我国船舶产业智能制造及其标准化现状与趋势

吴笑风，岳　宏，石　瑶，王　晶（中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101）

研究综述

我国船舶产业智能制造及其标准化现状与趋势

吴笑风，岳宏，石瑶，王晶
（中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100101）

智能制造是“中国制造 2025”的主攻方向，对促进我国船舶产业的发展具有重大意义。智能制造的核心是建立互联互通的网络化工业生态，需要标准体系作为支撑。本文讨论智能制造相关技术和标准化趋势，认为现阶段船舶产业制造端宜在巩固夯实已有的数字化和自动化基础上，在互联互通和信息融合层面上进行重点突破。智能制造标准体系与现有的船舶工业标准体系在技术领域上有交集，但关注角度不同。在船舶产业智能制造标准化过程中，应对 2 个标准体系进行同步更新和维护，形成互补。

船舶产业；智能制造；标准化；标准体系

0　引　言

船舶产业是为水上交通、海洋资源开发以及国防建设提供技术装备的现代综合性和战略性产业，是国家传统产业中的重要组成部分。船舶产业也是国家发展高端装备制造业的重要组成部分，是国家实施海洋强国战略的基础和重要支撑。本文讨论的对象是船舶产业中的制造板块，由船舶制造和船舶配套设备制造共同构成。

如今，亚洲已确立了全球船舶制造中心的地位，中、日、韩三国形成三足鼎立之势。日韩通过引进、消化吸收欧美的先进技术，在船舶和配套装备的多个领域中已经具备与欧美抗衡的设计和制造水平，在高技术和高附加值船舶产品方面占有市场优势。相比之下，我国的船舶产业结构长期以来以散货船等低附加值产品为主，在全球航运和船舶市场低迷的形势下受到强烈冲击。

根据克拉克松数据库的统计，2015 年全球新船累计成交 9 646 万载重吨、3 377 万修正总吨，同 2014 年相比分别下降 20.6% 和 24.1%，全球新船市场处于低位徘徊状态。2015 年，中、日、韩三国分别成交 2 916万、2 886 万和 3 246 万载重吨；而 2 014 年中、日、韩三国的成交数字分别为 5 389 万、2 808 万和 3 251万载重吨。中国的新船成交量下降高达幅度 46%，是三国中下降幅度最大的国家。因此，我国船舶产业必须加快适应结构转型、供求调整的“新常态”。

我国船舶产业“大而不强”已是公认事实。船舶和配套装备制造端的突出矛盾正成为限制我国船舶产业赶超先进国家的重要制约因素。海洋工程装备和高技术船舶是《中国制造 2025》规划中的重点发展领域之一。《中国制造 2025》明确提出“以加快新一代信息技术与制造业深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向”的发展思路，实现中国制造业由大变强的跨越。在船舶产业推进智能制造，实现基于信息化和智能化的高效率、低成本制造，对促进我国船舶产业在现代造船模式上的跨越，实现从造船大国向造船强国，进而从海洋大国向海洋强国的转型具有重要意义。

智能制造具有较强的综合性和系统性，不仅仅是单一技术的突破和装备的应用，而是制造技术与信息技术的深度融合与创新集成，是生产组织方式和商业模式的深刻变革。然而智能制造和现代造船模式均处于探索阶段，如何与船舶行业现有的制造基础实现高效融合是亟待理清的问题。2015 年 12 月，工业和信息化部、国家标准化委员会联合发布了《国家智能制造标准体系建设指南（2015 年版）》（以下简称《建设指南》），明确了建设智能制造标准体系的总体要求、建设思路、建设内容和组织实施方式，建立了智能制造体系参考模型，并提出了智能制造标准体系框架，对现有智能制造相关标准进行了分类整理，以一种通用的技术和标准框架对我国制造业各领域中智能制造的发展施以指导作用［1］。

本文首先介绍智能制造的内涵和船舶行业制造技术的发展现状，以及国家智能制造标准体系和船舶工业标准体系框架，而后讨论船舶行业制造技术的发展需求及相应的标准化趋势，以期为船舶产业智能制造的发展提供参考，并在制造智能化进程中“有标可依”。

