邸立強，楊劍征，趙 川

(1．中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京100012;2．中國艦船研究院，北京100192)

0 引言

“數(shù)字化造船”可以解釋為:信息技術(shù)在造船全壽期活動中的有效應用，使得造船的決策、經(jīng)營、采購、設(shè)計、排產(chǎn)、制造、物資配送、生產(chǎn)過程監(jiān)控、資源分配、成本估算、供應鏈、保障等各個環(huán)節(jié)協(xié)調(diào)一致，實現(xiàn)“以中間產(chǎn)品為導向，按區(qū)域組織生產(chǎn)，殼、舾、涂作業(yè)在空間上分道，時間上有序，設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化，均衡、連續(xù)地總裝造船”的現(xiàn)代造船模式。從幾十年來世界造船工業(yè)的發(fā)展來看，數(shù)字化造船是造船行業(yè)發(fā)展的大趨勢。綜合對日、韓、美等世界造船強國數(shù)字化造船技術(shù)的跟蹤研究，可以發(fā)現(xiàn)國外數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展的顯著趨勢。

1 統(tǒng)一數(shù)據(jù)交換標準

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，艦船產(chǎn)品的各個環(huán)節(jié)已廣泛應用計算機輔助系統(tǒng)，包括計算機輔助設(shè)計(CAD)、計算機輔助制造 (CAM)、計算機輔助工藝規(guī)劃 (CAPP)、計算機輔助工程 (CAE)、計算機輔助測試 (CAT)等。眾多計算機輔助系統(tǒng)在提高數(shù)字化造船能力的同時，也引發(fā)了同種系統(tǒng)之間(如不同CAD之間)和不同系統(tǒng)之間 (CAD與CAM或CAE之間)的數(shù)據(jù)交換與信息集成問題，即信息“孤島”。雖然很多船廠在船廠小范圍內(nèi)和特定的時間階段內(nèi)消除了信息“孤島”，但由于采用的數(shù)據(jù)交換標準“個性化”色彩濃重，導致新的計算機應用軟件系統(tǒng)出現(xiàn)時，“孤島”又重新浮出水面。

為了從根本上解決信息“孤島”問題，ISO組織開展了“產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交互規(guī)范”(standard for the exchange of product model data，STEP)標準(ISO 10303系列標準)的制定工作。STEP不依賴于任何具體系統(tǒng)，支持產(chǎn)品從設(shè)計到分析、制造、質(zhì)量控制、測試、生產(chǎn)、使用、維護到廢棄整個生命周期的信息交換與信息共享。船舶產(chǎn)品領(lǐng)域STEP標準的制訂工作由ISO組織下屬的T23造船小組領(lǐng)導和協(xié)調(diào)。目前，國外造船行業(yè)紛紛開展了相關(guān)STEP標準的驗證工作。其中歐盟的STEP標準開發(fā)領(lǐng)導機構(gòu)是海事電子商務標準協(xié)會(EMSA)，開展了船舶設(shè)計過程中的計算流體力學和歐洲海事工業(yè)電子數(shù)據(jù)交換等多個項目的研究開發(fā);美國的STEP標準開發(fā)領(lǐng)導機構(gòu)是海軍/工業(yè)數(shù)字交換標準委員會 (NIDDESC)，目前正在進行船舶產(chǎn)品模型交換標準和零配件庫標準等多個項目的研究開發(fā);日本的STEP標準開發(fā)領(lǐng)導機構(gòu)是日本海事標準協(xié)會組織 (JMSA)，其設(shè)有專門的STEP船舶應用協(xié)議委員會。韓國的STEP開發(fā)工作起步較晚，在2000年才成立了韓國STEP中心。STEP船舶應用協(xié)議的開發(fā)工作由韓國的船舶與海洋工程研究所配合STEP中心共同進行，于2004年2月發(fā)布了基于STEP標準的船舶建造路線圖［1］，該路線圖中有韓國艦船全生命周期的STEP應用設(shè)想 (見圖1)。

圖1 韓國造船行業(yè)設(shè)想的艦船全壽期STEP應用體系Fig.1 Planning life cycle STEP application system of Korea shipbuilding

當前，STEP標準的驗證與應用已經(jīng)在造船行業(yè)內(nèi)形成廣泛共識。統(tǒng)一艦船產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標準，將是未來持續(xù)深化數(shù)字化造船發(fā)展的主題。

2 建設(shè)產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)

產(chǎn)品生命周期管理 (PLM)自20世紀末提出以來，便迅速成為制造業(yè)關(guān)注的焦點。PLM結(jié)合電子商務技術(shù)與協(xié)同技術(shù)，將產(chǎn)品的開發(fā)流程與供應鏈管理 (SCM)、客戶關(guān)系管理 (CRM)、企業(yè)資源計劃 (ERP)等系統(tǒng)進行集成，將孤島式流程管理轉(zhuǎn)變成集成化的一體化管理，實現(xiàn)從概念設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品生產(chǎn)、產(chǎn)品維護到管理信息的全面數(shù)字化;實現(xiàn)企業(yè)知識價值的提升與知識共享管理，產(chǎn)品開發(fā)和業(yè)務流程的優(yōu)化，從而全面提升企業(yè)生產(chǎn)效率，降低產(chǎn)品生命周期管理的成本，以提升企業(yè)的市場競爭力。

