中船工業(yè)經(jīng)濟(jì)與市場研究中心 江文成 樊志遠(yuǎn)

當(dāng)前，日本和韓國均將船舶智能制造作為發(fā)展重點，政府出臺了相關(guān)政策或設(shè)立科研項目對船舶智能制造予以支持。

在當(dāng)前國際造船市場競爭日益激烈、人力成本不斷上升、造船勞動力面臨短缺的形勢下，日本和韓國均將船舶智能制造作為發(fā)展重點，政府出臺了相關(guān)政策或設(shè)立科研項目對船舶智能制造予以支持，造船企業(yè)也圍繞生產(chǎn)管理精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、全三維數(shù)字化設(shè)計、自動化造船工藝裝備、新型船舶檢驗手段以及其他前沿技術(shù)等方向開展了智能制造研究和智能船廠建設(shè)。

政府加大政策和科研支持力度

一、韓國智能船廠項目

2018年4月，韓國發(fā)布《造船產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》，提出要推進(jìn)智能船廠（K-Yard）項目。該項目計劃首先開發(fā)一個智能船廠仿真模型，建立一個基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的生產(chǎn)平臺，以跟蹤整個生產(chǎn)流程；然后建立物流及船舶建造系統(tǒng)，使用人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)監(jiān)控材料和船體分段位置，在此基礎(chǔ)上建立最佳的造船模型，并通過示范企業(yè)進(jìn)行驗證，最終將智能船廠模型逐步推廣到中小型船廠，促進(jìn)船廠智能化發(fā)展。

2018年9月，韓國貿(mào)易、工業(yè)和能源部宣布將在年內(nèi)開始對智能船廠項目進(jìn)行初步可行性研究，項目總預(yù)算將達(dá)到4000億韓元（約合3.6億美元），其中中央政府投資2500億韓元（約合2.25億美元），地方政府及私營部門投資1500億韓元（約合1.35億美元）。韓國政府計劃在2020年到2025年的六年時間里測試運行兩個智能船廠，當(dāng)測試項目成功時，智能船廠模型將推廣至其他船廠。通過智能船廠項目，韓國政府希望將生產(chǎn)力提高20%，生產(chǎn)成本降低10%。

二、日本“i-Shipping”項目

2016年日本國土交通省啟動了“i-Shipping”項目，該項目雖然從名稱來看是針對航運環(huán)節(jié)，但其內(nèi)容包含船舶設(shè)計、建造、運營等主要環(huán)節(jié)，旨在推動船舶全生命周期的數(shù)字化和智能化。

在船舶設(shè)計環(huán)節(jié)，“i-Shipping”提出的主要任務(wù)包括：1、開發(fā)高性能計算流體力學(xué)（CFD）工具，準(zhǔn)確對船舶性能特別是節(jié)能裝置的性能進(jìn)行評估，減少水池試驗工作；2、建立船體性能評估的CFD國際標(biāo)準(zhǔn)，消除國際上EEDI計算和驗證中存在的不一致性；3、推動現(xiàn)有試驗水池共享，建設(shè)新的試驗水池。

在船舶建造環(huán)節(jié)，“i-Shipping”提出的主要任務(wù)包括：1、利用數(shù)字化技術(shù)加強現(xiàn)場工人生產(chǎn)管理；利用傳感設(shè)施將個人動作和作業(yè)數(shù)據(jù)化，實現(xiàn)作業(yè)實績實時監(jiān)控與管理；優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施，運用互聯(lián)網(wǎng)及大數(shù)據(jù)等技術(shù)打造可視化船廠。2、減少生產(chǎn)過程中零部件及材料在訂貨、制造、交貨等環(huán)節(jié)的浪費；推動地區(qū)配套供應(yīng)商之間的訂貨、制造、采購實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、一站式化；推進(jìn)“智能造船集群”建設(shè)。3、升級現(xiàn)有設(shè)備，進(jìn)一步優(yōu)化建造流程，提升模塊精度、舾裝效率；引進(jìn)激光電弧焊接、船體分段3D激光掃描、可穿戴式機器人等技術(shù)，提高舾裝等環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率。4、加強產(chǎn)研結(jié)合，提高先進(jìn)生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用率；鼓勵企業(yè)與研究機構(gòu)合作開發(fā)、引進(jìn)自動化程度高的設(shè)備，從稅收上支持船舶企業(yè)設(shè)備更新。

在船舶運營環(huán)節(jié)，“i-Shipping”主要通過對船舶航行狀態(tài)、船體應(yīng)力狀態(tài)、機電設(shè)備運行狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，獲取海量監(jiān)測數(shù)據(jù)并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析和決策，實現(xiàn)無人值守、航線優(yōu)化、自動避碰、遠(yuǎn)程維護(hù)等功能，最終建成無人船舶。

