短設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

2.船舶建造數(shù)字化技術(shù)的內(nèi)涵

船舶建造數(shù)字化技術(shù)主要體現(xiàn)在如下3個(gè)方面：

2.1 CAX（計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)）

CAX（計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)）是CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）和CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝計(jì)劃）的統(tǒng)稱。

（1）CAD（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）指在計(jì)算機(jī)及可視化設(shè)備為基礎(chǔ)的專業(yè)化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的支持下，幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)工作?？梢栽贑AD系統(tǒng)的輔助下完成從合同設(shè)計(jì)開始的一系列設(shè)計(jì)工作，建立產(chǎn)品數(shù)字模型，進(jìn)行工程計(jì)算和分析，生成和繪制工程圖，生成物料清單等。

（2）CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的一種近似數(shù)值分析方法。

（3）CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)制造的過程或系統(tǒng)，其核心是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（簡(jiǎn)稱數(shù)控NC）。有狹義和廣義兩個(gè)概念。CAM的狹義概念指的是數(shù)控，包括數(shù)控機(jī)床、數(shù)控加工中心、數(shù)控生產(chǎn)流水線、數(shù)控火焰或等離子切割、激光束加工、自動(dòng)繪圖儀、焊機(jī)、機(jī)器人等；廣義概念還包括制造活動(dòng)中與物流有關(guān)的所有過程（加工、裝配、檢驗(yàn)、存貯、輸送）的監(jiān)視、控制和管理。

（4）CAPP（計(jì)算機(jī)輔助工藝計(jì)劃）是通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品加工的工藝路線制定、工序設(shè)計(jì)、加工方法選擇、工時(shí)定額計(jì)算，包括工裝、夾具設(shè)計(jì)、刀具和切削用量選擇等，生成必要的工藝卡和工藝文件等。CAPP是連接產(chǎn)品設(shè)計(jì)CAD信息和加工制造CAM信息之間工藝信息的橋梁，是生成各種加工制造，管理信息的重要環(huán)節(jié)。

2.2 企業(yè)業(yè)務(wù)技術(shù)過程與信息管理

通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理PDM、產(chǎn)品生命周期管理PLM、企業(yè)資源計(jì)劃ERP、制造執(zhí)行系統(tǒng)MES、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)CIMS等。它們通過信息技術(shù)與現(xiàn)代管理理念的融合，使人、資源、技術(shù)、管理等要素有機(jī)地結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)過程管理的精細(xì)化和企業(yè)資源利用的優(yōu)化。

2.3 數(shù)字化裝備

軟硬件相結(jié)合的數(shù)字化裝備，如NC（數(shù)控設(shè)備）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）、Robot（機(jī)器人）等通過數(shù)字控制形成的生產(chǎn)自動(dòng)化裝備。這些設(shè)備通過離散的數(shù)字信息控制設(shè)備或傳動(dòng)裝置的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工的自動(dòng)化。

3.船舶建造數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展歷程

3.1 單項(xiàng)技術(shù)的企業(yè)部門級(jí)應(yīng)用階段

該階段主要是單項(xiàng)技術(shù)，如數(shù)值計(jì)算技術(shù)、CAD/CAE/CAM技術(shù)、數(shù)控技術(shù)以及各種部門級(jí)的管理信息系統(tǒng)，如財(cái)務(wù)、人事、OA、物資等管理系統(tǒng)在企業(yè)部門的局部范圍內(nèi)的應(yīng)用。部門級(jí)數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用作為一種技術(shù)手段對(duì)提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率、提高產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮著重要作用。

3.2 企業(yè)內(nèi)綜合應(yīng)用集成階段

這一階段是由企業(yè)內(nèi)的信息集成、過程集成到應(yīng)用集成。通過信息集成保證了系統(tǒng)間信息的一致性，通過應(yīng)用集成使企業(yè)內(nèi)部的各種信息系統(tǒng)組成了一個(gè)有機(jī)的整體，大幅提高了數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的整體效益，使得企業(yè)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理的各種業(yè)務(wù)活動(dòng)得以協(xié)調(diào)運(yùn)行，大大提高了企業(yè)的生產(chǎn)能力。

3.3 企業(yè)間的應(yīng)用集成階段

由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，促使電子商務(wù)、供應(yīng)鏈管理、協(xié)同設(shè)計(jì)、敏捷制造等一些基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的新型管理思想和管理方法得以實(shí)施，使得船舶這種具有大量配套設(shè)施的高度復(fù)雜產(chǎn)品的制造能夠?qū)崿F(xiàn)跨地域的專業(yè)化企業(yè)間的協(xié)同運(yùn)作，使產(chǎn)品能夠快速地、柔性地應(yīng)對(duì)用戶的需求。

自20世紀(jì)60年代末將計(jì)算機(jī)用于船舶線型放樣開始，我國(guó)船舶行業(yè)信息化已歷經(jīng)40多年，國(guó)內(nèi)造船業(yè)經(jīng)過不懈的努力，使得造船數(shù)字化技術(shù)已逐步滲透到造船業(yè)價(jià)值鏈的每一個(gè)環(huán)節(jié)，引進(jìn)或自主開發(fā)了各種各樣的信息系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于船舶設(shè)計(jì)、建造和管理過程中。國(guó)內(nèi)一些骨干造船企業(yè)和研究院所已開始引進(jìn)虛擬仿真技術(shù)，開展船舶和海洋工程的產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)和建造過程模擬等研究。

4.船舶建造數(shù)字化技術(shù)體系

制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)是以現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造的工程方法和先進(jìn)制造理論為依據(jù)，以數(shù)字化技術(shù)為手段，面向產(chǎn)品全生命周期，理論方法與應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)體系。

