劉子豪 趙 川 王 晶

作為國家戰(zhàn)略性裝備制造業(yè)的代表，我國船舶工業(yè)已形成了較強(qiáng)國際競爭力的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)；數(shù)字化造船技術(shù)將是大幅提升技術(shù)水平和競爭優(yōu)勢(shì)、促進(jìn)我國船舶工業(yè)又好又快發(fā)展，實(shí)現(xiàn)第一造船大國目標(biāo)的戰(zhàn)略突破口。因此，對(duì)于船舶工業(yè)界而言，熟悉造船技術(shù)的內(nèi)涵、特征、體系構(gòu)成以及國內(nèi)外數(shù)字化造船發(fā)展趨勢(shì)，將對(duì)自身在這方面的進(jìn)一步提升至關(guān)重要。

數(shù)字化造船的主要特征

理想的“數(shù)字化造船”可大致歸納如下7個(gè)特征：

建造全過程仿真化——船舶建造全過程仿真化將提供在“計(jì)算機(jī)中制造”的能力，使用船舶產(chǎn)品模型、造船過程模型和制造設(shè)備模型，生產(chǎn)出數(shù)字化的船舶。在船舶設(shè)計(jì)階段，實(shí)時(shí)地、并行地模擬出船舶未來建造的全過程及其對(duì)船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響，預(yù)測(cè)船舶性能、造船成本、可制造性，從而更快捷地組織造船生產(chǎn)，使船廠和車間的資源得到更合理的配置，以達(dá)到船舶產(chǎn)品的研制周期和成本最小化、船舶性能最優(yōu)化和建造效率最高化。

過程控制并行化——建立基于船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理的并行開發(fā)環(huán)境和科研生產(chǎn)協(xié)同環(huán)境，設(shè)計(jì)與建造、設(shè)備研制與總體研制、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與總體設(shè)計(jì)之間的并行與協(xié)同，實(shí)現(xiàn)與船東、船級(jí)社、船廠、配套設(shè)備供貨方、船模水池和CAE軟件庫等外部機(jī)構(gòu)的協(xié)同。

決策體系智能化——針對(duì)發(fā)展戰(zhàn)略、投資規(guī)劃、重大產(chǎn)品決策等，形成智能決策支持系統(tǒng)，增強(qiáng)決策的科學(xué)性、準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

管理體系信息化——適應(yīng)信息化環(huán)境和信息化生產(chǎn)的要求，建立信息化的管理、控制體系。

信息體系網(wǎng)絡(luò)化——利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，集成和流通科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及其過程控制信息和經(jīng)營、管理、服務(wù)等信息。

工藝裝備自動(dòng)化——通過自動(dòng)化工裝，直接利用數(shù)字化工藝數(shù)據(jù)。

服務(wù)保障全程化——形成基于數(shù)字化設(shè)計(jì)、建造數(shù)據(jù)和信息網(wǎng)絡(luò)的快捷、方便的軍民船全壽期服務(wù)保障體系。

數(shù)字化造船的體系構(gòu)成

數(shù)字化造船體系由五個(gè)方面組成：船舶設(shè)計(jì)數(shù)字化、船舶建造數(shù)字化、經(jīng)營決策與管理控制數(shù)字化、系統(tǒng)集成數(shù)字化和支撐環(huán)境數(shù)字化。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的支持下，五部分內(nèi)容緊密銜接，形成數(shù)字化造船的整體框架。數(shù)字化造船的內(nèi)涵隨著科技和管理水平的不斷提高而逐步演變。

船舶設(shè)計(jì)數(shù)字化，是從推行CAD/CAE/CAPP/PDM，到數(shù)字化樣船技術(shù)、虛擬仿真設(shè)計(jì)和制造技術(shù)、異地協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)等智能化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過船舶產(chǎn)品全數(shù)字化模型的建立，生成滿足現(xiàn)代造船模式所需的精確制造信息、精確管理基礎(chǔ)信息，為數(shù)字化造船提供信息源和信息基礎(chǔ)，從而可以大大提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期、降低開發(fā)成本、實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)目標(biāo)和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短的時(shí)間內(nèi)，組織大范圍內(nèi)的資源開發(fā)出新產(chǎn)品。