利用新一代信息技術(shù)加強管理

日韓船舶企業(yè)本來就具有很高的管理水平，近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，日韓船舶企業(yè)開始將這些技術(shù)應(yīng)用于造船管理，進(jìn)一步提高了管理的精細(xì)化水平和效率，并且管理范圍逐漸從企業(yè)內(nèi)部延伸至供應(yīng)鏈上游的配套企業(yè)。

生產(chǎn)管理方面，日本船舶技術(shù)研究協(xié)會（JSTRA）開發(fā)了船廠可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可綜合利用視頻、圖像、GPS、加速度傳感器、RFID、Wi-Fi等多種監(jiān)測手段，對生產(chǎn)資源、作業(yè)進(jìn)度和工作人員位置等進(jìn)行跟蹤，通過分析生產(chǎn)作業(yè)流程和工人作業(yè)習(xí)慣，消除生產(chǎn)作業(yè)中的不合理性、不一致性和浪費，提高作業(yè)效率，實現(xiàn)精細(xì)化管理。未來JSTRA還將對該系統(tǒng)的功能進(jìn)行進(jìn)一步拓展，包括甘特圖自動生成等。

物資和設(shè)備管理方面，大宇造船海洋2016年開發(fā)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能標(biāo)簽位置管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的智能標(biāo)簽自動收集材料和設(shè)備的位置信息，并通過無線網(wǎng)傳遞至管理系統(tǒng)。作業(yè)人員在智能手機等終端上可以實時查詢材料及設(shè)備位置、安裝日程、移動路徑、周邊環(huán)境等信息，減少了船舶建造過程中的物品丟失和物料拖期。

供應(yīng)鏈管理方面，2018年大宇造船海洋與其配套供應(yīng)商Fine Heavy Industries（FHI）聯(lián)合建成了基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化制造系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，大宇造船海洋可以與FHI實時共享管線、鐵舾裝件等船舶配套設(shè)備的設(shè)計和生產(chǎn)信息，大幅降低了返工作業(yè)，生產(chǎn)周期可從原先的3周縮減一半；而且該系統(tǒng)以3D模型為基礎(chǔ)，不需要物理設(shè)計圖紙，可實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)的無紙化；此外，自動化系統(tǒng)還允許用戶實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，最終帶來產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

完善船廠網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施

信息通信網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建智能船廠的基礎(chǔ)，日韓船廠尤其是韓國三大船廠在通信網(wǎng)絡(luò)搭建方面一直走在行業(yè)前列。為適應(yīng)船廠大量鋼結(jié)構(gòu)干擾的特殊環(huán)境，韓國三大船廠結(jié)合各自廠區(qū)情況采用不同組網(wǎng)方式，實現(xiàn)了全廠區(qū)的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

現(xiàn)代重工2009年開始在廠區(qū)搭建WiBro網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)基于韓國提出的通信標(biāo)準(zhǔn)，相比無線局域網(wǎng)和3G網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍和支持移動設(shè)備方面更具優(yōu)勢，設(shè)備移動速度在80km/h時也能正常聯(lián)網(wǎng)。通過WiBro網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)場工人可以實現(xiàn)圖紙修改信息實時傳遞、確定分段及材料移動路徑、作業(yè)情況反饋至管理終端、裝備位置追蹤等功能。2016年4月，現(xiàn)代重工和韓國電信公司開始合作構(gòu)建企業(yè)專用LTE網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)類似于企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，移動終端設(shè)備只通過船廠專用內(nèi)部網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，確保了數(shù)據(jù)安全性。

三星重工針對船舶內(nèi)部封閉艙室和外場作業(yè)環(huán)境均構(gòu)建了高速無線網(wǎng)絡(luò)，其中船舶內(nèi)部采用基于Wi-Fi的電纜線通信（PLC）解決方案，該方案是把載有信息的高頻信號加載于電流，通過電線傳輸至路由器，再由路由器裝備的解碼器完成信息解碼，從而構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)；外場作業(yè)環(huán)境下三星重工使用與現(xiàn)代重工相同的WiBro網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了船廠整個作業(yè)區(qū)域的全網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

大宇造船海洋與2011年12月聯(lián)合韓國SK公司，在巨濟(jì)島玉浦船廠400萬平方米廠區(qū)內(nèi)構(gòu)建了覆蓋全廠的LTE通信網(wǎng)絡(luò)，通過LTE網(wǎng)絡(luò)，大宇造船海洋建立了實時企業(yè)環(huán)境，在船廠內(nèi)通過手機應(yīng)用程序可實現(xiàn)實時業(yè)績上報、派工、物料定位等功能。