目前，國外主要船廠都開始了PLM系統(tǒng)的建設(shè)工作。例如，韓國三星船廠開展“數(shù)字化船廠”項目的研究，選擇了達索公司的子公司DELMIA公司為其提供PLM造船解決方案;美國紐波特紐斯船廠采購了達索公司的PLM系統(tǒng)來建造美海軍的新一代驅(qū)逐艦DD(X)艦。Northrop Grumman艦船系統(tǒng)公司選擇了Siemens PLM Software的Tecnomatix數(shù)字化制造解決方案，旨在使其水面艦船的制造規(guī)劃和裝配仿真全面實現(xiàn)數(shù)字化，增強產(chǎn)品設(shè)計、制造和生產(chǎn)部門間的協(xié)作，提高生產(chǎn)力和工作效率。

圖2 達索/IBM公司的PLM解決方案Fig.2 PLM solution of Dassault/IBM

PLM數(shù)字化制造解決方案涵蓋的范圍非常廣泛，從零件制造規(guī)劃、生產(chǎn)管理和反饋一直到產(chǎn)品設(shè)計，是制造業(yè)信息化的發(fā)展方向。PLM已經(jīng)成為船廠管理艦船生命周期相關(guān)的所有產(chǎn)品信息和制造過程信息的有力工具，使艦船數(shù)字化造船發(fā)展站在了嶄新的起點。

3 建立網(wǎng)絡(luò)化船舶制造模式

網(wǎng)絡(luò)化船舶制造模式［2］的核心思想是將一個國家或一個地區(qū)所有的造船廠、分包企業(yè)、配套供應企業(yè)、設(shè)計研究企業(yè)、艦船檢驗機構(gòu)和艦船使用部門的不同職能，集成一體，使這些企業(yè)單位和部門構(gòu)成造船同盟。這個同盟根據(jù)造船市場的需求，把船廠和其他企業(yè)的各種優(yōu)勢力量匯集和組織起來，開展艦船產(chǎn)品的投標、設(shè)計和制造。因為這個同盟只是各企業(yè)和部門的優(yōu)勢職能和力量的協(xié)作性質(zhì)的結(jié)合，但又能像一個統(tǒng)一的造船企業(yè)一樣開展經(jīng)營生產(chǎn)活動，所以又被形象地稱為“虛擬企業(yè)”。虛擬企業(yè)通過“虛擬企業(yè)服務系統(tǒng)”和“虛擬企業(yè)用戶系統(tǒng)”進行協(xié)同和過程管理。這2個系統(tǒng)為虛擬企業(yè)的各方提供了一個通用的計算機平臺和溝通的站點。虛擬企業(yè)的信息管理包括電子化的技術(shù)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品數(shù)據(jù)的交流和管理。造船虛擬企業(yè)的過程管理包括艦船設(shè)計、建造和修理工作中的相互溝通、日程計劃和作業(yè)流程等的管理。

圖3 形成造船虛擬企業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施圖Fig.3 Infrastructure of shipbuilding virtual enterprise

目前，國外都在積極從事網(wǎng)絡(luò)化船舶制造模式的研究開發(fā)工作。美國于1994年創(chuàng)立的工業(yè)信息基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)合作組織一直致力于工業(yè)虛擬企業(yè)的研究。2000年9月，全美六大造船公司率先聯(lián)合建成基于信息技術(shù)的造船虛擬企業(yè) (動態(tài)聯(lián)盟)。日本、韓國和歐洲的海事行業(yè)也在開展造船虛擬企業(yè)的籌劃與組織工作。

網(wǎng)絡(luò)化的虛擬造船企業(yè)是基于先進制造技術(shù)的更高層次的信息集成系統(tǒng)，艦船產(chǎn)品制造流程分布在網(wǎng)絡(luò)之中，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的性能和最合理的成本。建立網(wǎng)絡(luò)化的船舶制造模式，是數(shù)字化造船發(fā)展的最終目標。

4 應用智能化艦船建造設(shè)備

全自動造船是造船生產(chǎn)的最高階段，它以企業(yè)為對象，在系統(tǒng)科學的指導下將企業(yè)的全部生產(chǎn)經(jīng)營過程 (包括市場研究、經(jīng)營決策、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造、生產(chǎn)管理、銷售及服務等)采用軟硬件綜合成一個由智能計算機、自動化裝備和智能機器人所組成的集成系統(tǒng)［3］?，F(xiàn)代造船企業(yè)正逐步采用自動化裝備代替人工操作機械，采用信息化設(shè)備代替人腦勞動，從而向全自動造船邁進。

圖4 現(xiàn)階段造船企業(yè)自動化設(shè)備應用領(lǐng)域［4］Fig.4 Current manufacturing automation in shipbuilding

