日韩船舶智能制造的主要发展方向

2019-04-08中船工业经济与市场研究中心江文成樊志远

中国船检 2019年2期

中船工业经济与市场研究中心江文成樊志远

当前，日本和韩国均将船舶智能制造作为发展重点，政府出台了相关政策或设立科研项目对船舶智能制造予以支持。

在当前国际造船市场竞争日益激烈、人力成本不断上升、造船劳动力面临短缺的形势下，日本和韩国均将船舶智能制造作为发展重点，政府出台了相关政策或设立科研项目对船舶智能制造予以支持，造船企业也围绕生产管理精细化、网络基础设施建设、全三维数字化设计、自动化造船工艺装备、新型船舶检验手段以及其他前沿技术等方向开展了智能制造研究和智能船厂建设。

政府加大政策和科研支持力度

一、韩国智能船厂项目

2018年4月，韩国发布《造船产业发展战略》，提出要推进智能船厂（K-Yard）项目。该项目计划首先开发一个智能船厂仿真模型，建立一个基于虚拟现实技术的生产平台，以跟踪整个生产流程；然后建立物流及船舶建造系统，使用人工智能和物联网等技术监控材料和船体分段位置，在此基础上建立最佳的造船模型，并通过示范企业进行验证，最终将智能船厂模型逐步推广到中小型船厂，促进船厂智能化发展。

2018年9月，韩国贸易、工业和能源部宣布将在年内开始对智能船厂项目进行初步可行性研究，项目总预算将达到4000亿韩元（约合3.6亿美元），其中中央政府投资2500亿韩元（约合2.25亿美元），地方政府及私营部门投资1500亿韩元（约合1.35亿美元）。韩国政府计划在2020年到2025年的六年时间里测试运行两个智能船厂，当测试项目成功时，智能船厂模型将推广至其他船厂。通过智能船厂项目，韩国政府希望将生产力提高20%，生产成本降低10%。

二、日本“i-Shipping”项目

2016年日本国土交通省启动了“i-Shipping”项目，该项目虽然从名称来看是针对航运环节，但其内容包含船舶设计、建造、运营等主要环节，旨在推动船舶全生命周期的数字化和智能化。

在船舶设计环节，“i-Shipping”提出的主要任务包括：1、开发高性能计算流体力学（CFD）工具，准确对船舶性能特别是节能装置的性能进行评估，减少水池试验工作；2、建立船体性能评估的CFD国际标准，消除国际上EEDI计算和验证中存在的不一致性；3、推动现有试验水池共享，建设新的试验水池。

在船舶建造环节，“i-Shipping”提出的主要任务包括：1、利用数字化技术加强现场工人生产管理；利用传感设施将个人动作和作业数据化，实现作业实绩实时监控与管理；优化基础设施，运用互联网及大数据等技术打造可视化船厂。2、减少生产过程中零部件及材料在订货、制造、交货等环节的浪费；推动地区配套供应商之间的订货、制造、采购实现网络化、一站式化；推进“智能造船集群”建设。3、升级现有设备，进一步优化建造流程，提升模块精度、舾装效率；引进激光电弧焊接、船体分段3D激光扫描、可穿戴式机器人等技术，提高舾装等环节的生产效率。4、加强产研结合，提高先进生产设备应用率；鼓励企业与研究机构合作开发、引进自动化程度高的设备，从税收上支持船舶企业设备更新。

在船舶运营环节，“i-Shipping”主要通过对船舶航行状态、船体应力状态、机电设备运行状态等进行监测，获取海量监测数据并利用大数据技术进行分析和决策，实现无人值守、航线优化、自动避碰、远程维护等功能，最终建成无人船舶。

利用新一代信息技术加强管理

日韩船舶企业本来就具有很高的管理水平，近年来随着物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，日韩船舶企业开始将这些技术应用于造船管理，进一步提高了管理的精细化水平和效率，并且管理范围逐渐从企业内部延伸至供应链上游的配套企业。

