國外數字化造船技術發展趨勢研究

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

“數字化造船”可以解釋為:信息技術在造船全壽期活動中的有效應用，使得造船的決策、經營、采購、設計、排產、制造、物資配送、生產過程監控、資源分配、成本估算、供應鏈、保障等各個環節協調一致，實現“以中間產品為導向，按區域組織生產，殼、舾、涂作業在空間上分道，時間上有序，設計、生產、管理一體化，均衡、連續地總裝造船”的現代造船模式。從幾十年來世界造船工業的發展來看，數字化造船是造船行業發展的大趨勢。綜合對日、韓、美等世界造船強國數字化造船技術的跟蹤研究，可以發現國外數字化造船技術發展的顯著趨勢。

1 統一數據交換標準

隨著信息技術的發展，艦船產品的各個環節已廣泛應用計算機輔助系統，包括計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造 (CAM)、計算機輔助工藝規劃 (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在提高數字化造船能力的同時，也引發了同種系統之間(如不同CAD之間)和不同系統之間 (CAD與CAM或CAE之間)的數據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和特定的時間階段內消除了信息“孤島”，但由于采用的數據交換標準“個性化”色彩濃重，導致新的計算機應用軟件系統出現時，“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“產品模型數據交互規范”(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，支持產品從設計到分析、制造、質量控制、測試、生產、使用、維護到廢棄整個生命周期的信息交換與信息共享。船舶產品領域STEP標準的制訂工作由ISO組織下屬的T23造船小組領導和協調。目前，國外造船行業紛紛開展了相關STEP標準的驗證工作。其中歐盟的STEP標準開發領導機構是海事電子商務標準協會(EMSA)，開展了船舶設計過程中的計算流體力學和歐洲海事工業電子數據交換等多個項目的研究開發;美國的STEP標準開發領導機構是海軍/工業數字交換標準委員會 (NIDDESC)，目前正在進行船舶產品模型交換標準和零配件庫標準等多個項目的研究開發;日本的STEP標準開發領導機構是日本海事標準協會組織 (JMSA)，其設有專門的STEP船舶應用協議委員會。韓國的STEP開發工作起步較晚，在2000年才成立了韓國STEP中心。STEP船舶應用協議的開發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應用設想 (見圖1)。

圖1 韓國造船行業設想的艦船全壽期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在造船行業內形成廣泛共識。統一艦船產品數據交換標準，將是未來持續深化數字化造船發展的主題。

2 建設產品生命周期管理系統

產品生命周期管理 (PLM)自20世紀末提出以來，便迅速成為制造業關注的焦點。PLM結合電子商務技術與協同技術，將產品的開發流程與供應鏈管理 (SCM)、客戶關系管理 (CRM)、企業資源計劃 (ERP)等系統進行集成，將孤島式流程管理轉變成集成化的一體化管理，實現從概念設計、產品設計、產品生產、產品維護到管理信息的全面數字化;實現企業知識價值的提升與知識共享管理，產品開發和業務流程的優化，從而全面提升企業生產效率，降低產品生命周期管理的成本，以提升企業的市場競爭力。

目前，國外主要船廠都開始了PLM系統的建設工作。例如，韓國三星船廠開展“數字化船廠”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系統來建造美海軍的新一代驅逐艦DD(X)艦。Northrop Grumman艦船系統公司選擇了Siemens PLM Software的Tecnomatix數字化制造解決方案，旨在使其水面艦船的制造規劃和裝配仿真全面實現數字化，增強產品設計、制造和生產部門間的協作，提高生產力和工作效率。

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

PLM數字化制造解決方案涵蓋的范圍非常廣泛，從零件制造規劃、生產管理和反饋一直到產品設計，是制造業信息化的發展方向。PLM已經成為船廠管理艦船生命周期相關的所有產品信息和制造過程信息的有力工具，使艦船數字化造船發展站在了嶄新的起點。

