1、数字化造船技术发展现状及趋势2576经过改革开放三十多年的发展，我国船舶工业取得了长足进步。特别是新世纪以来，我国船舶工业更实现了跨越式发展，综合实力和国际地位稳步提升，造船完工量、新接订单量和手持订单量连续多年保持快速增长，造船三大指标已进入世界造船大国行列，已具备了向世界造船强国冲刺的基础和条件。成为造船强国的重要标志之一，就是要实现数字化造船。在中国造船行业向着这个目标前进的过程中，需要不断应用各种最新的技术，不断提高造船的效率和质量。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
2、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。我们这里所述的数字化造船技术主要包括船舶设计数字化、船舶建造数字化、船舶管理数字化三个方面。技术发展状况国外发展现状IT 技术的发展和现代制造业的管理理念及技术方法深刻地改变着传统制造业。各造船强国如美、日、韩、欧等均十分重视以先进的信息技术手段改造传统的造船设计和生产方式。发达国家在设计技术方面普遍采用了三维设计建模；在信息的集成和共享方面采用了产品数据管理系统，实现了并行协同设计和生产；在制造方面，虚拟制造技术已应用于生产实践中，实现了制造前的生产过程数字化模拟；美国 Intergraph 公司的 In
3、telliship 系统将船舶设计规则融合在 CAD（计算机辅助设计）系统中，初步实现了设计的智能化。当今世界的造船强国日本，早在上世纪八十年代就十分重视造船信息化的自主开发与创新，各大造船集团如日立、三菱、三井、IHI、住友等均组织力量自行开发了造船信息集成系统，日本一些先进船厂基本上都已采用 CIMS 系统实现了数字化造船。韩国自上世纪九十年代开始大力推行造船信息化，并迅速崛起成为世界造船大国和强国。韩国各大造船集团如现代、大宇、三星等广泛引进欧美的造船 CAD 系统，如 TRIBON、Intelliship 等，并结合自身企业的特点自行开发了造船 CIMS（计算机集成制造系统）系统，取得
4、了显著的成果，大大缩短了船舶设计建造周期。美欧在先进制造技术和管理思想方面更先行一步，美国政府在军用船舶制造中推进了MARITECH 计划。该计划借助先进的 IT 理论和技术，以敏捷制造思想为指导， 在军船制造中以虚拟企业、虚拟产品、虚拟制造的全新船舶建造方式， 实现了快速、精准、灵活、低成本、高质量的舰船生产。欧洲造船业界也推行了 SEASPRITE 项目，通过 Virtual Ship ROPAX 2000 信息平台将 12 个国家的 48 个企业、公司、研究机构整合起来，形成虚拟企业联盟，从而大大缩短了研制周期、提高了产品质量。国内发展现状随着造船技术的进步，造船工业的发展越来越依赖于先
5、进信息技术的应用。国内造船企业十分重视信息化改造工作，各骨干造船企业均引进或开发了一些面向特定应用的信息系统。在造船 CAD/CAM 领域的应用较为成熟，各企业设计部门已普遍使用 CAD/CAM 系统进行详细设计和生产设计。如使用引进的 TRIBON、CADDS5 等系统，或使用国内自主开发的 SPD、SB3DS 系统等。部分企业使用通用 CAD 软件 AUTOCAD 等作为辅助设计工具；有些企业已开始应用 PDM 系统，如引进的 Windchill 系统，或国内自主开发的Star/PDM 等进行产品数据管理和设计过程管理；有的企业引进了国外 HANA 造船 CIMS系统，在二次开发的基础上开