推動船舶全三維數(shù)字化設(shè)計

全三維數(shù)字化設(shè)計是船舶智能制造的一個重要特征。與二維設(shè)計相比，三維設(shè)計能夠構(gòu)建包含設(shè)計信息、圖紙審查信息、工藝信息、運維信息等要素的三維模型，打通船舶全生命周期數(shù)據(jù)鏈，實現(xiàn)船舶設(shè)計階段的模型重用，顯著提高設(shè)計效率。目前日本和韓國先進(jìn)船舶企業(yè)已經(jīng)自主開發(fā)了相關(guān)三維設(shè)計軟件，或在成熟軟件平臺的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，開展了船舶全三維數(shù)字化設(shè)計的相關(guān)探索。

日本聯(lián)合造船已經(jīng)開發(fā)了多款計算機輔助設(shè)計軟件，基本實現(xiàn)了三維計算機輔助設(shè)計，構(gòu)建了計算機集成制造環(huán)境，船舶從基本設(shè)計到生產(chǎn)準(zhǔn)備階段都是基于統(tǒng)一的三維模型。此外，為了便于現(xiàn)場作業(yè)人員更好地理解設(shè)計圖紙，日本聯(lián)合造船還開發(fā)了三維作業(yè)指導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可在電腦或移動終端上以三維圖像的形式顯示作業(yè)順序，并對船體結(jié)構(gòu)、舾裝件的尺寸、工藝信息等進(jìn)行標(biāo)注，不僅提高了現(xiàn)場作業(yè)效率，而且還實現(xiàn)了現(xiàn)場作業(yè)的無紙化。

2017年2月，現(xiàn)代重工宣布將在船舶設(shè)計中使用芬蘭NAPA公司開發(fā)的基于3D模型的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件NAPA Steel。該軟件能提供交互式三維結(jié)構(gòu)建模界面，一旦建立了整艘船的單個模型，該模型就能用于整個設(shè)計過程，包括船級社入級規(guī)則審核、建立圖紙批復(fù)計劃、有限元模型生成、重量計算等?，F(xiàn)代重工預(yù)計使用NAPA Steel后可節(jié)約近30%的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計時間，而且隨著雙方的進(jìn)一步合作和定制化開發(fā)，船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計時間還將進(jìn)一步減少。

2018年2月，大宇造船海洋也宣布將在船舶設(shè)計中使用NAPA Steel軟件。由于該軟件具有數(shù)據(jù)輕量化的特點，能夠處理快速設(shè)計變化，同時能為每個設(shè)計階段提供詳細(xì)和準(zhǔn)確的結(jié)果，因此大宇造船海洋主要將該軟件用于初期設(shè)計階段（設(shè)計經(jīng)?？焖僮兓┖图?xì)節(jié)設(shè)計階段（可靠性和使用性是重要設(shè)計目標(biāo)）。

開發(fā)自動化造船工藝裝備

為了提高船舶建造效率和自動化水平，日韓船廠開發(fā)了大量自動化造船工藝裝備，建立了相關(guān)自動化生產(chǎn)線，生產(chǎn)制造具有較高的自動化、數(shù)字化和智能化水平。

一、日本聯(lián)合造船

日本聯(lián)合造船在部件焊接和分段焊接環(huán)節(jié)建成了自動化生產(chǎn)線，應(yīng)用了大量焊接機器人，其中部件自動化生產(chǎn)線由4個裝備2臺焊接機器人的橫梁組成，焊接機器人之間能夠?qū)崿F(xiàn)干涉檢驗，生成最優(yōu)的焊接數(shù)據(jù)；分段自動化生產(chǎn)線由16臺焊接機器人組成，實現(xiàn)了焊接間隙自適應(yīng)控制和彎曲接頭自動焊接，顯著提高了焊接效率。

此外，日本聯(lián)合造船還研制了自動彎板系統(tǒng)JMU-α，該系統(tǒng)通過使用機器人、傳感器、仿真等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼板位置檢測、加熱、冷卻、高度調(diào)節(jié)、激光測量、翻板等一系列加工工序的自動化。

二、大宇造船海洋

2014年，大宇造船海洋開發(fā)出一款布線機器人，可在水平、垂直以及曲面區(qū)域自動安裝電纜。該裝置有2個版本，分別適用于粗電纜和細(xì)電纜布線。布線機器人最高可對15kg/m重的電纜進(jìn)行布線，整個裝置通過壓縮空氣進(jìn)行移動，可在水平、垂直和曲面區(qū)域工作。

