以数字化技术创新做强我国船舶工业

以数字化技术创新做强我国船舶工业1．引言在经济全球化的今天，国际造船业已发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务等全方位的角逐。2008年下半年以来突如其来的全球金融危机，使得国际贸易大幅下滑，世界航运业、造船业一片低迷。我国船舶工业也难以独善其身，同样面临严峻形势。面对如此严峻的考验，我国船舶业要迎接全球造船业的复苏应该坚持技术创新，而技术创新的关键措施之一就是促进数字化造船技术在船舶设计和建造中的应用和发展。2.围绕两化融合，发展数字化造船党的“十七大”提出“发展现代产业体系，大力推进信息化与工业化融合，促进工业由大变强”，这是党中央、国务院在我国经济社会发展新的历史起点上所做出的重大战略部署，是时代发展的必然要求。走“两化”融合的道路，为我国成为造船强国指明了前进的方向。造船行业的“两化”融合是数字化造船与现代造船模式的完美集合。它基于企业信息共享平台,构建集成、高效、敏捷的造船模式，实现造船行业由大到强的历史变革。面对国际金融危机，企业应加强自身的信息化建设以强化应对寒冬的能力，为春天的到来做好充分准备。3.船舶制造数字化技术的内涵船舶制造数字化是以现代船舶设计制造的工程方法和管理理论为依据，以数字化技术为手段，面向船舶产品全生命周期，理论方法与应用技术相结合的技术体系。主要包含如下几方面的内容：（1）现代制造理论与数字化技术基础。如：源自日本的精益制造、成组技术、准时生产理论，以及源自美国的并行工程、企业资源计划、敏捷制造等现代制造理论，以及建模技术、仿真技术、优化技术、集成技术等数字化技术；（2）数字化基础环境。如：计算机系统及系统软件、数据库管理系统及相关技术、网络系统及相关技术、信息安全体系、信息标准化体系等；（3）数字化产品开发技术。包括在船舶产品需求分析、设计开发、生产制造等各个阶段中，为分析和解决船舶产品的设计和制造过程中的各种问题而提供的数字化的技术方法和应用工具。如单项应用技术CAD、CAE、CAM、VR等，过程管理和集成平台PDM、仿真及优化应用等。（4）数字化制造技术。包括数字化生产计划与制造执行控制、数字化工艺过程、数字化装备、数字化制造单元、基于数字化的生产系统综合集成等。（5）数字化管理技术。包括现代企业管理模式、集成化管理与决策信息系统、企业资源计划与管理系统、企业生产项目管理系统、企业间协作的供应链管理与电子商务技术、企业质量管理的相关技术及企业管理信息系统的应用实施过程及方法等。基于这一船舶制造的数字化技术体系，在船舶制造数字化的具体实施中可以看到，船舶制造数字化是以数据处理、图形图像、虚拟现实、数据库、网络通讯、数字控制等数字化技术为基础，将数字化技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程。通过对船舶产品以及造船生产和管理过程的数字化建模，以信息系统为载体，将船舶设计、生产、管理相关的思想、理论和方法融合于信息系统及数字化装备之中，辅助船舶的设计、生产、管理过程，使船舶产品的设计和生产向着自动化、精4.国外数字化造船现状作为先进制造业的强国，一直以来，美国以其在信息技术方面所具有的优势引领着数字化制造的潮流。虽然目前美国已逐步减少商用船舶的建造，在造船总量方面不如亚欧国家，但在军用舰船的设计、建造技术上仍处于遥遥领先的地位。美国将数字化技术用于核潜艇模块化建造始于上世纪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、使用性能和尺度的核潜艇。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。舰船制造数字化技术的研发和应用得到了美国政府和军方的大力支持。上世纪九十年代，美国政府和美国国防部主导制定了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（CommercialObjectModelofProducts/ProcessesforanAdvancedShipbuildingSystem）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（AFirstPrinciplesApproachforShipbuildingIntegratedProcessandProductDevelopment）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（VirtualShipbuildingConsortium）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-ShipProductModelExchangeProject）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。