船舶制造数字化技术的国内外发展概况

6.1.3　船舶制造数字化技术的国内外发展概况

6.1.3.1　国外船舶制造数字化技术发展状况

1）美国船舶制造数字化技术发展状况

作为先进制造业的强国，美国以其在信息技术方面所具有的优势引领着包括舰船制造在内的数字化制造的潮流。

美国将数字化技术用于核潜艇模块化建造始于20世纪80年代。通过采用预先设计好的通用模块装配成具有不同功能、使用性能和尺寸的核潜艇。美国“海狼”号攻击型核潜艇是世界上第一艘全部采用模块化设计和建造的核潜艇。通过数字样船，将整艘舰艇划分为若干个由模块、次模块、组件、附件和零件构成的舱段；运用数字化预装配，预先解决许多在建造中才能发现的碰撞、振动间隙和通道可用性等问题；采用共享三维数据库直接产生机加、弯管和切割指令，驱动数控机床、数控弯管机和数控切割机；采用信息化技术进行生产过程管理和质量监控；通过网络将生产过程中的问题直接反馈给设计和管理部门，从而缩短了建造周期，加快了型号的更新换代，提高了产品的可靠性和维修性，降低了制造费用。目前这一系统正用于“弗吉尼亚”级核潜艇的建造中。

20世纪90年代，美国政府和美国国防部主导制订了“MARITECH”计划，该计划是为了改进美国船厂船舶设计和建造过程的一项技术发展计划。其中包括产品开发、供应链管理、工厂执行、基础工具与信息交换标准、产品生命周期支持等方面的66个子项。该项目借助先进的制造理论和IT技术，以敏捷制造的思想为指导，在军船制造中以虚拟企业、虚拟产品、虚拟制造的全新的舰船建造方式，实现了快速、灵活、低成本、高质量的舰船生产。该项目下包含的一些子项目：如COMPASS（Commercial Object Model of Products/Processes for an Advanced Shipbuilding System）子项，旨在通过统一的产品数据模型建立支持设计、建造全生命周期的数据管理系统；FIRST（A First Principles Approach for Shipbuilding Integrated Process and Product Development）研究造船产品开发和造船业务过程的集成方法；虚拟造船联盟（Virtual Shipbuilding Consortium）子项是建立一个信息框架，使不同的公司（设计公司、制造厂商、供应厂商等）可以以虚拟企业的形式实现各配套企业间的设计和生产的协同，共同应对客户的需求；MariSTEP（STEP－Ship Product Model Exchange Project）子项则是建立基于STEP标准的船舶产品信息模型，实现不同CAD/CAM系统间船舶产品信息的交换。

通过5年的研究和实施，MARITECH项目在美国的一些船厂和军船建造中取得了很好的效果。如在DD21驱逐舰的建造中，采用了DD21“智能产品模型”（DD21Smart Product Model）；构建了集成数据环境IDE（Integrated Data Environment），通过建立智能产品模型这样的虚拟产品原型，并借助以互联网为基础的产品和流程信息管理系统，把100家以上的客户、合作伙伴、供货商及分包厂商等联合起来进行协同产品设计、开发、生产、测试、售后服务，并通过智能产品模型进行产品开发协调和数据共享。

美国在制造21世纪新型核动力航母（CVN－21项目）中，将数字化技术全面应用于设计建造直至舰船整个生命周期的过程中，把产品生命周期管理（PLM）解决方案，用于项目管理、产品数据管理、生命周期流程管理、设计协同和决策支持。通过PLM管理设计建造过程，协调数千设计人员使用三维设计软件协同工作。采用虚拟仿真软件用于数字化制造、维护工艺的规划和验证；把分析仿真软件用于与设计过程紧密结合的线性、非线性产品性能分析，提高工程质量。实现了第一艘完全数字化设计、制造和维护的航空母舰，保证了承建商的商业信息系统、商品供应者、分包商和政府委托人间安全密切的协作，有效地控制了产品成本和产品质量。

2）日本造船企业数字化技术发展状况

日本造船企业长期以来十分重视数字化技术的应用，在企业内全面推进造船CIMS系统的开发和实施，实现了设计、生产、管理信息的一体化。目前，各大造船集团均已形成较为完善的CIMS系统。日本各大造船企业数字化技术应用现状如表6.1－1所示：

表6.1－1　日本船厂数字化造船应用状况

（续表）

从20世纪90年代中后期开始，在日本政府的主导下日本工业界的诸多领域推广了CALS（计算机辅助物流供应）战略，其中也包括在造船工业推行CALS，并积极推进基于知识共享的造船CIM开发，名为LINKS。CALS计划的重点是通过构建公共的网络系统实现企业间的信息共享。LINKS则是建立企业间的CIMS系统的信息交换，实现企业间的协调与合作。

在LINKS项目中，不同的造船企业通过以产品模型（PM）为基础的数据库进行船体或舾装信息的交换，各个企业可以使用各自的CAD系统，通过转换软件形成中间文件转入产品模型数据库中，进行企业间的数据交换。材料和设备制造商则按照信息标准化方式与造船企业进行数据交换。

近年来，日本造船业认识到当今造船业的竞争已不是单个造船企业间的竞争，而是扩展到整个供应链之间的竞争，必须建立上下游企业间的信息共享和信息交换平台来提升竞争能力。为此，日本造船界在上下游企业间的供应链管理方面实施了ZoHaKuWeb计划。该计划的目标是建立一个电子商务平台，实现造船企业与配套企业间的工作协同。使造船总装企业和各配套企业间通过实时的信息交换，实现缩短设计建造周期，降低设计建造成本，提高产品质量，快速应对客户需求的目的。