在破冰型LNG船的建造過程中，大宇造船海洋使用一個16公斤重的機械臂焊接鋼部件。該機械臂可在密閉空間里完成鋼結(jié)構(gòu)焊接，可將每艘破冰型LNG船的建造成本節(jié)約近45億韓元。在此基礎(chǔ)上，大宇造船海洋正在開發(fā)一個重量僅14.5公斤的更小的焊接機器人。

三、現(xiàn)代重工

2013年現(xiàn)代重工研制了一款微型焊接機器人。該機器人設(shè)計緊湊，焊接臂收縮量分別為50cm×50cm×15cm，可在狹窄及人無法操作的地方進(jìn)行作業(yè)，機器人的六個關(guān)節(jié)能在常速下完成幾乎所有類型的焊接工作。整臺機器僅重15公斤，操作員可同時操控3臺機器來提高3倍生產(chǎn)效率。此外，該機器人配備有磁鐵，可在鋼墻或天花板上進(jìn)行作業(yè)。除了焊接以外，微型機器人可以根據(jù)實際需求通過安裝不同的軟件來執(zhí)行切割和噴涂等工作。

2018年，現(xiàn)代重工宣布成功開發(fā)出雙曲面彎板加工機器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)和自動化技術(shù)，可自動生成加熱軌跡，配備高頻電流感應(yīng)加熱系統(tǒng)和六軸多關(guān)節(jié)機器人，能夠自動形成一艘船舶的3D曲面，成功解決了彎板加工流程標(biāo)準(zhǔn)化的難題?，F(xiàn)代重工稱，與人工水火彎板相比，機器人系統(tǒng)可提高生產(chǎn)效率三倍，同時還能改善加工質(zhì)量，每年可節(jié)約成本近100億韓元（約合923萬美元）?，F(xiàn)代重工蔚山船廠已完成了為期一年的機器人系統(tǒng)測試，未來現(xiàn)代重工還計劃增加人工智能等技術(shù)，進(jìn)一步完善該系統(tǒng)。

四、三星重工

在韓國三大船廠中，三星重工不僅僅局限于在若干工藝環(huán)節(jié)開發(fā)自動化工具，而是針對大部分造船工藝流程開發(fā)了相關(guān)自動化工藝裝備，通過全流程的自動化提升造船效率。三星重工提出了“自動化船廠”的概念，根據(jù)三星重工的測算，其造船自動化率已經(jīng)達(dá)到了68%。目前三星重工投入使用的部分自動化工藝裝備包括：

1、蜘蛛型LNG船貨艙自動焊接機器人。該機器人在焊接過程中不需人工參與，每天可完成80米的焊接作業(yè)，焊接效率提高了400%，并且可以大幅減少焊接差錯，整個焊接長度的累積誤差不超過10mm。

2、管道內(nèi)檢測清掃機器人。該機器人使用兩臺可360°旋轉(zhuǎn)的照相機拍攝管道內(nèi)部畫面，通過刷子和吸塵器清理管道內(nèi)壁，不僅每年能為船廠節(jié)約數(shù)百萬美元的成本，而且大幅改善了工人作業(yè)環(huán)境。

3、水下船體清掃機器人。該機器人使用清潔刷清掃船體污物，污物通過過濾器進(jìn)行回收以避免水體污染，機器人配備的傳感器可使其自動越過障礙物。使用該機器人后船舶建造可省去長時間碼頭舾裝之后的塢內(nèi)清洗作業(yè)工序，對于單艘船舶可節(jié)省一個星期左右的塢內(nèi)作業(yè)時間。

4、船體外壁吸附式真空噴砂機器人。該機器人采用真空吸附裝置吸附于船體外壁進(jìn)行噴砂作業(yè)，噴砂效率相比人工作業(yè)可提高7倍，而且還改善了噴砂質(zhì)量，消除了人工作業(yè)的安全隱患。

創(chuàng)新船舶檢驗技術(shù)和手段

無人機作為一種新的船舶檢驗手段，與傳統(tǒng)的人工檢驗相比具有機動靈活、檢驗效率高、安全性高等優(yōu)點，目前已經(jīng)成為船舶檢驗方式的重要發(fā)展方向。日本和韓國已經(jīng)圍繞無人機在船舶檢驗中的可行性、應(yīng)用范圍、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等開展了大量研究，無人機在船舶檢驗中得到了初步應(yīng)用。

