船舶與海工裝備智能制造發(fā)展路徑研究

李佛塵,歐慶奎

(1.中國船級(jí)社 江蘇分社,江蘇 南京 210011;2.江蘇省船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì),江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)快速發(fā)展,數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化逐漸成為船舶與海工裝備制造的發(fā)展方向,船舶與海工裝備制造融合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù),具備安全可靠、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效等顯著優(yōu)勢(shì),是未來船舶工業(yè)和海洋工程裝備產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。

本文對(duì)國內(nèi)外及江蘇船舶與海工制造的發(fā)展現(xiàn)狀、典型技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展重點(diǎn)進(jìn)行了歸納分析,預(yù)測(cè)為未來船舶與海工裝備智能制造帶來變革的新一代關(guān)鍵技術(shù),對(duì)江蘇省船舶與海工裝備智能化制造發(fā)展提出建議。

1 國外船舶工業(yè)和海洋工程裝備智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

目前,隨著虛擬制造技術(shù)、精密制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、集成制造技術(shù)和人工智能技術(shù)的迅猛發(fā)展,國外海洋裝備制造大國不斷引進(jìn)高新技術(shù)來推動(dòng)工業(yè)制造信息化、智能化,從而推動(dòng)船舶工業(yè)和海洋工程裝備工業(yè)的升級(jí)換代。同時(shí),隨著工業(yè)制造理念不斷變化,造船企業(yè)和海工制造企業(yè)基于網(wǎng)絡(luò)化,將并行工程、敏捷制造等先進(jìn)集成制造方法廣泛應(yīng)用于船舶與海洋裝備制造行業(yè)。

在亞洲,日本和韓國的船舶智能制造比較成功。韓國在智能制造方面投入大量精力進(jìn)行數(shù)據(jù)研究,擁有相對(duì)成熟的船舶的自我設(shè)計(jì)和開發(fā)經(jīng)驗(yàn),并將數(shù)字化管理技術(shù)投入到船舶制造工程管理中。韓國蔚山科學(xué)研究院與現(xiàn)代重工集團(tuán)合作,將海洋工程現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)制造細(xì)化為各個(gè)項(xiàng)目階段,對(duì)每個(gè)階段精細(xì)分析,減少延誤誤差,降低生產(chǎn)誤差。該項(xiàng)目通過優(yōu)化建造工藝,每年節(jié)省約500萬美元。日韓兩國重點(diǎn)投入開發(fā)集成制造系統(tǒng),解決了大數(shù)據(jù)互通融合問題,實(shí)現(xiàn)了海洋工程裝備制造生產(chǎn)一體化。同時(shí),智能制造機(jī)器人開始出現(xiàn)在制造車間。

船舶海工智能制造在國際合作潮流下達(dá)到新高度。KBR公司通過鷹圖Smart 3D軟件實(shí)現(xiàn)海上平臺(tái)和大型液化裝置的設(shè)計(jì)和關(guān)鍵項(xiàng)目的施工。日本海上油氣生產(chǎn)企業(yè)注重生產(chǎn)設(shè)施的智能化能力建設(shè),研發(fā)具有更高智能性、靈活性、易操作維護(hù)的雙殼體焊接機(jī)。制造過程中使用各種類型的焊接機(jī)器人,以提高裝配和焊接效率。

歐美國家正充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù),實(shí)現(xiàn)海洋工程裝備制造和海上油氣裝置運(yùn)作的管理智能化。通過開發(fā)設(shè)計(jì)到售后服務(wù)一體化的“數(shù)字孿生模型”,一比一打造真實(shí)結(jié)構(gòu)的三維物理模型,為制造、生產(chǎn)和運(yùn)營管理帶來了靈活性,使生產(chǎn)更容易引入新型技術(shù),便利了海洋油氣生產(chǎn)設(shè)施全生命周期的管理支持,縮短了開發(fā)周期,降低了建設(shè)成本,提供了高水平的運(yùn)維服務(wù)。

2 國內(nèi)船舶和海工裝備智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

與其他傳統(tǒng)行業(yè)制造業(yè)相比,船舶與海工制造業(yè)產(chǎn)品類型繁多、勞動(dòng)力密集、生產(chǎn)周期長、管理難度大、建造工藝復(fù)雜,對(duì)于高質(zhì)量的集成工業(yè)軟件的要求高。

