淺談數字化技術在造船行業的應用與研究

蘭放 蔣福宗

摘 要：數字化造船是以造船過程的知識融合為基礎，以數字化建模仿真與優化為特征，將信息技術全面應用于船舶的產品開發、設計、制造、管理、經營和決策的全過程，最終達到快速設計、快速建造、快速檢測、快速響應和快速重組的目的。數字化造船技術涵蓋的范圍非常廣泛。本文就目前較為流行的部分數字化技術進行簡要分析。

關鍵詞：船舶制造；數字化設計；信息一體化

一、引言

隨著計算機技術、信息技術和網絡技術的發展，造船企業的信息化和船舶制造技術的數字化已成為全球造船業提高核心競爭力的關鍵因素和有效手段。由此也衍生出了“數字化造船”的概念――以造船過程的知識融合為基礎，以數字化建模仿真與優化為特征，將信息技術、先進的數字化制造技術、先進的造船技術和現代造船模式綜合應用于船舶產品的設計、制造、測試與試驗、管理和維護中。本文就數字化技術在造船業的應用進行分析探討，并對展望未來的發展趨勢。

二、行業背景

在經濟全球化的今天，國際造船業已發展成為全球一體化市場，世界各國造船企業在全球范圍內展開了技術、性能、質量和服務等全方位的角逐。隨著全球船舶市場占有率的競爭日趨激烈，世界造船業在技術、體制上發生了重大改革，其中造船技術的發展尤為突出，從最初的焊接技術到大型生產流水線等新技術的成功應用，到現階段信息集成系統、并行工程、敏捷造船、先進制造模式等先進技術或理念在船舶制造業中廣泛應用，使船舶行業凸顯成為信息密集、技術密集和資金密集的現代新型產業。

自二十世紀七十年代開始，我國造船業開始快速發展，至今已經歷了特征鮮明的三個階段。從最初的打開國門走向世界，到規模不斷壯大超越日韓，我國造船業在幾經沉浮后實現了蛻變，造船技術的發展也實現了飛躍。尤其是數字化造船技術的發展，完成了船舶設計、制造、管理手段的革新。

中國船舶工業發展歷程

三、技術分析及應用

數字化造船要求以數據處理、虛擬現實、數據庫、網絡通訊等數字化技術為基礎，將數字化技術全面應用于船舶的開發、設計、制造、管理的全過程中。數字化技術所包含的內容非常廣泛，如何將船舶設計、生產、管理的相關理論和方法與特定數字化技術相融合將是數字化技術應用的關鍵所在。下面列舉部分船舶行業中應用的重點/難點技術，并結合NACKS的現狀進行了簡要的分析。

（一）虛擬仿真技術

船舶建造虛擬仿真技術作為一種新型技術，旨在利用數字模型替代物理原型，對船舶的設計、制造及生產系統等進行仿真，以提高設計水平、建造質量，縮短產品研制周期。船舶建造虛擬仿真技術是基于計算機和信息技術的一種新的先進造船技術，是船舶數字化建造的具體體現，對船舶產業的科技發展具有重要意義。

造船發達國家紛紛利用信息技術給造船業帶來的各種機遇，積極開展船舶虛擬設計和建造仿真技術的研究。韓國和日本的造船業，虛擬設計與制造仿真技術研究開展得比較早，并取得較好的研究成果。對于首制高附加值船舶和船舶的設計和建造，在實際建造之前都要利用虛擬仿真技術對設計結果、建造工藝和建造流程進行預先仿真，能夠及時發現并糾正設計中存在的問題。由于虛擬現實技術可將仍處于概念階段的設計方案以逼近于現實的形式呈現出來，從而可以及早發現并糾正設計問題。

虛擬仿真在船舶行業的應用范疇，主要包含四部分內容：船舶虛擬設計評估與優化技術、船舶建造工藝仿真與優化技術、船廠物流仿真與能力評估技術與作業、運行保障仿真技術。國內船舶行業在前三個方向都開展了一些工作，基本突破了常用異構系統數據轉換、船舶產品虛擬評估技術、船舶工藝自動建造技術、船舶焊接工藝智能設計與統計技術等關鍵技術，并開展多型船舶的建造工藝仿真，船廠建造資源能力評估等工作。然后，在建造工藝深化應用、船廠物流仿真、運行保障領域的應用較少，深度也較淺，將是未來發展重點。

