基于虛擬仿真技術的船舶建造管理教學方案探索

摘 "要：虛擬仿真技術與船舶建造管理的結合對于提升船舶建造效率、降低船舶建造成本、優化船廠資源配置、提高造船安全性和促進技術創新等方面都具有十分重要的意義。該文闡述船舶建造管理的重要性，分析教學中引入虛擬仿真技術的優勢，構建基于虛擬仿真技術的船舶建造管理教學方案，通過教學案例闡述虛擬仿真技術與船舶建造管理的融合應用，為高等院校培養企業需要的具有卓越管理能力的專業創新人才提供參考借鑒。

關鍵詞：船舶建造；虛擬仿真技術；項目管理；教學改革；造船安全性

中圖分類號：G642 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2096-000X（2025）07-0023-04

Abstract： The integration of virtual simulation technology and Shipbuilding Management is of great significance in enhancing shipbuilding efficiency， reducing shipbuilding costs， optimizing shipyard resource allocation， improving shipbuilding safety and promoting technological innovation. In this paper， the importance of shipbuilding management and the advantages of introducing virtual simulation technology into teaching are elaborated. A teaching plan for Shipbuilding Management based on virtual simulation technology has been constructed. The integrated application of virtual simulation technology and Shipbuilding Management is illustrated through teaching cases. This paper aims to provide references for higher education institutions to cultivate professional and innovative talents with outstanding management capabilities who are in demand by enterprises.

Keywords： shipbuilding; virtual simulation technology; project management; teaching reform; shipbuilding safety

《中國制造2025》指出“突破豪華郵輪設計建造技術，全面提升液化天然氣船等高技術船舶國際競爭力，掌握重點配套設備集成化、智能化、模塊化設計制造核心技術”[1]?！锻七M船舶總裝建造智能化轉型行動計劃 （2019—2021年）》明確提出了加快新一代信息通信技術與先進造船技術深度融合，推動了船舶設計、建造、管理與服務全生命周期的數字化、網絡化、智能化[2]。船舶是海洋活動的重要載體，船舶建造技術的提升是現代海洋戰略的重要基石，先進的船舶建造技術能夠制造出性能卓越、適應性強的各類船舶，從而增強國家在海洋資源開發、海上運輸、海上安全維護等方面的能力，提升國家海洋實力和國際競爭力。船舶建造過程中的管理機制同樣不容忽視，其對于確保船舶質量、安全性能、按時交付及成本控制至關重要，是保障船舶建造過程高效、合規、可持續運行的核心環節。

船舶建造工藝是高等院校船舶與海洋工程專業的本科必修教學內容，主要涉及造船工藝流程，包括船體放樣與號料、船體鋼料加工、船體裝配、船舶舾裝與涂裝、船舶下水等[3]。船舶建造工藝的教學內容實踐性非常強，涉及船廠生產的各個部門，若僅限于教材內容的講授，教師將面臨難以生動再現船廠復雜生產場景的挑戰，而學生則可能因缺乏直觀體驗而感到困惑不解，仿佛置身于“理論脫離實踐”的境地，學習體驗趨于單調乏味[4]。同時，學生僅對船舶建造過程中的工藝流程了解比較深入，但對各工藝步驟需要的時間、成本、設備等管理內容知之甚少。目前，高校學生培養的實踐環節主要包括認識實習和生產實習，采取到船舶企業一線參觀學習的方式。基于對學生的安全保護和船廠的保密要求，學生學習的時間有限、地點有限，難以看到系統、完整的船舶建造過程。另外，船舶建造系統的管理過程難以再現，學生很難理解全面管理過程中的關鍵問題。

隨著信息技術的迅猛發展，新媒體技術正日益滲透到各個行業之中，其中具有代表性的虛擬仿真技術已經構建起了一個相對完善的體系，并在多個領域實現了深度應用。在高等教育領域，虛擬仿真技術正發揮著不可替代的作用，它不僅能夠為學生提供高度仿真的學習環境和實驗平臺，使學習過程更加直觀、生動，還能夠幫助教師創新教學模式，提升教學質量[5]。融合船舶建造管理與虛擬仿真技術，為學生創造沉浸式學習環境，學生可直觀體驗從設計到建造的整個工藝及管理過程，模擬管理決策，培養學生專業技能和管理思維，為未來職業生涯奠定堅實基礎。