生产管理方面，日本船舶技术研究协会（JSTRA）开发了船厂可视化系统，该系统可综合利用视频、图像、GPS、加速度传感器、RFID、Wi-Fi等多种监测手段，对生产资源、作业进度和工作人员位置等进行跟踪，通过分析生产作业流程和工人作业习惯，消除生产作业中的不合理性、不一致性和浪费，提高作业效率，实现精细化管理。未来JSTRA还将对该系统的功能进行进一步拓展，包括甘特图自动生成等。

物资和设备管理方面，大宇造船海洋2016年开发了基于物联网的智能标签位置管理系统。该系统通过安装在生产现场的智能标签自动收集材料和设备的位置信息，并通过无线网传递至管理系统。作业人员在智能手机等终端上可以实时查询材料及设备位置、安装日程、移动路径、周边环境等信息，减少了船舶建造过程中的物品丢失和物料拖期。

供应链管理方面，2018年大宇造船海洋与其配套供应商Fine Heavy Industries（FHI）联合建成了基于物联网的自动化制造系统。通过该系统，大宇造船海洋可以与FHI实时共享管线、铁舾装件等船舶配套设备的设计和生产信息，大幅降低了返工作业，生产周期可从原先的3周缩减一半；而且该系统以3D模型为基础，不需要物理设计图纸，可实现生产作业的无纸化；此外，自动化系统还允许用户实时监控生产过程，最终带来产品质量的提升。

完善船厂网络基础设施

信息通信网络是构建智能船厂的基础，日韩船厂尤其是韩国三大船厂在通信网络搭建方面一直走在行业前列。为适应船厂大量钢结构干扰的特殊环境，韩国三大船厂结合各自厂区情况采用不同组网方式，实现了全厂区的无线网络覆盖。

现代重工2009年开始在厂区搭建WiBro网络，该网络基于韩国提出的通信标准，相比无线局域网和3G网络在覆盖范围和支持移动设备方面更具优势，设备移动速度在80km/h时也能正常联网。通过WiBro网络，现场工人可以实现图纸修改信息实时传递、确定分段及材料移动路径、作业情况反馈至管理终端、装备位置追踪等功能。2016年4月，现代重工和韩国电信公司开始合作构建企业专用LTE网络，该网络类似于企业内网，移动终端设备只通过船厂专用内部网关进行数据传递，确保了数据安全性。

三星重工针对船舶内部封闭舱室和外场作业环境均构建了高速无线网络，其中船舶内部采用基于Wi-Fi的电缆线通信（PLC）解决方案，该方案是把载有信息的高频信号加载于电流，通过电线传输至路由器，再由路由器装备的解码器完成信息解码，从而构建无线网络；外场作业环境下三星重工使用与现代重工相同的WiBro网络，实现了船厂整个作业区域的全网络覆盖。

大宇造船海洋与2011年12月联合韩国SK公司，在巨济岛玉浦船厂400万平方米厂区内构建了覆盖全厂的LTE通信网络，通过LTE网络，大宇造船海洋建立了实时企业环境，在船厂内通过手机应用程序可实现实时业绩上报、派工、物料定位等功能。

推动船舶全三维数字化设计

全三维数字化设计是船舶智能制造的一个重要特征。与二维设计相比，三维设计能够构建包含设计信息、图纸审查信息、工艺信息、运维信息等要素的三维模型，打通船舶全生命周期数据链，实现船舶设计阶段的模型重用，显著提高设计效率。目前日本和韩国先进船舶企业已经自主开发了相关三维设计软件，或在成熟软件平台的基础上进行二次开发，开展了船舶全三维数字化设计的相关探索。

日本联合造船已经开发了多款计算机辅助设计软件，基本实现了三维计算机辅助设计，构建了计算机集成制造环境，船舶从基本设计到生产准备阶段都是基于统一的三维模型。此外，为了便于现场作业人员更好地理解设计图纸，日本联合造船还开发了三维作业指导系统。该系统可在电脑或移动终端上以三维图像的形式显示作业顺序，并对船体结构、舾装件的尺寸、工艺信息等进行标注，不仅提高了现场作业效率，而且还实现了现场作业的无纸化。

