船舶與海工裝備智能制造發展路徑研究

李佛塵,歐慶奎

(1.中國船級社 江蘇分社,江蘇 南京 210011;2.江蘇省船舶工業行業協會,江蘇 鎮江 212000)

0 引言

隨著工業技術快速發展,數字化、網絡化、智能化逐漸成為船舶與海工裝備制造的發展方向,船舶與海工裝備制造融合物聯網、人工智能、云計算、大數據等新技術,具備安全可靠、節能環保、經濟高效等顯著優勢,是未來船舶工業和海洋工程裝備產業發展的關鍵。

本文對國內外及江蘇船舶與海工制造的發展現狀、典型技術特點和發展重點進行了歸納分析,預測為未來船舶與海工裝備智能制造帶來變革的新一代關鍵技術,對江蘇省船舶與海工裝備智能化制造發展提出建議。

1 國外船舶工業和海洋工程裝備智能制造發展現狀

目前,隨著虛擬制造技術、精密制造技術、計算機科學技術、集成制造技術和人工智能技術的迅猛發展,國外海洋裝備制造大國不斷引進高新技術來推動工業制造信息化、智能化,從而推動船舶工業和海洋工程裝備工業的升級換代。同時,隨著工業制造理念不斷變化,造船企業和海工制造企業基于網絡化,將并行工程、敏捷制造等先進集成制造方法廣泛應用于船舶與海洋裝備制造行業。

在亞洲,日本和韓國的船舶智能制造比較成功。韓國在智能制造方面投入大量精力進行數據研究,擁有相對成熟的船舶的自我設計和開發經驗,并將數字化管理技術投入到船舶制造工程管理中。韓國蔚山科學研究院與現代重工集團合作,將海洋工程現場生產制造細化為各個項目階段,對每個階段精細分析,減少延誤誤差,降低生產誤差。該項目通過優化建造工藝,每年節省約500萬美元。日韓兩國重點投入開發集成制造系統,解決了大數據互通融合問題,實現了海洋工程裝備制造生產一體化。同時,智能制造機器人開始出現在制造車間。

船舶海工智能制造在國際合作潮流下達到新高度。KBR公司通過鷹圖Smart 3D軟件實現海上平臺和大型液化裝置的設計和關鍵項目的施工。日本海上油氣生產企業注重生產設施的智能化能力建設,研發具有更高智能性、靈活性、易操作維護的雙殼體焊接機。制造過程中使用各種類型的焊接機器人,以提高裝配和焊接效率。

歐美國家正充分利用計算機技術和信息技術,實現海洋工程裝備制造和海上油氣裝置運作的管理智能化。通過開發設計到售后服務一體化的“數字孿生模型”,一比一打造真實結構的三維物理模型,為制造、生產和運營管理帶來了靈活性,使生產更容易引入新型技術,便利了海洋油氣生產設施全生命周期的管理支持,縮短了開發周期,降低了建設成本,提供了高水平的運維服務。

2 國內船舶和海工裝備智能制造發展現狀

與其他傳統行業制造業相比,船舶與海工制造業產品類型繁多、勞動力密集、生產周期長、管理難度大、建造工藝復雜,對于高質量的集成工業軟件的要求高。

如今我國在船舶與海工制造業廣泛應用了虛擬現實設計、集成化數據管理技術,數字化制造正不斷邁向全新的階段。與其他制造業相比,船舶與海工制造工業需要熟悉數字化制造結構體系,利用以往制造經驗,順應船舶與海洋工程裝備制造信息化、數字發展新趨勢,發掘智能制造的新內涵,推進國內數字化、智能化船舶和海工制造的發展[1]。以數字化、網絡化、智能化、可視化、集成化為基礎,建立數字化船舶與海工先進制造體系,形成網絡化、數字化信息空間。目前,我國船舶與海工制造業已基本形成了以CADDS5、TRIBON等船舶工業軟件為基礎進行工程分析及仿真軟件集成的立體三維設計平臺。

3 江蘇省船舶行業智能制造發展現狀

以《中國制造2025》作為現代船舶與海工智能化制造發展導向,江蘇明確將發展智能制造作為省內先進制造業基地建設的重要抓手。江蘇大型船舶與海工企業也在智能制造業方面進行了一些重要探索,以期通過智能化建造走上船舶與海工制造的發展快車道。

靖江造船企業及相關配套公司與南京理工大學、江蘇科技大學等建立了緊密的“產、學、研”共同體,為高附加值產品的研發提供人才和技術支持,加快智能制造和新技術協同創新基地建設。設立的靖江市船舶智能制造研發中心,引進了多名智能船舶制造領域的資深專家,積極開展研發項目和科技活動,幫助解決船舶產業建造效率、船臺時間、質量穩定性等關鍵技術問題。同時,南京理工大學和新時代造船有限公司團隊共同開發了“大型船舶機器人智能高效焊接技術研發及產業化”項目,并獲得省科技成果轉化資金1 000萬元的扶持。

