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)已形成了較強國際競爭力的基礎優(yōu)勢；數(shù)字化造船技術將是大幅提升技術水平和競爭優(yōu)勢、促進我國船舶工業(yè)又好又快發(fā)展，實現(xiàn)第一造船大國目標的戰(zhàn)略突破口。因此，對于船舶工業(yè)界而言，熟悉造船技術的內涵、特征、體系構成以及國內外數(shù)字化造船發(fā)展趨勢，將對自身在這方面的進一步提升至關重要。

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“計算機中制造”的能力，使用船舶產品模型、造船過程模型和制造設備模型，生產出數(shù)字化的船舶。在船舶設計階段，實時地、并行地模擬出船舶未來建造的全過程及其對船舶產品設計的影響，預測船舶性能、造船成本、可制造性，從而更快捷地組織造船生產，使船廠和車間的資源得到更合理的配置，以達到船舶產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——建立基于船舶產品數(shù)據(jù)管理的并行開發(fā)環(huán)境和科研生產協(xié)同環(huán)境，設計與建造、設備研制與總體研制、系統(tǒng)設計與總體設計之間的并行與協(xié)同，實現(xiàn)與船東、船級社、船廠、配套設備供貨方、船模水池和CAE軟件庫等外部機構的協(xié)同。

決策體系智能化——針對發(fā)展戰(zhàn)略、投資規(guī)劃、重大產品決策等，形成智能決策支持系統(tǒng)，增強決策的科學性、準確性和及時性。

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

信息體系網(wǎng)絡化——利用計算機網(wǎng)絡，集成和流通科研、設計、生產及其過程控制信息和經(jīng)營、管理、服務等信息。

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

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

數(shù)字化造船的體系構成

數(shù)字化造船體系由五個方面組成：船舶設計數(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。在計算機技術和信息技術的支持下，五部分內容緊密銜接，形成數(shù)字化造船的整體框架。數(shù)字化造船的內涵隨著科技和管理水平的不斷提高而逐步演變。

船舶設計數(shù)字化，是從推行CAD/CAE/CAPP/PDM，到數(shù)字化樣船技術、虛擬仿真設計和制造技術、異地協(xié)同設計技術等智能化設計技術，通過船舶產品全數(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、精確管理基礎信息，為數(shù)字化造船提供信息源和信息基礎，從而可以大大提高產品質量、縮短產品研制周期、降低開發(fā)成本、實現(xiàn)最佳設計目標和企業(yè)間的協(xié)作，使企業(yè)能在最短的時間內，組織大范圍內的資源開發(fā)出新產品。

船舶建造數(shù)字化，是在建立數(shù)字化船舶產品模型基礎上，按中間產品組織專業(yè)化生產原則，應用模塊化建造技術、協(xié)同制造技術、虛擬建造和裝配技術，實現(xiàn)船舶殼、舾、涂一體化制造，達到船舶產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、空、地、部門、個人”的障礙，突破造船企業(yè)難于實現(xiàn)有效管理控制的難點，使管理控制實現(xiàn)透明、及時、精確和標準規(guī)范化，從而使企業(yè)生產資源實現(xiàn)優(yōu)化配置和物流的有效計劃、組織、控制和調整，實現(xiàn)船舶產品全生命周期各環(huán)節(jié)、各過程的成本和質量管理與控制，提高企業(yè)的管理水平。

系統(tǒng)集成數(shù)字化，即利用計算機和網(wǎng)絡技術，數(shù)據(jù)庫技術和信息交換和集成技術，建立統(tǒng)一的基礎集成平臺，實現(xiàn)系統(tǒng)的應用集成和資源的一體化管理，為產品開發(fā)、設計、建造和管理中各種活動間各類信息的集成化應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)字化設計、制造、試驗和管理提供的基礎支撐平臺，也可以包括為實現(xiàn)相應信息技術（如軟件開發(fā)）的一些必備環(huán)境，包括分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)、基礎數(shù)據(jù)庫和服務系統(tǒng)、信息安全與控制系統(tǒng)、企業(yè)信息集成及數(shù)據(jù)交換等基礎的信息系統(tǒng)技術，形成計算機網(wǎng)絡上的并行協(xié)同工作平臺。

數(shù)字化造船技術發(fā)展水平和趨勢

當前世界造船已進入“數(shù)字化”造船階段，國外數(shù)字化造船技術的發(fā)展以日本和韓國為代表，引領了技術發(fā)展水平與發(fā)展趨勢。船舶數(shù)字化建造從技術上可分為五個階段。

第一階段以2D繪圖、單機工作、功能設計為主要技術特征。在計算機中的存儲對象以文件系統(tǒng)為主。制造信息的識別、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、單機工作、功能設計為主要技術手段，計算機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、點對點的信息集成、功能設計為主要技術手段。計算機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。雖然實現(xiàn)了點對點的信息集成，但系統(tǒng)彼此孤立，特別是管理信息由管理信息系統(tǒng)產生，“信息孤島”問題越來越突出。

第四階段以智能產品模型(DMU)、工程數(shù)據(jù)管理、高級可視化、產品數(shù)據(jù)管理（PDM）/企業(yè)資源計劃（ERP）集成為主要技術手段。在產品數(shù)據(jù)庫管理的基礎上，利用工程可視化的技術手段，建立設計過程的管理和控制平臺，形成數(shù)字產品的柔性生產線，智能的產品模型為生產過程提供完備的信息，實現(xiàn)PDM/ERP一體化的系統(tǒng)重構。

