我国船舶设计与建造技术的现状与未来趋势

何海华，张济 ，张兆德

（1.浙江扬帆通用机械制造有限公司，浙江 舟山 316000；2.浙江省近海海洋工程技术重点实验室，浙江 舟山 316022）

1 引言

近30 多年来，我国船舶工业发展迅速，实现了由传统工业向现代工业、由自我封闭向国际化产业的历史性跨跃。产业规模大幅提升，产业集群效应初现，并形成了以大型国有企业为骨干、长江口、珠江口和环渤海湾三大区域的多种经济成分企业竞相发展的新格局。中国已具备集装箱船、油船和散货船三大船型的设计能力和系列化建造，个别船型还达到了世界先进水平。

国内造船企业在基础设施、制造装备、装备自动化等方面持续优化，建立了一批先进的硬件设施；大力推进船舶“数字化”建设，实施了PDM，ERP 和MES 系统，很多企业实现了船舶产品的数字化设计，制造过程的生产计划、物流和质量等的信息化管控[1]。近年来，国内一些船舶企业开始引进国际先进的造船软件，以三维设计建模技术为代表的数字化技术在我国新一代船舶设计和建造中得到了初步应用。在引进消化国外先进技术的基础上，国内一些船舶企业开展了基于数字化造船相关的研究工作[2]。

在国际公约与规则及船舶市场大环境的影响下，近十几年来我国船舶工业经历了转型升级过程，产业集群效应初现，绿色造船和数字化造船技术不断深化，船舶设计与建造的技术水平不断提升。同时我国的船舶工业还存在一些问题，如船舶企业规模偏小、设计与建造技术水平参差不齐，产业布局不合理，船舶配套业发展滞后，自主创新能力不强，专业技术人才不足等。随着国家船舶工业规划和相关政策的实施，我国船舶工业将逐步提高设计研发能力，增加核心竞争力，为从造船大国过渡到造船强国打下重要的基础。

2 我国船舶设计与建造技术的发展现状

2.1 绿色船舶的发展对船舶行业的影响不断深入

绿色船舶的概念一般指在船舶设计建造和营运管理过程中，在满足船舶功能的前提下，节省材料、节约能源并减少污染[3]。

1997 年，《国际防 止船舶 污染公 约MARPOL73/79》修订案由国际海事组织通过，2011年又将船舶能效设计指数（EEDI）和船舶能效计划（SEEMP）引入该公约，后来又引入船舶能效运营指数（EEOI）、碳排放强度指数（CII）和全年效率比（AER）等。近二十多年来，绿色船舶的概念对国内外的船舶行业产生了巨大的变化，甚至影响了船舶行业的发展格局。这种不断发展的影响主要表现在以下几个方面：一是在设计过程中，通过船型优化、纵倾优化、增加附体、采用气泡减阻及上层建筑风阻优化等，以减小船舶阻力；同时通过船、机、桨优化提高船舶推进效率；对集装箱船进行降速节能；以及通过采用新型船舶燃料，减少排放；甚至在船舶设计阶段就要考虑船体结构的振动预报与噪声控制。二是在建造过程中选择合理的焊接方式和涂装工艺，采用无污染材料和标准件，并尽量减少物料和能源消耗，减小废弃物数量[4]。三是船舶要尽量减排温室气体并防止燃油泄漏。四是在船舶拆解时减少对环境的污染、提高材料重复利用率，以及降低能耗与资源浪费[5]。五是绿色修船理念下对传统的三大船型进行节能环保型技术改造，如应用高精度混拼装备、自动化除锈装置、油污水处理系统等；加装压载水系统、脱硫装置、球鼻艏和风帆技术装备等。

2.2 数字化造船技术应用

在船舶建造过程中，运用计算机、网络通信和数字仿真等技术进行数据融合，对船舶的设计、建造、管理、经营和决策等全过程进行数字化描述。数字化造船最先起源于20 世纪70 年代计算机技术在船舶数学放样和数控切割中的应用两个领域，后来逐渐向着计算辅助设计/制造/分析 (CAD/CAM/CAE) 领域拓展。近二十年来，国外逐步进行船舶虚拟设计制造、计算机集成管理系统和制造系统的研究，开发造船数据的连续搜集与全生命周期支持系统 CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support)。近年来的发展热点主要有船舶设计数字化、船舶制造敏捷化、船舶管理精细化、船舶装备自动化等[6]。