6、始了设计生产一体化的应用实施；有些企业在计划管理、生产管理、物流管理、财务成本管理等方面也自主开发了一些信息系统。这些系统从技术层面解决了一些局部问题，取得了一定的效果。如 CAD 系统的应用提高了设计工作的效率，加深了设计深度；PDM 系统的应用规范了设计过程，有效管理了产品的图文信息数据；管理系统的应用提高了管理数据的采集、分析、统计的准确度和及时性。但由于各系统间信息模型的不一致，系统平台的不一致，国外系统的数据结构不开放等诸多问题，使得系统间信息的交换困难、难以进行系统的适应性修改和二次开发，不能顺畅地实现船舶设计、制造、管理信息的一体化。随着我国造船能力的迅速扩张，日本、韩国等国对我
7、国的技术引进采用了更多的限制措施。我国船企引进的系统缺乏基础数据，引进的管理软件，由于与国内的管理理念和方法不同，在直接使用时存在一系列的问题，需要进行较多的二次开发。而国内造船技术研究院所和部分企业长期以来坚持造船行业信息化的自主研发，在船舶生产设计、产品数据管理、造船企业生产管理方面形成了一些产品，并被造船企业广泛应用。有些产品已出口至国外造船企业。与此同时，限于体制、机制等各方面的原因，国内造船企业大都各自进行企业信息化改造和信息系统开发，造船行业信息化研究力量分散，无法发挥整体作战效应。在国家发展改革委的支持下，2008 年，我国成立了以上海船舶工艺研究所为技术依托单位的数字化造船国家
8、工程实验室。经过两年多的建设，相继建立了四个技术平台，为造船软件的应用环境、造船流程、造船工艺、造船信息标准化研究等创造了条件。该实验室本着“边建设、边运行、边见效”的原则，在研究开发、团队建设、人才培养、组织管理、产学研用、学术交流和工程服务等方面均取得了显著成效，已成为我国开展数字化造船共性技术研究、应用工具开发和工程支持的重要平台。技术差距目前，我国造船工业在造船数字化方面，与日本、韩国、美欧造船业仍存在较大差距，主要体现在：（1）船舶数字化设计方面基于 3D 模型的 CAD/CAM 已得到了广泛应用，但基本送审设计和生产设计之间的信息载体仍为纸质图纸，全过程的三维设计远没有实现。CAE
9、 的应用局限于设计分析阶段，在船舶建造过程中 CAE 的应用程度相当低，而数字化造船更强调CAE 技术在制造过程中的应用。此外，日、韩等国先进造船企业船舶平均设计周期也明显地比中国造船企业短许多。（2）造船数字化管理方面 CAPP、PDM、CIMS 等船舶建造信息支持系统以单个应用为主，标准和编码等基础工作不够扎实，并缺乏准确而齐全的基础数据库。（3）船舶数字化建造方面信息流对生产设备和设施仅仅是离散型的驱动，并且仅局限于船体部件加工阶段，船舶建造过程中的集成度、自动化程度和数字化程度还相当低。未来发展趋势纵观前面的 1 0 年， 一个显著的事实是：信息化仍然是这个新世纪的主要时代特征，仍然是
10、全球范围内推动经济和社会变革的主要力量，仍然是国家竞争力的战略重点和制高点。展望后 10 年，我国的信息化将在未来十年开始一次新的长征。这次长征的主要特征就是推动中国信息化向泛在化、可视化、智能化方向发展，以中国经济和社会发展的需求为目标，赶超世界先进水平，抢占全球信息化的制高点，为中国的经济社会转型和现代化服务。未来 1 0 年， 在先进造船理念和模式（敏捷制造、绿色制造、精益生产、网络化制造等）以及新技术（自动化技术、数字化技术、激光技术、虚拟仿真技术等）的助推下，世界船舶科技将迅猛发展。基于数字技术的模块化、智能化、网络化以及绿色化造船将成为世界造船数字化技术发展的主要趋势。基于数字化技
11、术的模块化造船模块化造船是采用“积木式”组件，即一些独立的单元件和标准件，通过组装，形成造船中广泛采用的结构模块、舾装模块、壳舾涂一体化模块，这些既相对独立，最终又将组合成一体的模块，不但具有独立功能、通用性和特定界面， 而且要在船台（坞）内合拢成船舶。实施模块化造船是传统造船模式向现代造船模式的转变过程。主要发达国家船舶制造普遍采用壳舾涂一体化集成制造模式，并向模块化建造过渡。美国、前苏联、英国、德国、日本、法国等国家在模块化造船应用方面取得了令人瞩目的成绩，使得建造周期缩短了 1721 个月，且呈现不断发展的趋势。德国公司开发的ECOBOX 型模块化经济性集装箱船，可在 12 种船型内选择
