我國船舶設計與建造技術的現狀與未來趨勢

何海華，張濟 ，張兆德

（1.浙江揚帆通用機械制造有限公司，浙江 舟山 316000；2.浙江省近海海洋工程技術重點實驗室，浙江 舟山 316022）

1 引言

近30 多年來，我國船舶工業發展迅速，實現了由傳統工業向現代工業、由自我封閉向國際化產業的歷史性跨躍。產業規模大幅提升，產業集群效應初現，并形成了以大型國有企業為骨干、長江口、珠江口和環渤海灣三大區域的多種經濟成分企業競相發展的新格局。中國已具備集裝箱船、油船和散貨船三大船型的設計能力和系列化建造，個別船型還達到了世界先進水平。

國內造船企業在基礎設施、制造裝備、裝備自動化等方面持續優化，建立了一批先進的硬件設施；大力推進船舶“數字化”建設，實施了PDM，ERP 和MES 系統，很多企業實現了船舶產品的數字化設計，制造過程的生產計劃、物流和質量等的信息化管控[1]。近年來，國內一些船舶企業開始引進國際先進的造船軟件，以三維設計建模技術為代表的數字化技術在我國新一代船舶設計和建造中得到了初步應用。在引進消化國外先進技術的基礎上，國內一些船舶企業開展了基于數字化造船相關的研究工作[2]。

在國際公約與規則及船舶市場大環境的影響下，近十幾年來我國船舶工業經歷了轉型升級過程，產業集群效應初現，綠色造船和數字化造船技術不斷深化，船舶設計與建造的技術水平不斷提升。同時我國的船舶工業還存在一些問題，如船舶企業規模偏小、設計與建造技術水平參差不齊，產業布局不合理，船舶配套業發展滯后，自主創新能力不強，專業技術人才不足等。隨著國家船舶工業規劃和相關政策的實施，我國船舶工業將逐步提高設計研發能力，增加核心競爭力，為從造船大國過渡到造船強國打下重要的基礎。

2 我國船舶設計與建造技術的發展現狀

2.1 綠色船舶的發展對船舶行業的影響不斷深入

綠色船舶的概念一般指在船舶設計建造和營運管理過程中，在滿足船舶功能的前提下，節省材料、節約能源并減少污染[3]。

1997 年，《國際防 止船舶 污染公 約MARPOL73/79》修訂案由國際海事組織通過，2011年又將船舶能效設計指數（EEDI）和船舶能效計劃（SEEMP）引入該公約，后來又引入船舶能效運營指數（EEOI）、碳排放強度指數（CII）和全年效率比（AER）等。近二十多年來，綠色船舶的概念對國內外的船舶行業產生了巨大的變化，甚至影響了船舶行業的發展格局。這種不斷發展的影響主要表現在以下幾個方面：一是在設計過程中，通過船型優化、縱傾優化、增加附體、采用氣泡減阻及上層建筑風阻優化等，以減小船舶阻力；同時通過船、機、槳優化提高船舶推進效率；對集裝箱船進行降速節能；以及通過采用新型船舶燃料，減少排放；甚至在船舶設計階段就要考慮船體結構的振動預報與噪聲控制。二是在建造過程中選擇合理的焊接方式和涂裝工藝，采用無污染材料和標準件，并盡量減少物料和能源消耗，減小廢棄物數量[4]。三是船舶要盡量減排溫室氣體并防止燃油泄漏。四是在船舶拆解時減少對環境的污染、提高材料重復利用率，以及降低能耗與資源浪費[5]。五是綠色修船理念下對傳統的三大船型進行節能環保型技術改造，如應用高精度混拼裝備、自動化除銹裝置、油污水處理系統等；加裝壓載水系統、脫硫裝置、球鼻艏和風帆技術裝備等。

2.2 數字化造船技術應用

在船舶建造過程中，運用計算機、網絡通信和數字仿真等技術進行數據融合，對船舶的設計、建造、管理、經營和決策等全過程進行數字化描述。數字化造船最先起源于20 世紀70 年代計算機技術在船舶數學放樣和數控切割中的應用兩個領域，后來逐漸向著計算輔助設計/制造/分析 (CAD/CAM/CAE) 領域拓展。近二十年來，國外逐步進行船舶虛擬設計制造、計算機集成管理系統和制造系統的研究，開發造船數據的連續搜集與全生命周期支持系統 CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support)。近年來的發展熱點主要有船舶設計數字化、船舶制造敏捷化、船舶管理精細化、船舶裝備自動化等[6]。