在生产加工设备的数字化方面，日本造船企业也进行了大量的开发，从板材、型材的数控切割和数控加工，焊接、涂装机器人，到平面分段自动流水线，使生产效率和产品质量大幅提高。

3）韩国造船企业数字化技术发展状况

韩国造船企业在数字化技术应用方面虽然起步较晚，但韩国企业积极引进日本、美国和欧洲等国的先进技术，并在此基础上研制和开发自己的CIMS系统，大力推进造船数字化技术的应用，取得了显著的成效，大大提升了韩国的造船水平和国际竞争能力。

韩国核心船厂数字化技术应用现状如表6.1－2所示：

表6.1－2　韩国核心船厂数字化造船应用状况

（续表）

6.1.3.2　国内船舶制造数字化技术发展状况

自20世纪60年代末将计算机用于船舶线型放样开始，我国船舶行业信息化已历经40多年。国内造船业界经过不懈的努力，使得造船数字化技术已逐步渗透到造船业价值链的每一个环节。引进或自主开发了各种各样的信息系统，已广泛应用于船舶设计、建造和管理过程中。

国内主要造船企业在船舶设计制造领域已全面采用了CAD技术，各企业设计部门普遍使用了Tribon、CADDS5以及国内自行研制的造船CAD/CAM系统进行合同设计、详细设计和生产设计。部分企业坚持自主开发，形成了具有自主知识产权的造船CAD/CAM系统。如船舶制造三维设计系统（SB3DS）和三维船舶产品设计系统（SPD），实现了船舶制造CAD/CAPP/CAM/VR/FA的集成和壳、舾、涂信息一体化。一些企业已开始应用PDM系统进行产品数据管理和设计过程管理，PDM系统的应用不仅规范了设计过程，更重要的是建立了产品数据信息的交流通道，使CAD生成的设计信息能较顺利地传递到后续的作业中，为设计的协同、设计信息、制造信息和管理信息的集成奠定了基础。

在生产管理数字化方面，不少船厂从20世纪80年代就开始了MIS系统的研究开发，针对特定的业务需求，开发了一些单个应用系统，如物资管理、计划管理、成本管理、涂装管理、工时物量管理等信息系统，在局部范围内取得了较明显的效果。21世纪初，在信息化促进工业化的潮流中，先行的现代化造船企业或直接引进国外造船管理软件，或在引进、消化、吸收的基础上进行再开发，形成适合国内造船企业管理模式的造船CIMS系统。如造船企业管理系统（SEM）包含设计管理、生产管理、生产执行、物资物流、质量安全等子系统，并实现了与CAD、财务、人事、经营决策等系统的信息交换，形成了较完整的造船企业信息管理的解决方案。

近年来，国内一些骨干造船企业和研究院所已开始引进虚拟仿真技术，开展船舶和海洋工程的产品虚拟设计和建造过程模拟等研究。此外，在造船数字化装备方面，数控切割机、数控肋骨冷弯机、数控弯板机、数控弯管机已广泛应用，不少企业已经建立数字化生产流水线，如平直分段加工生产线、管子加工柔性生产线等，装配/焊接/涂装的机械手/机器人也开始使用。

但是，由于在信息化建设过程中对造船信息化整体战略考虑的不足，各系统间信息模型的不一致、系统平台的不一致、国外系统的数据结构不开放等诸多因素，使得各应用系统之间形成了信息壁垒，导致系统间信息交换困难、信息流动不通畅、信息的一致性不易保证，不能顺畅地实现船舶设计、制造、管理信息的一体化，使信息化的整体效益还没能充分体现出来。

目前国内造船数字化进程中的技术问题主要表现在以下几方面：

1）系统集成化

不少造船企业所使用的应用系统，往往是为了适应某些局部的业务需求而引进或独立开发的，在不同的系统中存在着信息的交叉和重复。由于没有建立统一的信息模型和完善的信息交换规约，因此，系统间不能保持信息的一致性和完整性。信息系统之间相互独立，原本具有有机联系的相互关联信息被割裂开来，形成了一个个信息“孤岛”，使信息资源不能共享，信息的即时性和准确性不能保证，造成信息冲突和效率低下。

为此，迫切需要解决在船舶生命周期中信息的集成问题，实现造船企业内部的系统整合以及造船企业和相关企业间的信息共享和信息交换。

2）管理精细化

国内造船企业在精细化管理方面与日、韩相比还存在着较大差距。要实现精细化管理，必须理顺企业的生产作业流程和管理业务流程，准确地量化企业的资源和资源能力，通过订单拉动物料需求计划，并依据企业资源能力合理地安排和调整企业的生产计划及采购计划，形成均衡的生产节奏。

同时，还要注重企业基础信息的采集、整理和知识积累。对生产过程的实际生产数据（如生产工时、周期、物料、成本和质量等）的数据信息积累，并通过数据挖掘，形成企业的知识，进而形成企业内部的标准，不断提升企业的管理水平。

为此，通过数字化技术手段实现精细化管理成为现阶段的重要任务。

3）信息标准化

造船信息标准和信息交换标准的缺失是阻碍造船信息集成的重要原因。要实现信息的集成首先必须做好信息标准化工作，包括信息标准化体系的建立及相关标准的制定，如企业编码体系的建立和编码的标准化，产品信息模型和企业信息模型的标准化、企业业务流程的规范化等。