船舶智能设计浅析

徐宏伟 王学营

（南通中远海运川崎船舶工程有限公司 南通226000）

引 言

船舶产品几乎都是定制品，新的船型需要新设计，即便是成熟船型，大多数情况下也都会根据船东的需要进行改进设计或者个性化设计。而船舶产品作为复杂的系统性工程，设计周期长、人工耗时多。根据某知名合资船舶企业调研数据，以当前主流的6万吨级散货船和30万吨级油轮为例，周期一般为15～20个月和17～24个月，设计工时分别约为40 000 h和80 000 h，一些复杂的特种船可能还会更长。当前国际市场并不稳定，航运市场瞬息万变，为快速应对市场以及降低人工成本，短时高效设计作业已经成为改进的方向之一。［1］

1 智能设计

船舶行业已有数百年的历史，随着设计手段不断发展进步，船舶数字化设计已逐步取代其他设计方式。在船舶数字化设计的最初阶段，设计人员摆脱了手工绘图，设计数据也转变为2D、3D的虚拟数据，设计效率有了质的飞跃，此时的船舶设计才开始真正向数字化设计转变。

为了提高船舶市场对小批量、多品种需求的响应能力，设计逐步向着集成化、自动化的方向发展。计算机集成制造系统（CIMS）在此背景下迅速发展，各种集成设计系统应运而生，计算机替设计人员完成了更多的船舶设计任务，船舶设计效率得到进一步提升。但人力资源成本在逐年提高，船舶制造业作为人员密集型行业，企业用工成本压力越来越大，迫使企业在各方面改善以降低成本。

近几年，数字化技术发展迅猛，智能化的概念越来越多被提及。所谓智能化，就是使计算机在更大范围内、更高水平上，代替人类处理数据、信息，甚至代替人进行各种决策。由此引申出智能化在船舶设计领域的应用，让计算机在完成自动化知识处理的基础上，实现船舶设计过程的决策，即船舶智能设计。由于船舶本身物量大，设计过程较为复杂，完成一艘船的设计工作需要投入大量的人力和物力，尤其是在生产设计阶段，几十万个零件都需要进行放样、采购、出图。船舶智能设计在自动化设计的基础上，融合了设计作业基准，通过大数据分析，由计算机完成设计，实现大部分设计作业由计算机替代，极大地释放人力资源。［2］

2 智能设计的方向

2.1 智能化模型匹配

在船舶设计过程中，往往会有很多规律可循，从船型开发到详细设计、再到生产设计，许多环节可以采用标准化搭配的形式进行构建。

智能化模型匹配是指根据用户需求建立数学模型，通过对数学模型的模糊延伸，在数据库中进行匹配，并对匹配的结果进行最优化筛选。经过多年船舶设计的积累所形成的船型数据，是船舶设计初期必须参考的重要经验，各个专业的设计者必然会遇到选型的问题，是否能高效地查找到最匹配的所需部品、设备作为参考，会对初期设计和船舶接单产生较大影响。智能化模型匹配针对这一问题有较好的应对，能在很大程度上将设计者从数据查找和筛选中解放出来，以便将更多精力投入到设计和开发中。

在船型开发阶段实现船型数据、设备参数、船东意见的数据化，实现船舶初期设计开发的规范化、智能化。在市场询单时，可根据船东的需求快速匹配主辅机等设备，用最短的时间形成最基本的船型规格，然后根据船东意见进行局部修正：

（1）建立散货船、油船、集装箱船等多个船型的系列化样本船基础尺寸和规格，为新船型开发提供数据支撑。

（2）建立主机、发电机、锅炉等多个厂家和多个型号的设备规格数据库，结合辅助计算程序，实现对新船初期系统开发的自动选型。

（3）建立不同船型、不同专业的船东意见数据库，实现新船接单时的快速意见对应；并且通过对船东意见的数据分析，实现船型设计的改善优化。实现此项功能的前提是已经具备了基本设计能力，并且在船舶的基本设计、实船建造和售后跟踪上积累了丰富的经验和数据。

2.2 智能化替代作业

新一代船舶设计软件AM12是集成了TRIBON和PDMS的开放式船舶专业设计软件，其开放式的特点决定了船厂可以根据自身特点将需要人工重复作业的内容进行程序的二次开发，并通过二次开发后的程序进行替代作业。