如今我國在船舶與海工制造業(yè)廣泛應(yīng)用了虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)、集成化數(shù)據(jù)管理技術(shù),數(shù)字化制造正不斷邁向全新的階段。與其他制造業(yè)相比,船舶與海工制造工業(yè)需要熟悉數(shù)字化制造結(jié)構(gòu)體系,利用以往制造經(jīng)驗(yàn),順應(yīng)船舶與海洋工程裝備制造信息化、數(shù)字發(fā)展新趨勢(shì),發(fā)掘智能制造的新內(nèi)涵,推進(jìn)國內(nèi)數(shù)字化、智能化船舶和海工制造的發(fā)展[1]。以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可視化、集成化為基礎(chǔ),建立數(shù)字化船舶與海工先進(jìn)制造體系,形成網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化信息空間。目前,我國船舶與海工制造業(yè)已基本形成了以CADDS5、TRIBON等船舶工業(yè)軟件為基礎(chǔ)進(jìn)行工程分析及仿真軟件集成的立體三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。

3 江蘇省船舶行業(yè)智能制造發(fā)展現(xiàn)狀

以《中國制造2025》作為現(xiàn)代船舶與海工智能化制造發(fā)展導(dǎo)向,江蘇明確將發(fā)展智能制造作為省內(nèi)先進(jìn)制造業(yè)基地建設(shè)的重要抓手。江蘇大型船舶與海工企業(yè)也在智能制造業(yè)方面進(jìn)行了一些重要探索,以期通過智能化建造走上船舶與海工制造的發(fā)展快車道。

靖江造船企業(yè)及相關(guān)配套公司與南京理工大學(xué)、江蘇科技大學(xué)等建立了緊密的“產(chǎn)、學(xué)、研”共同體,為高附加值產(chǎn)品的研發(fā)提供人才和技術(shù)支持,加快智能制造和新技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新基地建設(shè)。設(shè)立的靖江市船舶智能制造研發(fā)中心,引進(jìn)了多名智能船舶制造領(lǐng)域的資深專家,積極開展研發(fā)項(xiàng)目和科技活動(dòng),幫助解決船舶產(chǎn)業(yè)建造效率、船臺(tái)時(shí)間、質(zhì)量穩(wěn)定性等關(guān)鍵技術(shù)問題。同時(shí),南京理工大學(xué)和新時(shí)代造船有限公司團(tuán)隊(duì)共同開發(fā)了“大型船舶機(jī)器人智能高效焊接技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目,并獲得省科技成果轉(zhuǎn)化資金1 000萬元的扶持。

南通中遠(yuǎn)海運(yùn)川崎船舶工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱“南通川崎”)已在江蘇省建成了一個(gè)工信部智能制造示范基地項(xiàng)目和兩個(gè)智能車間示范工程。2015年,南通川崎智能車間被工業(yè)和信息化部認(rèn)定為造船行業(yè)唯一的智能制造試點(diǎn)項(xiàng)目。南通川崎車間的自動(dòng)化生產(chǎn)線減少了60%的傳統(tǒng)勞動(dòng)力,提高了近3倍的生產(chǎn)效率。利用智能制造推動(dòng)智能車間建設(shè)將成為造船和船舶裝備行業(yè)現(xiàn)代化的重要方向。2017年,工業(yè)和信息化部公布了2017年工業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)融合試點(diǎn)名單,南通川崎“基于工業(yè)化與產(chǎn)業(yè)化深度融合的智能船廠”項(xiàng)目成為船舶制造業(yè)唯一的智能工廠的試點(diǎn)項(xiàng)目。南通川崎近年來在智能化改造方面進(jìn)行了許多探索,如將智能機(jī)器人應(yīng)用為智能化改革的切入點(diǎn),推進(jìn)信息化與產(chǎn)業(yè)化深度融合,引進(jìn)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)線建設(shè)智能車間,加強(qiáng)產(chǎn)品精密制造和敏捷制造能力。未來,南通川崎還將智能化改造應(yīng)用到大型裝配和分段焊接、機(jī)器人涂裝、機(jī)器人拋光等。

