船舶建造数字化技术

李伟

摘 要：本文对船舶建造数字化技术进行了深入地分析，介绍了船舶建造过程中数字化技术的应用，着重对数字化技术的发展趋势进行了深入地论述和详细地说明。

关键词：船舶建造；数字化；信息技术

中图分类号：U673 文献标识码：A

1.什么是船舶建造数字化

船舶建造数字化是以数据处理、图形图像、虚拟现实、数据库、网络通信、数字控制等数字化技术为基础，将数字化技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程，使船舶产品的设计和生产向着自动化、精细化、柔性化、智能化的方向发展。通过数字化技术与现代管理思想和先进工程方法的融合，形成船舶制造业信息化的完整体系，实现对造船业的信息化改造，使得造船企业全面提升产品的研发、生产能力，降低生产成本，缩短设计、生产周期，提高产品质量。

2.船舶建造数字化技术的内涵

船舶建造数字化技术主要体现在如下3个方面：

2.1 CAX（计算机辅助技术）

CAX（计算机辅助技术）是CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助工程）、CAM（计算机辅助制造）和CAPP（计算机辅助工艺计划）的统称。

（1）CAD（计算机辅助设计）指在计算机及可视化设备为基础的专业化计算机系统的支持下，帮助设计人员进行设计工作。可以在CAD系统的辅助下完成从合同设计开始的一系列设计工作，建立产品数字模型，进行工程计算和分析，生成和绘制工程图，生成物料清单等。

（2）CAE（计算机辅助工程）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。

（3）CAM（计算机辅助制造）是将计算机应用于生产制造的过程或系统，其核心是计算机数值控制（简称数控NC）。有狭义和广义两个概念。CAM的狭义概念指的是数控，包括数控机床、数控加工中心、数控生产流水线、数控火焰或等离子切割、激光束加工、自动绘图仪、焊机、机器人等；广义概念还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。

（4）CAPP（计算机辅助工艺计划）是通过计算机进行产品加工的工艺路线制定、工序设计、加工方法选择、工时定额计算，包括工装、夹具设计、刀具和切削用量选择等，生成必要的工艺卡和工艺文件等。CAPP是连接产品设计CAD信息和加工制造CAM信息之间工艺信息的桥梁，是生成各种加工制造，管理信息的重要环节。

2.2 企业业务技术过程与信息管理

通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即产品数据管理PDM、产品生命周期管理PLM、企业资源计划ERP、制造执行系统MES、计算机集成制造系统CIMS等。它们通过信息技术与现代管理理念的融合，使人、资源、技术、管理等要素有机地结合起来，从而实现设计及生产过程管理的精细化和企业资源利用的优化。

2.3 数字化装备

软硬件相结合的数字化装备，如NC（数控设备）、FMS（柔性制造系统）、Robot（机器人）等通过数字控制形成的生产自动化装备。这些设备通过离散的数字信息控制设备或传动装置的运行，实现生产加工的自动化。

3.船舶建造数字化技术的发展历程

3.1 单项技术的企业部门级应用阶段

该阶段主要是单项技术，如数值计算技术、CAD/CAE/CAM技术、数控技术以及各种部门级的管理信息系统，如财务、人事、OA、物资等管理系统在企业部门的局部范围内的应用。部门级数字化技术的应用作为一种技术手段对提高设计和生产效率、提高产品质量发挥着重要作用。

3.2 企业内综合应用集成阶段

这一阶段是由企业内的信息集成、过程集成到应用集成。通过信息集成保证了系统间信息的一致性，通过应用集成使企业内部的各种信息系统组成了一个有机的整体，大幅提高了数字化技术应用的整体效益，使得企业设计、生产、经营、管理的各种业务活动得以协调运行，大大提高了企业的生产能力。

3.3 企业间的应用集成阶段

由于互联网技术的快速发展，促使电子商务、供应链管理、协同设计、敏捷制造等一些基于互联网技术的新型管理思想和管理方法得以实施，使得船舶这种具有大量配套设施的高度复杂产品的制造能够实现跨地域的专业化企业间的协同运作，使产品能够快速地、柔性地应对用户的需求。

