浅谈数字化技术在造船行业的应用与研究

兰放 蒋福宗

摘 要：数字化造船是以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息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，最终达到快速设计、快速建造、快速检测、快速响应和快速重组的目的。数字化造船技术涵盖的范围非常广泛。本文就目前较为流行的部分数字化技术进行简要分析。

关键词：船舶制造；数字化设计；信息一体化

一、引言

随着计算机技术、信息技术和网络技术的发展，造船企业的信息化和船舶制造技术的数字化已成为全球造船业提高核心竞争力的关键因素和有效手段。由此也衍生出了“数字化造船”的概念――以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术、先进的数字化制造技术、先进的造船技术和现代造船模式综合应用于船舶产品的设计、制造、测试与试验、管理和维护中。本文就数字化技术在造船业的应用进行分析探讨，并对展望未来的发展趋势。

二、行业背景

在经济全球化的今天，国际造船业已发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务等全方位的角逐。随着全球船舶市场占有率的竞争日趋激烈，世界造船业在技术、体制上发生了重大改革，其中造船技术的发展尤为突出，从最初的焊接技术到大型生产流水线等新技术的成功应用，到现阶段信息集成系统、并行工程、敏捷造船、先进制造模式等先进技术或理念在船舶制造业中广泛应用，使船舶行业凸显成为信息密集、技术密集和资金密集的现代新型产业。

自二十世纪七十年代开始，我国造船业开始快速发展，至今已经历了特征鲜明的三个阶段。从最初的打开国门走向世界，到规模不断壮大超越日韩，我国造船业在几经沉浮后实现了蜕变，造船技术的发展也实现了飞跃。尤其是数字化造船技术的发展，完成了船舶设计、制造、管理手段的革新。

中国船舶工业发展历程

三、技术分析及应用

数字化造船要求以数据处理、虚拟现实、数据库、网络通讯等数字化技术为基础，将数字化技术全面应用于船舶的开发、设计、制造、管理的全过程中。数字化技术所包含的内容非常广泛，如何将船舶设计、生产、管理的相关理论和方法与特定数字化技术相融合将是数字化技术应用的关键所在。下面列举部分船舶行业中应用的重点/难点技术，并结合NACKS的现状进行了简要的分析。

（一）虚拟仿真技术

船舶建造虚拟仿真技术作为一种新型技术，旨在利用数字模型替代物理原型，对船舶的设计、制造及生产系统等进行仿真，以提高设计水平、建造质量，缩短产品研制周期。船舶建造虚拟仿真技术是基于计算机和信息技术的一种新的先进造船技术，是船舶数字化建造的具体体现，對船舶产业的科技发展具有重要意义。

造船发达国家纷纷利用信息技术给造船业带来的各种机遇，积极开展船舶虚拟设计和建造仿真技术的研究。韩国和日本的造船业，虚拟设计与制造仿真技术研究开展得比较早，并取得较好的研究成果。对于首制高附加值船舶和船舶的设计和建造，在实际建造之前都要利用虚拟仿真技术对设计结果、建造工艺和建造流程进行预先仿真，能够及时发现并纠正设计中存在的问题。由于虚拟现实技术可将仍处于概念阶段的设计方案以逼近于现实的形式呈现出来，从而可以及早发现并纠正设计问题。

虚拟仿真在船舶行业的应用范畴，主要包含四部分内容：船舶虚拟设计评估与优化技术、船舶建造工艺仿真与优化技术、船厂物流仿真与能力评估技术与作业、运行保障仿真技术。国内船舶行业在前三个方向都开展了一些工作，基本突破了常用异构系统数据转换、船舶产品虚拟评估技术、船舶工艺自动建造技术、船舶焊接工艺智能设计与统计技术等关键技术，并开展多型船舶的建造工艺仿真，船厂建造资源能力评估等工作。然后，在建造工艺深化应用、船厂物流仿真、运行保障领域的应用较少，深度也较浅，将是未来发展重点。

（二）物联网技术

物联网技术即通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术是在近十年开速发展的一项网络技术，在不知不觉间已经充斥在我们身边每一个角落，比如打卡考勤系统和条形码扫描系统。

船舶行业属于劳动力密集型、多品种、小批量、按订单生产的离线制造行业，因其行业信息化量大、管理复杂，物联网技术的快速发展给船舶行业注入了新鲜的血液。通过物联网技术的应用，可在生产建造、物流、设备管理、能源控制、安全管理、质量管理等多领域实现信息的实时采集、统计分析，实现过程控制、状态跟踪、统计分析、平衡优化的目的。

物联网技术在最近几年发展迅速，但其在船舶行业的普及还存在一定难度，首先最重要的一点就是成本问题。电子标签、读写设备价格较高，在没有大规模应用的情况下，收益预期与投入难以平衡。其次，物联网的应用还存在一定的技术难点：技术标准还存在较多不统一的部分；数据采集频繁，信息安全需重点考虑；物联网的协议栈需要统一；IPV4资源存在耗尽风险。另外，造船现场的条件较差，这对物联网的应用提出了挑战，潮湿、高温、电磁屏蔽等也是阻碍物联网普及的障碍物。

（三）企业信息集成技术

在船舶企业中，由于作业内容的不同，往往有多个异构的、运行在不同的软硬件平台上的信息系统同时运行，这些系统的数据源彼此独立、相互封闭，使得数据难以在系统之间交流、共享和融合，从而形成了"信息孤岛"。随着数字化应用的不断深入，企业内部、企业与外部信息交互的需求日益强烈，急切需要对已有的信息进行整合，联通“信息孤岛”，共享信息。

企业信息集成是指企业在不同应用系统之间实现数据共享，即实现数据在不同格式和存储方式之间的转化，来源不同、形态不一、内容不等的信息资源进行系统分析、辨清正误、消除冗余、合并同类，进而产生具有统一数据形式的有价值信息的过程。

对船舶企业而言，企业的信息集成可实现各部门、各应用系统之间的协调运作，实现业务流程的定制、改造和优化，为企业的各种应用和系统提供一个统一的运行协作平台，实现流程协作和信息共享。信息的共享又会间接的降低企业的运营成本。

（四）CAD/CAE一体化技术

船舶设计是一个涉及多个专业、多个系统、规模庞大的协同工作过程。其周期较长、过程较复杂，且在船舶设计过程中，不同专业使用不同的计算机辅助设计（CAD）及计算机辅助分析（CAE）软件，从而造成缺乏一体化、集成化的设计系统，信息交流不通畅，存在“信息孤岛”问题。CAD/CAE技术的相互融合、相互渗透已成为了一种自发的有效需求，在CAD/CAE一体化技术的帮助下，船舶研发、设计将实现从经验设计到计算机辅助设计的转变，可大大缩短产品周期，提高产品质量。

通过对比可以看出，CAD注重产品的外形特征，以提供图形图像、数字化模型为主，而CAE更注重的是产品物理特征问题。在实际作业中，将研发和设计相互割裂开来会产生重复性投入，同时会降低作业流程的效率。

FEM与TRIBON建立的船体模型对比

四、结束语

展望数字化造船业的未来，船舶企业应该紧紧抓住发展的历史机遇，利用现代集成制造的理念、方法、技术体系，实现船舶产品开发、设计、测试与试验、制造和管理数字化，打通船舶数字化设计、制造、管理的一体化主线，实现以信息流为依据、物流控制为主轴、资金流控制为龙头的数字化的高效的运行系统。随着信息技术的发展，数字化在船舶行业的应用越来越广泛，要想保持企业的活力，“协同创新”是必不可少的。