船舶虛擬仿真技術在船舶建造評估中的應用研究

摘要：文章就虛擬仿真技術在船舶行業的應用現狀進行了分析，并就船舶建造評估過程中虛擬仿真技術的發展趨勢進行了介紹，同時對船舶設計中使用仿真技術的難點和存在的問題進行了一番探討，最后指出虛擬仿真技術在船舶建造中的應用前景和關鍵技術，以期為我國船舶虛擬仿真技術的應用提供可供參考的意見和建議。

關鍵詞：船舶；虛擬仿真技術；建造評估；應用

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）08-0084-02

1 船舶虛擬仿真技術研究及應用現狀

在船舶工業里面對虛擬仿真技術加以應用，能使敏捷造船、并行工程以及數字化造船得以實現，同時它也是我國傳統造船模式轉向現代化的重要環節之一。對虛擬仿真技術加以運用，在建造船舶之前，工程師可在虛擬環境下對船舶的建造過程進行仿真，從而改進和評價船舶的工藝與設計，這樣便于指導船廠進行現場生產作業。在船舶行業里運用虛擬仿真技術，能使生產效率得到提升，降低生產成本，使建筑周期縮短，從而為我國船舶行業的發展奠定良好的基礎。

船舶的建造評估和設計可以使先前工藝或前期設計導致的工程修改得以消除，進而對船舶企業的成本、質量以及生產效率產生直接的影響。現如今，許多國家正在開展以虛擬仿真評估和數字化描述相結合的船舶虛擬制造、設計仿真技術的應用研究，并且在船舶建造中也應用了多種仿真評估軟件，而且其研制水平和效率還在近年來得到了大幅提升，包括我國在內的許多國家都正在尋求提升研制質量、節省研制費用、縮短研制時間的新方式。

挪威UD公司作為船舶設計的佼佼者，現如今，他們在對新船型進行設計時，全都會對三維模型加以利用，然后在虛擬環境下綜合評價鉆井船的設備布局、布置、外觀等，分析虛擬船舶水動力，對虛擬評估進行分段劃分，并仿真船舶的作業過程。

自20世紀90年代一來，我國開始對各種先進的仿真技術加以研究，并開展大規模系統仿真。但將虛擬仿真技術應用在海洋和船舶領域的起步還比較晚，現如今，其工作最主要集中在初步實施和理論研究的應用階段，此外，國內的船舶研究所也開發有虛擬仿真的軟件系統和硬件平臺。

2 將虛擬仿真技術應用在船舶的建造評估中

此項技術通過對虛擬實體模型加以利用，來實現評估船舶建造過程的目的，包含船舶生產工藝規劃、操作順序驗證、生產系統創建。它能支持船舶生產管理、機器人仿真、人機功效分析、作業時間測定、工藝規劃與驗證等的內容。

2.1 在建造前期的論證評估中運用

船舶建造的內容之一便是根據企業生產力布局要求以及實際能力，對船舶企業的經濟、技術和發展條件加以研究，對船舶企業的發展方向和規模進行預測和論證，將企業建設技術經濟指標擬定出來。在建造船舶的前期對生產規劃進行論證評估是一項綜合性非常強的工作，這個過程需要對企業多方面信息進行分析。此項技術可用于對當前企業環境、生產規模以及結構分布進行虛擬，并由設計人員在虛擬中模擬各種設想，經由分析信息數據庫對各種設想利弊進行分析，同時對其可行性加以論證，這就包括環境影響、船型選擇、生態保護、現狀分析等工作。此項技術為船舶的建造前期論證提供了論證方式和技術手段。

2.2 在建造方案的設計評估中運用

船舶建造方案通過設計人員將各種想法不斷形象法和概念法，同時用相應生產手段加以表達出來，這個過程需要對前后進行參照，在設計方案時，要求方案的初步設計和深入設計必須具有交互性。對虛擬仿真技術所具備的交互性和真實性特征加以利用，可用于對三維空間進行虛擬，從而使設計人員可以對他們的設計思想進行更精確的表達。例如，由中國船舶工業集團研究所開發出來的虛擬仿真評估系統。通過對不同總組方案的比較，將船舶的建造設計思維在虛擬環境里展現出來，讓設計人員可直觀的對其進行評析，通過對方案生產環境、結構布局的協調性進行觀測并比較，可對設計思維進行修改完善。對虛擬三維空間加以利用，進而為生產方案在場地位置設計、動態調整、生產布局選擇、結構調整等方面提供依據，從而使后續生產過程可以更為合理。

2.3 在生產方案的比較中運用

此技術所創建的環境為三維虛擬環境，它可對構建環境進行全方位展示，并且通過虛擬現狀，讓建造方案可以更加真實。此技術可以讓建造方案在表現上突破原有平面、靜態的模式，讓建造人員的思想可以更形象和直觀的呈現在操作者面前，使規劃方案與操作者之間能有更強的交互性，從而對多人員多層次協調參與船舶的建造有利。

可通過許多途徑來實現方案設計需要達到的目標，而這當中必不可少的一環便是方案比較。虛擬仿真技術為方案比較提供了一個更為有效和方便的應用工具。在進行方案比較時，可在船舶建造的虛擬系統中對生產方案加以直接使用，讓設計方案可以在虛擬三維空間里得到體現。對試用不同的方案，并考察其對生產環境所形成的影響，對各生產要素不同的設想進行評價比較，并進行不同方案的實時切換，然后在同一建造序列和生產項目中感受不同的生產效果，從而對設計合理性加以判斷。與此同時，還可運用技術手段量化分析比較方案中的具體指標，從而使船舶生產方案能更加合理。例如，運用SPD-V3.2設計軟件虛擬布置機艙管路的結構方案。在評估方案的基礎上，對機艙管路設計合理性以及工藝合理性進行驗證，進而將設計中存在的缺陷找出，從而使生產現場返工率得以降低。

