船舶海工數(shù)字化技術(shù)

1、數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢2576經(jīng)過改革開放三十多年的發(fā)展，我國船舶工業(yè)取得了長足進步。特別是新世紀以來，我國船舶工業(yè)更實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，綜合實力和國際地位穩(wěn)步提升，造船完工量、新接訂單量和手持訂單量連續(xù)多年保持快速增長，造船三大指標(biāo)已進入世界造船大國行列，已具備了向世界造船強國沖刺的基礎(chǔ)和條件。成為造船強國的重要標(biāo)志之一，就是要實現(xiàn)數(shù)字化造船。在中國造船行業(yè)向著這個目標(biāo)前進的過程中，需要不斷應(yīng)用各種最新的技術(shù)，不斷提高造船的效率和質(zhì)量。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、制造、管理、經(jīng)營和決策的全過程，最終達到快

2、速設(shè)計、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。我們這里所述的數(shù)字化造船技術(shù)主要包括船舶設(shè)計數(shù)字化、船舶建造數(shù)字化、船舶管理數(shù)字化三個方面。技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r國外發(fā)展現(xiàn)狀I(lǐng)T技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代制造業(yè)的管理理念及技術(shù)方法深刻地改變著傳統(tǒng)制造業(yè)。各造船強國如美、日、韓、歐等均十分重視以先進的信息技術(shù)手段改造傳統(tǒng)的造船設(shè)計和生產(chǎn)方式。發(fā)達國家在設(shè)計技術(shù)方面普遍采用了三維設(shè)計建模；在信息的集成和共享方面采用了產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了并行協(xié)同設(shè)計和生產(chǎn)；在制造方面，虛擬制造技術(shù)已應(yīng)用于生產(chǎn)實踐中，實現(xiàn)了制造前的生產(chǎn)過程數(shù)字化模擬；美國Intergraph公司的Intell

3、iship系統(tǒng)將船舶設(shè)計規(guī)則融合在CAD（計算機輔助設(shè)計）系統(tǒng)中，初步實現(xiàn)了設(shè)計的智能化。當(dāng)今世界的造船強國日本，早在上世紀八十年代就十分重視造船信息化的自主開發(fā)與創(chuàng)新，各大造船集團如日立、三菱、三井、IHI、住友等均組織力量自行開發(fā)了造船信息集成系統(tǒng)，日本一些先進船廠基本上都已采用CIMS系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字化造船。韓國自上世紀九十年代開始大力推行造船信息化，并迅速崛起成為世界造船大國和強國。韓國各大造船集團如現(xiàn)代、大宇、三星等廣泛引進歐美的造船CAD系統(tǒng)，如TRIBON、Intelliship等，并結(jié)合自身企業(yè)的特點自行開發(fā)了造船CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)）系統(tǒng)，取得了顯著的成果，大大縮短了船

4、舶設(shè)計建造周期。美歐在先進制造技術(shù)和管理思想方面更先行一步，美國政府在軍用船舶制造中推進了MARITECH計劃。該計劃借助先進的IT理論和技術(shù)，以敏捷制造思想為指導(dǎo)， 在軍船制造中以虛擬企業(yè)、虛擬產(chǎn)品、虛擬制造的全新船舶建造方式， 實現(xiàn)了快速、精準、靈活、低成本、高質(zhì)量的艦船生產(chǎn)。歐洲造船業(yè)界也推行了SEASPRITE項目，通過Virtual Ship ROPAX 2000信息平臺將12個國家的48個企業(yè)、公司、研究機構(gòu)整合起來，形成虛擬企業(yè)聯(lián)盟，從而大大縮短了研制周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀隨著造船技術(shù)的進步，造船工業(yè)的發(fā)展越來越依賴于先進信息技術(shù)的應(yīng)用。國內(nèi)造船企業(yè)十分重視信息化改造

5、工作，各骨干造船企業(yè)均引進或開發(fā)了一些面向特定應(yīng)用的信息系統(tǒng)。在造船CAD/CAM領(lǐng)域的應(yīng)用較為成熟，各企業(yè)設(shè)計部門已普遍使用CAD/CAM系統(tǒng)進行詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計。如使用引進的 TRIBON、CADDS5等系統(tǒng)，或使用國內(nèi)自主開發(fā)的SPD、SB3DS系統(tǒng)等。部分企業(yè)使用通用CAD軟件AUTOCAD等作為輔助設(shè)計工具；有些企業(yè)已開始應(yīng)用PDM系統(tǒng)，如引進的Windchill系統(tǒng)，或國內(nèi)自主開發(fā)的Star/PDM等進行產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理和設(shè)計過程管理；有的企業(yè)引進了國外 HANA造船CIMS系統(tǒng)，在二次開發(fā)的基礎(chǔ)上開始了設(shè)計生產(chǎn)一體化的應(yīng)用實施；有些企業(yè)在計劃管理、生產(chǎn)管理、物流管理、財務(wù)成本管理等