近二十年来，我国船舶行业在引进国外先进技术的同时，也在逐步将数字化造船技术应用到船舶设计与建造过程中。国内有的船舶企业开始陆续使用甚至开发一些计算机辅助设计软件。大多数的船舶设计与建造企业也已经基本完成从传统的船舶设计从平面向3D 设计的过渡和从传统的分段造船模式向分道造船模式的过渡[7]。

2.3 高附加值船舶建造水平提高、智能船舶初现

我国不仅具备了建造LNG 船、LPG 船、30 万吨级超大型油轮、大型集装箱船、大型游轮以及半潜式海洋平台的建造，并成为能够建造8000TEU 集装箱船的少数几个国家之一，甚至在LNG 船等开发设计与建造方面达到了世界高端造船先进水平[8]。

智能船舶通过信息技术，收集并处理信息，利用大数据分析技术，在船舶的航行和管理过程中实现智能化运行。按船舶系统可以分为航行、船体、机舱和货物管理等方面的智能化。按照船级社的提法，对智能船舶进行了分类：第一代是人为代理系统；第二代是通过监控系统做出决策；第三代是利用数据分析和互联信息实现情景感知；第四代将会实现无人驾驶。其中前三代智能船舶仍需要人在船上[9]。

智能船舶的最初目的是为了减轻船员的劳动强度，随后的发展过程中，随着计算机、信息感知和信息处理技术的不断发展以及机器学习技术的应用，船舶智能系统变得越来越“聪明”，提出的参考和选择的决策和建议更符合实际。同时智能船舶在自主航行过程中，还需要有智能化岸基操控。2017 年挪威开发了全球首艘120个集装箱的无人驾驶船舶，能节省大量运营成本[10]。

智能船舶可以减少人力成本和人为失误，以及在恶劣海况下完成任务。但还有很多方面的技术问题需要解决。①传感器的可靠性与感知信息冗余；②复杂海况下的信息识别的准确性；③数据高速传输与信息的实效性；④信息不完备条件下智能系统的模糊判断能力；⑤人工干预的界面划分等。

2.4 现有人才培养模式不能适应未来船舶工业的需求

一是我国的学历教育规模宏大，但很多学校培养方式不能很好地适应船舶工业的需求。在学历教育方面我国船舶专业的学生数量为世界最多，据统计我国现有船舶与海洋工程本科专业的高校为30 所，每年培养有本科生逾1000 人、硕士研究生约700 人、博士研究生200 人以上。但由于很多学校师资力量不强，教学内容更新不够，甚至有的高校在重科研、轻教学的考核机制下，教师很难全身心地培养一批能适应船舶工业未来发展的学生。

二是船舶企业对技术工人的培养主要针对不同工种岗位的要求，进行短期岗前培训，对技术工人的综合素质提高成效不大；一般船舶企业对科技和管理人员的培养过程往往以岗位实践为主，缺少系统的综合业务素质方面的培养。

3 船舶设计与建造技术的未来发展趋势

3.1 船舶设计与建造数字化进程加快

优化船舶数字化平台数据集成系统，实现船舶设计与建造数据的全流程覆盖，基于统一的数据库，构建一个从概念设计、详细设计到生产设计的三维模型，实现不同系统的数据模型一致。以数字化船舶产品为导向，促进整个船舶设计与建造过程的数字化变革，构建包括船舶数字化设计研发系统、生产建造系统、运营管理系统和维修保障系统等在内的数字化体系平台，实现船舶全寿命周期的数字化。未来，船舶数字化将面向自动化、集成化、数字化、网络化和智能化方向发展[11]。

