船舶与海工装备智能制造发展路径研究

2023-08-01李佛尘欧庆奎

江苏船舶 2023年1期

关键词：海工海洋工程装备

李佛尘,欧庆奎

(1.中国船级社江苏分社,江苏南京 210011;2.江苏省船舶工业行业协会,江苏镇江 212000)

0 引言

随着工业技术快速发展,数字化、网络化、智能化逐渐成为船舶与海工装备制造的发展方向,船舶与海工装备制造融合物联网、人工智能、云计算、大数据等新技术,具备安全可靠、节能环保、经济高效等显著优势,是未来船舶工业和海洋工程装备产业发展的关键。

本文对国内外及江苏船舶与海工制造的发展现状、典型技术特点和发展重点进行了归纳分析,预测为未来船舶与海工装备智能制造带来变革的新一代关键技术,对江苏省船舶与海工装备智能化制造发展提出建议。

1 国外船舶工业和海洋工程装备智能制造发展现状

目前,随着虚拟制造技术、精密制造技术、计算机科学技术、集成制造技术和人工智能技术的迅猛发展,国外海洋装备制造大国不断引进高新技术来推动工业制造信息化、智能化,从而推动船舶工业和海洋工程装备工业的升级换代。同时,随着工业制造理念不断变化,造船企业和海工制造企业基于网络化,将并行工程、敏捷制造等先进集成制造方法广泛应用于船舶与海洋装备制造行业。

在亚洲,日本和韩国的船舶智能制造比较成功。韩国在智能制造方面投入大量精力进行数据研究,拥有相对成熟的船舶的自我设计和开发经验,并将数字化管理技术投入到船舶制造工程管理中。韩国蔚山科学研究院与现代重工集团合作,将海洋工程现场生产制造细化为各个项目阶段,对每个阶段精细分析,减少延误误差,降低生产误差。该项目通过优化建造工艺,每年节省约500万美元。日韩两国重点投入开发集成制造系统,解决了大数据互通融合问题,实现了海洋工程装备制造生产一体化。同时,智能制造机器人开始出现在制造车间。

船舶海工智能制造在国际合作潮流下达到新高度。KBR公司通过鹰图Smart 3D软件实现海上平台和大型液化装置的设计和关键项目的施工。日本海上油气生产企业注重生产设施的智能化能力建设,研发具有更高智能性、灵活性、易操作维护的双壳体焊接机。制造过程中使用各种类型的焊接机器人,以提高装配和焊接效率。

欧美国家正充分利用计算机技术和信息技术,实现海洋工程装备制造和海上油气装置运作的管理智能化。通过开发设计到售后服务一体化的“数字孪生模型”,一比一打造真实结构的三维物理模型,为制造、生产和运营管理带来了灵活性,使生产更容易引入新型技术,便利了海洋油气生产设施全生命周期的管理支持,缩短了开发周期,降低了建设成本,提供了高水平的运维服务。

2 国内船舶和海工装备智能制造发展现状

与其他传统行业制造业相比,船舶与海工制造业产品类型繁多、劳动力密集、生产周期长、管理难度大、建造工艺复杂,对于高质量的集成工业软件的要求高。

如今我国在船舶与海工制造业广泛应用了虚拟现实设计、集成化数据管理技术,数字化制造正不断迈向全新的阶段。与其他制造业相比,船舶与海工制造工业需要熟悉数字化制造结构体系,利用以往制造经验,顺应船舶与海洋工程装备制造信息化、数字发展新趋势,发掘智能制造的新内涵,推进国内数字化、智能化船舶和海工制造的发展[1]。以数字化、网络化、智能化、可视化、集成化为基础,建立数字化船舶与海工先进制造体系,形成网络化、数字化信息空间。目前,我国船舶与海工制造业已基本形成了以CADDS5、TRIBON等船舶工业软件为基础进行工程分析及仿真软件集成的立体三维设计平台。

3 江苏省船舶行业智能制造发展现状

以《中国制造2025》作为现代船舶与海工智能化制造发展导向,江苏明确将发展智能制造作为省内先进制造业基地建设的重要抓手。江苏大型船舶与海工企业也在智能制造业方面进行了一些重要探索,以期通过智能化建造走上船舶与海工制造的发展快车道。

