数字化造船技术的最新发展

刘子豪 赵 川 王 晶

作为国家战略性装备制造业的代表，我国船舶工业已形成了较强国际竞争力的基础优势；数字化造船技术将是大幅提升技术水平和竞争优势、促进我国船舶工业又好又快发展，实现第一造船大国目标的战略突破口。因此，对于船舶工业界而言，熟悉造船技术的内涵、特征、体系构成以及国内外数字化造船发展趋势，将对自身在这方面的进一步提升至关重要。

数字化造船的主要特征

理想的“数字化造船”可大致归纳如下7个特征：

建造全过程仿真化——船舶建造全过程仿真化将提供在“计算机中制造”的能力，使用船舶产品模型、造船过程模型和制造设备模型，生产出数字化的船舶。在船舶设计阶段，实时地、并行地模拟出船舶未来建造的全过程及其对船舶产品设计的影响，预测船舶性能、造船成本、可制造性，从而更快捷地组织造船生产，使船厂和车间的资源得到更合理的配置，以达到船舶产品的研制周期和成本最小化、船舶性能最优化和建造效率最高化。

过程控制并行化——建立基于船舶产品数据管理的并行开发环境和科研生产协同环境，设计与建造、设备研制与总体研制、系统设计与总体设计之间的并行与协同，实现与船东、船级社、船厂、配套设备供货方、船模水池和CAE软件库等外部机构的协同。

决策体系智能化——针对发展战略、投资规划、重大产品决策等，形成智能决策支持系统，增强决策的科学性、准确性和及时性。

管理体系信息化——适应信息化环境和信息化生产的要求，建立信息化的管理、控制体系。

信息体系网络化——利用计算机网络，集成和流通科研、设计、生产及其过程控制信息和经营、管理、服务等信息。

工艺装备自动化——通过自动化工装，直接利用数字化工艺数据。

服务保障全程化——形成基于数字化设计、建造数据和信息网络的快捷、方便的军民船全寿期服务保障体系。

数字化造船的体系构成

数字化造船体系由五个方面组成：船舶设计数字化、船舶建造数字化、经营决策与管理控制数字化、系统集成数字化和支撑环境数字化。在计算机技术和信息技术的支持下，五部分内容紧密衔接，形成数字化造船的整体框架。数字化造船的内涵随着科技和管理水平的不断提高而逐步演变。

船舶设计数字化，是从推行CAD/CAE/CAPP/PDM，到数字化样船技术、虚拟仿真设计和制造技术、异地协同设计技术等智能化设计技术，通过船舶产品全数字化模型的建立，生成满足现代造船模式所需的精确制造信息、精确管理基础信息，为数字化造船提供信息源和信息基础，从而可以大大提高产品质量、缩短产品研制周期、降低开发成本、实现最佳设计目标和企业间的协作，使企业能在最短的时间内，组织大范围内的资源开发出新产品。

船舶建造数字化，是在建立数字化船舶产品模型基础上，按中间产品组织专业化生产原则，应用模块化建造技术、协同制造技术、虚拟建造和装配技术，实现船舶壳、舾、涂一体化制造，达到船舶产品敏捷制造和精益建造。

经营决策与管理控制数字化，指基于Internet/Intranet/Extranet，利用ERP、SCM和CRM、电子商务等方法与工具，建立优化的集成化管理信息系统，跨越“时、空、地、部门、个人”的障碍，突破造船企业难于实现有效管理控制的难点，使管理控制实现透明、及时、精确和标准规范化，从而使企业生产资源实现优化配置和物流的有效计划、组织、控制和调整，实现船舶产品全生命周期各环节、各过程的成本和质量管理与控制，提高企业的管理水平。

系统集成数字化，即利用计算机和网络技术，数据库技术和信息交换和集成技术，建立统一的基础集成平台，实现系统的应用集成和资源的一体化管理，为产品开发、设计、建造和管理中各种活动间各类信息的集成化应用和安全保障提供支持。

支撑环境数字化，主要指为数字化设计、制造、试验和管理提供的基础支撑平台，也可以包括为实现相应信息技术（如软件开发）的一些必备环境，包括分布式网络系统、基础数据库和服务系统、信息安全与控制系统、企业信息集成及数据交换等基础的信息系统技术，形成计算机网络上的并行协同工作平台。

数字化造船技术发展水平和趋势

当前世界造船已进入“数字化”造船阶段，国外数字化造船技术的发展以日本和韩国为代表，引领了技术发展水平与发展趋势。船舶数字化建造从技术上可分为五个阶段。

第一阶段以2D绘图、单机工作、功能设计为主要技术特征。在计算机中的存储对象以文件系统为主。制造信息的识别、加工和处理还主要是人工处理，制造信息大多是人工录入。

第二阶段以2D和3D混合建模、单机工作、功能设计为主要技术手段，计算机模型可提供部分制造信息。

第三阶段以全三维模型、桌面可视化、点对点的信息集成、功能设计为主要技术手段。计算机的全三维模型可以提供制造所需要的几何信息和加工信息。虽然实现了点对点的信息集成，但系统彼此孤立，特别是管理信息由管理信息系统产生，“信息孤岛”问题越来越突出。

第四阶段以智能产品模型(DMU)、工程数据管理、高级可视化、产品数据管理（PDM）/企业资源计划（ERP）集成为主要技术手段。在产品数据库管理的基础上，利用工程可视化的技术手段，建立设计过程的管理和控制平台，形成数字产品的柔性生产线，智能的产品模型为生产过程提供完备的信息，实现PDM/ERP一体化的系统重构。