近二十年來，我國船舶行業在引進國外先進技術的同時，也在逐步將數字化造船技術應用到船舶設計與建造過程中。國內有的船舶企業開始陸續使用甚至開發一些計算機輔助設計軟件。大多數的船舶設計與建造企業也已經基本完成從傳統的船舶設計從平面向3D 設計的過渡和從傳統的分段造船模式向分道造船模式的過渡[7]。

2.3 高附加值船舶建造水平提高、智能船舶初現

我國不僅具備了建造LNG 船、LPG 船、30 萬噸級超大型油輪、大型集裝箱船、大型游輪以及半潛式海洋平臺的建造，并成為能夠建造8000TEU 集裝箱船的少數幾個國家之一，甚至在LNG 船等開發設計與建造方面達到了世界高端造船先進水平[8]。

智能船舶通過信息技術，收集并處理信息，利用大數據分析技術，在船舶的航行和管理過程中實現智能化運行。按船舶系統可以分為航行、船體、機艙和貨物管理等方面的智能化。按照船級社的提法，對智能船舶進行了分類：第一代是人為代理系統；第二代是通過監控系統做出決策；第三代是利用數據分析和互聯信息實現情景感知；第四代將會實現無人駕駛。其中前三代智能船舶仍需要人在船上[9]。

智能船舶的最初目的是為了減輕船員的勞動強度，隨后的發展過程中，隨著計算機、信息感知和信息處理技術的不斷發展以及機器學習技術的應用，船舶智能系統變得越來越“聰明”，提出的參考和選擇的決策和建議更符合實際。同時智能船舶在自主航行過程中，還需要有智能化岸基操控。2017 年挪威開發了全球首艘120個集裝箱的無人駕駛船舶，能節省大量運營成本[10]。

智能船舶可以減少人力成本和人為失誤，以及在惡劣海況下完成任務。但還有很多方面的技術問題需要解決。①傳感器的可靠性與感知信息冗余；②復雜海況下的信息識別的準確性；③數據高速傳輸與信息的實效性；④信息不完備條件下智能系統的模糊判斷能力；⑤人工干預的界面劃分等。

2.4 現有人才培養模式不能適應未來船舶工業的需求

一是我國的學歷教育規模宏大，但很多學校培養方式不能很好地適應船舶工業的需求。在學歷教育方面我國船舶專業的學生數量為世界最多，據統計我國現有船舶與海洋工程本科專業的高校為30 所，每年培養有本科生逾1000 人、碩士研究生約700 人、博士研究生200 人以上。但由于很多學校師資力量不強，教學內容更新不夠，甚至有的高校在重科研、輕教學的考核機制下，教師很難全身心地培養一批能適應船舶工業未來發展的學生。

二是船舶企業對技術工人的培養主要針對不同工種崗位的要求，進行短期崗前培訓，對技術工人的綜合素質提高成效不大；一般船舶企業對科技和管理人員的培養過程往往以崗位實踐為主，缺少系統的綜合業務素質方面的培養。

3 船舶設計與建造技術的未來發展趨勢

3.1 船舶設計與建造數字化進程加快

優化船舶數字化平臺數據集成系統，實現船舶設計與建造數據的全流程覆蓋，基于統一的數據庫，構建一個從概念設計、詳細設計到生產設計的三維模型，實現不同系統的數據模型一致。以數字化船舶產品為導向，促進整個船舶設計與建造過程的數字化變革，構建包括船舶數字化設計研發系統、生產建造系統、運營管理系統和維修保障系統等在內的數字化體系平臺，實現船舶全壽命周期的數字化。未來，船舶數字化將面向自動化、集成化、數字化、網絡化和智能化方向發展[11]。