第五個階段以信息系統(tǒng)、共享數(shù)據(jù)環(huán)境、協(xié)同生產環(huán)境、電子商務-供應鏈集成、配置管理為主要技術特征。以計算機網(wǎng)絡建成社會化的信息共享支撐平臺，利用造船企業(yè)資源的戰(zhàn)略優(yōu)勢，通過動態(tài)配置技術形成虛擬企業(yè)的動態(tài)聯(lián)盟，實現(xiàn)企業(yè)社會化資源的最佳配置；通過智能化信息驅動的自動化過程，為全球個性化的客戶快速提供高質量的產品。

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

在日本，數(shù)字化技術在造船中的真正研究發(fā)展始于上世紀80年代，到90年代中期，日本一些大的造船企業(yè)已經(jīng)初步建立造船計算機集成制造系統(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)與達索公司和IBM產品生命周期管理部共同研發(fā)和實施造船業(yè)3DPLM項目，以便繼續(xù)保持其造船數(shù)字化的領先地位。到2004年初，日本大型船廠陸續(xù)實施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)與三維產品全生命周期管理(3DPLM)的開發(fā)研究。

在韓國，在上世紀90年代開發(fā)的造船“CIMS”系統(tǒng)相當于日本船廠80年代所開發(fā)的計算機集成信息管理系統(tǒng)（Computer Integrated Information Management，CI2M）系統(tǒng)。韓國在引進日本、美國和歐洲等國的先進造船信息技術后，研制實施自己的造船CIMS，取得了顯著成果。如1991年韓國大宇船廠開始實施CIMS后，其造船銷售量增長3倍，年造船縮短約500萬工時，船舶建造周期縮短約3.5個月，實現(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)的主導地位，正在廣泛應用互聯(lián)網(wǎng)技術并開始向機器人等高新技術發(fā)展。如2003年，三星重工安裝了互聯(lián)網(wǎng)支持的三維計算機輔助設計系統(tǒng)，該系統(tǒng)使船廠的生產力提高了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)新一代智能型機器人。

在歐洲，主要的造船企業(yè)如德國的不來梅·富坎集團、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、阿卡集團和俄羅斯波羅海船廠等，具有先進的造船管理理念，重視建造完美的船舶，具有很強的組織生產、管控物流的能力和經(jīng)驗。物流方面的信息化系統(tǒng)不只是一個信息處理平臺，還是一個能適應現(xiàn)代造船模式的綜合管理和調控平臺，同時信息化集成度高，與物流相關的信息流貫穿企業(yè)的各個部門。歐洲船廠在船舶生產組織管理、設計能力方面具有一定的先進性。在信息化方面，歐洲船廠具備了長期的信息化建設和應用經(jīng)驗，應用信息技術的意識很強。丹麥的歐登塞船廠近幾年在引進新的CIMS生產設備、CAD/CAM系統(tǒng)和機器人上的投資已經(jīng)超過了8300萬元。這種大規(guī)模投資的結果，使該廠成為歐洲造船業(yè)中生產效率最高的企業(yè)?？送郀柤{的瓦爾諾夫船廠裝備有最新的以UNIX為基礎的計算機綜合集成系統(tǒng)，可用于設計、生產和所有活動的管理。德國的HDW船廠和IBM公司及CENIT公司合作，引進了一系列硬件、軟件及服務功能，總投資3000萬歐元，使其成為澳洲第一家將集成數(shù)據(jù)技術應用于整個開發(fā)、建造和產品數(shù)據(jù)管理活動的船廠。

中國數(shù)字化造船發(fā)展

我國數(shù)字造船技術正進入快速發(fā)展時期，網(wǎng)絡化應用、三維設計、虛擬現(xiàn)實和產品設計管理等技術得到了廣泛的應用，數(shù)字造船技術不斷邁上新的臺階。

目前，總體廠和設計所都建立了千兆主干網(wǎng)，網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)基本能滿足目前應用需要，并初步建立了企業(yè)Intranet網(wǎng)站，有的單位實現(xiàn)了生產信息、標準手冊等網(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、物流等方面與制造、管理有關的應用系統(tǒng)，取得了較好的應用效果。

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計平臺，目前已實現(xiàn)從船舶方案論證到生產設計全面采用先進的三維技術，形成了全船船體結構、舾裝、電裝的三維設計能力，實現(xiàn)減少船舶設計人工28%、縮短設計周期18%，在船舶研制中發(fā)揮了巨大的作用。通過引進專業(yè)圖形工作站、三維動畫軟件和投影顯示系統(tǒng)，構建船舶虛擬現(xiàn)實技術平臺，實現(xiàn)了多型船全船各個艙室綜合布置的虛擬漫游，并開展了較為全面的設計合理性檢查以及設備、系統(tǒng)的可裝配性、可維護性、人機工程、船舶總裝物流仿真、虛擬平臺異構數(shù)據(jù)轉換等技術的研究，在增強船舶三維設計的可視性、對設計方案進行優(yōu)化和干涉檢查，提高艦船設計質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)的應用和開發(fā)工作，初步構建了船舶協(xié)同設計建造和項目管理平臺。在企業(yè)網(wǎng)建設領域，發(fā)展更是迅速。各骨干造船企業(yè)計算機網(wǎng)絡建設方面初具規(guī)模，計算機輔助設計制造與生產管理的軟硬件平臺初步建立，已為建立數(shù)字化船舶企業(yè)提供了扎實的硬件基礎。

在數(shù)字化浪潮下，我國船舶工業(yè)需要在熟悉數(shù)字化造船技術的體系構成和特征的基礎上，不斷研究和深化數(shù)字化造船技術新內涵，順應和引領行業(yè)發(fā)展新趨勢，推進我國數(shù)字化造船的進一步發(fā)展。