4 江蘇船舶與海工裝備智能制造關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向

4.1 工業(yè)支撐軟件

目前,全球正處于歐美軟件引領(lǐng)世界的局面,在工業(yè)CAD軟件領(lǐng)域,西門子、歐特克等企業(yè)的工業(yè)軟件占據(jù)了中國95%以上的市場(chǎng)份額。在CAE軟件方面,美國公司的產(chǎn)品在中國的市場(chǎng)占有率超過95%。在計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)領(lǐng)域,雖然省內(nèi)企業(yè)與國內(nèi)相關(guān)公司和科研院所合作在船舶與海工工業(yè)軟件的開發(fā)和推廣上下了很大的功夫,但總體來說,國產(chǎn)軟件的表現(xiàn)并不盡如人意[2]。由于國內(nèi)缺乏系統(tǒng)的集成體系,不同類型軟件之間的接口不統(tǒng)一,導(dǎo)致軟件和功能之間不能兼容,同時(shí)由于生產(chǎn)制造的經(jīng)驗(yàn)不足,國內(nèi)未擁有成熟的制造標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致國產(chǎn)海洋工程工業(yè)軟件缺乏改進(jìn)的合理途徑。另外,由于江蘇的工業(yè)軟件客戶不多,市場(chǎng)占有率不高,商業(yè)化程度低,嚴(yán)重打擊了省內(nèi)軟件開發(fā)商的研發(fā)積極性。

江蘇船舶與海洋工程工業(yè)軟件自主研發(fā)進(jìn)度緩慢還存在以下弊端：

(1)缺乏行業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的規(guī)劃和成熟的平臺(tái),省內(nèi)制造企業(yè)往往僅根據(jù)自身的發(fā)展需要來投資解決公司局部問題。由于企業(yè)之間軟件功能間信息無法交換,對(duì)工業(yè)軟件整體的開發(fā)和提升的收益不大。

(2)缺乏集成管理系統(tǒng),難以形成合力。由于省內(nèi)工業(yè)軟件開發(fā)的管理機(jī)制不成熟,內(nèi)部軟件之間的信息不能互通,無法促進(jìn)功能間的有效促進(jìn)。

(3)缺乏資金方面的支持,對(duì)項(xiàng)目的研發(fā)不利。目前使用國產(chǎn)制造工業(yè)軟件需要國內(nèi)企業(yè)尤其是大型企業(yè)的支持,而投資使用國產(chǎn)工業(yè)軟件對(duì)國內(nèi)企業(yè)來講是一種高風(fēng)險(xiǎn)、低收益的行為,社會(huì)資本更愿意投資成熟的國外軟件。由于缺乏社會(huì)資本的支持,國產(chǎn)工業(yè)軟件項(xiàng)目陷入了無人問津的局面。

(4)由于江蘇企業(yè)的資源有限,企業(yè)之間的信息交流協(xié)同發(fā)展不暢,導(dǎo)致對(duì)于船舶與海洋工程產(chǎn)品開發(fā)成果不佳,且成果無法共享。由于各個(gè)企業(yè)之間的理念發(fā)展方向和信息接口不通,開發(fā)出來的軟件也難以兼容,力量沒有整合起來形成合力。

江蘇船舶與海工裝備工業(yè)軟件發(fā)展需要政府的支持和指引。企業(yè)依靠政策支持,鞏固研發(fā)創(chuàng)新基礎(chǔ),通過上下游企業(yè)間合作,加強(qiáng)工業(yè)軟件產(chǎn)品的應(yīng)用和推廣,同時(shí)收集客戶的使用反饋和建議,改進(jìn)軟件功能,促進(jìn)軟件的進(jìn)步。只有完善了工業(yè)軟件的基礎(chǔ)功能,才能解決軟件的商業(yè)推廣和市場(chǎng)份額問題。工業(yè)軟件具有知識(shí)密集型的屬性,為實(shí)現(xiàn)船舶與海洋工程裝備工業(yè)軟件的商業(yè)化、自主化,需要國內(nèi)多行業(yè)共同努力,實(shí)現(xiàn)跨界學(xué)科融合,調(diào)動(dòng)國內(nèi)研發(fā)力量,結(jié)合國內(nèi)工業(yè)企業(yè)發(fā)展需求和國內(nèi)市場(chǎng)的功能需求,有針對(duì)性地研發(fā)工業(yè)軟件功能,抓住未來的軟件市場(chǎng),擴(kuò)大國內(nèi)軟件的商業(yè)應(yīng)用,這樣國內(nèi)造船和海工制造業(yè)軟件發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