一 "船舶建造管理的重要性

在船舶建造的復雜過程中，船廠需緊密結合自身實際情況，構建一套科學高效的計劃管理體系。這一體系旨在將繁瑣的設計流程與精細的生產環節無縫對接，通過優化資源配置與流程管理，有效降低企業的運營成本，顯著提升工程項目的推進速度，確保船舶建造任務按時保質保量完成[6]。當前，我國船舶制造業正處于邁向制造強國的關鍵轉型期，其核心策略除造船技術的提升外，深化管理效能，以高效管理激發創新活力同樣重要。在這一背景下，船舶與海洋工程專業的教育與培養需緊密圍繞企業需求，致力于塑造能夠勝任船企高中級管理崗位的未來領袖，不僅要注重船舶建造知識的傳授，更要強調船舶建造管理能力的培養，培育出既精通船舶建造技術，又具備船舶建造卓越管理能力的復合型人才，為企業的長遠發展注入源源不斷的創新與管理動能。

二 "引入虛擬仿真技術的優勢

虛擬仿真技術深度融合了計算機圖形渲染、用戶與機器的無縫交互以及復雜的物理過程模擬等多學科精髓，為體驗者打造一場深度沉浸式的感官盛宴。自2018年教育部公布首批國家虛擬仿真實驗教學項目至2023年，教育部已認定了1 200門虛擬仿真實驗教學國家級一流本科課程，利用虛擬仿真技術作為新的教學手段成為了教育領域的新亮點[7-8]。虛擬仿真技術的引入，為學生帶來沉浸式體驗，使學生能夠全方位、多角度地探索和理解船舶構造的復雜性與建造的精細性，還通過高度互動的環境設計，促使學生主動思考與解決建造過程中可能遇到的實際管理問題，通過嘗試不同的解決方法，提升學生的船舶建造管理能力。虛擬仿真技術的引入突破了傳統教學的時空限制，使得學生能夠隨時隨地進行學習與實踐，大大提升了學習效率與效果。同時，虛擬仿真技術的高安全性與低成本性，為學生提供了多次嘗試與犯錯的機會，讓他們在實踐中積累經驗，提升技能，為將來進入船舶建造行業打下堅實的基礎。虛擬仿真技術與傳統課堂授課相結合，促進了理論知識與實踐經驗的深度融合，培養了學生的創新思維與解決問題的能力。學生在虛擬環境中進行的每一次決策與操作，都是對船舶建造管理理論的深刻理解與靈活應用，從而實現了從“知”到“行”的跨越。

虛擬仿真技術不僅在高等教育教學中應用廣泛，并且正逐步深入到造船企業的實際應用中[9-10]。虛擬仿真技術在現代造船業中的應用，極大地革新了產品開發與生產流程，實現了從預測到優化的無縫銜接。通過虛擬仿真技術可以提前洞察并預測船舶建造過程可能遭遇的問題與挑戰，加速傳統制造模式的進化，促使生產過程逐漸擺脫對過往經驗的過度依賴，邁向更加科學、高效的道路[11]。虛擬仿真技術以其獨特的優勢，正在深刻改變著船舶建造行業的面貌，推動其向更加智能化、協同化、高效化的方向發展。在高等教育教學中融入虛擬仿真技術，鍛煉學生利用虛擬仿真技術的能力，可為其今后的職業生涯奠定基礎。

三 "基于虛擬仿真技術的船舶建造管理教學方案

（一） "教學策略

突破傳統的教學方法，采用虛擬仿真技術再現船舶建造過程，應用大數據原理預埋、統計、分析、處理和儲存相關數據，運用隨機理論與PERT技術開展船舶建造進度與成本管理，仿真再現船舶建造與管理全過程，使學生切身參與其中，化被動為主動，加深學生對船舶建造過程的認知，培養學生的組織管理能力。

1 "船舶建造過程中虛擬仿真技術的應用

在船舶工業里面引入虛擬仿真技術，能使敏捷造船、并行工程及數字化造船得以實現，虛擬仿真技術的應用也是我國傳統造船模式轉向現代化的重要環節之一[12]。船舶建造過程中的虛擬仿真應用包括以下內容。

第一，船廠物流仿真與能力評估。利用虛擬仿真技術構建船廠布局和漫游系統，實現基于建造主流程的船廠布局三維可視化，優化船廠各個車間、堆場、船塢和吊裝設備等資源的布置及道路分布，確保物流暢通、設備操作可行性和便利性及提高場地面積使用率；建立船廠的各種資源模型，包括各類車間、道路、起重設備、運輸工具和中轉場地等，實現各種資源在虛擬環境的整合配置和生產系統的布局；評估船廠資源布置、建造物流、場地利用率、設備能力，提高船舶建造能力[13]。