6、方面也自主開發(fā)了一些信息系統(tǒng)。這些系統(tǒng)從技術(shù)層面解決了一些局部問題，取得了一定的效果。如CAD系統(tǒng)的應(yīng)用提高了設(shè)計工作的效率，加深了設(shè)計深度；PDM系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)范了設(shè)計過程，有效管理了產(chǎn)品的圖文信息數(shù)據(jù)；管理系統(tǒng)的應(yīng)用提高了管理數(shù)據(jù)的采集、分析、統(tǒng)計的準確度和及時性。但由于各系統(tǒng)間信息模型的不一致，系統(tǒng)平臺的不一致，國外系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不開放等諸多問題，使得系統(tǒng)間信息的交換困難、難以進行系統(tǒng)的適應(yīng)性修改和二次開發(fā)，不能順暢地實現(xiàn)船舶設(shè)計、制造、管理信息的一體化。隨著我國造船能力的迅速擴張，日本、韓國等國對我國的技術(shù)引進采用了更多的限制措施。我國船企引進的系統(tǒng)缺乏基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，引進的管理軟件，由于與國

7、內(nèi)的管理理念和方法不同，在直接使用時存在一系列的問題，需要進行較多的二次開發(fā)。而國內(nèi)造船技術(shù)研究院所和部分企業(yè)長期以來堅持造船行業(yè)信息化的自主研發(fā)，在船舶生產(chǎn)設(shè)計、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、造船企業(yè)生產(chǎn)管理方面形成了一些產(chǎn)品，并被造船企業(yè)廣泛應(yīng)用。有些產(chǎn)品已出口至國外造船企業(yè)。與此同時，限于體制、機制等各方面的原因，國內(nèi)造船企業(yè)大都各自進行企業(yè)信息化改造和信息系統(tǒng)開發(fā)，造船行業(yè)信息化研究力量分散，無法發(fā)揮整體作戰(zhàn)效應(yīng)。在國家發(fā)展改革委的支持下，2008年，我國成立了以上海船舶工藝研究所為技術(shù)依托單位的數(shù)字化造船國家工程實驗室。經(jīng)過兩年多的建設(shè)，相繼建立了四個技術(shù)平臺，為造船軟件的應(yīng)用環(huán)境、造船流程、造船工

8、藝、造船信息標(biāo)準化研究等創(chuàng)造了條件。該實驗室本著“邊建設(shè)、邊運行、邊見效”的原則，在研究開發(fā)、團隊建設(shè)、人才培養(yǎng)、組織管理、產(chǎn)學(xué)研用、學(xué)術(shù)交流和工程服務(wù)等方面均取得了顯著成效，已成為我國開展數(shù)字化造船共性技術(shù)研究、應(yīng)用工具開發(fā)和工程支持的重要平臺。技術(shù)差距目前，我國造船工業(yè)在造船數(shù)字化方面，與日本、韓國、美歐造船業(yè)仍存在較大差距，主要體現(xiàn)在：（1）船舶數(shù)字化設(shè)計方面基于3D模型的CAD/CAM已得到了廣泛應(yīng)用，但基本送審設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計之間的信息載體仍為紙質(zhì)圖紙，全過程的三維設(shè)計遠沒有實現(xiàn)。CAE的應(yīng)用局限于設(shè)計分析階段，在船舶建造過程中CAE的應(yīng)用程度相當(dāng)?shù)?，而?shù)字化造船更強調(diào)CAE技術(shù)在制造

9、過程中的應(yīng)用。此外，日、韓等國先進造船企業(yè)船舶平均設(shè)計周期也明顯地比中國造船企業(yè)短許多。（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)以單個應(yīng)用為主，標(biāo)準和編碼等基礎(chǔ)工作不夠扎實，并缺乏準確而齊全的基礎(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，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、自動化程度和數(shù)字化程度還相當(dāng)?shù)?。未來發(fā)展趨勢縱觀前面的1 0 年， 一個顯著的事實是：信息化仍然是這個新世紀的主要時代特征，仍然是全球范圍內(nèi)推動經(jīng)濟和社會變革的主要力量，仍然是國家競爭力的戰(zhàn)略重點和制高點。展望后 10年，我國的信息化將在未來十

10、年開始一次新的長征。這次長征的主要特征就是推動中國信息化向泛在化、可視化、智能化方向發(fā)展，以中國經(jīng)濟和社會發(fā)展的需求為目標(biāo)，趕超世界先進水平，搶占全球信息化的制高點，為中國的經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型和現(xiàn)代化服務(wù)。未來1 0 年， 在先進造船理念和模式（敏捷制造、綠色制造、精益生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化制造等）以及新技術(shù)（自動化技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)、激光技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)等）的助推下，世界船舶科技將迅猛發(fā)展。基于數(shù)字技術(shù)的模塊化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化以及綠色化造船將成為世界造船數(shù)字化技術(shù)發(fā)展的主要趨勢?；跀?shù)字化技術(shù)的模塊化造船模塊化造船是采用“積木式”組件，即一些獨立的單元件和標(biāo)準件，通過組裝，形成造船中廣泛采用的結(jié)構(gòu)模塊、舾裝