该类智能化是以各种嵌入式的程序软件为基础，以详细设计和生产设计各个阶段的机械式重复作业替代为研究目标，包括且不限于以下几个方面：

（1）建模自动化

结合船舶设计标准来进行参数化建模、相同结构的模型自动拷贝、部件规格自动选择，以及利用二维信息及规格书信息驱动三维建模。

（2）设计过程自动化

包括船体结构/舾装件之间的干涉检查、一些管路/支架/梯子/扶手的自动化建立、船体结构的开孔自动化、管子/电路/风管从系统到装置的一体化设计等。以梯子的自动化为例，通过输入或者选取梯子的4个坐标点以及梯子的形式，软件自动构建最合适的梯子，并且能够实现95%以上的梯子都不需要手动修正。

（3）工艺自动化

能够按照舱室等区域划分的特点，自动进行管路分切、吊耳合理化设置、重心计算等。以管路自动化分切为例，分切处选用法兰还是套筒，选用什么规格的法兰，管加工车间的加工能力是多少，能否利用库存材等，均可以自动匹配完成。

（4）出图自动化

根据分段或者区域划分的情况，能自动形成包括现场安装图、管件加工图等在内的各种施工用图。以安装图为例，图面上的各种管件信息、设备信息、安装位置尺寸等全部实现自动化标注，并将图面整理清晰、标注齐全。

（5）物量信息统计自动化

主要包括采购物资的数据提取自动化，托盘数据提取及发放自动化等，该类信息可以按照区域划分、分段、甚至全船进行一键生成和统计。实现此项功能的前提是在设计阶段实现100%的数字化建模，并且数据准确。

2.3 智能化数据流转

将设计和制造、仓储、采购等连接起来的ERP系统是关键，ERP系统将不同系统间的数据串联起来，可以有效解决数据孤岛问题，实现智能化数据流转。

船舶行业在信息化方面相对落后于其他行业，目前最大的问题是信息载体缺失和信息的离散化。没有集成的数据库，智能设计建立的数字化模型就没有分析的基础，各个系统间的数据无法及时共享，信息的时效差严重影响船厂内各流程的高效运转。

实现设计的智能化，必须基于同一个准确数据源，建立能够满足船舶研发、设计、采购、制造、营运、维修等全生命周期管理的互联互通ERP平台；此外，最好能在一定范围内投资船舶，建造智能生产线或者自动化生产线，实现决策、设计、调度、监测、生产、管理等数据在加工线上高效流转，再通过工况在线感知、智能决策与控制、装备自律执行等，与智能设计形成闭环过程。该ERP平台从规模上来说，业务流程应覆盖整个船厂；在数据配置方面，为保证数据的唯一性，同一数据在数据库的不同表中应只出现一次，且理论上只有唯一部门具有对该数据的写入权限；从业务流程上讲，不同部门对数据的需求不同，平台应具有灵活配置流程的功能，以应对船厂复杂多样的业务需求。

该功能是建立在设计大数据的结果之上，并且数据能前后流转和应用，使造船工艺流程、物流、信息流一体化。生产终端应建有高度自动、自觉执行能力/感知能力的智能生产线或者自动化生产线，智能化的数据流转适用于船舶设计的各个阶段，以保证船厂内的各个系统能实时获取所需的最新数据，减少因信息时效差所引起的怠工和生产错误。通过打通船厂内各环节内的数据壁垒，能解决信息孤岛问题，使数据快速、高效地流转，各子系统便能根据需求进行分析，智能化获取所需数据，大幅提高上下游的衔接效率。［3］

3 智能设计实施的基础

智能设计功能的实现，必须对大量的设计经验数据、基准数据以及厂家数据等进行对比分析，因此必须建立不同类型的公共数据库系统。该系统不仅应包含船厂内外各种信息数据，还要打通与CAD、CAM、TRIBON和有限元等系统之间的壁垒，使设计系统之间的各种数据能够相互调用。各数据库之间既独立、又相互联系，既相互支撑、又相互依赖，从而组建起覆盖船厂所有范围的数据网络。

图1 连通上下游的数据库系统

3.1 建立基于船东和配套厂家的数据库系统

（1）建立并丰富船型数据库

将各种船型的数据进行积累，形成数以百计、船型多样化的实船研发建造数据库，为新船开发形成坚实的经验及技术基础。当新船开发时，能够快速查找到最理想的母型船，并便捷地修改成目标船；能够查找到最理想的设计方案，并快速修改成目标图纸；能够快速搜索到某型设备信息，且整体调入并布置到相关图纸中。

（2）建立船舶营运数据库

与航运公司关联，对船舶进行实际航行数据跟踪。通过海量的船舶营运天气、海流、航区和油耗等相关数据的分析评估，得到各类船舶的实际航运性能。通过与设计的理论值相比较，分析设计偏差，提升船舶设计水平。

