船舶设计制造中的并行工程与分道建造技术

郭 涛 魏小星

（1.上海振华重工（集团）股份有限公司 上海200125；2中船重工中南装备有限责任公司 宜昌443005）

引 言

船舶实际上是一座集高新技术和基础工业的水上移动城市。大型船舶的设计和建造过程其实就是复杂生产过程的集合，现代造船工程其实质是典型的基于高科技的系统性工程。造船体系和相关技术形成了相应的造船“模式”，随着市场竞争加剧、科技和工业的发展以及造船企业对生产效率和从业人员对作业环境的要求，造船模式的优化与创新变革极为重要［1］。虽然我国已发展成为世界第一造船大国，但是与西方和日韩等造船强国相比，我国的船舶企业在设计、建造等各个方面，特别是在造船周期和过程管控上均存在一定差距。为缩小这种差距，引进先进技术是目前较为流行的方法，而这其中具有代表性的先进技术就是关于并行工程技术与分道建造技术在船舶设计制造过程中的探索与应用。

1 并行工程理论

并行工程是相对传统产品开发过程而言的，并行工程更加强调产品开发的同步性而非传统产品开发中的“串行”式次序性，并行工程又称为同时工程或者生命周期工程。并行工程的出现以及现阶段对生产周期的要求，使以往以串行工程为主体的传统企业组织体制和工作流程，以及从业人员的思维方式都产生极大改变。并行工程的实质就是一种系统集成方法，它对产品设计及相关的工艺过程都采用并行的方式来处理，并且是用管理、生产和经营等多种不同的方法来集成产品的设计、制造及其他相关过程。

并行工程的实现需要在设计阶段开始就能够完成设计人员的集合，形成多功能的一个协同工作基础，通过有效管理和通信实现信息共享，有序地进行各项工作的交叉与并行，从而能尽早考虑到整个产品的各个因素，以确保设计与制造的一次成功，减少产品的建造周期。并行工程具有重视用户要求、注重成员合作、高效通讯协同工作等特点。并行工程模型如图1所示。

图1 并行工程模型

2 分道建造技术理论

船体分道建造技术其实质是将中间产品作为建造核心，并根据成组技术和相似性原理将其进行细化、分解，按照部件、系统、分段和总段的过程进行建造。分道建造技术的基本单元是中间产品，并且在实际建造过程中可将其视为生产单元；对各类中间产品按相同的工期要求进行设计，以便于实际生产中的平行作业。船体分道建造所要求的中间产品建造过程中空间相对较为独立，且符合造船厂家在生产各阶段、各方面的需求，并能在实际操作中对建造过程进行有效而合理地监控。在分道建造过程中的各个阶段均以有序的大合拢为目标，同时要求组织各类分道作业过程均衡和协调进行，以实现造船过程的连续性。通过对各阶段中间产品的相似性分析，使分道作业的内容和过程最大限度相似，以便于各类中间产品建造的标准化与专业化，同时分道建造要实行上级分道与下级分道相互对应的原则，以利于实现生产建造的信息化和标准化管理。

3 并行工程与分道建造技术在船舶工程中的应用

3.1 并行工程下的船舶设计建造系统结构

将产品开发的整个过程视作一个集成过程是并行工程的一大特点，也是并行工程与传统生产方式的根本区别。在并行工程应用于船舶建造中，可以利用全局视野的角度对船舶建造的整个过程甚至是船舶的整个生命周期进行与之相对应的管理、控制和优化，并对已有过程进一步完善和提高。图2为并行工程下船舶设计建造系统结构。

图2 并行工程下船舶设计建造系统结构

并行工程现阶段在船舶设计建造中应用主要依赖于网络和数据库，通过网络的连接和数据库的资料对比，使各类专家对产品模型进行统一的设计、分析，确定船舶的设计可靠性和相应的制造性能，各类专家可以利用网络将不同的意见反馈汇总并利用数据库进行相关分析，从而修改产品模型数据，实时上传产品模型使不同的使用者能够同时在新修改的模型上进行相关操作，直至完成所有相关任务。这种方法不仅有利于提升整体工作效率、减少设计时间，而且由于充分考虑了船舶在设计、建造、使用等整个生命周期各阶段可能出现的各种问题，从而进一步提升了船舶设计质量。同样，在船舶建造阶段，并行工程的方法也能提升船舶建造效率，改善船舶建造质量。