11、模塊、殼舾涂一體化模塊，這些既相對獨立，最終又將組合成一體的模塊，不但具有獨立功能、通用性和特定界面， 而且要在船臺（塢）內(nèi)合攏成船舶。實施模塊化造船是傳統(tǒng)造船模式向現(xiàn)代造船模式的轉(zhuǎn)變過程。主要發(fā)達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。美國、前蘇聯(lián)、英國、德國、日本、法國等國家在模塊化造船應(yīng)用方面取得了令人矚目的成績，使得建造周期縮短了1721個月，且呈現(xiàn)不斷發(fā)展的趨勢。德國公司開發(fā)的ECOBOX型模塊化經(jīng)濟性集裝箱船，可在12種船型內(nèi)選擇改型。模塊化造船在巨型總段建造的基礎(chǔ)上，同時擴大預(yù)舾裝和涂裝的范圍，使總段內(nèi)的舾裝完整性達到前所未有的程度，即除接口位置外，內(nèi)部

12、的殼、舾、涂工作接近全部完成狀態(tài)，形成了模塊。當(dāng)整條船舶由這些模塊合攏而成時，就實現(xiàn)了模塊化造船，使船廠真正成為了總裝企業(yè)?；跀?shù)字化技術(shù)的智能化造船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、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由智能計算機、自動化裝備和智能機器人所組成的集成系統(tǒng)。智能化造船在制造過程中廣泛采用智能化制造裝備進行加工和裝配，顯著提高了生產(chǎn)效率。切割機器人、裝配焊接機器人逐步應(yīng)用，船廠逐漸成為沒有灰塵、沒有危險和沒有疲勞的真正現(xiàn)代化工廠。迄今，世界上還沒有哪一家船廠完全達到該階段

13、，但智能化造船必將成為未來的發(fā)展趨勢?；跀?shù)字化技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化造船網(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、互惠互利的動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟，有效地實研究、設(shè)計、生產(chǎn)和銷售各種資源的重組，利用計算機網(wǎng)絡(luò)，集成和流通科研、設(shè)計、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。它對傳統(tǒng)制造業(yè)的生產(chǎn)和經(jīng)營方式有重大影響?；跀?shù)字化技術(shù)的綠色化造船發(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、建造、配套、原材料、標(biāo)準、管理等各個環(huán)節(jié)，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。實施綠色造船的源頭在綠色設(shè)計，實現(xiàn)的手段是綠色工藝技術(shù)與裝備

14、，實現(xiàn)的基礎(chǔ)在于綠色管理，實現(xiàn)的關(guān)鍵在于數(shù)字化技術(shù)。發(fā)展思路和重點中國的船舶工業(yè)正處于一個新的歷史起點上，可以預(yù)見，未來相當(dāng)長時間內(nèi)，“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。因此要著力推進船舶產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造與創(chuàng)新的信息化，深化信息技術(shù)在船舶工藝裝備等產(chǎn)品上的滲透融合。推廣綜合集成制造、敏捷制造、柔性制造、精密制造等先進制造技術(shù)，推進船舶工業(yè)發(fā)展。以信息技術(shù)提高造船企業(yè)的生產(chǎn)能力和物流效率，推進企業(yè)管理信息化，提高船舶企業(yè)的業(yè)務(wù)管理能力和參與國際市場競爭的能力。同時，利用信息化手段促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)整合和產(chǎn)業(yè)集群的優(yōu)化升級。要在行業(yè)內(nèi)篩選、樹立“ 信息化示范企業(yè)”，將擁有自主產(chǎn)權(quán)的

15、應(yīng)用軟件和先進做法，向全行業(yè)推廣，以避免重復(fù)開發(fā)、重復(fù)投資，應(yīng)大力推廣信息化優(yōu)秀成果，發(fā)揮其示范作用。要進一步發(fā)揮行業(yè)協(xié)會、造船學(xué)會等行業(yè)組織的技術(shù)交流作用，增強國家工程實驗室等行業(yè)平臺的窗口效應(yīng)，努力建設(shè)造船信息化的實施推廣體系，逐步扭轉(zhuǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展對國外造船軟件系統(tǒng)嚴重依賴的局面。重點工作：（1）建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標(biāo)準是異構(gòu)系統(tǒng)間信息交換的重要橋梁，該標(biāo)準是與具體系統(tǒng)無關(guān)的統(tǒng)一標(biāo)準數(shù)據(jù)格式，該標(biāo)準的開發(fā)和運用是船舶行業(yè)或企業(yè)實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）的關(guān)鍵。目前，最常用的標(biāo)準數(shù)據(jù)格式有DXF/STEP/IGES等。目前國外造船行業(yè)紛紛開展STEP相關(guān)標(biāo)準的驗證工作。美國