第二，船舶虛擬設計評估與優化。在船舶詳細設計前，利用虛擬仿真技術在虛擬環境下對其總體布置進行仿真，建立船體、艙室、設備和裝置等完整的數字化環境；以總體功能發揮最佳效能、裝備安裝操作空間、安全性、可操縱性、船員逃生和船員舒適性等為評價原則，對船舶總體布置的合理性進行驗證和優化；在虛擬環境下，對船舶的設備布置、系統管路與電纜走向、結構開孔等進行總體協調與平衡，確保所有設備、儀表、系統管路、電纜的合理布置和精確定位。

第三，船舶建造工藝仿真與優化。根據船舶產品的具體參數、企業的設備資源、生產計劃大節點，對多艘船舶總體建造策略進行虛擬仿真；對舾裝、涂裝作業過程進行可視化仿真，以大幅度減少建造返工；根據船舶建造工藝方案，以虛擬船廠的資源和建造能力為依據，以典型船舶為載體，突破船舶建造虛擬仿真的共性支撐技術，按分段總組建造法對船舶建造的典型過程進行仿真，具體包括：①典型分段制作過程仿真；②典型總段總組；③典型分段的翻身與吊裝過程；④船臺/船塢搭載仿真；⑤托盤管理仿真；⑥管系單位制作仿真；⑦特裝安裝過程仿真。

虛擬仿真技術在船舶建造工藝中的應用涵蓋了從設計評估、工藝仿真到船廠布局等多個方面，對于提高船舶建造質量、縮短建造周期、降低建造成本具有重要意義。隨著技術的不斷發展和完善，虛擬仿真技術在船舶建造領域的應用前景將更加廣闊。

2 "船舶建造管理仿真模擬

近年來，現代項目管理的理論與技術在船舶建造過程中得到了越來越廣泛的應用，部分高校將現代項目管理學也納入了船舶與海洋工程專業的必修課程，但該課程與船舶建造工藝教學內容的結合仍有待深入。項目管理的核心內容包括：進度管理、成本管理、質量管理和安全管理。其中，進度管理水平是體現企業核心競爭力的重要指標，成本管理是企業獲得利潤的重要途徑。進度管理的成效決定了項目總工期是否滿足合同要求，成本管理的成效決定企業獲得利潤的多少，進度管理與成本管理緊密相關且相互影響，對企業而言是十分重要的管理內容。船舶建造項目具有系統復雜、周期長、多任務并行和資源要求高等特點，對進度與成本管理的技術、方法、能力要求很高。通常，船廠需要組織多艘船舶并行建造，資源制約問題尤其突出，在資源約束的前提條件下，如何協調各項任務之間的資源分配，實現工期目標和成本最優受到了船廠的高度重視。

第一，船舶建造進度管理。計劃評審技術（Program Evaluation and Review Technique，PERT）最早由美國海軍在計劃和控制北極星導彈的研制時發展起來，是一種利用網絡分析制訂計劃及對計劃予以評價的技術。它能夠協調整個計劃的各道工序，合理安排人力、物力、時間和資金，加速計劃的完成。在船舶建造領域，PERT技術同樣具有廣泛的應用前景，應用PERT技術開展船舶建造的進度與成本管理，可以有效提升項目管理的效率和精確度。

遵循現代造船管理模式和項目工作分解結構的原理和方法，依據船廠的生產組織、區域布置、船舶建造工藝和管理流程，結合船舶分段劃分情況與船廠可用資源，對多艘船舶的建造過程進行工作分解，將船舶建造過程分解為有限個工序。識別船舶建造過程中的所有關鍵工序及其相互依賴關系，采用三點估算法估算每項工序的持續時間，并構建出直觀的PERT網絡圖來展示項目的整體結構和開展流程。特別關注并識別關鍵路徑，即那些對完成時間具有決定性影響的工序，從而確保資源得到優先配置和有效利用，通過持續的進度監控和風險管理，及時發現并解決進度偏差，保證船舶建造總工期符合建造合同要求。

PERT技術還強調項目總結與持續改進的重要性。在項目結束后，通過全面總結項目的成果、經驗教訓和資源利用情況，提煉出寶貴的經驗，豐富工序工期數據庫，為未來的船舶建造項目提供有益的參考和借鑒。這種持續改進的循環機制，有助于不斷提升船舶建造進度管理的水平和效率，推動造船企業在激烈的市場競爭中保持領先地位。