2.4 在建造過程中運用

在建造船舶時，對虛擬仿真評估技術加以利用，可以實現對船舶建造方案實施效果進行先期檢驗，也就是看其能否達到環境、生產的最佳綜合效益，并在實施中不斷選擇和修改，最終幫助決策者來決定后續的生產方案。比如，可通過虛擬仿真技術將某虛擬方案和船舶生產實際相結合，進而將建造方案實施狀況予以真實展現，從而使由于方案欠缺而造成的效益損失狀況得以減少。此外，此技術還能對溫度、噪音等不可見現象進行模擬，從而達到檢測影響船舶生產各因素的目的。

3 船舶虛擬仿真的評估應用實現現存問題

①虛擬仿真技術標準化應用。作為船舶建造領域極為重要的技術，虛擬仿真技術一定要與建造技術規范、規定等相符。但由當前情況可知，因為船舶建造標準化問題尚未解決，為保障虛擬軟件商的軟件獨立性，使得軟件系統之間存在較差的兼容性，要想使仿真成果的協調和共享得以實現，就必須對仿真技術應用標準化問題加以研究。通過對同一設計平臺的開發，使協同平臺集成效率得到提升，從而在更大范圍上實現信息的共享和設計的協同。

②改進建造設計技術。在傳統船舶的設計中絕大部分平面結構圖的表達方式為二維表達，最近幾年開始引進三維技術，從而形成了三維與二維相結合的建造技術模式。但在我國，由于虛擬仿真技術欠缺完善化和標準化的仿真軟件作為載體，假如能將生產技術改為規范化的三維表達和設計模式，將會對此技術在生產設計中的進一步應用有利。

③生產設計習慣與傳統觀念問題。因為此項技術尚且處在推廣使用期，現如今設計人員對此技術的認識尚且不足，并且傳統觀念并未隨著技術進步而有所改進。絕大部分船舶企業在此項技術上尚且停留在演示層次，并未認識到此項技術的深層效用。此外，由于傳統設計習慣對新方法的使用形成了一定制約作用，要想在短時間內改變此種設計習慣還有一定難度。對此技術進行及時的開發利用，對此技術的三維平臺設計平臺加以搭建，將對培養設計人員普及性有利。

④虛擬仿真技術有待完善。因為此項技術自身存在一定局限性，使得此技術在船舶設計某些場合中的應用尚且存在一定難度。比如，對建造方案在構思期的表達模糊性問題以及修改實時性問題，建立標準化的指標評價體系統、建立預測分析模型等問題上依舊存在一定的技術障礙。

⑤船舶行業中虛擬仿真技術應用效果不顯著。此項技術的開發需要投入大量資金和尖端設備。盡管此項技術在研究船舶生產作業形式和建造方案上屬于高科技手段，但由于開發此項軟件產品的價格確實相當昂貴，并且其系統兼容性也比較差，現如今，國內對此系統的應用還多半依賴于進口提供，因為目前我國的科研院無法對相關設備進行全面配置，在各高校也無法運用多系統來實現學員的全面培訓，導致此項技術在船舶行業中并不能取得很好的應用效果，這也是實現此項技術在船舶設計中應用的一個難點。

要想使上述問題得到解決，極為重要的一點便是全面應用此項技術，在軟件開發公司的作用下，開發具有普及型的仿真技術軟件是非常必要的，同時需要科研院和相關院校合作，對此項技術進行大規模的培訓。

4 結 語

因為在國內的船舶生產評估過程中應用虛擬仿真評估技術尚屬起步階段，并且在國外也并無標準應用模式可供借鑒，再加上國內造船現狀有別于國外，此外，由于船舶虛擬仿真的評估技術是伴隨船舶制造工藝以及技術的發展而發展起來的，所以，它的研究工作、虛擬維修、新工藝等許多方面還有待完善和改進。現如今，集成化仿真已經成為船舶制造的發展方向，此項技術的應用也已經成為船舶制造模式最為關鍵性的技術，并且已經變成船舶制造能力得到提升的手段之一，此外，在船舶企業中應用此項技術，將會為企業進一步的發展提供技術支撐。

參考文獻：

[1] 謝榮.船舶虛擬仿真技術在船舶建造評估中的應用研究[J].船舶工程，2011，（5）.

[2] 蔣艷會，甄希金，韋乃琨，等.船舶虛擬裝配系統研究及應用[A].第十二屆全國內河船舶與航運學術會議論文集[C].北京：《中國學術期刊（光盤版）》電子雜志社，2012.

[3] 謝子明，徐東，朱蘇.虛擬造船技術應用探討[A].2011年中國造船工程學會優秀論文集[C].北京：《中國學術期刊（光盤版）》電子雜志社，2011.

[4] 楊潤黨，范秀敏，王文榮.虛擬仿真技術在船舶建造過程中的研究與應用[J].艦船科學技術，2008，（1）.

[5] 楊霞.虛擬仿真技術在船舶工業應用經驗交流會圓滿召開[J].現代制造，2008，（47）.

[6] 張涂.并行工程在船舶設計中的應用研究[D].鎮江：江蘇科技大學，2012.