3.2 船舶設計與建造一體化逐步融合

我國船舶行業的傳統是船舶的開發設計與建造分別進行，經常會出現設計與建造部門之間的協調和溝通問題，從而降低了生產效率，甚至拖延造船周期。為了適應船舶業的發展需求，需要加大船舶設計與建造一體化軟件開發力度，實現一體化和模塊化的要求，使船舶實現設計、建造、管理一體化。普及虛擬現實技術（VR）運用，開發涵蓋船舶整個生命周期的虛擬設計系統，提供船舶全壽命周期（PLM）虛擬現實解決方案，預告發現并解決船舶建造過程的問題，從而實現設計、制造和管理一體化[12]。

3.3 智能化無人船技術將快速發展

船舶智能化作業場景包括開闊水域航行、狹窄水道航行、起拋錨作業、裝卸貨作業和靠離泊作業等。綜合考慮不同的營運需求、技術路徑和經濟成本，需要對不同的智能功能和場景匹配不同的自主化程度。自主航行技術將是未來的主攻方向和發展熱點[13]。

未來將實現船舶制造、航行、管理和服務整個流程的智能控制，智能化不但提升效率而且降低營運成本。但智能化發展也會遇到一些問題。一是構建全球范圍內物聯網的可行性；二是大數據處理過程中對計算處理能力；三是智能化系統的可靠性和安全性。

3.4 各種新能源船舶不斷涌現

傳統的船舶動力主要是化石燃料，近年來為減少二氧化碳和氮氧化物的排放，新能源船舶成為新的發展熱點[14]。船舶新能源動力具有低排放、環境友好等優點，新能源船舶主要有電力推進、太陽能、風能、甲醇、液氫、LNG 和LPG 動力船舶等。由于太陽能和風能的能源密度低，雖不能用作船舶的主要供能需要，但可以用于輔助動力；甲醇和液氫用做船舶燃料的安全性問題解決后，將成為未來理想的綠色船舶燃料[15]。隨著新能源船舶的發展，新能源基礎設施體系將建成，適用于新能源船舶的法規和技術標準將不斷完善，新能源船舶將會有快速的發展。

3.5 船舶建造材料將有所突破

在船舶建造材料的選擇上，加寬加長型材、具備良好抗腐蝕性的不銹鋼、細晶粒的低溫鋼、焊接性能好的高強度鋼等，是船舶建造過程中嚴格要求的良好材料。隨著船舶制造業的快速發展，逐步應用新型材料[16]。一是耐低溫、耐腐蝕材料，如含稀土的B 級碳素鋼和低合金高強度鋼、低溫鋼和低磁鋼等；二是減振降噪材料。如鋁制瓦楞復合板、發泡鋁及復合材料等。這些新材料的應用為進一步推動船舶工業高質量展和海洋強國建設起重要作用。

3.6 復合型、高技術人才的需求增大

船舶行業的轉型升級過程中，需要打造一支專業化、數字化的船舶人才隊伍。強化船舶制造業和數字化行業整體協作、資源共享的意識，通過學術會議、技術交流等手段，加強企業廠商、高校和研究院所等科研合作，培養大批復合型人才，以先進的理念打造一支高素質的船舶數字化人才隊伍。同時要培養智能型、一專多能技術工人，增強工種的適用性，提高勞動效率。

4 結論

（1）在船舶設計與建造方面與世界先進水平看齊，需要借鑒國外先進科技，在引進、消化、吸收的基礎上，勇于創新。充分發揮數字化優勢，不斷開發造船技術與應用。構建數字化的標準體系，建立網絡平臺，實現高效、精準、自動化、集成化、虛擬化船舶建造。

（2）要做好長遠規劃，以未來船舶工業的人才需求為目標，改革現有的人才培養模式，加強高校和企業聯合，高校為企業培養優秀的技術人才，才能在未來的國際競爭中取勝，早日實現我國的海洋強國戰略。

（3）我國船舶設計與建造的發展必須加大以3D技術為基礎的軟件開發力度，實現船舶設計、船舶建造和船舶管理的一體化，同時在建造過程中實現“殼、舾、涂一體化”。改革不合理的管理模式，充分發揮科研人員和技術人員的能動性，提高船舶設計與建造技術水平。