船舶建造數(shù)字化，是在建立數(shù)字化船舶產(chǎn)品模型基礎(chǔ)上，按中間產(chǎn)品組織專業(yè)化生產(chǎn)原則，應(yīng)用模塊化建造技術(shù)、協(xié)同制造技術(shù)、虛擬建造和裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)船舶殼、舾、涂一體化制造，達(dá)到船舶產(chǎn)品敏捷制造和精益建造。

經(jīng)營決策與管理控制數(shù)字化，指基于Internet/Intranet/Extranet，利用ERP、SCM和CRM、電子商務(wù)等方法與工具，建立優(yōu)化的集成化管理信息系統(tǒng)，跨越“時(shí)、空、地、部門、個(gè)人”的障礙，突破造船企業(yè)難于實(shí)現(xiàn)有效管理控制的難點(diǎn)，使管理控制實(shí)現(xiàn)透明、及時(shí)、精確和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化，從而使企業(yè)生產(chǎn)資源實(shí)現(xiàn)優(yōu)化配置和物流的有效計(jì)劃、組織、控制和調(diào)整，實(shí)現(xiàn)船舶產(chǎn)品全生命周期各環(huán)節(jié)、各過程的成本和質(zhì)量管理與控制，提高企業(yè)的管理水平。

系統(tǒng)集成數(shù)字化，即利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，數(shù)據(jù)庫技術(shù)和信息交換和集成技術(shù)，建立統(tǒng)一的基礎(chǔ)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)用集成和資源的一體化管理，為產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計(jì)、建造和管理中各種活動(dòng)間各類信息的集成化應(yīng)用和安全保障提供支持。

支撐環(huán)境數(shù)字化，主要指為數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和管理提供的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，也可以包括為實(shí)現(xiàn)相應(yīng)信息技術(shù)（如軟件開發(fā)）的一些必備環(huán)境，包括分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫和服務(wù)系統(tǒng)、信息安全與控制系統(tǒng)、企業(yè)信息集成及數(shù)據(jù)交換等基礎(chǔ)的信息系統(tǒng)技術(shù)，形成計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的并行協(xié)同工作平臺(tái)。

數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展水平和趨勢(shì)

當(dāng)前世界造船已進(jìn)入“數(shù)字化”造船階段，國外數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展以日本和韓國為代表，引領(lǐng)了技術(shù)發(fā)展水平與發(fā)展趨勢(shì)。船舶數(shù)字化建造從技術(shù)上可分為五個(gè)階段。

第一階段以2D繪圖、單機(jī)工作、功能設(shè)計(jì)為主要技術(shù)特征。在計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)對(duì)象以文件系統(tǒng)為主。制造信息的識(shí)別、加工和處理還主要是人工處理，制造信息大多是人工錄入。

第二階段以2D和3D混合建模、單機(jī)工作、功能設(shè)計(jì)為主要技術(shù)手段，計(jì)算機(jī)模型可提供部分制造信息。

第三階段以全三維模型、桌面可視化、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息集成、功能設(shè)計(jì)為主要技術(shù)手段。計(jì)算機(jī)的全三維模型可以提供制造所需要的幾何信息和加工信息。雖然實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的信息集成，但系統(tǒng)彼此孤立，特別是管理信息由管理信息系統(tǒng)產(chǎn)生，“信息孤島”問題越來越突出。

第四階段以智能產(chǎn)品模型(DMU)、工程數(shù)據(jù)管理、高級(jí)可視化、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）/企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）集成為主要技術(shù)手段。在產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理的基礎(chǔ)上，利用工程可視化的技術(shù)手段，建立設(shè)計(jì)過程的管理和控制平臺(tái)，形成數(shù)字產(chǎn)品的柔性生產(chǎn)線，智能的產(chǎn)品模型為生產(chǎn)過程提供完備的信息，實(shí)現(xiàn)PDM/ERP一體化的系統(tǒng)重構(gòu)。

