国外数字化造船技术发展趋势研究

邸立强，杨剑征，赵 川

(1．中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京100012;2．中国舰船研究院，北京100192)

0 引言

“数字化造船”可以解释为:信息技术在造船全寿期活动中的有效应用，使得造船的决策、经营、采购、设计、排产、制造、物资配送、生产过程监控、资源分配、成本估算、供应链、保障等各个环节协调一致，实现“以中间产品为导向，按区域组织生产，壳、舾、涂作业在空间上分道，时间上有序，设计、生产、管理一体化，均衡、连续地总装造船”的现代造船模式。从几十年来世界造船工业的发展来看，数字化造船是造船行业发展的大趋势。综合对日、韩、美等世界造船强国数字化造船技术的跟踪研究，可以发现国外数字化造船技术发展的显著趋势。

1 统一数据交换标准

随着信息技术的发展，舰船产品的各个环节已广泛应用计算机辅助系统，包括计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造 (CAM)、计算机辅助工艺规划 (CAPP)、计算机辅助工程 (CAE)、计算机辅助测试 (CAT)等。众多计算机辅助系统在提高数字化造船能力的同时，也引发了同种系统之间(如不同CAD之间)和不同系统之间 (CAD与CAM或CAE之间)的数据交换与信息集成问题，即信息“孤岛”。虽然很多船厂在船厂小范围内和特定的时间阶段内消除了信息“孤岛”，但由于采用的数据交换标准“个性化”色彩浓重，导致新的计算机应用软件系统出现时，“孤岛”又重新浮出水面。

为了从根本上解决信息“孤岛”问题，ISO组织开展了“产品模型数据交互规范”(standard for the exchange of product model data，STEP)标准(ISO 10303系列标准)的制定工作。STEP不依赖于任何具体系统，支持产品从设计到分析、制造、质量控制、测试、生产、使用、维护到废弃整个生命周期的信息交换与信息共享。船舶产品领域STEP标准的制订工作由ISO组织下属的T23造船小组领导和协调。目前，国外造船行业纷纷开展了相关STEP标准的验证工作。其中欧盟的STEP标准开发领导机构是海事电子商务标准协会(EMSA)，开展了船舶设计过程中的计算流体力学和欧洲海事工业电子数据交换等多个项目的研究开发;美国的STEP标准开发领导机构是海军/工业数字交换标准委员会 (NIDDESC)，目前正在进行船舶产品模型交换标准和零配件库标准等多个项目的研究开发;日本的STEP标准开发领导机构是日本海事标准协会组织 (JMSA)，其设有专门的STEP船舶应用协议委员会。韩国的STEP开发工作起步较晚，在2000年才成立了韩国STEP中心。STEP船舶应用协议的开发工作由韩国的船舶与海洋工程研究所配合STEP中心共同进行，于2004年2月发布了基于STEP标准的船舶建造路线图［1］，该路线图中有韩国舰船全生命周期的STEP应用设想 (见图1)。

图1 韩国造船行业设想的舰船全寿期STEP应用体系Fig.1 Planning life cycle STEP application system of Korea shipbuilding

当前，STEP标准的验证与应用已经在造船行业内形成广泛共识。统一舰船产品数据交换标准，将是未来持续深化数字化造船发展的主题。

2 建设产品生命周期管理系统

产品生命周期管理 (PLM)自20世纪末提出以来，便迅速成为制造业关注的焦点。PLM结合电子商务技术与协同技术，将产品的开发流程与供应链管理 (SCM)、客户关系管理 (CRM)、企业资源计划 (ERP)等系统进行集成，将孤岛式流程管理转变成集成化的一体化管理，实现从概念设计、产品设计、产品生产、产品维护到管理信息的全面数字化;实现企业知识价值的提升与知识共享管理，产品开发和业务流程的优化，从而全面提升企业生产效率，降低产品生命周期管理的成本，以提升企业的市场竞争力。