南通中遠海運川崎船舶工程有限公司(以下簡稱“南通川崎”)已在江蘇省建成了一個工信部智能制造示范基地項目和兩個智能車間示范工程。2015年,南通川崎智能車間被工業和信息化部認定為造船行業唯一的智能制造試點項目。南通川崎車間的自動化生產線減少了60%的傳統勞動力,提高了近3倍的生產效率。利用智能制造推動智能車間建設將成為造船和船舶裝備行業現代化的重要方向。2017年,工業和信息化部公布了2017年工業與互聯網融合試點名單,南通川崎“基于工業化與產業化深度融合的智能船廠”項目成為船舶制造業唯一的智能工廠的試點項目。南通川崎近年來在智能化改造方面進行了許多探索,如將智能機器人應用為智能化改革的切入點,推進信息化與產業化深度融合,引進自動化、智能化生產線建設智能車間,加強產品精密制造和敏捷制造能力。未來,南通川崎還將智能化改造應用到大型裝配和分段焊接、機器人涂裝、機器人拋光等。

4 江蘇船舶與海工裝備智能制造關鍵技術發展方向

4.1 工業支撐軟件

目前,全球正處于歐美軟件引領世界的局面,在工業CAD軟件領域,西門子、歐特克等企業的工業軟件占據了中國95%以上的市場份額。在CAE軟件方面,美國公司的產品在中國的市場占有率超過95%。在計算機輔助制造(CAM)領域,雖然省內企業與國內相關公司和科研院所合作在船舶與海工工業軟件的開發和推廣上下了很大的功夫,但總體來說,國產軟件的表現并不盡如人意[2]。由于國內缺乏系統的集成體系,不同類型軟件之間的接口不統一,導致軟件和功能之間不能兼容,同時由于生產制造的經驗不足,國內未擁有成熟的制造標準,導致國產海洋工程工業軟件缺乏改進的合理途徑。另外,由于江蘇的工業軟件客戶不多,市場占有率不高,商業化程度低,嚴重打擊了省內軟件開發商的研發積極性。

江蘇船舶與海洋工程工業軟件自主研發進度緩慢還存在以下弊端：

(1)缺乏行業內統一的規劃和成熟的平臺,省內制造企業往往僅根據自身的發展需要來投資解決公司局部問題。由于企業之間軟件功能間信息無法交換,對工業軟件整體的開發和提升的收益不大。

(2)缺乏集成管理系統,難以形成合力。由于省內工業軟件開發的管理機制不成熟,內部軟件之間的信息不能互通,無法促進功能間的有效促進。

(3)缺乏資金方面的支持,對項目的研發不利。目前使用國產制造工業軟件需要國內企業尤其是大型企業的支持,而投資使用國產工業軟件對國內企業來講是一種高風險、低收益的行為,社會資本更愿意投資成熟的國外軟件。由于缺乏社會資本的支持,國產工業軟件項目陷入了無人問津的局面。

(4)由于江蘇企業的資源有限,企業之間的信息交流協同發展不暢,導致對于船舶與海洋工程產品開發成果不佳,且成果無法共享。由于各個企業之間的理念發展方向和信息接口不通,開發出來的軟件也難以兼容,力量沒有整合起來形成合力。

江蘇船舶與海工裝備工業軟件發展需要政府的支持和指引。企業依靠政策支持,鞏固研發創新基礎,通過上下游企業間合作,加強工業軟件產品的應用和推廣,同時收集客戶的使用反饋和建議,改進軟件功能,促進軟件的進步。只有完善了工業軟件的基礎功能,才能解決軟件的商業推廣和市場份額問題。工業軟件具有知識密集型的屬性,為實現船舶與海洋工程裝備工業軟件的商業化、自主化,需要國內多行業共同努力,實現跨界學科融合,調動國內研發力量,結合國內工業企業發展需求和國內市場的功能需求,有針對性地研發工業軟件功能,抓住未來的軟件市場,擴大國內軟件的商業應用,這樣國內造船和海工制造業軟件發展才能實現質的飛躍。