第五個(gè)階段以信息系統(tǒng)、共享數(shù)據(jù)環(huán)境、協(xié)同生產(chǎn)環(huán)境、電子商務(wù)-供應(yīng)鏈集成、配置管理為主要技術(shù)特征。以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)建成社會(huì)化的信息共享支撐平臺(tái)，利用造船企業(yè)資源的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)，通過動(dòng)態(tài)配置技術(shù)形成虛擬企業(yè)的動(dòng)態(tài)聯(lián)盟，實(shí)現(xiàn)企業(yè)社會(huì)化資源的最佳配置；通過智能化信息驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化過程，為全球個(gè)性化的客戶快速提供高質(zhì)量的產(chǎn)品。

目前，日本、韓國和歐盟先進(jìn)船廠已經(jīng)普遍進(jìn)入到第三階段，甚至已經(jīng)進(jìn)入了第四階段，并開始考慮如何進(jìn)入第五階段的計(jì)劃；美國先進(jìn)船廠已經(jīng)進(jìn)入了第四階段，并開始實(shí)施進(jìn)入第五階段的計(jì)劃。我國骨干船廠已經(jīng)普遍進(jìn)入到第二階段，有的已經(jīng)進(jìn)入了第三階段，并開始考慮如何進(jìn)入第四、第五階段的計(jì)劃。

在日本，數(shù)字化技術(shù)在造船中的真正研究發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，到90年代中期，日本一些大的造船企業(yè)已經(jīng)初步建立造船計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS）：如日本川崎重工船廠按照“自下而上”的思路建成了CIMS系統(tǒng)。2002年3月，石川島播磨重工有限公司(IHI)與達(dá)索公司和IBM產(chǎn)品生命周期管理部共同研發(fā)和實(shí)施造船業(yè)3DPLM項(xiàng)目，以便繼續(xù)保持其造船數(shù)字化的領(lǐng)先地位。到2004年初，日本大型船廠陸續(xù)實(shí)施CIMS，并開始了虛擬企業(yè)(VE)連續(xù)采辦、全生命周期支援系統(tǒng)(CALS)與三維產(chǎn)品全生命周期管理(3DPLM)的開發(fā)研究。

在韓國，在上世紀(jì)90年代開發(fā)的造船“CIMS”系統(tǒng)相當(dāng)于日本船廠80年代所開發(fā)的計(jì)算機(jī)集成信息管理系統(tǒng)（Computer Integrated Information Management，CI2M）系統(tǒng)。韓國在引進(jìn)日本、美國和歐洲等國的先進(jìn)造船信息技術(shù)后，研制實(shí)施自己的造船CIMS，取得了顯著成果。如1991年韓國大宇船廠開始實(shí)施CIMS后，其造船銷售量增長3倍，年造船縮短約500萬工時(shí)，船舶建造周期縮短約3.5個(gè)月，實(shí)現(xiàn)年利潤2.2億美元。韓國各大造船企業(yè)為確保造船業(yè)的主導(dǎo)地位，正在廣泛應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并開始向機(jī)器人等高新技術(shù)發(fā)展。如2003年，三星重工安裝了互聯(lián)網(wǎng)支持的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使船廠的生產(chǎn)力提高了50%；2004年3月，韓國政府資金大力支持韓國現(xiàn)代重工、大宇造船海洋工程公司，聯(lián)合三星等幾家大型電子企業(yè)共同開發(fā)新一代智能型機(jī)器人。