目前，国外主要船厂都开始了PLM系统的建设工作。例如，韩国三星船厂开展“数字化船厂”项目的研究，选择了达索公司的子公司DELMIA公司为其提供PLM造船解决方案;美国纽波特纽斯船厂采购了达索公司的PLM系统来建造美海军的新一代驱逐舰DD(X)舰。Northrop Grumman舰船系统公司选择了Siemens PLM Software的Tecnomatix数字化制造解决方案，旨在使其水面舰船的制造规划和装配仿真全面实现数字化，增强产品设计、制造和生产部门间的协作，提高生产力和工作效率。

图2 达索/IBM公司的PLM解决方案Fig.2 PLM solution of Dassault/IBM

PLM数字化制造解决方案涵盖的范围非常广泛，从零件制造规划、生产管理和反馈一直到产品设计，是制造业信息化的发展方向。PLM已经成为船厂管理舰船生命周期相关的所有产品信息和制造过程信息的有力工具，使舰船数字化造船发展站在了崭新的起点。

3 建立网络化船舶制造模式

网络化船舶制造模式［2］的核心思想是将一个国家或一个地区所有的造船厂、分包企业、配套供应企业、设计研究企业、舰船检验机构和舰船使用部门的不同职能，集成一体，使这些企业单位和部门构成造船同盟。这个同盟根据造船市场的需求，把船厂和其他企业的各种优势力量汇集和组织起来，开展舰船产品的投标、设计和制造。因为这个同盟只是各企业和部门的优势职能和力量的协作性质的结合，但又能像一个统一的造船企业一样开展经营生产活动，所以又被形象地称为“虚拟企业”。虚拟企业通过“虚拟企业服务系统”和“虚拟企业用户系统”进行协同和过程管理。这2个系统为虚拟企业的各方提供了一个通用的计算机平台和沟通的站点。虚拟企业的信息管理包括电子化的技术数据和产品数据的交流和管理。造船虚拟企业的过程管理包括舰船设计、建造和修理工作中的相互沟通、日程计划和作业流程等的管理。

图3 形成造船虚拟企业的基础设施图Fig.3 Infrastructure of shipbuilding virtual enterprise

目前，国外都在积极从事网络化船舶制造模式的研究开发工作。美国于1994年创立的工业信息基础结构合作组织一直致力于工业虚拟企业的研究。2000年9月，全美六大造船公司率先联合建成基于信息技术的造船虚拟企业 (动态联盟)。日本、韩国和欧洲的海事行业也在开展造船虚拟企业的筹划与组织工作。

网络化的虚拟造船企业是基于先进制造技术的更高层次的信息集成系统，舰船产品制造流程分布在网络之中，能够实现最优的性能和最合理的成本。建立网络化的船舶制造模式，是数字化造船发展的最终目标。

4 应用智能化舰船建造设备

全自动造船是造船生产的最高阶段，它以企业为对象，在系统科学的指导下将企业的全部生产经营过程 (包括市场研究、经营决策、产品设计、加工制造、生产管理、销售及服务等)采用软硬件综合成一个由智能计算机、自动化装备和智能机器人所组成的集成系统［3］。现代造船企业正逐步采用自动化装备代替人工操作机械，采用信息化设备代替人脑劳动，从而向全自动造船迈进。

图4 现阶段造船企业自动化设备应用领域［4］Fig.4 Current manufacturing automation in shipbuilding

日本在20世纪70年代就提出“无人化船厂”概念，并积极推进智能化舰船建造设备在船厂的应用，先后开发了数控切割机器人、装配焊接机器人、线加热机器人等智能化制造装备，并开始涂装机器人的研制。三星旗下的巨济造船厂68%的生产工序由机器人系统完成，船厂采用的智能化装备包括检验与管路清洁机器人、可以在船体表面攀爬的智能除锈机器人，以及配备3D摄像头、可自主决定需要焊接部位并施焊的智能焊接机器人。美国也正在开发造船用全机器人焊接系统、模块组装机器人等智能化舰船建造设备的研制。