12、改型。模块化造船在巨型总段建造的基础上，同时扩大预舾装和涂装的范围，使总段内的舾装完整性达到前所未有的程度，即除接口位置外，内部的壳、舾、涂工作接近全部完成状态，形成了模块。当整条船舶由这些模块合拢而成时，就实现了模块化造船，使船厂真正成为了总装企业。基于数字化技术的智能化造船智能化造船是造船生产的最高阶段，它以企业为对象，在系统科学的指导下将企业的全部生产经营过程(包括市场研究、经营决策、产品设计、加工制造、生产管理、销售及服务等)采用软硬件综合成一个由智能计算机、自动化装备和智能机器人所组成的集成系统。智能化造船在制造过程中广泛采用智能化制造装备进行加工和装配，显著提高了生产效率。切割机器
13、人、装配焊接机器人逐步应用，船厂逐渐成为没有灰尘、没有危险和没有疲劳的真正现代化工厂。迄今，世界上还没有哪一家船厂完全达到该阶段，但智能化造船必将成为未来的发展趋势。基于数字化技术的网络化造船网络化制造是按照敏捷制造的思想，采用互联网技术，建立灵活有效、互惠互利的动态企业联盟，有效地实研究、设计、生产和销售各种资源的重组，利用计算机网络，集成和流通科研、设计、生产及其过程控制信息和经营、管理、服务等信息，从而提高企业对市场的快速响应能力和竞争能力。它对传统制造业的生产和经营方式有重大影响。基于数字化技术的绿色化造船发展绿色船舶是全球造船界的选择。绿色造船技术不是单一的绿色制造技术，它涉及船舶设
14、计、建造、配套、原材料、标准、管理等各个环节，是一项复杂的系统工程。实施绿色造船的源头在绿色设计，实现的手段是绿色工艺技术与装备，实现的基础在于绿色管理，实现的关键在于数字化技术。发展思路和重点中国的船舶工业正处于一个新的历史起点上，可以预见，未来相当长时间内，“两化融合”仍将是数字化造船科学发展与自主创新的主题。因此要着力推进船舶产品开发、设计、制造与创新的信息化，深化信息技术在船舶工艺装备等产品上的渗透融合。推广综合集成制造、敏捷制造、柔性制造、精密制造等先进制造技术，推进船舶工业发展。以信息技术提高造船企业的生产能力和物流效率，推进企业管理信息化，提高船舶企业的业务管理能力和参与国际市场
15、竞争的能力。同时，利用信息化手段促进传统产业整合和产业集群的优化升级。要在行业内筛选、树立“ 信息化示范企业”，将拥有自主产权的应用软件和先进做法，向全行业推广，以避免重复开发、重复投资，应大力推广信息化优秀成果，发挥其示范作用。要进一步发挥行业协会、造船学会等行业组织的技术交流作用，增强国家工程实验室等行业平台的窗口效应，努力建设造船信息化的实施推广体系，逐步扭转产业发展对国外造船软件系统严重依赖的局面。重点工作：（1）建立统一的数据交换标准统一数据交换标准是异构系统间信息交换的重要桥梁，该标准是与具体系统无关的统一标准数据格式，该标准的开发和运用是船舶行业或企业实现计算机集成制造系统（CI
16、MS）的关键。目前，最常用的标准数据格式有DXF/STEP/IGES 等。目前国外造船行业纷纷开展 STEP 相关标准的验证工作。美国、欧盟、日本和韩国除了各自成立 STEP 船舶应用协议开发验证机构外，还建立了合作关系。美国于 1994 年创立的工业信息基础机构合作组织一直致力于工业虚拟企业试验运行，该组织下属的造船部门已于 2000 年成立了造船工业虚拟企业的联络机构。日本、韩国和欧盟船舶行业也在开展造船虚拟企业的策划工作。（2）建立 PLM 系统产品生命周期管理（ PLM）自 20 世纪末提出以来，已迅速成为制造业关注的焦点。PLM 结合电子商务技术与协同技术，将产品的开发流程与供应链管