2017年2月，现代重工宣布将在船舶设计中使用芬兰NAPA公司开发的基于3D模型的船舶结构设计软件NAPA Steel。该软件能提供交互式三维结构建模界面，一旦建立了整艘船的单个模型，该模型就能用于整个设计过程，包括船级社入级规则审核、建立图纸批复计划、有限元模型生成、重量计算等。现代重工预计使用NAPA Steel后可节约近30%的船舶结构设计时间，而且随着双方的进一步合作和定制化开发，船舶结构设计时间还将进一步减少。

2018年2月，大宇造船海洋也宣布将在船舶设计中使用NAPA Steel软件。由于该软件具有数据轻量化的特点，能够处理快速设计变化，同时能为每个设计阶段提供详细和准确的结果，因此大宇造船海洋主要将该软件用于初期设计阶段（设计经常快速变化）和细节设计阶段（可靠性和使用性是重要设计目标）。

开发自动化造船工艺装备

为了提高船舶建造效率和自动化水平，日韩船厂开发了大量自动化造船工艺装备，建立了相关自动化生产线，生产制造具有较高的自动化、数字化和智能化水平。

一、日本联合造船

日本联合造船在部件焊接和分段焊接环节建成了自动化生产线，应用了大量焊接机器人，其中部件自动化生产线由4个装备2台焊接机器人的横梁组成，焊接机器人之间能够实现干涉检验，生成最优的焊接数据；分段自动化生产线由16台焊接机器人组成，实现了焊接间隙自适应控制和弯曲接头自动焊接，显著提高了焊接效率。

此外，日本联合造船还研制了自动弯板系统JMU-α，该系统通过使用机器人、传感器、仿真等技术，能够实现钢板位置检测、加热、冷却、高度调节、激光测量、翻板等一系列加工工序的自动化。

二、大宇造船海洋

2014年，大宇造船海洋开发出一款布线机器人，可在水平、垂直以及曲面区域自动安装电缆。该装置有2个版本，分别适用于粗电缆和细电缆布线。布线机器人最高可对15kg/m重的电缆进行布线，整个装置通过压缩空气进行移动，可在水平、垂直和曲面区域工作。

在破冰型LNG船的建造过程中，大宇造船海洋使用一个16公斤重的机械臂焊接钢部件。该机械臂可在密闭空间里完成钢结构焊接，可将每艘破冰型LNG船的建造成本节约近45亿韩元。在此基础上，大宇造船海洋正在开发一个重量仅14.5公斤的更小的焊接机器人。

三、现代重工

2013年现代重工研制了一款微型焊接机器人。该机器人设计紧凑，焊接臂收缩量分别为50cm×50cm×15cm，可在狭窄及人无法操作的地方进行作业，机器人的六个关节能在常速下完成几乎所有类型的焊接工作。整台机器仅重15公斤，操作员可同时操控3台机器来提高3倍生产效率。此外，该机器人配备有磁铁，可在钢墙或天花板上进行作业。除了焊接以外，微型机器人可以根据实际需求通过安装不同的软件来执行切割和喷涂等工作。

2018年，现代重工宣布成功开发出双曲面弯板加工机器人系统。该系统利用物联网和自动化技术，可自动生成加热轨迹，配备高频电流感应加热系统和六轴多关节机器人，能够自动形成一艘船舶的3D曲面，成功解决了弯板加工流程标准化的难题。现代重工称，与人工水火弯板相比，机器人系统可提高生产效率三倍，同时还能改善加工质量，每年可节约成本近100亿韩元（约合923万美元）。现代重工蔚山船厂已完成了为期一年的机器人系统测试，未来现代重工还计划增加人工智能等技术，进一步完善该系统。

四、三星重工

在韩国三大船厂中，三星重工不仅仅局限于在若干工艺环节开发自动化工具，而是针对大部分造船工艺流程开发了相关自动化工艺装备，通过全流程的自动化提升造船效率。三星重工提出了“自动化船厂”的概念，根据三星重工的测算，其造船自动化率已经达到了68%。目前三星重工投入使用的部分自动化工艺装备包括：