靖江造船企业及相关配套公司与南京理工大学、江苏科技大学等建立了紧密的“产、学、研”共同体,为高附加值产品的研发提供人才和技术支持,加快智能制造和新技术协同创新基地建设。设立的靖江市船舶智能制造研发中心,引进了多名智能船舶制造领域的资深专家,积极开展研发项目和科技活动,帮助解决船舶产业建造效率、船台时间、质量稳定性等关键技术问题。同时,南京理工大学和新时代造船有限公司团队共同开发了“大型船舶机器人智能高效焊接技术研发及产业化”项目,并获得省科技成果转化资金1 000万元的扶持。

南通中远海运川崎船舶工程有限公司(以下简称“南通川崎”)已在江苏省建成了一个工信部智能制造示范基地项目和两个智能车间示范工程。2015年,南通川崎智能车间被工业和信息化部认定为造船行业唯一的智能制造试点项目。南通川崎车间的自动化生产线减少了60%的传统劳动力,提高了近3倍的生产效率。利用智能制造推动智能车间建设将成为造船和船舶装备行业现代化的重要方向。2017年,工业和信息化部公布了2017年工业与互联网融合试点名单,南通川崎“基于工业化与产业化深度融合的智能船厂”项目成为船舶制造业唯一的智能工厂的试点项目。南通川崎近年来在智能化改造方面进行了许多探索,如将智能机器人应用为智能化改革的切入点,推进信息化与产业化深度融合,引进自动化、智能化生产线建设智能车间,加强产品精密制造和敏捷制造能力。未来,南通川崎还将智能化改造应用到大型装配和分段焊接、机器人涂装、机器人抛光等。

4 江苏船舶与海工装备智能制造关键技术发展方向

4.1 工业支撑软件

目前,全球正处于欧美软件引领世界的局面,在工业CAD软件领域,西门子、欧特克等企业的工业软件占据了中国95%以上的市场份额。在CAE软件方面,美国公司的产品在中国的市场占有率超过95%。在计算机辅助制造(CAM)领域,虽然省内企业与国内相关公司和科研院所合作在船舶与海工工业软件的开发和推广上下了很大的功夫,但总体来说,国产软件的表现并不尽如人意[2]。由于国内缺乏系统的集成体系,不同类型软件之间的接口不统一,导致软件和功能之间不能兼容,同时由于生产制造的经验不足,国内未拥有成熟的制造标准,导致国产海洋工程工业软件缺乏改进的合理途径。另外,由于江苏的工业软件客户不多,市场占有率不高,商业化程度低,严重打击了省内软件开发商的研发积极性。

江苏船舶与海洋工程工业软件自主研发进度缓慢还存在以下弊端：

(1)缺乏行业内统一的规划和成熟的平台,省内制造企业往往仅根据自身的发展需要来投资解决公司局部问题。由于企业之间软件功能间信息无法交换,对工业软件整体的开发和提升的收益不大。

(2)缺乏集成管理系统,难以形成合力。由于省内工业软件开发的管理机制不成熟,内部软件之间的信息不能互通,无法促进功能间的有效促进。

(3)缺乏资金方面的支持,对项目的研发不利。目前使用国产制造工业软件需要国内企业尤其是大型企业的支持,而投资使用国产工业软件对国内企业来讲是一种高风险、低收益的行为,社会资本更愿意投资成熟的国外软件。由于缺乏社会资本的支持,国产工业软件项目陷入了无人问津的局面。

(4)由于江苏企业的资源有限,企业之间的信息交流协同发展不畅,导致对于船舶与海洋工程产品开发成果不佳,且成果无法共享。由于各个企业之间的理念发展方向和信息接口不通,开发出来的软件也难以兼容,力量没有整合起来形成合力。

江苏船舶与海工装备工业软件发展需要政府的支持和指引。企业依靠政策支持,巩固研发创新基础,通过上下游企业间合作,加强工业软件产品的应用和推广,同时收集客户的使用反馈和建议,改进软件功能,促进软件的进步。只有完善了工业软件的基础功能,才能解决软件的商业推广和市场份额问题。工业软件具有知识密集型的属性,为实现船舶与海洋工程装备工业软件的商业化、自主化,需要国内多行业共同努力,实现跨界学科融合,调动国内研发力量,结合国内工业企业发展需求和国内市场的功能需求,有针对性地研发工业软件功能,抓住未来的软件市场,扩大国内软件的商业应用,这样国内造船和海工制造业软件发展才能实现质的飞跃。