要為國產(chǎn)造船和海工制造軟件創(chuàng)造廣闊的市場(chǎng),還必須在以下3個(gè)方面努力：

(1)在研發(fā)過程中從一開始就要有多個(gè)促銷計(jì)劃,并不斷改進(jìn)和完善。

(2)積極開拓國內(nèi)船舶與海工裝備制造業(yè)市場(chǎng),調(diào)動(dòng)全行業(yè)的積極性。

(3)強(qiáng)化省內(nèi)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù),使省內(nèi)企業(yè)的權(quán)益得到真正有效的保護(hù),也能消除盜版軟件猖獗的市場(chǎng)亂象。

4.2 智能船廠關(guān)鍵技術(shù)分析

江蘇省已經(jīng)在南通川崎開展智能船廠建設(shè)試點(diǎn),需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)技術(shù)、管理技術(shù)、基礎(chǔ)共性方面進(jìn)行智能化、信息化改革。

4.2.1 船舶產(chǎn)品智能設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

智能設(shè)計(jì)的未來將是設(shè)計(jì)信息自動(dòng)化,包括以下3個(gè)方面：

(1)計(jì)算機(jī)模型建立自動(dòng)化。通過自動(dòng)采集二維信息和規(guī)格信息將產(chǎn)品參數(shù)、加工安裝信息自動(dòng)化輸入計(jì)算,標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)三維建模。

(2)繪圖自動(dòng)化。基于計(jì)算機(jī)三維物理模型,自動(dòng)輸出生產(chǎn)圖紙。

(3)物量信息交流自動(dòng)化。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)產(chǎn)品現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)與三維模型數(shù)據(jù)自動(dòng)化交流。

4.2.2 船舶智能生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)

造船技術(shù)主要包括焊接技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、通用領(lǐng)域技術(shù)、涂裝技術(shù)等。就焊接技術(shù)而言,我國造船業(yè)的分段合龍技術(shù)仍需提高。今后應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)模塊化造船,使船廠真正成為總裝企業(yè),同時(shí)各生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流水生產(chǎn),機(jī)器人操作采取標(biāo)準(zhǔn)化的管理。

4.2.3 船廠智能管理關(guān)鍵技術(shù)

目前,各國仍在對(duì)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)代化改造,以提高設(shè)備的精度和自動(dòng)化程度。日本和韓國將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等新一代信息技術(shù)融入造船,在提高造船和管理效率方面取得了巨大成功。

現(xiàn)代造船精度管理的核心是為精益生產(chǎn)鋪平道路。因此,必須轉(zhuǎn)變管理觀念,從被動(dòng)管理向主動(dòng)自動(dòng)化管理轉(zhuǎn)變。例如,在進(jìn)行切割、加工、焊接等分段裝配作業(yè)時(shí),應(yīng)提前設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)技術(shù)提示,實(shí)施多項(xiàng)措施,計(jì)算機(jī)收集現(xiàn)場(chǎng)問題缺陷,通過數(shù)據(jù)改進(jìn)設(shè)計(jì)方法和工藝等,這種信息化管理理念今后將逐步落實(shí)到造船的各個(gè)方面。

4.2.4 智能船廠基礎(chǔ)共性技面

工業(yè)大數(shù)據(jù)的重點(diǎn)在于以大數(shù)據(jù)管理為基礎(chǔ)的智能制造的基礎(chǔ)共性技術(shù)。船舶與海工裝備制造業(yè)是一個(gè)全球性的、規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè),它與設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)相聯(lián)系,深深植根于許多行業(yè)的大數(shù)據(jù)之中。在當(dāng)前的環(huán)境下,中國船舶與海工制造業(yè)應(yīng)該基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用研究,進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集、統(tǒng)計(jì)分析和估價(jià),從而產(chǎn)生許多有價(jià)值的信息。