第二，船舶建造成本管理。船舶建造成本管理與船舶建造進度管理相輔相成。對上述工作分解得到的工序進行成本分解，每一項工序的成本分解為人工、材料、設備等成本，并對每一項工序的趕工作業模式進行設定，同時設定不同趕工作業模式縮短工期對應的費用變化率。收集整理工序工期數據庫，對各項工序的工期縮減量提供參考借鑒，為船舶建造計劃的制定提供依據。模擬船舶建造過程，預測各工序的突發狀況，利用隨機理論隨機造成工序拖延，智能判斷是否延誤工期，若造成工期延誤，進行狀態和原因分析，采用資源-時間優化原理與方法，查閱可用資源，按照成本最優的方法選擇趕工工序和趕工模式，對后續計劃進行動態優化、調整，保障船舶建造按期完成的同時使整個造船項目成本最優，達到進度成本共同管理的目的。

（二） "教學案例

1 "工作分解

現代造船模式的核心是成組技術與以“中間產品”為導向的建造策略，應用成組技術原理，根據船舶分段劃分情況，將船舶建造過程劃分為包含多個分段的鋼材料預處理、號料加工、分段制作，包含多個總段的分段總組，以及船臺合攏、下水、舾裝、涂裝、試驗與交船等工序，并對所有工序的成本進行分解。

2 "制訂計劃

在工作分解的基礎上，分析各工序間的工藝邏輯關系和組織邏輯關系，結合船廠資源限制條件與成本限制條件，確定各項工序之間的銜接關系。建立工序工期樣本數據庫，調用樣本數據，遵照造船合同節點時間安排，計算確定工序工期，繪制船舶建造計劃網絡圖，利用關鍵路徑法計算造船計劃總工期，初步判斷造船計劃是否合理，對不合理的工序進行修改與調整。

3 "計劃評審

運用虛擬仿真技術對船舶建造計劃進行預演，在虛擬環境中模擬整個船舶建造過程，包括設計驗證、工藝規劃、資源調度、裝配模擬和性能測試等多個環節，在實際建造前發現并解決問題，減少錯誤和返工，降低成本和風險。

由于在生產實施過程中的不確定性影響因素眾多，計劃網絡圖中各項工序的持續時間是一個隨機變量，總工期（或大節點工期）也是一個隨機變量。結合具體資源的可得性、及時性，利用PERT技術進行仿真抽樣，計算船舶建造仿真總工期、標準差和特征值，得到造船項目的完工概率。設定概率指標，若完工概率大于概率指標，則計劃合格；若完工概率小于概率指標，則對造船計劃進行優化，直至概率指標合格。

4 "計劃執行仿真模擬

對完善后的造船計劃進行執行模擬，并輔以虛擬仿真技術同步再現船舶建造工序的3D動畫過程。根據設計圖紙，在虛擬環境中構建船舶的3D模型，包括船體結構、甲板布局、設備安裝位置等所有關鍵部件；搭建船舶建造車間的3D場景，包括工位布局、設備配置、物流通道等，以模擬真實的建造環境；根據造船計劃中的工藝路線，在虛擬環境中模擬船舶建造的每一個工序，包括號料加工、分段制作、分段總組等各個環節，每個工序的仿真都應盡可能詳細，包括操作人員的動作、設備的運行狀態、材料的流動等。

結合虛擬仿真技術，在計劃執行仿真模擬過程中，與船舶建造管理理念相融合，設定工期影響因素，并假設影響因素隨機出現。采用隨機理論模擬工序實際工期，并對工序的進展實時監測，若工序工期出現超期現象，對超期原因及后續造船計劃進行分析審查。若該工序超期對造船總工期產生影響，要通過經濟性分析對造船后續計劃進行動態調整，經濟性分析包括工序的可縮減工期，縮減工期產生的費用變化率等，選擇關鍵路徑上的工序縮減工期，按照成本最優的方法計算選擇趕工工序和趕工模式，縮減工期后驗證關鍵路徑是否變化，驗證總工期是否滿足要求，保障船舶建造總工期按期完成的同時控制建造成本最優化。

四 "結束語

隨著科技的迅猛發展，傳統的授課模式已無法滿足專業人才培養需求，虛擬仿真技術在教學中的應用勢在必行。加強船舶建造管理是船舶建造企業持續健康發展的重要保障，將虛擬仿真技術與船舶建造管理相融合，建立基于虛擬仿真技術的船舶建造管理教學方案，不僅能提高學生學習興趣，還能提高教學質量和學習效果，同時還可以提升學生的專業素養和管理能力。

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