自20世纪60年代末将计算机用于船舶线型放样开始，我国船舶行业信息化已历经40多年，国内造船业经过不懈的努力，使得造船数字化技术已逐步渗透到造船业价值链的每一个环节，引进或自主开发了各种各样的信息系统，已广泛应用于船舶设计、建造和管理过程中。国内一些骨干造船企业和研究院所已开始引进虚拟仿真技术，开展船舶和海洋工程的产品虚拟设计和建造过程模拟等研究。

4.船舶建造数字化技术体系

制造业数字化技术是以现代设计制造的工程方法和先进制造理论为依据，以数字化技术为手段，面向产品全生命周期，理论方法与应用技术相结合的一个复杂的技术体系。

4.1 现代制造理论与数字化技术基础

主要有计算机集成制造、并行工程、精益生产、敏捷制造、大批量定制等现代制造理论，以及建模技术、仿真技术、优化技术、集成技术等数字化技术紧密结合，形成了其技术理论基础。

4.2 数字化基础环境

主要包括计算机系统及系统软件、数据库管理系统及相关技术、网络系统及相关技术、信息安全体系、信息标准化体系等。

4.3 数字化产品开发设计技术

主要包括产品需求分析、设计开发、生产制造等各个阶段中，为分析和解决产品设计和制造过程中的各种问题而提供的数字化的技术方法和应用工具，如单项应用技术CAD、CAE、CAM、VR等，过程管理和集成平台PDM、仿真及优化应用等。

4.4 数字化制造技术

主要有数字化生产计划与制造执行控制、数字化工艺过程、数字化装备、数字化制造单元、基于数字化的生产系统综合集成等。

4.5 数字化管理技术

主要包括现代企业管理模式、集成化管理与决策信息系统、企业资源计划与管理系统、企业生产项目管理系统、企业间协作的供应链管理与电子商务技术、企业质量管理的相关技术及企业管理系统的应用实施过程及方法等。

船舶建造数字化技术是制造业数字化技术针对船舶制造的特点和具体要求的实际应用。船舶建造数字化技术体系包括现代制造与数字化技术基础、船舶产品的数字化设计技术、数字化制造技术、数字化管理技术和一体化集成技术，此外，还有数字化基础支撑环境与相关技术等。

（1）船舶产品数字化设计技术以三维建模技术、数值计算技术、CAD、PDM、并行协同技术等数字化技术为基础，按照船舶设计不同阶段及不同专业的规范和技术要求，形成船舶各设计阶段的数字化技术。

（2）船舶产品数字化制造技术以MES、CAPP、NC、过程仿真等数字化技术为基础，根据现代造船模式的要求，形成制造执行层面的船舶数字化制造技术。

（3）船舶产品数字化管理技术则是将制造业先进的管理理念和方法与数字化技术相融合，按照船舶生产管理特点，形成船舶制造数字化管理技术。

（4）一体化集成技术则是进一步在设计、制造、管理等数字化技术应用的基础上，实现信息的集成和应用的集成，达到工程的并行和协同。

上述数字化技术的研究、开发和应用需具备相应的基础环境，需要解决一些相关的关键技术，如信息标准化、编码体系、产品数据库、企业资源数据库、集成平台、信息安全体系等。

5.船舶建造集成系统

船舶建造集成系统涵盖船舶建造企业的设计、制造、管理的主要业务过程：

（1）设计方面主要包含船、机、电、舾装、涂装等专业门类的设计CAD系统、船舶设计虚拟仿真系统，以及结合生产工艺要求的各个专业的生产设计系统。设计系统生成的设计数据通过PDM（船舶产品数据管理系统）存放并管理，以PDM作为平台，为船舶制造系统和管理系统提供有关产品信息的共享。

（2）船舶建造和管理系统通常包含工程计划管理、物资与物流管理、成本管理、财务管理、质量管理、企业资源（设备与人力资源）管理，以及MES（制造执行系统）等。

（3）制造执行系统控制车间级的生产制造执行过程，如造船精度管理、资源日程计划、作业安排与执行实绩反馈等。制造和管理系统根据企业经管计划和产品生产设计的要求制订工程计划、采购计划、生产计划和其他生产准备工作，通过制造执行系统贯彻实施生产作业过程。

结语

随着信息技术的飞速发展，制造业的新思想、新方法、新技术层出不穷、日新月异，船舶建造业应该紧跟现代科技潮流，不断创新，以实现船舶建造技术的跨越式发展。

参考文献

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