第五个阶段以信息系统、共享数据环境、协同生产环境、电子商务-供应链集成、配置管理为主要技术特征。以计算机网络建成社会化的信息共享支撑平台，利用造船企业资源的战略优势，通过动态配置技术形成虚拟企业的动态联盟，实现企业社会化资源的最佳配置；通过智能化信息驱动的自动化过程，为全球个性化的客户快速提供高质量的产品。

目前，日本、韩国和欧盟先进船厂已经普遍进入到第三阶段，甚至已经进入了第四阶段，并开始考虑如何进入第五阶段的计划；美国先进船厂已经进入了第四阶段，并开始实施进入第五阶段的计划。我国骨干船厂已经普遍进入到第二阶段，有的已经进入了第三阶段，并开始考虑如何进入第四、第五阶段的计划。

在日本，数字化技术在造船中的真正研究发展始于上世纪80年代，到90年代中期，日本一些大的造船企业已经初步建立造船计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）：如日本川崎重工船厂按照“自下而上”的思路建成了CIMS系统。2002年3月，石川岛播磨重工有限公司(IHI)与达索公司和IBM产品生命周期管理部共同研发和实施造船业3DPLM项目，以便继续保持其造船数字化的领先地位。到2004年初，日本大型船厂陆续实施CIMS，并开始了虚拟企业(VE)连续采办、全生命周期支援系统(CALS)与三维产品全生命周期管理(3DPLM)的开发研究。

在韩国，在上世纪90年代开发的造船“CIMS”系统相当于日本船厂80年代所开发的计算机集成信息管理系统（Computer Integrated Information Management，CI2M）系统。韩国在引进日本、美国和欧洲等国的先进造船信息技术后，研制实施自己的造船CIMS，取得了显著成果。如1991年韩国大宇船厂开始实施CIMS后，其造船销售量增长3倍，年造船缩短约500万工时，船舶建造周期缩短约3.5个月，实现年利润2.2亿美元。韩国各大造船企业为确保造船业的主导地位，正在广泛应用互联网技术并开始向机器人等高新技术发展。如2003年，三星重工安装了互联网支持的三维计算机辅助设计系统，该系统使船厂的生产力提高了50%；2004年3月，韩国政府资金大力支持韩国现代重工、大宇造船海洋工程公司，联合三星等几家大型电子企业共同开发新一代智能型机器人。

在欧洲，主要的造船企业如德国的不来梅·富坎集团、HDW公司和博隆·福斯公司、丹麦欧登塞和B&W船厂、法国大西洋船厂、阿卡集团和俄罗斯波罗海船厂等，具有先进的造船管理理念，重视建造完美的船舶，具有很强的组织生产、管控物流的能力和经验。物流方面的信息化系统不只是一个信息处理平台，还是一个能适应现代造船模式的综合管理和调控平台，同时信息化集成度高，与物流相关的信息流贯穿企业的各个部门。欧洲船厂在船舶生产组织管理、设计能力方面具有一定的先进性。在信息化方面，欧洲船厂具备了长期的信息化建设和应用经验，应用信息技术的意识很强。丹麦的欧登塞船厂近几年在引进新的CIMS生产设备、CAD/CAM系统和机器人上的投资已经超过了8300万元。这种大规模投资的结果，使该厂成为欧洲造船业中生产效率最高的企业。克瓦尔纳的瓦尔诺夫船厂装备有最新的以UNIX为基础的计算机综合集成系统，可用于设计、生产和所有活动的管理。德国的HDW船厂和IBM公司及CENIT公司合作，引进了一系列硬件、软件及服务功能，总投资3000万欧元，使其成为澳洲第一家将集成数据技术应用于整个开发、建造和产品数据管理活动的船厂。

中国数字化造船发展

我国数字造船技术正进入快速发展时期，网络化应用、三维设计、虚拟现实和产品设计管理等技术得到了广泛的应用，数字造船技术不断迈上新的台阶。

目前，总体厂和设计所都建立了千兆主干网，网络节点数基本能满足目前应用需要，并初步建立了企业Intranet网站，有的单位实现了生产信息、标准手册等网上查询。各单位都自主开发或联合开发了一些用于工艺、生产、物流等方面与制造、管理有关的应用系统，取得了较好的应用效果。

我国船舶工业已基本上形成了基于CADDS5及TRIBON软件、集成了各种工程分析与仿真软件的舰船三维设计平台，目前已实现从船舶方案论证到生产设计全面采用先进的三维技术，形成了全船船体结构、舾装、电装的三维设计能力，实现减少船舶设计人工28%、缩短设计周期18%，在船舶研制中发挥了巨大的作用。通过引进专业图形工作站、三维动画软件和投影显示系统，构建船舶虚拟现实技术平台，实现了多型船全船各个舱室综合布置的虚拟漫游，并开展了较为全面的设计合理性检查以及设备、系统的可装配性、可维护性、人机工程、船舶总装物流仿真、虚拟平台异构数据转换等技术的研究，在增强船舶三维设计的可视性、对设计方案进行优化和干涉检查，提高舰船设计质量等方面取得了十分良好的效果。各总体厂所还开展了PDM系统的应用和开发工作，初步构建了船舶协同设计建造和项目管理平台。在企业网建设领域，发展更是迅速。各骨干造船企业计算机网络建设方面初具规模，计算机辅助设计制造与生产管理的软硬件平台初步建立，已为建立数字化船舶企业提供了扎实的硬件基础。

在数字化浪潮下，我国船舶工业需要在熟悉数字化造船技术的体系构成和特征的基础上，不断研究和深化数字化造船技术新内涵，顺应和引领行业发展新趋势，推进我国数字化造船的进一步发展。