淺談數(shù)字化技術(shù)在造船行業(yè)的應(yīng)用與研究

蘭放 蔣福宗

摘 要：數(shù)字化造船是以造船過程的知識融合為基礎(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。數(shù)字化造船技術(shù)涵蓋的范圍非常廣泛。本文就目前較為流行的部分?jǐn)?shù)字化技術(shù)進(jìn)行簡要分析。

關(guān)鍵詞：船舶制造；數(shù)字化設(shè)計(jì)；信息一體化

一、引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，造船企業(yè)的信息化和船舶制造技術(shù)的數(shù)字化已成為全球造船業(yè)提高核心競爭力的關(guān)鍵因素和有效手段。由此也衍生出了“數(shù)字化造船”的概念――以造船過程的知識融合為基礎(chǔ)，以數(shù)字化建模仿真與優(yōu)化為特征，將信息技術(shù)、先進(jìn)的數(shù)字化制造技術(shù)、先進(jìn)的造船技術(shù)和現(xiàn)代造船模式綜合應(yīng)用于船舶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、測試與試驗(yàn)、管理和維護(hù)中。本文就數(shù)字化技術(shù)在造船業(yè)的應(yīng)用進(jìn)行分析探討，并對展望未來的發(fā)展趨勢。

二、行業(yè)背景

在經(jīng)濟(jì)全球化的今天，國際造船業(yè)已發(fā)展成為全球一體化市場，世界各國造船企業(yè)在全球范圍內(nèi)展開了技術(shù)、性能、質(zhì)量和服務(wù)等全方位的角逐。隨著全球船舶市場占有率的競爭日趨激烈，世界造船業(yè)在技術(shù)、體制上發(fā)生了重大改革，其中造船技術(shù)的發(fā)展尤為突出，從最初的焊接技術(shù)到大型生產(chǎn)流水線等新技術(shù)的成功應(yīng)用，到現(xiàn)階段信息集成系統(tǒng)、并行工程、敏捷造船、先進(jìn)制造模式等先進(jìn)技術(shù)或理念在船舶制造業(yè)中廣泛應(yīng)用，使船舶行業(yè)凸顯成為信息密集、技術(shù)密集和資金密集的現(xiàn)代新型產(chǎn)業(yè)。

自二十世紀(jì)七十年代開始，我國造船業(yè)開始快速發(fā)展，至今已經(jīng)歷了特征鮮明的三個階段。從最初的打開國門走向世界，到規(guī)模不斷壯大超越日韓，我國造船業(yè)在幾經(jīng)沉浮后實(shí)現(xiàn)了蛻變，造船技術(shù)的發(fā)展也實(shí)現(xiàn)了飛躍。尤其是數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展，完成了船舶設(shè)計(jì)、制造、管理手段的革新。

中國船舶工業(yè)發(fā)展歷程

三、技術(shù)分析及應(yīng)用

數(shù)字化造船要求以數(shù)據(jù)處理、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等數(shù)字化技術(shù)為基礎(chǔ)，將數(shù)字化技術(shù)全面應(yīng)用于船舶的開發(fā)、設(shè)計(jì)、制造、管理的全過程中。數(shù)字化技術(shù)所包含的內(nèi)容非常廣泛，如何將船舶設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理的相關(guān)理論和方法與特定數(shù)字化技術(shù)相融合將是數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵所在。下面列舉部分船舶行業(yè)中應(yīng)用的重點(diǎn)/難點(diǎn)技術(shù)，并結(jié)合NACKS的現(xiàn)狀進(jìn)行了簡要的分析。

（一）虛擬仿真技術(shù)

船舶建造虛擬仿真技術(shù)作為一種新型技術(shù)，旨在利用數(shù)字模型替代物理原型，對船舶的設(shè)計(jì)、制造及生產(chǎn)系統(tǒng)等進(jìn)行仿真，以提高設(shè)計(jì)水平、建造質(zhì)量，縮短產(chǎn)品研制周期。船舶建造虛擬仿真技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的一種新的先進(jìn)造船技術(shù)，是船舶數(shù)字化建造的具體體現(xiàn)，對船舶產(chǎn)業(yè)的科技發(fā)展具有重要意義。

造船發(fā)達(dá)國家紛紛利用信息技術(shù)給造船業(yè)帶來的各種機(jī)遇，積極開展船舶虛擬設(shè)計(jì)和建造仿真技術(shù)的研究。韓國和日本的造船業(yè)，虛擬設(shè)計(jì)與制造仿真技術(shù)研究開展得比較早，并取得較好的研究成果。對于首制高附加值船舶和船舶的設(shè)計(jì)和建造，在實(shí)際建造之前都要利用虛擬仿真技術(shù)對設(shè)計(jì)結(jié)果、建造工藝和建造流程進(jìn)行預(yù)先仿真，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)中存在的問題。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將仍處于概念階段的設(shè)計(jì)方案以逼近于現(xiàn)實(shí)的形式呈現(xiàn)出來，從而可以及早發(fā)現(xiàn)并糾正設(shè)計(jì)問題。

