造船业的新起点与新方向

本刊记者 赵 博

2018年3月4日， 韩 国现代重工成功开发了双面弯板加工机器人系统，这套系统能够自动形成船舶的立体曲面，进而解决了弯板加工流程标准化的难题，并使效率提高三倍。在我国，造船机器人研发领域也取得不斐成绩。智能化和数字化制造，日渐成为造船业发展的重要方向。

“模式”数字化

事实上，自上世纪60年代末将计算机用于船舶线型放样开始，数字化技术就已逐步渗透到造船业价值链的多个环节。到了2011年，我国在自动化制造方面取得了又一项突破。当年，南通中远川崎船舶工程有限公司就通过自动化生产、搭建机器人生产线等方式，打破了传统作业模式，将平面设计图纸转换为三维立体效果图，实现定位、跟踪和焊接的自动化，形成了无人干预的智能化生产线。机器焊接作业使生产周期缩短了50%，与此同时，机器人能够更加精确地控制焊脚，使焊材消耗减少约30%。

图1 南通中远川崎船舶工程有限公司的智能制造车间

图2 全球首个数值水池——中国数值水池虚拟试验系统V1.0正式通过认证

2016年，工业和信息化部发布《关于推进船舶智能制造指导意见》征求意见稿，按照分阶段目标明确提出，到2020年，全面建立精益船舶制造体系，推广应用数字化造船技术，突破船舶智能制造工艺、智能装备及生产线、车间生产综合管控、车间智能制造平台、智能制造技术体系等船舶分段智能制造共性关键技术，建设船舶分段智能制造车间示范工程，骨干造船企业造船效率达到15工时/修正总吨，分段无余量制造率达到90%，搭载前预舾装率达到85%，造船效率和制造质量接近日本和韩国水平。

精益求精的要求，敦促造船企业和相关设计院纷纷积极探索更加有效率的数字制造模式。

在业界看来，大力推广数字化车间建设，是船厂“提质增效”的关键。数字化车间不仅可以解决企业车间管理的工业化和信息化融合问题，还能充分发挥信息技术、工业技术的优势，使两者相互促进、共同发展。可以肯定，数字化车间是工业化和信息化发展的必然产物。一方面，数字化车间更好地发挥了信息化技术的指导和决策分析作用，整合、串联并优化各项工业技术的应用，改进了工业流程，促进了工业水平发展。另一方面，数字化车间也充分发挥了各种工业技术对信息化的支撑作用，从信息、技术和工艺等层面更好地支持智能制造，使信息化建设来源于制造、服务于制造。

2016年底，我国首个大型液化天然气船数字化车间在沪东中华（造船）集团有限公司长兴造船基地试运行，这标志着我国船厂在智能造船领域取得了重大的技术性突破。据介绍，这座数字化车间服务于液化天然气船分段加工制造，对分段建造过程的数字化、管理的信息化、装备的智能化展开研究，为液化天然气船大批量、高效率建造创造了有利条件，车间内设置的IGPS高精度测量与检验系统能较好地提高制造精度与效率。有数据表明，借助数字化车间，焊接整体能耗降低5%以上，质量精度合格率则由90.3%提升到96%，分段制造效率大幅提高。

业内专家表示，随着市场进入深度调整期，船舶制造企业要想保持持久竞争力，必须打破传统作业模式，大力推广、应用数字化车间。可见，数字化车间为我们勾勒出了船舶制造业转型升级的发展路径，诠释了技术革命之于工业发展的主导作用。

图3 2017年，全球首个通过“3D打印”技术生产的船舶部件——船用螺旋桨面世

“工具”科技化

谈到数字化对船舶制造产业链的影响，不得不提另一项支撑数字化造船的革命性工具——数值水池。这项数字化、智能化程度极高的技术，突破了物理水池实验的空间局限，可谓科技化试验平台。

2017年12月份，由哈尔滨工程大学联合中国船舶重工集团第七O二研究所牵头研发的全球首座数值水池——中国数值水池虚拟试验系统V1.0正式通过认证。中国数值水池虚拟试验系统V1.0构建了先进的“云服务”平台，利用先进的水动力学理论模型和精细数值算法，在船舶波浪增阻虚拟试验方面采用三维泰勒展开边界元方法，误差可控制在15%以内，且比现有商用软件计算效率提高约1000倍。哈尔滨工程大学教授、流体力学研究所所长段文洋表示：“数值水池是服务造船行业的工具，中国数值水池虚拟试验系统V1.0对流场精细的观测远超传统的物理水池，最终实现对实际尺度海洋结构的模拟，完成在不同海洋环境中船舶与海洋结构物流体动力响应过程的虚拟试验，进而满足船舶与海洋工程研究、设计及应用要求，为业界提供高效率、高质量、高可靠性的‘互联网+虚拟试验’的新型服务。”

生产过程的模拟技术，其实也是数字化技术的一种应用，通过对生产流程的模拟和对物料的模拟，实现精细化管理。如数值水池一样，日渐成熟的“3D打印”技术也已成为服务造船业的一个重要工具。

中国船舶重工集团公司经济研究中心高级分析师曹林称：“从当前看，对于已经成功应用‘3D打印’技术制造的模型和产品，可在船舶工业中大力推广使用，尤其在研发设计阶段，可与传统制造技术形成互补。从中期看，一批船用复杂结构零件、特种零件、合金构件、复合材料构件的‘3D打印’制造及修复技术有望得到突破，并最终向大型化、批量化方向发展。从长期看，‘3D打印’技术或将引领船舶工业的发展方向，推动船舶工业体系变革。”