（二）物聯網技術

物聯網技術即通過射頻識別（RFID）、紅外感應器、全球定位系統、激光掃描器、氣體感應器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。物聯網技術是在近十年開速發展的一項網絡技術，在不知不覺間已經充斥在我們身邊每一個角落，比如打卡考勤系統和條形碼掃描系統。

船舶行業屬于勞動力密集型、多品種、小批量、按訂單生產的離線制造行業，因其行業信息化量大、管理復雜，物聯網技術的快速發展給船舶行業注入了新鮮的血液。通過物聯網技術的應用，可在生產建造、物流、設備管理、能源控制、安全管理、質量管理等多領域實現信息的實時采集、統計分析，實現過程控制、狀態跟蹤、統計分析、平衡優化的目的。

物聯網技術在最近幾年發展迅速，但其在船舶行業的普及還存在一定難度，首先最重要的一點就是成本問題。電子標簽、讀寫設備價格較高，在沒有大規模應用的情況下，收益預期與投入難以平衡。其次，物聯網的應用還存在一定的技術難點：技術標準還存在較多不統一的部分；數據采集頻繁，信息安全需重點考慮；物聯網的協議棧需要統一；IPV4資源存在耗盡風險。另外，造船現場的條件較差，這對物聯網的應用提出了挑戰，潮濕、高溫、電磁屏蔽等也是阻礙物聯網普及的障礙物。

（三）企業信息集成技術

在船舶企業中，由于作業內容的不同，往往有多個異構的、運行在不同的軟硬件平臺上的信息系統同時運行，這些系統的數據源彼此獨立、相互封閉，使得數據難以在系統之間交流、共享和融合，從而形成了"信息孤島"。隨著數字化應用的不斷深入，企業內部、企業與外部信息交互的需求日益強烈，急切需要對已有的信息進行整合，聯通“信息孤島”，共享信息。

企業信息集成是指企業在不同應用系統之間實現數據共享，即實現數據在不同格式和存儲方式之間的轉化，來源不同、形態不一、內容不等的信息資源進行系統分析、辨清正誤、消除冗余、合并同類，進而產生具有統一數據形式的有價值信息的過程。

對船舶企業而言，企業的信息集成可實現各部門、各應用系統之間的協調運作，實現業務流程的定制、改造和優化，為企業的各種應用和系統提供一個統一的運行協作平臺，實現流程協作和信息共享。信息的共享又會間接的降低企業的運營成本。

（四）CAD/CAE一體化技術

船舶設計是一個涉及多個專業、多個系統、規模龐大的協同工作過程。其周期較長、過程較復雜，且在船舶設計過程中，不同專業使用不同的計算機輔助設計（CAD）及計算機輔助分析（CAE）軟件，從而造成缺乏一體化、集成化的設計系統，信息交流不通暢，存在“信息孤島”問題。CAD/CAE技術的相互融合、相互滲透已成為了一種自發的有效需求，在CAD/CAE一體化技術的幫助下，船舶研發、設計將實現從經驗設計到計算機輔助設計的轉變，可大大縮短產品周期，提高產品質量。

通過對比可以看出，CAD注重產品的外形特征，以提供圖形圖像、數字化模型為主，而CAE更注重的是產品物理特征問題。在實際作業中，將研發和設計相互割裂開來會產生重復性投入，同時會降低作業流程的效率。

FEM與TRIBON建立的船體模型對比

四、結束語

展望數字化造船業的未來，船舶企業應該緊緊抓住發展的歷史機遇，利用現代集成制造的理念、方法、技術體系，實現船舶產品開發、設計、測試與試驗、制造和管理數字化，打通船舶數字化設計、制造、管理的一體化主線，實現以信息流為依據、物流控制為主軸、資金流控制為龍頭的數字化的高效的運行系統。隨著信息技術的發展，數字化在船舶行業的應用越來越廣泛，要想保持企業的活力，“協同創新”是必不可少的。