3 建立網絡化船舶制造模式

網絡化船舶制造模式［2］的核心思想是將一個國家或一個地區所有的造船廠、分包企業、配套供應企業、設計研究企業、艦船檢驗機構和艦船使用部門的不同職能，集成一體，使這些企業單位和部門構成造船同盟。這個同盟根據造船市場的需求，把船廠和其他企業的各種優勢力量匯集和組織起來，開展艦船產品的投標、設計和制造。因為這個同盟只是各企業和部門的優勢職能和力量的協作性質的結合，但又能像一個統一的造船企業一樣開展經營生產活動，所以又被形象地稱為“虛擬企業”。虛擬企業通過“虛擬企業服務系統”和“虛擬企業用戶系統”進行協同和過程管理。這2個系統為虛擬企業的各方提供了一個通用的計算機平臺和溝通的站點。虛擬企業的信息管理包括電子化的技術數據和產品數據的交流和管理。造船虛擬企業的過程管理包括艦船設計、建造和修理工作中的相互溝通、日程計劃和作業流程等的管理。

圖3 形成造船虛擬企業的基礎設施圖Fig.3 Infrastructure of shipbuilding virtual enterprise

目前，國外都在積極從事網絡化船舶制造模式的研究開發工作。美國于1994年創立的工業信息基礎結構合作組織一直致力于工業虛擬企業的研究。2000年9月，全美六大造船公司率先聯合建成基于信息技術的造船虛擬企業 (動態聯盟)。日本、韓國和歐洲的海事行業也在開展造船虛擬企業的籌劃與組織工作。

網絡化的虛擬造船企業是基于先進制造技術的更高層次的信息集成系統，艦船產品制造流程分布在網絡之中，能夠實現最優的性能和最合理的成本。建立網絡化的船舶制造模式，是數字化造船發展的最終目標。

4 應用智能化艦船建造設備

全自動造船是造船生產的最高階段，它以企業為對象，在系統科學的指導下將企業的全部生產經營過程 (包括市場研究、經營決策、產品設計、加工制造、生產管理、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［3］?，F代造船企業正逐步采用自動化裝備代替人工操作機械，采用信息化設備代替人腦勞動，從而向全自動造船邁進。

圖4 現階段造船企業自動化設備應用領域［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備在船廠的應用，先后開發了數控切割機器人、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%的生產工序由機器人系統完成，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。美國也正在開發造船用全機器人焊接系統、模塊組裝機器人等智能化艦船建造設備的研制。

當前，世界上先進造船企業已經具備柔性自動化生產線，實現了造船生產過程某一流程或某一制造階段的自動化，但距離實現全自動造船還存在一定距離。隨著信息技術的發展，艦船建造設備的自動化、智能化水平正不斷提高，為數字化造船的發展奠定了更加堅實的基礎。

5 借助虛擬現實工具

隨著船舶CAD軟件從二維向三維設計轉變乃至普及的時候，世界各主要船廠已基本上解決了用計算機實現“造什么樣的船”的問題。目前，它們更加關心的是在真實制造之前用計算機檢驗3D模型的設計缺陷以及解決“怎樣造”的問題。而從當前的技術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實技術。在工業中，虛擬現實工具能夠從根本上改變船舶的設計、制造和裝配。對于3D船舶模型的檢驗問題，利用虛擬現實技術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，利用虛擬現實工具，可以模擬廠房布置、制造設備、生產線、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公司的虛擬現實軟件，對生產過程進行了仿真，使得船體開工建造之前已完成了80%的設計;而用傳統設計方法，船體開工建造之前只能完成20% ～30%的設計［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，美國海軍資助研發的三維虛擬工具發揮了重要作用。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生干涉，實現準確安裝。法國在未來航空母艦的研制中，也采用虛擬現實工具GASPAR模擬虛擬航母環境中自主作業程序的執行，并隨時評估設計改變對航母性能的影響。

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

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

6 結語

國外艦船數字化造船技術的發展，體現了數字化技術在集成化、網絡化、虛擬化、智能化等方向的發展。當前，我國正在大力推進數字化造船的發展，跟蹤掌握國外艦船數字化造船技術發展趨勢，可幫助我國認清與國際先進水平的差距，明確數字化造船的重點發展方向。通過促進數字化技術在造船行業的廣泛應用，達到縮短建造周期、提高產品質量、降低生產成本，從而全面提升企業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．