16、、歐盟、日本和韓國除了各自成立STEP船舶應(yīng)用協(xié)議開發(fā)驗證機構(gòu)外，還建立了合作關(guān)系。美國于1994年創(chuàng)立的工業(yè)信息基礎(chǔ)機構(gòu)合作組織一直致力于工業(yè)虛擬企業(yè)試驗運行，該組織下屬的造船部門已于2000年成立了造船工業(yè)虛擬企業(yè)的聯(lián)絡(luò)機構(gòu)。日本、韓國和歐盟船舶行業(yè)也在開展造船虛擬企業(yè)的策劃工作。（2）建立PLM系統(tǒng)產(chǎn)品生命周期管理（PLM）自20世紀末提出以來，已迅速成為制造業(yè)關(guān)注的焦點。PLM結(jié)合電子商務(wù)技術(shù)與協(xié)同技術(shù)，將產(chǎn)品的開發(fā)流程與供應(yīng)鏈管理（SCM）、客戶關(guān)系管理（CRM）、企業(yè)資源計劃（ERP）等系統(tǒng)進行集成，將孤島式流程管理轉(zhuǎn)變成集成的一體化管理。PLM實現(xiàn)從概念設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)、

17、產(chǎn)品維護到信息管理的全面數(shù)字化，以及產(chǎn)品開發(fā)和業(yè)務(wù)流程的優(yōu)化，從而全面提升企業(yè)生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品生命周期管理成本，最終提升企業(yè)的市場競爭力。（3）數(shù)字化測量技術(shù)利用先進的激光檢測技術(shù)及計算機技術(shù)，減少造船過程中樣箱、樣板的使用，節(jié)約木材，節(jié)約存放空間，提高加工效率、減輕工人勞動強度。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，研究先進的船板成型測量方法，結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境，重點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、成形工藝過程標(biāo)識等關(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)。（4）建立智能化造船體系以船舶企業(yè)數(shù)

18、據(jù)庫和知識庫為基礎(chǔ)，通過智能化技術(shù)將造船企業(yè)經(jīng)營運作整個過程集成，建立覆蓋船舶生產(chǎn)經(jīng)營全過程的綜合決策系統(tǒng)，實現(xiàn)綜合管理定量分析和決策，指導(dǎo)企業(yè)運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，實現(xiàn)造船智能化。（5）生產(chǎn)現(xiàn)場管理信息化應(yīng)用推進物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在造船生產(chǎn)現(xiàn)場管理方面的應(yīng)用，實現(xiàn)智能化識別、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

19、管理、進度管理、作業(yè)管理、關(guān)鍵設(shè)備管理、動能源管理、看板管理、5S管理、安全管理、質(zhì)量管理等多個方面的信息化管理。（6）普及虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬現(xiàn)實技術(shù)在船舶建造中的應(yīng)用將越來越廣泛，從行業(yè)的角度包括對商品化虛擬仿真軟件進行消化、吸收和二次開發(fā)，擴大虛擬仿真在船舶制造過程的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有沉浸感、交互性、構(gòu)想性、自主性、多感知性等特點。從技術(shù)的角度而言，硬件應(yīng)該是向圖形工作站集群系統(tǒng)發(fā)展，軟件是向集成化、平臺化方向發(fā)展。從技術(shù)創(chuàng)新的角度，虛擬仿真應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)該向國產(chǎn)化的方向發(fā)展。未來幾年，我們對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究重點應(yīng)著力于船舶行業(yè)虛擬仿真應(yīng)用開發(fā)平臺的研究、船舶設(shè)計與虛擬評估一體化集成技術(shù)

20、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。（7）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)盟必將是未來造船模式的大勢所趨。這不是依靠個別或者部分先進廠家所能夠?qū)崿F(xiàn)的，必須通過各級企業(yè)的ERP系統(tǒng)，提供及時準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，形成高效的動態(tài)企業(yè)聯(lián)盟，實現(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。例如中船集團的管控數(shù)字化，就是以“六集中”管理為核心，以集團公司戰(zhàn)略管理、風(fēng)險管理、生產(chǎn)管理、成本管理、決策支持等為重點開展的集團管控信息化建設(shè)。（8）數(shù)值預(yù)報與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化“數(shù)值預(yù)報”技術(shù)與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化利用數(shù)字化技術(shù)來實現(xiàn)船舶性能的預(yù)測和優(yōu)化，研究的都是一些諸如水動力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)力