1　制造智能化与船舶行业制造板块现状

1.1制造技术的发展与智能制造

智能制造作为《中国制造 2025》的主攻方向，是落实制造强国战略的重要举措，是我国制造业紧跟世界发展趋势、实现转型升级的关键所在。但实现智能制造不是一蹴而就的，而是一个渐进式的发展过程。按照时下流行的“工业 x.0”的概念对世界工业化进程进行划分，通常认为“工业 1.0”代表18 世纪 60 年代至 19 世纪中期通过水力和蒸汽机实现工厂机械化的时期。“工业2.0”代表19 世纪后半叶至 20 世纪初通过继电器等设备和电气自动化技术控制机械设备生产的时期。“工业 3.0”时期自 20 世纪 70 年代起并一直延续至今，在 2.0 时期的基础上广泛应用电子与信息（数字化）技术，使制造过程的自动化程度进一步提高。也正是在这一时期，机器开始具备接管部分简单“脑力劳动”的能力。“工业 4.0”是德国在 2013 年《高技术战略 2020》中确定的工业发展概念，后被工业界广泛引用，代表实体物理世界与虚拟网络世界融合的时期，被认为是制造业未来的发展方向［2］。

从市场需求驱动的角度看，制造业的生产方式沿着“小批量→少品种大批量→多品种变批量”的方向发展；资源配置方式沿着“劳动密集→设备密集→信息密集→知识密集”的方向发展；对应地也衍生出制造技术“手工→机械化→单机自动化→刚性流水自动化→柔性自动化→智能自动化”的演变趋势。这一过程中，计算机应用技术的迅速进步促进了制造业中从设计、制造到管理的全链条信息化和自动化技术的成熟和完善［3］。近年来，随着大数据、云计算和网络等技术的重大突破，制造业也进入了新一轮技术融合发展，即智能化时期。《中国制造 2025》针对我国制造业发展特点而设计，具有一定的前瞻性，但与工业 4.0有完全不同的出发点和内涵，是一个涵盖工业 2.0 补课、工业 3.0 普及、工业 4.0 示范的并联式发展战略规划［4］。

目前，工业界对智能制造并没有严格唯一的定义。根据Kang等［5］对德、美、韩三国智能制造相关技术的回顾和展望，智能制造系统将是对赛博物理系统（CPS）、物联网（IoT）、大数据、云计算、传感器、智能能源、增材制造等技术的综合应用。目前一种流行的观点认为，从工作模式和功能的角度看，智能制造系统是“一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统，在制造过程中能进行诸如分析、推理、判断、构思和决策等智能活动，通过人与智能机器的合作共事，扩大、延伸和部分地取代人类专家在制造过程中的脑力劳动。它把制造自动化的概念更新，扩展到柔性化、智能化和高度集成化［3］。”

在我国信息化和工业化融合（两化融合）实践中正在兴起一种新观点，即智能制造系统应具备“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行” 4 个基本特征［6］，（见图1），即利用传感系统获取设备、车间、企业的实时运行状态信息和数据，通过高速网络实现数据和信息的实时传输、存储和处理，根据分析的结果，按照预设规则做出判断和决策，再将处理结果反馈到现场调整执行状态。因此，智能制造的概念已不仅限于“制造智能”，而是延伸至企业协同层面的“系统智能”。

图1　智能制造系统的特征Fig. 1　Characteristics of a smart manufacturing system

1.2船舶行业制造板块现状

“十二五”以来，我国对海洋领域的重视程度日益提高。特别是党的十八大报告中“建设海洋强国”战略部署和国家“一带一路”重大战略的先后提出，我国发展海洋经济的迫切需求上升到了前所未有的新高度。在这样的背景下，我国的船舶产业也取得了长足进步，主要表现在：一是产能和产量显著提高；二是科技创新能力有所提升；三是海工装备全球份额明显增长；四是配套自主化取得突破；五是产业集中度逐步提高。总体上看，现代造船模式［7-8］的理念已在我国船舶产业中初步成型。

然而我国船舶产业在加速发展过程中所面临的问题也不容忽视，在当前高技术和高附加值船舶市场的竞争中已落后日韩先进船企。造成我国船舶产业“大而不强”的原因，除船型研发设计关键技术上的缺失外，船舶和配套装备制造端的突出矛盾正成为重要的制约因素［9］。当前船舶产业制造板块的问题主要表现在制造效率、成本、用工人数等方面与日韩先进船企的差距较大。部分单位通过技术引进和自主研发等手段正在逐步缩小制造技术上的差距。