3.2 并行工程下船舶设计建造的关键技术

并行工程需要同时对产品及其下游过程进行相关设计，即要求在进行产品需求和功能设计的同时也要满足产品后续的可靠性、可加工、可维护、可装配以及表面外观处理，甚至是产品升级、报废等不同层面的设计需求。对于技术和劳动密集型的造船行业，要实现在船舶设计、建造中对并行工程的应用，就需要造船企业具有与之相对应的先进造船设备和技术。这其中管理技术，CAD/CAM/CAPP一体化，DFM/DFA等相关技术的应用是实现使用并行工程方法的基础。下文将介绍实现并行工程的几项重点技术。

3.2.1 质量管理与控制

按并行工程的哲理，可靠性和可维护性分析必须成为在初期设计阶段的设计考量和依据，建造过程中可能出现的问题必须在此前被识别并设置为“开”的状态，即在设计初期就充分考虑产品后期生产制造中的问题，并通过整体性的考虑尽量避免这些问题。

3.2.2 CAD/CAM/CAPP一体化

并行工程并非传统式的产品开发，它是建立在信息化基础上的现代产品开发系统化方法。它强调产品设计的整体性与系统性，即在设计产品的同时也需要设计产品生产建造工艺过程、工序以及质量等的系统性要求。因此，并行工程的关键是集成一切资源，统筹和合理利用资源，从而促使相关活动尽早开启并能够合理有序地进行。CAD/CAM/CAPP一体化在并行工程产品开发中发挥着重要的作用，在面向经营决策时，它能提供所需的产品设计、生产周期和计划等信息；在面向管理系统和质量系统时，它能够提供产品的结构、工艺过程、检验情况以及风险隐患等不同方面的信息；在面向制造车间时，也能够获得产品生产单元、数控加工、装配建造等过程的工艺及加工信息。

3.2.3 产品数据模型

设计制造一体化实现需要大量且频繁的数据信息传递和交换。目前在船舶设计建造中，虽然计算机CAD/CAM软件和CNC设备的应用已经非常普通，但舰船产品数据仍然是以图样和文件为主，不利于数据的传递和实现，目前船舶设计制造缺乏统一的产品数据模型。

3.2.4 面向制造及装配的设计（DFM/DFA）

并行工程中面向制造的设计和面向装配的设计是两个非常重要的概念，这两个设计概念主要是提出在产品设计时，除了要考虑产品的功能和性能等方面的要求，同时还需要考虑产品的可制造性、可装配性、经济性等方面要求。这能够有效优化材料、技术、工艺、生产过程及成本等之间的相互关系。DFM/DFA在产品设计阶段开始进行，其主要是在质量、功能、生产和效益之间统筹协调以解决相关的总体性问题。

上述技术在使用并行工程方法的船舶设计建造过程中，是提高船舶整体质量、降低生产成本、缩短建造周期的有效途径，同时也是并行工程在船舶设计建造过程中需要重点解决的问题。

3.3 船体分道建造技术的应用

利用产品导向型工程分解方式和以中间产品为基础的船体分道建造就是将整船进行细化分解，形成不同的中间产品，按照成组技术、相似性原理进行分类并安排生产资源，从而实现均衡生产的目的。

3.3.1 分道作业流程

对一般性的船舶制造而言，分道作业流程可分为材料切割和加工分道、小组立分道、中组立分道、大组立分道和总组立分道等不同的过程，最终完成合拢，实现整船建造。图3为应用分道建造的生产流程。

图3 应用分道建造的生产流程

3.3.2 分道作业的支撑技术

船舶要实施分道建造还需要船厂在实施建造前，对原生产模式下的生产线进行调整，形成适应分道建造的新生产线，同时还需要转变管理思路，形成与之相应的管理制度。完成前述准备后，船舶需按照成组技术以及相似性原理，对中间产品进行分类、确定工艺流程，以保证生产的并行进程和均衡性。因此，分道建造技术除了需要相应的软件外，还需要生产等方面的硬件和与之相适应的生产技术的支撑。分道作业主要包含如下技术：