要为国产造船和海工制造软件创造广阔的市场,还必须在以下3个方面努力：

(1)在研发过程中从一开始就要有多个促销计划,并不断改进和完善。

(2)积极开拓国内船舶与海工装备制造业市场,调动全行业的积极性。

(3)强化省内的知识产权的保护,使省内企业的权益得到真正有效的保护,也能消除盗版软件猖獗的市场乱象。

4.2 智能船厂关键技术分析

江苏省已经在南通川崎开展智能船厂建设试点,需要在产品设计、生产技术、管理技术、基础共性方面进行智能化、信息化改革。

4.2.1 船舶产品智能设计关键技术

智能设计的未来将是设计信息自动化,包括以下3个方面：

(1)计算机模型建立自动化。通过自动采集二维信息和规格信息将产品参数、加工安装信息自动化输入计算,标准化设计驱动计算机三维建模。

(2)绘图自动化。基于计算机三维物理模型,自动输出生产图纸。

(3)物量信息交流自动化。实现生产产品现实数据与三维模型数据自动化交流。

4.2.2 船舶智能生产关键技术

造船技术主要包括焊接技术、设备技术、通用领域技术、涂装技术等。就焊接技术而言,我国造船业的分段合龙技术仍需提高。今后应当实现模块化造船,使船厂真正成为总装企业,同时各生产线实现自动化流水生产,机器人操作采取标准化的管理。

4.2.3 船厂智能管理关键技术

目前,各国仍在对设备进行现代化改造,以提高设备的精度和自动化程度。日本和韩国将物联网技术、人工智能等新一代信息技术融入造船,在提高造船和管理效率方面取得了巨大成功。

现代造船精度管理的核心是为精益生产铺平道路。因此,必须转变管理观念,从被动管理向主动自动化管理转变。例如,在进行切割、加工、焊接等分段装配作业时,应提前设置现场计算机技术提示,实施多项措施,计算机收集现场问题缺陷,通过数据改进设计方法和工艺等,这种信息化管理理念今后将逐步落实到造船的各个方面。

4.2.4 智能船厂基础共性技面

工业大数据的重点在于以大数据管理为基础的智能制造的基础共性技术。船舶与海工装备制造业是一个全球性的、规模化的产业,它与设计、制造、运输等行业相联系,深深植根于许多行业的大数据之中。在当前的环境下,中国船舶与海工制造业应该基于大数据技术的应用研究,进行数据的收集、统计分析和估价,从而产生许多有价值的信息。

4.3 数字孪生技术

大力发展船舶与海工制造与数字孪生技术的融合将是江苏省船舶海工智能制造的攻关重点。

近年来,数字孪生作为沟通现实物理世界和模拟信息空间的有效连接方式,得到了制造业的青睐[3]。数字孪生是集合了多尺度、概率融合等因素,通过获取实际物理信息建立数字化的虚拟模型。数字孪生将研究对象在真实环境的动作行为数据化,通过数据融合分析,虚实对象交互反馈,为物理实体的全生命周期服务。数字孪生在航天设备飞行器制造业中最早提出,但该技术的特点和船舶与海工装备制造业非常吻合,如：西门子公司利用其工业互联网,通过三维体验平台,形成数字孪生的互通和闭环,开启资产、产品生命周期管理和制造过程的数字孪生。同时,高校和科研院所也开始积极探索数字孪生技术未来的广阔应用前景,取得了许多理论成果。数字孪生已经成为物理空间和信息空间相互作用和整合的有效手段。

船舶与海工装备应用方面,数字孪生利用数据构建具有多种物理尺寸、多尺度、多学科特点的高可靠性虚拟船舶模型。该技术将物理空间和信息空间两大数据整合,应用于船舶的整个生命周期,为整个航运业提供相关的智能化服务(如设计院、船舶与海工制造厂、船东业主、船级社、海事机构),打破行业各主体的信息壁垒,促进造船业高质量发展[4]。

虽然数字孪生技术在一些工业制造领域产生了良好的示范效应,但其在船舶与海工装备业的应用还处于起步阶段。江苏省企业有实力也有机会在船舶海工数字孪生技术开发上占据主动地位。