4.3 數(shù)字孿生技術(shù)

大力發(fā)展船舶與海工制造與數(shù)字孿生技術(shù)的融合將是江蘇省船舶海工智能制造的攻關(guān)重點(diǎn)。

近年來,數(shù)字孿生作為溝通現(xiàn)實(shí)物理世界和模擬信息空間的有效連接方式,得到了制造業(yè)的青睞[3]。數(shù)字孿生是集合了多尺度、概率融合等因素,通過獲取實(shí)際物理信息建立數(shù)字化的虛擬模型。數(shù)字孿生將研究對(duì)象在真實(shí)環(huán)境的動(dòng)作行為數(shù)據(jù)化,通過數(shù)據(jù)融合分析,虛實(shí)對(duì)象交互反饋,為物理實(shí)體的全生命周期服務(wù)。數(shù)字孿生在航天設(shè)備飛行器制造業(yè)中最早提出,但該技術(shù)的特點(diǎn)和船舶與海工裝備制造業(yè)非常吻合,如：西門子公司利用其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),通過三維體驗(yàn)平臺(tái),形成數(shù)字孿生的互通和閉環(huán),開啟資產(chǎn)、產(chǎn)品生命周期管理和制造過程的數(shù)字孿生。同時(shí),高校和科研院所也開始積極探索數(shù)字孿生技術(shù)未來的廣闊應(yīng)用前景,取得了許多理論成果。數(shù)字孿生已經(jīng)成為物理空間和信息空間相互作用和整合的有效手段。

船舶與海工裝備應(yīng)用方面,數(shù)字孿生利用數(shù)據(jù)構(gòu)建具有多種物理尺寸、多尺度、多學(xué)科特點(diǎn)的高可靠性虛擬船舶模型。該技術(shù)將物理空間和信息空間兩大數(shù)據(jù)整合,應(yīng)用于船舶的整個(gè)生命周期,為整個(gè)航運(yùn)業(yè)提供相關(guān)的智能化服務(wù)(如設(shè)計(jì)院、船舶與海工制造廠、船東業(yè)主、船級(jí)社、海事機(jī)構(gòu)),打破行業(yè)各主體的信息壁壘,促進(jìn)造船業(yè)高質(zhì)量發(fā)展[4]。

雖然數(shù)字孿生技術(shù)在一些工業(yè)制造領(lǐng)域產(chǎn)生了良好的示范效應(yīng),但其在船舶與海工裝備業(yè)的應(yīng)用還處于起步階段。江蘇省企業(yè)有實(shí)力也有機(jī)會(huì)在船舶海工數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)上占據(jù)主動(dòng)地位。

5 結(jié)論

針對(duì)未來的發(fā)展趨勢(shì),對(duì)江蘇省船舶與海洋工程裝備智能化制造提出以下展望：

(1)提升江蘇省智能制造研發(fā)能力,加強(qiáng)省內(nèi)外高校、科研院所、制造企業(yè)的智能制造合作,尋求與國外巨頭的合作,借鑒國外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn),推動(dòng)江蘇省新一代信息技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),加快空間與信息空間的互動(dòng)與融合。

(2)建設(shè)江蘇省船舶與海洋工程智能制造產(chǎn)業(yè)鏈,推進(jìn)數(shù)據(jù)交換和應(yīng)用集成標(biāo)準(zhǔn),形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),使得產(chǎn)業(yè)鏈各方聯(lián)系更緊密。數(shù)據(jù)交換、應(yīng)用集成等一批行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定將促進(jìn)行業(yè)健康有序發(fā)展。

(3)提高江蘇省智能服務(wù)支撐能力,重新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行模式,以數(shù)據(jù)和智能技術(shù)為基礎(chǔ),重新設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)鏈運(yùn)行模式。船東、設(shè)計(jì)師、承包商、輔助制造商、公司、控制機(jī)構(gòu)和其他參與者將依賴于運(yùn)行數(shù)據(jù),發(fā)展自己的技術(shù)迭代和應(yīng)用服務(wù),逐步構(gòu)建和完善智能化制造發(fā)展生態(tài)系統(tǒng)。