17、理（SCM）、客户关系管理（CRM）、企业资源计划（ERP）等系统进行集成，将孤岛式流程管理转变成集成的一体化管理。PLM 实现从概念设计、产品设计、产品生产、产品维护到信息管理的全面数字化，以及产品开发和业务流程的优化，从而全面提升企业生产效率，降低产品生命周期管理成本，最终提升企业的市场竞争力。（3）数字化测量技术利用先进的激光检测技术及计算机技术，减少造船过程中样箱、样板的使用，节约木材，节约存放空间，提高加工效率、减轻工人劳动强度。完善和提高全站仪等测量工具的功能模块和测量能力，针对船板加工过程，特别是水火弯板工艺过程，研究先进的船板成型测量方法，结合现场环境，重点突破船板成型精度大尺
18、度激光测量技术、数模匹配与比对、检测结果多形式表达、成形工艺过程标识等关键技术，开发可现场在位使用的曲面成型数字化测量系统。（4）建立智能化造船体系以船舶企业数据库和知识库为基础，通过智能化技术将造船企业经营运作整个过程集成，建立覆盖船舶生产经营全过程的综合决策系统，实现综合管理定量分析和决策，指导企业运行管理的柔性化和智能化，并将决策系统延伸到制造过程，以模块化和自动化为核心，将现代造船模式与智能化制造设备通过信息化技术充分融合，建立流程化生产作业模式，实现造船智能化。（5）生产现场管理信息化应用推进物联网技术在造船生产现场管理方面的应用，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。通过物联网、
19、GPS、GIS（地理信息系统）、无线网络、手持或车载终端、无线监控、看板设备、仿真控制等信息技术和设备的应用，进一步深化造船企业现场管理信息化应用，支持现场物流管理、进度管理、作业管理、关键设备管理、动能源管理、看板管理、5S 管理、安全管理、质量管理等多个方面的信息化管理。（6）普及虚拟现实技术虚拟现实技术在船舶建造中的应用将越来越广泛，从行业的角度包括对商品化虚拟仿真软件进行消化、吸收和二次开发，扩大虚拟仿真在船舶制造过程的应用。虚拟现实技术具有沉浸感、交互性、构想性、自主性、多感知性等特点。从技术的角度而言，硬件应该是向图形工作站集群系统发展，软件是向集成化、平台化方向发展。从技术创新的
20、角度，虚拟仿真应用系统应该向国产化的方向发展。未来几年，我们对于虚拟现实技术的研究重点应着力于船舶行业虚拟仿真应用开发平台的研究、船舶设计与虚拟评估一体化集成技术的研究、船舶建造虚拟装配技术应用研究与系统开发的研究、船舶建造生产物流虚拟仿真技术的开发与应用研究等。（7）建立网络化船舶制造模式构建面向行业的基于网络的制造系统，形成数字化工程联盟必将是未来造船模式的大势所趋。这不是依靠个别或者部分先进厂家所能够实现的，必须通过各级企业的 ERP 系统，提供及时准确的信息来最大限度地克服企业之间供应链的不确定性，形成高效的动态企业联盟，实现行业技术和资源的优化配置，提高行业最大生产效率、效益和竞争力。例如中船集团的管控数字化，就是以“六集中”管理为核心，以集团公司战略管理、风险管理、生产管理、成本管理、决策支持等为重点开展的集团管控信息化建设。（8）数值预报与多学科设计优化“数值预报”技术与多学科设计优化利用数字化技术来实现船舶性能的预测和优化，研究的都是一些诸如水动力学性能、结构力学性能、振动噪声性能、抗爆抗冲击和材料性能等理论性、专业性极强的对象，其准确与否，直接影响到船舶的性能，对实现研制时间和经费的大幅削减有重要意义。只有“数值预报”能够完全取代或大部分取代利用物理样机所进行的性能试验，即在产品设计阶段就可基本完成产品的“定型”时，我们才能说“数字化造船”的时代真正到来了。