2017年，全球首个通过“3D打印”技术生产的船舶部件——船用螺旋桨面世。当时，有业界权威人士表示，“3D打印”螺旋桨的成功研发显示出该技术在海事领域的前景，更向造船行业展示了“3D打印”技术的潜力。

目前，“3D打印”技术在船舶制造领域的应用已取得较大进展，业内已成功打印出种类繁多的船用产品和零部件，如螺旋销、轴瓦、箱式热交换器、螺旋桨等。“由于省去了复杂的模具开发过程，‘3D打印’技术可以大幅缩短新产品的设计和验证周期，加快产品研制进度。”在曹林看来，“3D打印”技术方便定制化服务，具备本地化生产和交付的潜能，进而在一定程度上改变现有的生产、仓储和物流方式。“随着技术进步，‘3D打印’技术的应用有望进一步简化供应链环节，提高产品售后服务响应速度。”

不过，要实现“3D打印”技术在船舶领域的规模应用，现在谈之还为时尚早。对此，江南造船（集团）有限责任公司总工程师胡可一解释称：“在配套设备的零部件制造方面，‘3D打印’技术有相当广泛的应用前景。但船舶制造业是一个广义概念，如果从大型钢质船舶来讲，‘3D打印’技术很难大规模应用于船舶制造业，钢质船体分段建造，由于体量庞大，这项技术会受到比较严重的制约，也无成本优势。”

当然，“3D打印”技术仍处于起步阶段，随着时间的推移，这项数字化制造在船舶生产领域纵深发展的生产模式，势必会颠覆传统。

“成品”智能化

随着船舶制造和信息技术的发展，特别是数字化在“智能制造”方面的应用，推动着智能船舶的加速出现。

2017年12月份，全球首艘智能船舶“大智轮”交付使用，开启了我国智能船舶制造的历史。所谓智能船舶，是指船舶可利用传感器、通信、物联网、互联网等技术手段，自动感知和获得内部各零部件及外部海洋环境、天气、物流、港口等方面的信息和数据，并基于自动控制技术和大数据处理、机器学习和分析能力，在航行、管理和维修等方面实现智能化运行。

中国船级社（CCS）对智能船舶有四点明确定义。首先具有感知能力，即具有能够感知船舶自身以及周围环境信息的能力；其次具有记忆和思维能力，即具有存储感知信息及管理知识的能力，且能够利用已有的知识对信息进行分析、计算、比较、判断、联想、决策等；此外，具有学习和自适应的能力，即通过专家知识以及与环境的相互作用，不断地学习积累知识并适应环境变化；同时，具有行为决策能力，即对自身状况及外部环境做出反应，形成决策并指导船岸工作人员，甚至控制船舶。毫无疑问，智能船舶的背后需要大量的数字化技术作为支撑。

“智能船舶是船舶工业发展的必然趋势。”胡可一说，“回顾船舶控制自动化的进程，从机舱内分散控制到机舱集控再到无人机舱和一人桥楼，都是一步一步地向前发展的。这些发展是以电子控制技术和计算机技术的发展为前提，也就是说，电子控制技术和计算机技术的发展，推进了船舶控制自动化的发展。胡可一相信，远程通讯技术、大数据、人工智能等技术的发展，会进一步推进船舶向更加智能化的方向迈进。

对于智能船舶的发展阶段，业界看法普遍相同：互联互通阶段、系统整合阶段、远程控制阶段和自主操作阶段。“目前，第一和第二阶段的技术相对比较成熟，只是应用的程度深浅不同而已。第三阶段远程控制、第四阶段自主操作，至于大型‘无人智能船’具备的特点，要真正实现还有一定的难度，对船舶的执行系统的可靠性和稳定性有很高的要求。”胡可一坦言。

现年53岁的马士基集团首席执行官施索仁（Soren Skou）也认为，大型“无人智能船”应用于航运业的时代不会很快到来。施索仁称：“尽管当前的智能化水平飞速发展，但难以想象一艘船长400米、重约20万吨的集装箱船会允许零船员配备。在我有生之年，我不认为大型‘无人智能集装箱船’是效率趋势下的产物。”作为行业巨擘，马士基集团旗下公司尽管已经对无人驾驶拖轮有进一步研发，但施索仁表示，这一概念将不会延伸至集装箱运输领域，“它不是马士基集团战略发展的基石。”

对于施索仁抛出的观点，胡可一表示认同。“船舶是一个非常复杂的系统工程、有许多设备系统组成，但在常规船舶设计建造过程中，船舶系统的冗余度并不高（和民用客机相比）。在船舶运行过程中，如果出现一些故障问题，船员可以在现场处置、修理和更换备件等。如果是‘无人船’，那就必须增加系统的冗余度，这会大幅度增加建造成本。此外，对海上的一些突发情况如海况变化、海损和海盗等，船员的应变能力和反应速度会大大优于智能系统。试想，民航客机的系统冗余度和自动化程度大大高于船舶，为什么至今还需要二人机组？”胡可一反问。

当然，战略和决策以及开发力度和应用前景，会随技术水平和时代发展而有所改变。专业人士当前的观点，或许也只适于特定时期。目前，全球第一艘自动化集装箱船已进入模型测试阶段。挪威Yara Birkeland公司宣称，该公司研发的全电动、零排放无人集装箱船计划于2019年实现远程操作，到2020年，实现全自动化操作，并在相关港口之间试运行。