要為國產造船和海工制造軟件創造廣闊的市場,還必須在以下3個方面努力：

(1)在研發過程中從一開始就要有多個促銷計劃,并不斷改進和完善。

(2)積極開拓國內船舶與海工裝備制造業市場,調動全行業的積極性。

(3)強化省內的知識產權的保護,使省內企業的權益得到真正有效的保護,也能消除盜版軟件猖獗的市場亂象。

4.2 智能船廠關鍵技術分析

江蘇省已經在南通川崎開展智能船廠建設試點,需要在產品設計、生產技術、管理技術、基礎共性方面進行智能化、信息化改革。

4.2.1 船舶產品智能設計關鍵技術

智能設計的未來將是設計信息自動化,包括以下3個方面：

(1)計算機模型建立自動化。通過自動采集二維信息和規格信息將產品參數、加工安裝信息自動化輸入計算,標準化設計驅動計算機三維建模。

(2)繪圖自動化。基于計算機三維物理模型,自動輸出生產圖紙。

(3)物量信息交流自動化。實現生產產品現實數據與三維模型數據自動化交流。

4.2.2 船舶智能生產關鍵技術

造船技術主要包括焊接技術、設備技術、通用領域技術、涂裝技術等。就焊接技術而言,我國造船業的分段合龍技術仍需提高。今后應當實現模塊化造船,使船廠真正成為總裝企業,同時各生產線實現自動化流水生產,機器人操作采取標準化的管理。

4.2.3 船廠智能管理關鍵技術

目前,各國仍在對設備進行現代化改造,以提高設備的精度和自動化程度。日本和韓國將物聯網技術、人工智能等新一代信息技術融入造船,在提高造船和管理效率方面取得了巨大成功。

現代造船精度管理的核心是為精益生產鋪平道路。因此,必須轉變管理觀念,從被動管理向主動自動化管理轉變。例如,在進行切割、加工、焊接等分段裝配作業時,應提前設置現場計算機技術提示,實施多項措施,計算機收集現場問題缺陷,通過數據改進設計方法和工藝等,這種信息化管理理念今后將逐步落實到造船的各個方面。

4.2.4 智能船廠基礎共性技面

工業大數據的重點在于以大數據管理為基礎的智能制造的基礎共性技術。船舶與海工裝備制造業是一個全球性的、規模化的產業,它與設計、制造、運輸等行業相聯系,深深植根于許多行業的大數據之中。在當前的環境下,中國船舶與海工制造業應該基于大數據技術的應用研究,進行數據的收集、統計分析和估價,從而產生許多有價值的信息。

4.3 數字孿生技術

大力發展船舶與海工制造與數字孿生技術的融合將是江蘇省船舶海工智能制造的攻關重點。

近年來,數字孿生作為溝通現實物理世界和模擬信息空間的有效連接方式,得到了制造業的青睞[3]。數字孿生是集合了多尺度、概率融合等因素,通過獲取實際物理信息建立數字化的虛擬模型。數字孿生將研究對象在真實環境的動作行為數據化,通過數據融合分析,虛實對象交互反饋,為物理實體的全生命周期服務。數字孿生在航天設備飛行器制造業中最早提出,但該技術的特點和船舶與海工裝備制造業非常吻合,如：西門子公司利用其工業互聯網,通過三維體驗平臺,形成數字孿生的互通和閉環,開啟資產、產品生命周期管理和制造過程的數字孿生。同時,高校和科研院所也開始積極探索數字孿生技術未來的廣闊應用前景,取得了許多理論成果。數字孿生已經成為物理空間和信息空間相互作用和整合的有效手段。

船舶與海工裝備應用方面,數字孿生利用數據構建具有多種物理尺寸、多尺度、多學科特點的高可靠性虛擬船舶模型。該技術將物理空間和信息空間兩大數據整合,應用于船舶的整個生命周期,為整個航運業提供相關的智能化服務(如設計院、船舶與海工制造廠、船東業主、船級社、海事機構),打破行業各主體的信息壁壘,促進造船業高質量發展[4]。

雖然數字孿生技術在一些工業制造領域產生了良好的示范效應,但其在船舶與海工裝備業的應用還處于起步階段。江蘇省企業有實力也有機會在船舶海工數字孿生技術開發上占據主動地位。

5 結論

針對未來的發展趨勢,對江蘇省船舶與海洋工程裝備智能化制造提出以下展望：

(1)提升江蘇省智能制造研發能力,加強省內外高校、科研院所、制造企業的智能制造合作,尋求與國外巨頭的合作,借鑒國外先進經驗,推動江蘇省新一代信息技術關鍵技術研發,加快空間與信息空間的互動與融合。

(2)建設江蘇省船舶與海洋工程智能制造產業鏈,推進數據交換和應用集成標準,形成行業標準,使得產業鏈各方聯系更緊密。數據交換、應用集成等一批行業標準的制定將促進行業健康有序發展。

(3)提高江蘇省智能服務支撐能力,重新設計產業鏈運行模式,以數據和智能技術為基礎,重新設計產業鏈運行模式。船東、設計師、承包商、輔助制造商、公司、控制機構和其他參與者將依賴于運行數據,發展自己的技術迭代和應用服務,逐步構建和完善智能化制造發展生態系統。