在国家两化深度融合发展战略的引导下，我国制造业中的信息化发展取得了很大进展。数字化技术近年来已逐渐融入船舶制造业。根据 2015 年 6 月的数据［10］，船舶等行业数字化设计工具普及率超过 85%；同时，智能制造、高速轨道交通、海洋工程等高端装备制造业产值占装备制造业比重超过 10%。在船舶和配套装备制造单位中船舶产业制造板块信息化和自动化程度的提升改变了船舶工业传统的粗放型设计和生产模式。在船舶和配套装备制造单位中，企业资源计划（ERP）、生产执行系统（MES）等信息化工具以及包括新型传感器、工业机器人、智能控制系统等智能制造中具有代表性的共性技术已得到初步应用，但在信息集成、各生产环节间的互联互通等方面与先进生产制造模式相比仍有显著差距。从总体上看，船舶行业制造板块的自动化和智能化程度仍不够高，“信息孤岛”现象仍较为严重，综合集成、协同与创新水平尚未达到应有高度［11］，尚不足以支撑我国船舶工业由大到强的快速转型。

2　智能制造标准体系与行业标准体系

2.1智能制造标准体系

随着工业技术的发展，标准化的地位日益重要，并已上升到“国家质量基础［12］”的层面。标准体系不仅仅是一套技术规范，还是一种思维方式。以德国“工业 4.0”为例，其核心是建立一个人、机器、资源互联互通的网络化工业生态，这就必然要求一个包含数据信息交换、识别、处理、维护等环节的标准体系作为基础。实际上，在“工业 4.0”战略中，“标准化和参考架构”的建设排在所有 8 项行动计划的第一位［5］。

我国在实施《中国制造 2025》规划时也已充分认识到了标准化的必要性，提出了“智能制造，标准先行”的方针。《建设指南》是为解决智能制造中的标准缺失、滞后以及交叉重复等问题，充分发挥标准在推进智能制造发展中的基础性和引导性作用，指导当前和未来一段时间内智能制造标准化工作而发布的。

《建设指南》首先从系统要素层面给出了一种对智能制造系统的通用理解方式和描述方法，即从生命周期、系统层级、智能功能等 3 个维度建立了智能制造标准体系参考模型，并由此提出了智能制造标准体系框架。该框架包括“基础”、“安全”、“管理”、“检测评价”、“可靠性”等5类基础共性标准和“智能装备”、“智能工厂”、“智能服务”、“工业软件和大数据”、“工业互联网”等 5 类关键技术标准以及在不同行业的应用标准。

2.2船舶工业标准体系

在船舶产业领域，工业和信息化部装备工业司和国家标准化管理委员会工业一部共同组织船舶产业标准化研究机构、相关全国专业标准化技术委员会及分技术委员会等单位编制了《船舶工业标准体系（2012年版）》。该体系是目前指导船舶产业相关产品设计、制造、试验、修理、管理和工程建设的依据。

《船舶工业标准体系》由 4 层构架组成：第 1 层为标准体系顶层；第 2 层通过细化分为金属船舶制造、非金属船舶制造、娱乐船和运动船制造与修理、船用配套设备制造、海洋工程及其他浮动装置制造、船舶修理及拆船等 6 大类；第 3 层是以第 2 层 6 大类为基础，将有关标准分为海洋船、内河船、渔船、大型游艇、小艇、船舶动力装置、船用机械设备、船舶电气系统及设备、船舶导航通信和水声设备、船舶舾装设备、海洋工程结构物、潜水器、船舶修理、船舶拆解等 14 个中类；第 4 层包括 55 个小类，是对上层中 9 个中类的进一步细化。

3　我国船舶行业智能制造技术和标准化需求

3.1船舶行业智能制造技术需求

与传统制造模式相比，智能制造突出了知识（即信息）在制造活动中的价值。“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”4 个特征都以数据和信息为基础。船舶产业的零部件生产制造以多品种、变批量为主要特点，既有别于汽车、家电等行业的大批量标准件流水线制造模式，也不用于航空、航天等行业的长周期单一制造模式。船舶产业产品种类繁多，产品和工艺的复杂程度不同，制造周期不同，部件特点各异、生产批量不定，因此在实现高效、有序、均衡、柔性的生产上具有更大的难度。并且随着产品结构的复杂化、精细化及功能的多样化，产品在制造和管理过程中产生的信息量呈爆炸式增长趋势，如何优化系统的组态，提高其信息处理的能力和效率成为了关键挑战。