2015年日本常石造船開展了一系列無人機在船廠生產(chǎn)建造和管理中的應(yīng)用試驗，旨在提高船廠生產(chǎn)設(shè)施運營效率，及時響應(yīng)突發(fā)情況。在40余次的試驗中，常石造船利用無人機拍攝了船廠起重機、廠房等生產(chǎn)設(shè)施，以及船體分段和船舶建造進(jìn)展，通過影像和照片分析，實時確認(rèn)工廠生產(chǎn)設(shè)施運行情況和生產(chǎn)進(jìn)度；此外，常石造船還試驗了發(fā)生災(zāi)害時，無人機迅速飛往指定場所收集災(zāi)害信息。基于日本國內(nèi)在無人機檢驗方面的研究成果，2018年日本船級社發(fā)布了《無人機在船舶檢驗中的應(yīng)用指南》，該指南對船舶檢驗中無人機的應(yīng)用范圍、使用步驟、技術(shù)要求、供應(yīng)商要求等進(jìn)行了規(guī)定。

韓國在無人機檢驗方面也開展了相關(guān)研究。2017年韓國船級社開展了無人機在高風(fēng)險區(qū)域和檢驗人員難以進(jìn)入的區(qū)域內(nèi)的試驗，并與傳統(tǒng)的人工檢驗方式進(jìn)行了對比研究。對于一個貨艙，如果采用人工檢驗方式，需要花費3天時間搭建、2天時間拆除腳手架，總費用在3.6萬美元左右；采用無人機后，不需要搭建和拆除腳手架，檢驗費用可以大幅降低。

積極開展前沿技術(shù)研究與應(yīng)用

在虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、外骨骼動力裝置等前沿技術(shù)領(lǐng)域，日本和韓國也開展了相關(guān)前瞻性研究，研制了相關(guān)產(chǎn)品，并在生產(chǎn)建造中得到了應(yīng)用。

一、虛擬現(xiàn)實與增強現(xiàn)實技術(shù)

常石造船開發(fā)了船舶涂裝虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，工人佩戴3D眼鏡和噴槍后，對屏幕投影的船體虛擬現(xiàn)實畫面進(jìn)行涂裝作業(yè)，系統(tǒng)通過分析這一作業(yè)來判斷涂裝是否均勻，并將結(jié)果和優(yōu)化方案反饋給工人。通過使用該系統(tǒng)可以減少涂裝作業(yè)返工和涂料浪費，降低涂裝成本。

富士通已經(jīng)將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于船舶管線安裝和檢驗。工人通過使用智能手機或平板電腦的攝像頭來查看管線，可以檢索相關(guān)管線的安裝位置和程序，以及其他報告數(shù)據(jù)。應(yīng)用該技術(shù)后，每根管線的確認(rèn)時間可從10分鐘縮減至1分鐘左右，顯著提高了作業(yè)效率。

2017年現(xiàn)代重工在蔚山總部成立了船廠安全培訓(xùn)中心，該中心由安全體驗中心與集中控制中心組成。安全體驗中心通過基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的安全體驗系統(tǒng)讓船廠員工身臨其境地體驗事故發(fā)生情形，并學(xué)習(xí)事故的預(yù)防及應(yīng)對措施，以提高船廠員工的安全意識；集中控制中心通過安裝于廠區(qū)內(nèi)的250個閉路電視設(shè)備及一個165英寸監(jiān)視器實時監(jiān)控、識別廠區(qū)內(nèi)的安全風(fēng)險，并利用智能圖像分析系統(tǒng)對安全風(fēng)險進(jìn)行預(yù)判與報警，提前對危險做出響應(yīng)，減少事故的發(fā)生。

二、外骨骼動力裝置

2015年，大宇造船海洋研制了兩種不同驅(qū)動方式的可穿戴式外骨骼動力裝置，兩種驅(qū)動方式分別為電動馬達(dá)驅(qū)動和電動液壓驅(qū)動。工人穿上這一裝置后能搬運重達(dá)30kg的物體，裝置續(xù)航時間可達(dá)3小時，最大行走速度為4km/h。該裝置不僅能在平地搬運行走，還能完成跨越障礙物、上下樓梯、半蹲行走等復(fù)雜動作。

日本船舶技術(shù)研究協(xié)會也開發(fā)了2類外骨骼動力裝置，主要用于減輕船廠工人仰視作業(yè)的難度和壓力。其中一種為緊湊型，該裝置無需電力供應(yīng)，用于支撐作業(yè)人員的上臂，具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、使用方便等特點；另一種為功能型，該裝置采用電磁制動器支撐上臂，能夠?qū)Χ喾N手臂活動進(jìn)行響應(yīng)。