4.1 現(xiàn)代制造理論與數(shù)字化技術(shù)基礎(chǔ)

主要有計(jì)算機(jī)集成制造、并行工程、精益生產(chǎn)、敏捷制造、大批量定制等現(xiàn)代制造理論，以及建模技術(shù)、仿真技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)、集成技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)緊密結(jié)合，形成了其技術(shù)理論基礎(chǔ)。

4.2 數(shù)字化基礎(chǔ)環(huán)境

主要包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及系統(tǒng)軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)、信息安全體系、信息標(biāo)準(zhǔn)化體系等。

4.3 數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)

主要包括產(chǎn)品需求分析、設(shè)計(jì)開發(fā)、生產(chǎn)制造等各個(gè)階段中，為分析和解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程中的各種問題而提供的數(shù)字化的技術(shù)方法和應(yīng)用工具，如單項(xiàng)應(yīng)用技術(shù)CAD、CAE、CAM、VR等，過程管理和集成平臺(tái)PDM、仿真及優(yōu)化應(yīng)用等。

4.4 數(shù)字化制造技術(shù)

主要有數(shù)字化生產(chǎn)計(jì)劃與制造執(zhí)行控制、數(shù)字化工藝過程、數(shù)字化裝備、數(shù)字化制造單元、基于數(shù)字化的生產(chǎn)系統(tǒng)綜合集成等。

4.5 數(shù)字化管理技術(shù)

主要包括現(xiàn)代企業(yè)管理模式、集成化管理與決策信息系統(tǒng)、企業(yè)資源計(jì)劃與管理系統(tǒng)、企業(yè)生產(chǎn)項(xiàng)目管理系統(tǒng)、企業(yè)間協(xié)作的供應(yīng)鏈管理與電子商務(wù)技術(shù)、企業(yè)質(zhì)量管理的相關(guān)技術(shù)及企業(yè)管理系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)施過程及方法等。

船舶建造數(shù)字化技術(shù)是制造業(yè)數(shù)字化技術(shù)針對(duì)船舶制造的特點(diǎn)和具體要求的實(shí)際應(yīng)用。船舶建造數(shù)字化技術(shù)體系包括現(xiàn)代制造與數(shù)字化技術(shù)基礎(chǔ)、船舶產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)、數(shù)字化制造技術(shù)、數(shù)字化管理技術(shù)和一體化集成技術(shù)，此外，還有數(shù)字化基礎(chǔ)支撐環(huán)境與相關(guān)技術(shù)等。

（1）船舶產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)以三維建模技術(shù)、數(shù)值計(jì)算技術(shù)、CAD、PDM、并行協(xié)同技術(shù)等數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，按照船舶設(shè)計(jì)不同階段及不同專業(yè)的規(guī)范和技術(shù)要求，形成船舶各設(shè)計(jì)階段的數(shù)字化技術(shù)。

（2）船舶產(chǎn)品數(shù)字化制造技術(shù)以MES、CAPP、NC、過程仿真等數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)代造船模式的要求，形成制造執(zhí)行層面的船舶數(shù)字化制造技術(shù)。

（3）船舶產(chǎn)品數(shù)字化管理技術(shù)則是將制造業(yè)先進(jìn)的管理理念和方法與數(shù)字化技術(shù)相融合，按照船舶生產(chǎn)管理特點(diǎn)，形成船舶制造數(shù)字化管理技術(shù)。

（4）一體化集成技術(shù)則是進(jìn)一步在設(shè)計(jì)、制造、管理等數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)信息的集成和應(yīng)用的集成，達(dá)到工程的并行和協(xié)同。

上述數(shù)字化技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用需具備相應(yīng)的基礎(chǔ)環(huán)境，需要解決一些相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，如信息標(biāo)準(zhǔn)化、編碼體系、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)、企業(yè)資源數(shù)據(jù)庫(kù)、集成平臺(tái)、信息安全體系等。

5.船舶建造集成系統(tǒng)

船舶建造集成系統(tǒng)涵蓋船舶建造企業(yè)的設(shè)計(jì)、制造、管理的主要業(yè)務(wù)過程：

（1）設(shè)計(jì)方面主要包含船、機(jī)、電、舾裝、涂裝等專業(yè)門類的設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)、船舶設(shè)計(jì)虛擬仿真系統(tǒng)，以及結(jié)合生產(chǎn)工藝要求的各個(gè)專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)生成的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)通過PDM（船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)）存放并管理，以PDM作為平臺(tái)，為船舶制造系統(tǒng)和管理系統(tǒng)提供有關(guān)產(chǎn)品信息的共享。

（2）船舶建造和管理系統(tǒng)通常包含工程計(jì)劃管理、物資與物流管理、成本管理、財(cái)務(wù)管理、質(zhì)量管理、企業(yè)資源（設(shè)備與人力資源）管理，以及MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）等。

（3）制造執(zhí)行系統(tǒng)控制車間級(jí)的生產(chǎn)制造執(zhí)行過程，如造船精度管理、資源日程計(jì)劃、作業(yè)安排與執(zhí)行實(shí)績(jī)反饋等。制造和管理系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)經(jīng)管計(jì)劃和產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)的要求制訂工程計(jì)劃、采購(gòu)計(jì)劃、生產(chǎn)計(jì)劃和其他生產(chǎn)準(zhǔn)備工作，通過制造執(zhí)行系統(tǒng)貫徹實(shí)施生產(chǎn)作業(yè)過程。

結(jié)語

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，制造業(yè)的新思想、新方法、新技術(shù)層出不窮、日新月異，船舶建造業(yè)應(yīng)該緊跟現(xiàn)代科技潮流，不斷創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)船舶建造技術(shù)的跨越式發(fā)展。

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