在歐洲，主要的造船企業(yè)如德國的不來梅·富坎集團(tuán)、HDW公司和博隆·福斯公司、丹麥歐登塞和B&W船廠、法國大西洋船廠、阿卡集團(tuán)和俄羅斯波羅海船廠等，具有先進(jìn)的造船管理理念，重視建造完美的船舶，具有很強(qiáng)的組織生產(chǎn)、管控物流的能力和經(jīng)驗(yàn)。物流方面的信息化系統(tǒng)不只是一個(gè)信息處理平臺(tái)，還是一個(gè)能適應(yīng)現(xiàn)代造船模式的綜合管理和調(diào)控平臺(tái)，同時(shí)信息化集成度高，與物流相關(guān)的信息流貫穿企業(yè)的各個(gè)部門。歐洲船廠在船舶生產(chǎn)組織管理、設(shè)計(jì)能力方面具有一定的先進(jìn)性。在信息化方面，歐洲船廠具備了長期的信息化建設(shè)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用信息技術(shù)的意識(shí)很強(qiáng)。丹麥的歐登塞船廠近幾年在引進(jìn)新的CIMS生產(chǎn)設(shè)備、CAD/CAM系統(tǒng)和機(jī)器人上的投資已經(jīng)超過了8300萬元。這種大規(guī)模投資的結(jié)果，使該廠成為歐洲造船業(yè)中生產(chǎn)效率最高的企業(yè)?？送郀柤{的瓦爾諾夫船廠裝備有最新的以UNIX為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)綜合集成系統(tǒng)，可用于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和所有活動(dòng)的管理。德國的HDW船廠和IBM公司及CENIT公司合作，引進(jìn)了一系列硬件、軟件及服務(wù)功能，總投資3000萬歐元，使其成為澳洲第一家將集成數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)開發(fā)、建造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理活動(dòng)的船廠。

中國數(shù)字化造船發(fā)展

我國數(shù)字造船技術(shù)正進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用、三維設(shè)計(jì)、虛擬現(xiàn)實(shí)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)管理等技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)字造船技術(shù)不斷邁上新的臺(tái)階。

目前，總體廠和設(shè)計(jì)所都建立了千兆主干網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)基本能滿足目前應(yīng)用需要，并初步建立了企業(yè)Intranet網(wǎng)站，有的單位實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)信息、標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)等網(wǎng)上查詢。各單位都自主開發(fā)或聯(lián)合開發(fā)了一些用于工藝、生產(chǎn)、物流等方面與制造、管理有關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)，取得了較好的應(yīng)用效果。

我國船舶工業(yè)已基本上形成了基于CADDS5及TRIBON軟件、集成了各種工程分析與仿真軟件的艦船三維設(shè)計(jì)平臺(tái)，目前已實(shí)現(xiàn)從船舶方案論證到生產(chǎn)設(shè)計(jì)全面采用先進(jìn)的三維技術(shù)，形成了全船船體結(jié)構(gòu)、舾裝、電裝的三維設(shè)計(jì)能力，實(shí)現(xiàn)減少船舶設(shè)計(jì)人工28%、縮短設(shè)計(jì)周期18%，在船舶研制中發(fā)揮了巨大的作用。通過引進(jìn)專業(yè)圖形工作站、三維動(dòng)畫軟件和投影顯示系統(tǒng)，構(gòu)建船舶虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多型船全船各個(gè)艙室綜合布置的虛擬漫游，并開展了較為全面的設(shè)計(jì)合理性檢查以及設(shè)備、系統(tǒng)的可裝配性、可維護(hù)性、人機(jī)工程、船舶總裝物流仿真、虛擬平臺(tái)異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等技術(shù)的研究，在增強(qiáng)船舶三維設(shè)計(jì)的可視性、對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化和干涉檢查，提高艦船設(shè)計(jì)質(zhì)量等方面取得了十分良好的效果。各總體廠所還開展了PDM系統(tǒng)的應(yīng)用和開發(fā)工作，初步構(gòu)建了船舶協(xié)同設(shè)計(jì)建造和項(xiàng)目管理平臺(tái)。在企業(yè)網(wǎng)建設(shè)領(lǐng)域，發(fā)展更是迅速。各骨干造船企業(yè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面初具規(guī)模，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造與生產(chǎn)管理的軟硬件平臺(tái)初步建立，已為建立數(shù)字化船舶企業(yè)提供了扎實(shí)的硬件基礎(chǔ)。

在數(shù)字化浪潮下，我國船舶工業(yè)需要在熟悉數(shù)字化造船技術(shù)的體系構(gòu)成和特征的基礎(chǔ)上，不斷研究和深化數(shù)字化造船技術(shù)新內(nèi)涵，順應(yīng)和引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展新趨勢(shì)，推進(jìn)我國數(shù)字化造船的進(jìn)一步發(fā)展。