（3）建立船舶营销数据库

建立包括船东详细信息、技术谈判案例和船东喜好等相关数据，以便后期能快速开发出一款技术水平高且满足船东个性需求的船舶。

（4）建立供应商数据库与模型库

船舶采购产品种类繁多，通过该类数据库可以在设计过程的第一时间了解某一设备的规格和尺寸等相关技术信息，提高设计准确度和设计效率。

（5）建立行业技术数据库

该数据库包括船舶与航运相关论文、专利、技术动态、主流船厂及科研院所动态等，可用于全面评估技术发展趋势，以便在高技术船舶开发方面超前布局，获得发展先机。［4］

由于不同的实体在建立数据库时需要记录的信息不同，初期建立的数据库难以满足所有需求，需在使用过程中不断完善。通过在船舶设计过程中不断积累数据，船东和配套厂家的信息将不断丰富，最大程度地兼容不同的船东和配套厂家。

3.2 建立基于船厂研发设计各种规定的数据库系统

船厂在发展的过程中，设计经验不断丰富，逐步形成了有特色的设计基准和数据处理方法。这些设计基准和方法有的以文字形式存在，有的以员工经验形式存在，但都不能为数字化系统所利用。实现船舶设计的智能化，必须将这些基准和方法转化为标准化和数字化的经验，使之成为数字化的船厂专家设计标准数据。［5］

将船厂的专家设计经验标准化，并融入到数据库系统中，使船舶设计软件系统通过二次开发，成为专家系统。例如在方案设计阶段，必须根据专家的知识和经验，进行合理判断和决策，才能获得优良的设计结果。将该领域专家的知识和经验，运用人工智能技术，归纳成一些规则，形成知识库；再利用推理机制，进行推理及判断，最终应用计算机处理后，获得具有专家水平的设计结果。

船厂各种装备的生产条件是船舶设计过程中的制约条件，将各种装备的生产条件数字化，并融入到数据库系统中，使船舶设计软件系统通过二次开发，成为预判系统。如何合理地最大化利用材料并简化工艺，是这个系统工作原理的精髓，例如定尺钢板的选择、库存材料的利用、工法工位的选择等。这在不影响原有的工艺基础上，从根本上改变现有的作业方式，更大程度地实现自动化作业并减少了作业者的工作量。由于该数据库是对各种规定的数字化表示，当规定修改时，相应的数据库也需要进行适配。

3.3 建立船舶运行参数数据库系统

船舶作为船厂的主要产品，其性能的好坏直接影响船厂在行业内的口碑，进而影响船东对订单的选择，可以说直接决定了船厂的命运。船舶在交付船东运营后，运行中的各项参数是评价船舶性能的主要参数，也是优化船型和船舶各项指标的参考依据。设计全新船型时，船舶的型线设计、船舶设备的选择、结构设计以及螺旋桨设计等，往往未经实船验证，各种参数的选择无法达到最优，因此需要在设计的过程中不断改进和优化。［6］

现阶段，船舶的主要性能参数在大部分船舶上都有相应的采集传感器。新增采集数据需对船上已有设备进行改造，以补充相关的数据输出，进而通过相关系统进行数据采集。

建立船舶运行参数数据库系统，实时收集船舶运行中的各项指标数据（性能指标：风速、航速、吃水等；主机运行指标：主机转速、主机运行时间等），结合合理的智能化分析技术，这些数据便可为船厂智能设计提供有力支撑。

在船舶设计初期，根据对以往交付船舶的航行参数进行分析，系统可自行比对，并对问题参数进行局部优化，从而达到不断优化设计之目的。对主机参数的收集，是主机选型的重要依据。在进行新船设计时，根据已建立的厂家数据库，系统可以智能化规避存在问题的厂家和主机型号。

4 结 语

目前，我国在船舶智能制造方面的推进力度较大，也取得了很大突破，各船厂也在努力打造船舶制造智能化生产线。在船舶设计过程中，对智能化生产所需要的数据已不断扩充并完善，但是对于设计的各个环节，关于智能化方面的探索仍亟待提高。这需要各个船企找到自身的作业规律，化繁为简，加大智能作业手段和工具的二次开发或引入力度，在将设计人员从繁复的工作中逐渐解放出来的同时，进一步提高设计质量。我国在船舶智能设计方面尚处于较初级阶段，需要不断发展和挖掘可以实施的努力方向。