（1）合理的分段划分

船体分段划分的合理性是否能顺利实施船体分道建造的关键技术也是基本要求之一。分段划分是在船体生产设计过程中完成的，它不仅需要考虑分道建造的原则与分段划分的相似性，同时还需要考虑船厂生产设施、生产能力等实际情况，最终形成科学、合理并能够符合船厂实际生产情况的分段。

（2）推行船体精度控制技术。

基于船体建造标准，结合精度计算、管理方式和建造工艺等方面因素，分析船体建造过程的尺寸精度以确定生产补偿量和控制精度，使现场生产的修正量最小化，提升现场工作质量和工作效率。

（3）合理配置分道工位

依据各种不同中间产品的工艺过程，并设定相应的分道区域及分道作业位，使建造过程能够按照相应的流程逐级制造。在分道建造过程中，各分道的设备设施和作业操作人员必须合理配置以保证作业的连续和均衡，同时也有利于高效生产和合理利用资源。

（4）实行定置管理和区域管理

由于船舶分道建造过程需要连续和均衡作业，所以材料、零件等都需要有向流动形成相应的工序过程，故在船舶分道建造时需要实行定置管理和区域管理。

（5）分段制造与舾装、涂装作业同步

船舶分道建造的关键是中间产品的逐级制造，中间产品建造过程中船体分段和舾装作业过程应同步作业，并且依据现场生产的实际情况将涂装作业即时安排在中间产品建造的各个阶段完成。

（6）设备机械化与自动化

制造装配的机械化和自动化是船舶分道建造的硬件保证，优良的制造装配能够有效地提升船厂建造的工艺水平和建造质量，提高制造设备的现代化水平。这也是目前船厂升级的目标之一。

船舶分道建造技术将相关资源成组布置，能够使这些资源在建造中具有足够的柔性，从而适应不同类型船舶的相同和相似中间产品的建造，提升船舶制造效率，同时使经济效益最大化。目前我国重要的大型船厂已基本实现船舶的分道建造。

4 展 望

目前国内造船企业大部分都已开始应用并行工程和船舶分道建造技术，但仍处于初步阶段，并未贯穿于整个造船周期。并行工程和船舶分道建造技术的使用深化还需造船企业推动改进以下几方面：

（1）加强船厂的信息化进程

虽然目前大多数船厂已经开始进行信息化改革，但基本仍只停留在局部或单一系统，不同过程间的信息共享程度依然较低，未形成整体性信息化处理和数据库的建立。并行工程和船舶分道建造技术的应用需要共享程度较高的信息化，不仅包含设计、建造、工艺等基础性设计建造要求，还需要将船舶设计建造全周期中所遇到的问题、处理方式、特殊使用等方面进行分类记录形成相应的数据库。

（2）需要对现有的管理模式进行改变

目前船厂基本以设计团队、建造团队、工艺团队、质检团队等专业化团队为单位进行船舶设计建造，团队间的融合度较低。基于并行工程和船舶分道建造技术特点要求将船舶的设计建造按相似性进行区段划分，相应的实际建造团队也应按此划分，每个团队中设计、制造、工艺、质检等专业化人员都应具备以增强融合度。

（3）增加复合型人才比例

目前国内船厂中，专业人才较多，但复合型人才相对较少。并行工程和船舶分道建造技术的应用中需要数量较多的复合型人才，以便于在船舶设计建造的全过程中进行统筹管理，提升整体工作效率。

上述几点建议将有助于深化并行工程和船舶分道建造技术在船舶设计建造过程中的应用，实现真正意义上的并行，从而提高造船企业效率。

5 结 语

船舶工业是国民经济的支柱产业之一，而造船质量、周期以及成本几乎决定了船舶工业的发展水平，优良技术的使用将有利于促进船舶工业的发展。并行工程与分道建造技术在船舶设计建造过程中的应用能大幅缩短造船周期，使资源利用更充分和有效，从而获得更大的经济效益。目前，分道建造技术在我国的应用已经日趋成熟，但是并行工程的实施依然受到很多因素制约，仍有很大提升空间，需进一步研究与实践。并行工程与分道建造技术合理的组合与使用，是现代造船模式发展的需要。它将使我国的造船工业得到进一步发展，并向着世界造船强国的目标迈进。