虛擬仿真在船舶行業(yè)的應(yīng)用范疇，主要包含四部分內(nèi)容：船舶虛擬設(shè)計(jì)評估與優(yōu)化技術(shù)、船舶建造工藝仿真與優(yōu)化技術(shù)、船廠物流仿真與能力評估技術(shù)與作業(yè)、運(yùn)行保障仿真技術(shù)。國內(nèi)船舶行業(yè)在前三個方向都開展了一些工作，基本突破了常用異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、船舶產(chǎn)品虛擬評估技術(shù)、船舶工藝自動建造技術(shù)、船舶焊接工藝智能設(shè)計(jì)與統(tǒng)計(jì)技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，并開展多型船舶的建造工藝仿真，船廠建造資源能力評估等工作。然后，在建造工藝深化應(yīng)用、船廠物流仿真、運(yùn)行保障領(lǐng)域的應(yīng)用較少，深度也較淺，將是未來發(fā)展重點(diǎn)。

（二）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)即通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器、氣體感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在近十年開速發(fā)展的一項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在不知不覺間已經(jīng)充斥在我們身邊每一個角落，比如打卡考勤系統(tǒng)和條形碼掃描系統(tǒng)。

船舶行業(yè)屬于勞動力密集型、多品種、小批量、按訂單生產(chǎn)的離線制造行業(yè)，因其行業(yè)信息化量大、管理復(fù)雜，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展給船舶行業(yè)注入了新鮮的血液。通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，可在生產(chǎn)建造、物流、設(shè)備管理、能源控制、安全管理、質(zhì)量管理等多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)信息的實(shí)時(shí)采集、統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)過程控制、狀態(tài)跟蹤、統(tǒng)計(jì)分析、平衡優(yōu)化的目的。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在最近幾年發(fā)展迅速，但其在船舶行業(yè)的普及還存在一定難度，首先最重要的一點(diǎn)就是成本問題。電子標(biāo)簽、讀寫設(shè)備價(jià)格較高，在沒有大規(guī)模應(yīng)用的情況下，收益預(yù)期與投入難以平衡。其次，物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用還存在一定的技術(shù)難點(diǎn)：技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)還存在較多不統(tǒng)一的部分；數(shù)據(jù)采集頻繁，信息安全需重點(diǎn)考慮；物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議棧需要統(tǒng)一；IPV4資源存在耗盡風(fēng)險(xiǎn)。另外，造船現(xiàn)場的條件較差，這對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用提出了挑戰(zhàn)，潮濕、高溫、電磁屏蔽等也是阻礙物聯(lián)網(wǎng)普及的障礙物。

（三）企業(yè)信息集成技術(shù)

在船舶企業(yè)中，由于作業(yè)內(nèi)容的不同，往往有多個異構(gòu)的、運(yùn)行在不同的軟硬件平臺上的信息系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，這些系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源彼此獨(dú)立、相互封閉，使得數(shù)據(jù)難以在系統(tǒng)之間交流、共享和融合，從而形成了"信息孤島"。隨著數(shù)字化應(yīng)用的不斷深入，企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)與外部信息交互的需求日益強(qiáng)烈，急切需要對已有的信息進(jìn)行整合，聯(lián)通“信息孤島”，共享信息。

企業(yè)信息集成是指企業(yè)在不同應(yīng)用系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同格式和存儲方式之間的轉(zhuǎn)化，來源不同、形態(tài)不一、內(nèi)容不等的信息資源進(jìn)行系統(tǒng)分析、辨清正誤、消除冗余、合并同類，進(jìn)而產(chǎn)生具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)形式的有價(jià)值信息的過程。

對船舶企業(yè)而言，企業(yè)的信息集成可實(shí)現(xiàn)各部門、各應(yīng)用系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程的定制、改造和優(yōu)化，為企業(yè)的各種應(yīng)用和系統(tǒng)提供一個統(tǒng)一的運(yùn)行協(xié)作平臺，實(shí)現(xiàn)流程協(xié)作和信息共享。信息的共享又會間接的降低企業(yè)的運(yùn)營成本。

（四）CAD/CAE一體化技術(shù)

船舶設(shè)計(jì)是一個涉及多個專業(yè)、多個系統(tǒng)、規(guī)模龐大的協(xié)同工作過程。其周期較長、過程較復(fù)雜，且在船舶設(shè)計(jì)過程中，不同專業(yè)使用不同的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）及計(jì)算機(jī)輔助分析（CAE）軟件，從而造成缺乏一體化、集成化的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，信息交流不通暢，存在“信息孤島”問題。CAD/CAE技術(shù)的相互融合、相互滲透已成為了一種自發(fā)的有效需求，在CAD/CAE一體化技術(shù)的幫助下，船舶研發(fā)、設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，可大大縮短產(chǎn)品周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

通過對比可以看出，CAD注重產(chǎn)品的外形特征，以提供圖形圖像、數(shù)字化模型為主，而CAE更注重的是產(chǎn)品物理特征問題。在實(shí)際作業(yè)中，將研發(fā)和設(shè)計(jì)相互割裂開來會產(chǎn)生重復(fù)性投入，同時(shí)會降低作業(yè)流程的效率。

FEM與TRIBON建立的船體模型對比

四、結(jié)束語

展望數(shù)字化造船業(yè)的未來，船舶企業(yè)應(yīng)該緊緊抓住發(fā)展的歷史機(jī)遇，利用現(xiàn)代集成制造的理念、方法、技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)船舶產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、測試與試驗(yàn)、制造和管理數(shù)字化，打通船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、管理的一體化主線，實(shí)現(xiàn)以信息流為依據(jù)、物流控制為主軸、資金流控制為龍頭的數(shù)字化的高效的運(yùn)行系統(tǒng)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化在船舶行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛，要想保持企業(yè)的活力，“協(xié)同創(chuàng)新”是必不可少的。