1、蜘蛛型LNG船货舱自动焊接机器人。该机器人在焊接过程中不需人工参与，每天可完成80米的焊接作业，焊接效率提高了400%，并且可以大幅减少焊接差错，整个焊接长度的累积误差不超过10mm。

2、管道内检测清扫机器人。该机器人使用两台可360°旋转的照相机拍摄管道内部画面，通过刷子和吸尘器清理管道内壁，不仅每年能为船厂节约数百万美元的成本，而且大幅改善了工人作业环境。

3、水下船体清扫机器人。该机器人使用清洁刷清扫船体污物，污物通过过滤器进行回收以避免水体污染，机器人配备的传感器可使其自动越过障碍物。使用该机器人后船舶建造可省去长时间码头舾装之后的坞内清洗作业工序，对于单艘船舶可节省一个星期左右的坞内作业时间。

4、船体外壁吸附式真空喷砂机器人。该机器人采用真空吸附装置吸附于船体外壁进行喷砂作业，喷砂效率相比人工作业可提高7倍，而且还改善了喷砂质量，消除了人工作业的安全隐患。

创新船舶检验技术和手段

无人机作为一种新的船舶检验手段，与传统的人工检验相比具有机动灵活、检验效率高、安全性高等优点，目前已经成为船舶检验方式的重要发展方向。日本和韩国已经围绕无人机在船舶检验中的可行性、应用范围、标准规范等开展了大量研究，无人机在船舶检验中得到了初步应用。

2015年日本常石造船开展了一系列无人机在船厂生产建造和管理中的应用试验，旨在提高船厂生产设施运营效率，及时响应突发情况。在40余次的试验中，常石造船利用无人机拍摄了船厂起重机、厂房等生产设施，以及船体分段和船舶建造进展，通过影像和照片分析，实时确认工厂生产设施运行情况和生产进度；此外，常石造船还试验了发生灾害时，无人机迅速飞往指定场所收集灾害信息。基于日本国内在无人机检验方面的研究成果，2018年日本船级社发布了《无人机在船舶检验中的应用指南》，该指南对船舶检验中无人机的应用范围、使用步骤、技术要求、供应商要求等进行了规定。

韩国在无人机检验方面也开展了相关研究。2017年韩国船级社开展了无人机在高风险区域和检验人员难以进入的区域内的试验，并与传统的人工检验方式进行了对比研究。对于一个货舱，如果采用人工检验方式，需要花费3天时间搭建、2天时间拆除脚手架，总费用在3.6万美元左右；采用无人机后，不需要搭建和拆除脚手架，检验费用可以大幅降低。

积极开展前沿技术研究与应用

在虚拟现实、增强现实、外骨骼动力装置等前沿技术领域，日本和韩国也开展了相关前瞻性研究，研制了相关产品，并在生产建造中得到了应用。

一、虚拟现实与增强现实技术

常石造船开发了船舶涂装虚拟现实系统，工人佩戴3D眼镜和喷枪后，对屏幕投影的船体虚拟现实画面进行涂装作业，系统通过分析这一作业来判断涂装是否均匀，并将结果和优化方案反馈给工人。通过使用该系统可以减少涂装作业返工和涂料浪费，降低涂装成本。

富士通已经将增强现实技术应用于船舶管线安装和检验。工人通过使用智能手机或平板电脑的摄像头来查看管线，可以检索相关管线的安装位置和程序，以及其他报告数据。应用该技术后，每根管线的确认时间可从10分钟缩减至1分钟左右，显著提高了作业效率。

2017年现代重工在蔚山总部成立了船厂安全培训中心，该中心由安全体验中心与集中控制中心组成。安全体验中心通过基于虚拟现实技术的安全体验系统让船厂员工身临其境地体验事故发生情形，并学习事故的预防及应对措施，以提高船厂员工的安全意识；集中控制中心通过安装于厂区内的250个闭路电视设备及一个165英寸监视器实时监控、识别厂区内的安全风险，并利用智能图像分析系统对安全风险进行预判与报警，提前对危险做出响应，减少事故的发生。