3.2 船舶设计与建造一体化逐步融合

我国船舶行业的传统是船舶的开发设计与建造分别进行，经常会出现设计与建造部门之间的协调和沟通问题，从而降低了生产效率，甚至拖延造船周期。为了适应船舶业的发展需求，需要加大船舶设计与建造一体化软件开发力度，实现一体化和模块化的要求，使船舶实现设计、建造、管理一体化。普及虚拟现实技术（VR）运用，开发涵盖船舶整个生命周期的虚拟设计系统，提供船舶全寿命周期（PLM）虚拟现实解决方案，预告发现并解决船舶建造过程的问题，从而实现设计、制造和管理一体化[12]。

3.3 智能化无人船技术将快速发展

船舶智能化作业场景包括开阔水域航行、狭窄水道航行、起抛锚作业、装卸货作业和靠离泊作业等。综合考虑不同的营运需求、技术路径和经济成本，需要对不同的智能功能和场景匹配不同的自主化程度。自主航行技术将是未来的主攻方向和发展热点[13]。

未来将实现船舶制造、航行、管理和服务整个流程的智能控制，智能化不但提升效率而且降低营运成本。但智能化发展也会遇到一些问题。一是构建全球范围内物联网的可行性；二是大数据处理过程中对计算处理能力；三是智能化系统的可靠性和安全性。

3.4 各种新能源船舶不断涌现

传统的船舶动力主要是化石燃料，近年来为减少二氧化碳和氮氧化物的排放，新能源船舶成为新的发展热点[14]。船舶新能源动力具有低排放、环境友好等优点，新能源船舶主要有电力推进、太阳能、风能、甲醇、液氢、LNG 和LPG 动力船舶等。由于太阳能和风能的能源密度低，虽不能用作船舶的主要供能需要，但可以用于辅助动力；甲醇和液氢用做船舶燃料的安全性问题解决后，将成为未来理想的绿色船舶燃料[15]。随着新能源船舶的发展，新能源基础设施体系将建成，适用于新能源船舶的法规和技术标准将不断完善，新能源船舶将会有快速的发展。

3.5 船舶建造材料将有所突破

在船舶建造材料的选择上，加宽加长型材、具备良好抗腐蚀性的不锈钢、细晶粒的低温钢、焊接性能好的高强度钢等，是船舶建造过程中严格要求的良好材料。随着船舶制造业的快速发展，逐步应用新型材料[16]。一是耐低温、耐腐蚀材料，如含稀土的B 级碳素钢和低合金高强度钢、低温钢和低磁钢等；二是减振降噪材料。如铝制瓦楞复合板、发泡铝及复合材料等。这些新材料的应用为进一步推动船舶工业高质量展和海洋强国建设起重要作用。

3.6 复合型、高技术人才的需求增大

船舶行业的转型升级过程中，需要打造一支专业化、数字化的船舶人才队伍。强化船舶制造业和数字化行业整体协作、资源共享的意识，通过学术会议、技术交流等手段，加强企业厂商、高校和研究院所等科研合作，培养大批复合型人才，以先进的理念打造一支高素质的船舶数字化人才队伍。同时要培养智能型、一专多能技术工人，增强工种的适用性，提高劳动效率。

4 结论

（1）在船舶设计与建造方面与世界先进水平看齐，需要借鉴国外先进科技，在引进、消化、吸收的基础上，勇于创新。充分发挥数字化优势，不断开发造船技术与应用。构建数字化的标准体系，建立网络平台，实现高效、精准、自动化、集成化、虚拟化船舶建造。

（2）要做好长远规划，以未来船舶工业的人才需求为目标，改革现有的人才培养模式，加强高校和企业联合，高校为企业培养优秀的技术人才，才能在未来的国际竞争中取胜，早日实现我国的海洋强国战略。

（3）我国船舶设计与建造的发展必须加大以3D技术为基础的软件开发力度，实现船舶设计、船舶建造和船舶管理的一体化，同时在建造过程中实现“壳、舾、涂一体化”。改革不合理的管理模式，充分发挥科研人员和技术人员的能动性，提高船舶设计与建造技术水平。