根据对中国船舶重工集团所属单位智能制造发展需求的调研，现代造船模式的理念已经在船舶产业单位得到了初步实践，主要表现在：船体和配套零部件设计已具备数字化基础，生产流程安排基本流畅，部分单位拥有大型先进自动化装备，部分工序设置了数字化测量和数据采集环节，ERP系统的应用已经较为普及。对照智能制造技术体系三维参考模型，船舶产业在制造技术上所具备的总体基础在“生命周期”维度的“设计”和“生产”环节，“系统层级”维度的“设备”至“企业”层级，以及“智能功能”维度的“资源要素”和“系统集成”层面，如图1 所示。这直观地印证了目前船舶产业单位在系统层级的重视程度较高，通过加大在信息化方面的投入，实现了从企业层级对设计生产的管理和内部资源的调度。但由于互联互通层面没有打通，即存在“信息孤岛”现象，机器之间、机器与控制系统之间、企业之间的信息共享和资源调配尚未实现，协同层级上的产业链联通、协同研发、智能生产、精准物流和智能服务等都无法实施。

相应地，相关单位在制造智能化上的需求可分为两类，一是对已有系统和环节的升级和优化，包括三维设计、三维工艺和装配仿真、生产过程优化、工业机器人应用、生产管理系统集成和优化等；二是对系统的扩展和新环节新技术的开发，包括工业网络和数据联通、大数据管理和应用等方面。从需求中可以看出，船舶产业的智能制造发展需要在巩固夯实已有的数字化和自动化成果上（定义为“巩固基础”阶段），在互联互通和信息融合层面上开展重点突破，首先实现“制造的智能”（定义为“智能应用”阶段），为系统的更深度融合并最终实现系统智能（定义为“深度融合”阶段）发展打下基础，（见图2），是一个以数字化和自动化为前提、网络化为基础、智能化为方向的三层级发展思路。

图2　智能制造技术体系三维参考模型中的船舶行业制造端现状和发展趋势Fig. 2　Current status and development trend of the shipbuilding industry's manufacturing sector described by the 3D smart manufacturing technology reference model

3.2船舶行业智能制造标准化需求

海洋工程和高科技船舶是《中国制造 2025》规划中的重点发展领域之一，也是《建设指南》中提出的重点行业领域之一。智能制造本身具有跨领域、跨行业的属性。Jiang 等［13］提出，技术的发展是一个从无形向有形、概念向实际、单一向多元转化的过程。这一过程中持续的采纳、转化和升级使得技术向不用的产业领域扩展。在制造领域，相当多的技术具有基础和共性特征，可为多个行业的制造板块服务。而在具体行业应用中，由于各行业制造板块的特点和基础存在差异性，即使对相同的技术，实际适用的内容和层次也有所不同。标准化是确保技术在被采纳、转化和升级过程中的适用性和兼容性的重要手段［14-15］。

智能制造标准体系面向跨领域、跨行业的系统集成，聚焦数据交换、互联互通，与行业标准体系存在交集，但非包含关系。智能制造标准化的对象是具有信息深度自感知、实时数据分析、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式。也就是说，智能制造标准体系不是一个大而全的体系，而是一个聚焦在数据、通信和信息等方面的有限目标体系。在船舶行业应用中，智能制造标准体系应与《船舶工业标准体系》互补。因此，在实施和制订相关标准的过程中，需要对标准对象的属性进行定准确定位，使智能制造标准体系与行业标准体系间实现形成集成效应。

如第 3.1 节中所述，船舶产业制造智能化发展趋势可描述为在巩固夯实已有的数字化和自动化成果上，在互联互通和信息融合层面上开展重点突破。这一趋势在智能制造系统架构三维参考模型中呈向外扩散的模式（见图2）。相应地，智能制造标准体系结构自下而上的填充模式与智能制造系统在三维体系结构模型中的扩展趋势相吻合（见图3）。调研结果显示，各单位在现有的制造系统中对智能制造标准体系中的A 类“基础共性”标准采用较多；在已有的自动化制造基础设施中，对 BA 类“智能装备”中成熟技术的相关标准也有较多采纳；同时，根据自身信息化发展的阶段，对 BB 类“智能工厂”、BD 类“工业软件和大数据”以及 BE 类“工业互联网”中的部分基础类标准进行了采用，或在系统升级方案中提出了较为集中的需求。其中，由于工业机器人、增材制造、工业大数据、工业互联网，以及智能工厂等技术兴起的时间还不长，国内相关标准的积累还不多。此外，作为智能制造系统中较高的发展层级，技术尚未成熟，BC 类“智能服务”的标准也有较多缺失。这些缺失内容都是未来智能制造标准体系进一步发展和完善的主要方向。