日本在20世紀70年代就提出“無人化船廠”概念，并積極推進智能化艦船建造設(shè)備在船廠的應用，先后開發(fā)了數(shù)控切割機器人、裝配焊接機器人、線加熱機器人等智能化制造裝備，并開始涂裝機器人的研制。三星旗下的巨濟造船廠68%的生產(chǎn)工序由機器人系統(tǒng)完成，船廠采用的智能化裝備包括檢驗與管路清潔機器人、可以在船體表面攀爬的智能除銹機器人，以及配備3D攝像頭、可自主決定需要焊接部位并施焊的智能焊接機器人。美國也正在開發(fā)造船用全機器人焊接系統(tǒng)、模塊組裝機器人等智能化艦船建造設(shè)備的研制。

當前，世界上先進造船企業(yè)已經(jīng)具備柔性自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)了造船生產(chǎn)過程某一流程或某一制造階段的自動化，但距離實現(xiàn)全自動造船還存在一定距離。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，艦船建造設(shè)備的自動化、智能化水平正不斷提高，為數(shù)字化造船的發(fā)展奠定了更加堅實的基礎(chǔ)。

5 借助虛擬現(xiàn)實工具

隨著船舶CAD軟件從二維向三維設(shè)計轉(zhuǎn)變乃至普及的時候，世界各主要船廠已基本上解決了用計算機實現(xiàn)“造什么樣的船”的問題。目前，它們更加關(guān)心的是在真實制造之前用計算機檢驗3D模型的設(shè)計缺陷以及解決“怎樣造”的問題。而從當前的技術(shù)水平和這些船廠所采取的措施來看，解決這些問題的最好辦法就是采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)。在工業(yè)中，虛擬現(xiàn)實工具能夠從根本上改變船舶的設(shè)計、制造和裝配。對于3D船舶模型的檢驗問題，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以很好地完成空間布置校驗、碰撞檢查、維修空間及可操作性檢查、人機工程檢查、設(shè)備的模擬安裝與拆卸、甚至整體重心的測定和航行測定等。對于“怎樣造”的問題，利用虛擬現(xiàn)實工具，可以模擬廠房布置、制造設(shè)備、生產(chǎn)線、人員等船廠資源，進而解決加工工藝、裝配工藝、物資配送、資源調(diào)度、計劃安排等問題。

美國海軍LPD－17項目應用了達索子公司DELMIA公司的虛擬現(xiàn)實軟件，對生產(chǎn)過程進行了仿真，使得船體開工建造之前已完成了80%的設(shè)計;而用傳統(tǒng)設(shè)計方法，船體開工建造之前只能完成20% ～30%的設(shè)計［5］。從而大大減少了工程修改量。在“福特”號航母的建造過程中，美國海軍資助研發(fā)的三維虛擬工具發(fā)揮了重要作用。項目成員通過佩戴三維眼鏡，可以在虛擬的航母中漫游，檢查每一個零部件能否安裝到指定的空間，并可利用模型輔助零部件的建造。利用該工具可預先組裝整艘航母，不管是鋼材、管路還是線纜，通過模擬方式都能夠避免發(fā)生干涉，實現(xiàn)準確安裝。法國在未來航空母艦的研制中，也采用虛擬現(xiàn)實工具GASPAR模擬虛擬航母環(huán)境中自主作業(yè)程序的執(zhí)行，并隨時評估設(shè)計改變對航母性能的影響。

圖5 LPD－17艦應用DELMIA軟件所實現(xiàn)的生產(chǎn)過程仿真圖Fig.5 Simulation of LPD－17 construction in DELIMIA software

虛擬現(xiàn)實工具在國外艦船設(shè)計建造領(lǐng)域得到了非常廣泛的應用。借助虛擬現(xiàn)實工具在設(shè)計與虛擬評估、虛擬裝配、生產(chǎn)物流虛擬仿真等領(lǐng)域的進展，成為提高數(shù)字化造船水平的有效途徑。

6 結(jié)語

國外艦船數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展，體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)在集成化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化、智能化等方向的發(fā)展。當前，我國正在大力推進數(shù)字化造船的發(fā)展，跟蹤掌握國外艦船數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展趨勢，可幫助我國認清與國際先進水平的差距，明確數(shù)字化造船的重點發(fā)展方向。通過促進數(shù)字化技術(shù)在造船行業(yè)的廣泛應用，達到縮短建造周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本，從而全面提升企業(yè)核心競爭能力的目的。

［1］ STEP-Manufacturing Road Map［R］．Kr．2004．

［2］ Richard Bolton．Enabling the Shipbuilding Virtual Enterprise．Shipbuilding Partners and Suppliers Consortium［R］．2004．

［3］ 鄭興富，云觀．船舶制造裝備發(fā)展趨勢［J］．船舶物資與市場，2001(3)．

［4］ MIN K S．Automation and control systems technology in korean shipbuilding industry:the state of the art and the future perspectives［C］//Proceedings of the 17th World Congress，2008．

［5］ Harvey Speight．LPD 17 Total Ownership Cost Program TOC/CAIV Workshop 99 －2［R］．LPD team，1999．