当前，世界上先进造船企业已经具备柔性自动化生产线，实现了造船生产过程某一流程或某一制造阶段的自动化，但距离实现全自动造船还存在一定距离。随着信息技术的发展，舰船建造设备的自动化、智能化水平正不断提高，为数字化造船的发展奠定了更加坚实的基础。

5 借助虚拟现实工具

随着船舶CAD软件从二维向三维设计转变乃至普及的时候，世界各主要船厂已基本上解决了用计算机实现“造什么样的船”的问题。目前，它们更加关心的是在真实制造之前用计算机检验3D模型的设计缺陷以及解决“怎样造”的问题。而从当前的技术水平和这些船厂所采取的措施来看，解决这些问题的最好办法就是采用虚拟现实技术。在工业中，虚拟现实工具能够从根本上改变船舶的设计、制造和装配。对于3D船舶模型的检验问题，利用虚拟现实技术可以很好地完成空间布置校验、碰撞检查、维修空间及可操作性检查、人机工程检查、设备的模拟安装与拆卸、甚至整体重心的测定和航行测定等。对于“怎样造”的问题，利用虚拟现实工具，可以模拟厂房布置、制造设备、生产线、人员等船厂资源，进而解决加工工艺、装配工艺、物资配送、资源调度、计划安排等问题。

美国海军LPD－17项目应用了达索子公司DELMIA公司的虚拟现实软件，对生产过程进行了仿真，使得船体开工建造之前已完成了80%的设计;而用传统设计方法，船体开工建造之前只能完成20% ～30%的设计［5］。从而大大减少了工程修改量。在“福特”号航母的建造过程中，美国海军资助研发的三维虚拟工具发挥了重要作用。项目成员通过佩戴三维眼镜，可以在虚拟的航母中漫游，检查每一个零部件能否安装到指定的空间，并可利用模型辅助零部件的建造。利用该工具可预先组装整艘航母，不管是钢材、管路还是线缆，通过模拟方式都能够避免发生干涉，实现准确安装。法国在未来航空母舰的研制中，也采用虚拟现实工具GASPAR模拟虚拟航母环境中自主作业程序的执行，并随时评估设计改变对航母性能的影响。

图5 LPD－17舰应用DELMIA软件所实现的生产过程仿真图Fig.5 Simulation of LPD－17 construction in DELIMIA software

虚拟现实工具在国外舰船设计建造领域得到了非常广泛的应用。借助虚拟现实工具在设计与虚拟评估、虚拟装配、生产物流虚拟仿真等领域的进展，成为提高数字化造船水平的有效途径。

6 结语

国外舰船数字化造船技术的发展，体现了数字化技术在集成化、网络化、虚拟化、智能化等方向的发展。当前，我国正在大力推进数字化造船的发展，跟踪掌握国外舰船数字化造船技术发展趋势，可帮助我国认清与国际先进水平的差距，明确数字化造船的重点发展方向。通过促进数字化技术在造船行业的广泛应用，达到缩短建造周期、提高产品质量、降低生产成本，从而全面提升企业核心竞争能力的目的。

［1］ STEP-Manufacturing Road Map［R］．Kr．2004．

［2］ Richard Bolton．Enabling the Shipbuilding Virtual Enterprise．Shipbuilding Partners and Suppliers Consortium［R］．2004．

［3］ 郑兴富，云观．船舶制造装备发展趋势［J］．船舶物资与市场，2001(3)．

［4］ MIN K S．Automation and control systems technology in korean shipbuilding industry:the state of the art and the future perspectives［C］//Proceedings of the 17th World Congress，2008．

［5］ Harvey Speight．LPD 17 Total Ownership Cost Program TOC/CAIV Workshop 99 －2［R］．LPD team，1999．