美国在DD21驱逐舰的建造中，采用了DD21“智能产品模型”（DD21SmartProductModel）；构建了集成数据环境（IDE：IntegratedDataEnvironment），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，有效控制了产品成本和产品质量。日本自上世纪九十年代中后期开始，在其政府的主导下日本工业界的诸多领域推广了CALS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，日本造船业已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，日本造船业界在上下游企业间的供应链管理方面推进了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。日本的三菱重工在20世纪80年代初，开发并采用完整的CAD/CAM系统及CIMS系统。2005年，在自身开发的MATES基础上，购入由芬兰设计公司开发的NAPA三维CAD系统软件，并且成功运用到大型客船的建造中。另外如三井造船：自行开发采用MACISS设计系统，并整合了Tribon船舶设计系统的部分模块。值得一提的是韩国政府早在2008年便提出了将IT融入造船的理念，其旨在于充分发挥韩国IT领域的优势，将先进的IT技术嫁接、融入汽车、造船、钢铁、建筑和医疗五大主力产业中。为加快融合速度，韩国政府在当时投入了资金706亿韩元（约7000万美元），并在五大行业中选定了31项作为国策研究课题进行重点促进。目前韩国的IT部门遵照政府“IT融入造船”的指示精神，除了正在开发防止生产现场安全事故的IT管理系统外，还在开发可以选择最佳航线、提高航行安全性能、远距离对船舶维修、保养进行诊断的智能化系统，作为战略发展项目予以资助。在此背景下，现代重工与韩国电子通信研究所合作，利用信息技术，构筑数字化船厂。现代重工作为韩国核心船厂的代表在90年代末就建立以PTC公司的Windchill为核心。开发出HICIMS集成制造系统，并全面实施。据称该系统可使平均设计周期缩短约25%、平均建造周期缩短约10%。目前，现代重工正在全面采用Tribon系统作为其主流CAD/CAM系统。并且该企业考虑将无线电通信系统进一步扩大到物质部的物流管理部门，使得分段在厂区内的位置、材料的流向一目了然，同时还可以进行分段存放管理与现场生产管理。值得一提的是韩国的大宇造船是韩国造船界Tribon系统应用最好的案例。其采用Tribon系统在实船上的应用、二次开发和CAD/CAM电子模型的覆盖程度相当高。2004年8月，该公司全面启用新开发的信息一体化综合管理系统（CI2M），公司综合效益每年可达5100万美元，据称，生产效率可提高7%-8%。5.国内造船数字化现状我国造船数字化技术与发达国家相比虽存在一定的差距，但始终紧跟先进造船国家的发展潮流。国内造船业界经过不懈的努力，目前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。从合同设计、性能计算、详细设计、生产设计、物流供应、生产计划、生产控制、质量保证、成本核算等各方面均引进或自主开发了各种各样的信息系统，并已广泛应用于船舶设计、造船生产和管理过程中，造船业的信息化明显地增强了中国造船的国际竞争能力。目前，国内主流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造船CAD/CAM系统进行合同设计、详细设计和生产设计。通过建立全船的三维数字模型和标准零部件库，使设计工作更精确、更直观，明显提高了设计速度，减少了设计差错。有部分企业已开始应用PDM系统，如引进PTC公司的Windchill系统，或国内自主开发的PDM系统等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、设计信息和制造信息的集成奠定了基础。CAD和PDM技术的应用大大缩短了设计周期、加深了设计深度、提高了设计质量，使国内造船水平有了较大的提升。在虚拟仿真领域，国内近几年不少船舶研制单位引进了虚拟仿真软硬件平台，并进行了初步应用。应用主要集中在虚拟漫游和产品展示方面，在水面舰艇建造工艺虚拟仿真方面的研究和应用则刚刚起步。在生产管理数字化方面，不少船厂从八十年代就开始了