在现有的船舶工业标准体系和国际船舶相关的标准中，尚没有出现与智能制造直接相关的标准。而随着智能制造技术与制造板块中的现有技术融合，智能制造的相关技术内容也将与船舶工业标准间发生关联。例如，在 AAE 小类“船舶建造技术及工艺”、AAF 小类“船舶制造工艺装备”以及 AAI 小类“信息技术及其应用”等类别的标准中包括关于制造工艺参数和设计制造数据库等方面的标准，而随着先进制造技术和信息化技术的推广应用，相关标准对象将受到影响，2 个标准体系间的耦合程度也将进一步加深。

随着智能制造技术和产业的同步发展、新生产模式和新业态的不断涌现，智能制造标准体系和行业标准体系都需要不断调整和完善。二者都是动态发展的庞大系统，产业界对智能制造以及基于智能制造和产业发展的认识都将逐步深入，因此 2 个标准体系也必然经历动态调整更新的过程。目前，2 个标准体系都初步形成了基础框架。在行业应用中，宜以“急用先行”原则对缺失标准进行完善。《建设指南》提出以2-3 年为周期及时开展标准体系更新、标准复审和维护工作。对《船舶工业标准体系》也可制定相应的修订计划，使 2 个体系的交集处保持同步。

图3　智能制造标准体系中的船舶行业智能制造标准化现状和发展趋势Fig. 3　Current status and development trend of the shipbuilding industry's smart manufacturing standardization in the smart manufacturing standardization system architecture

4　结　语

在船舶产业推进智能制造，实现基于信息化和智能化的高效率、低成本制造，对促进我国船舶产业在现代造船模式上的跨越，实现从造船大国向造船强国，进而从海洋大国向海洋强国的转型具有重要意义。国内制造业在向智能化转型过程中归纳出“状态感知、实时分析、自主决策、精准执行”4 个描述智能制造系统的基本特征。而究其内涵，智能制造的概念已不仅限于“制造智能”，而是已延伸至企业协同层面的“系统智能”。

实现智能制造是一个渐进式的发展过程。在船舶行业实施智能制造是一个以数字化和自动化为前提、网络化为基础、智能化为方向的三层级发展思路。智能制造系统的发展阶段可通过《建设指南》中提出的智能制造技术体系三维参考模型表征，为企业提供定性的智能制造状态评估和发展方向定位工具。本文认为在目前尚缺乏对智能制造水平定量化评估工具的情况下，可参考借鉴《两化融合评估指标体系》［16］开展相关工作，并适时针对船舶行业需求建立专用的评估指标体系。

“智能制造，标准先行”。智能制造的核心是建立互联互通的网络化工业生态，需要标准体系作为支撑。智能制造标准体系面向跨领域、跨行业的系统集成，聚焦数据交换、互联互通，与行业标准体系存在交集，但非包含关系。现有的船舶工业标准体系和国际船舶相关的标准中尚未出现与智能制造直接相关的标准，但随着先进制造技术和信息化技术的推广应用，相关标准对象将受到影响，2 个标准体系间的耦合程度也将进一步加深。因此，智能制造标准体系和行业标准体系都需要经历动态调整和完善，在制造实践中形成有效互补。

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Current status and development trend of smart manufacturing technology and standardization of China's shipbuilding industry

WU Xiao-feng， YUE Hong， SHI Yao， WANG Jing
（The 714 Research Institute of CSIC， Beijing 100101， China）

Implementing smart manufacturing is significant to the development of China's shipbuilding industry and has been set as the main direction of the “Made in China 2025” plan. The core idea of smart manufacturing is to set up an interconnected industry network， which relies on a well established standardization system. This paper discusses the current status and trends of smart manufacturing technology and standardization in China's shipbuilding industry. The study suggests that the manufacturing sectors in the shipbuilding industry to raise the level of digitalization and automation before to attempt to make breakthroughs in the interconnection and information fusion stages. The newly proposed smart manufacturing standardization system overlaps the existing shipbuilding industry standardization system in terms of some technology contents， but they have distinct dimensions. It suggests that during adopting smart manufacturing techniques， synchronized updating and maintenance should be done to both standardization systems to remain them complementary.

shipbuilding industry；smart manufacturing；standardization；standardization system

U66

A

1672-7619（2016）05-0001-06

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.05.001

2016-03-07

吴笑风（1986-），博士，研究方向为系统工程，舰船与海洋领域国际标准化等。