数字化造船的定义与衡量标准

作者：江南造船集团 胡可一

欢迎访问e展厅 展厅 7 船舶/港口设备/海洋工程展厅 游艇, 橡皮艇, 港口起重机, ... 数字化制造中一个非常重要的概念是计算机集成制造系统CIMS。尽管CIMS在我国863计划的基础上，通过十多年的研究与应用实践并结合中国国情，已将其引伸出了更深层次的含义——现代集成制造系统，但数字化制造和CIMS的真谛是继数字化设计实现后用数字化技术来改进制造技术。 就造船行业而言，数字化造船是以20世纪70年代中期计算机技术应用于数学放样和数控切割两个领域起步的；80年代初，随着计算机技术的发展，计算机辅助船舶设计和制造（CAD/CAM）技术才使计算机的应用从数学放样向辅助船舶设计和制造领域拓展；到20世纪90年代初，在造船行业内计算机技术的应用逐步上升到了CAD/CAM和信息技术进行整合的层面。 在船舶制造设备方面，也从最初的数控切割发展到了数控弯板、数控弯管、机械手/机器人装配/焊接、机器人涂装等，但将造船行业和汽车、机械制造行业整体相比较，可以看出即便是在先进的日、韩船厂，造船仍然是劳动力密集型产业，由于制造数字化、自动化的高投入和低成本劳动力相比难以平衡，在船舶建造过程中的集成度、自动化程度以及数字化程度还是相当低的。因此，造船行业要实现传统意义上的数字化制造和CIMS，特别是在用数字化技术来改进制造技术方面还有相当漫长的路程要走，鉴于造船行业的特点，对数字化造船赋予更贴切的含义以及分析其衡量标准就显得十分重要。 数字化造船的定义和衡量标准 数字化造船的定义 数字化造船是在计算机和网络技术与新概念的船舶建造技术以及先进的船舶建造设备/设施不断地融合、发展和广泛应用的基础上诞生的，其中三个主要组成部分为： ①数字化设计船舶——CAD/CAM/CAE等主体技术的广泛应用； ②数字化管理造船——CAPP、PDM、CMIS等船舶建造信息支持系统的全面建立； ③数字化建造船舶——数控制造技术和与其配套的船舶建造设备/设施的普遍采用。 数字化造船的衡量标准 根据上述数字化造船的三个主要内涵，那么用什么标准来衡量船厂数字化造船的程度呢？从船舶建造的阶段和关键流程来看，数字化造船三个主要组成部分的适用性可用表1来表示： 对应于上述船舶建造的各个阶段和关键流程，以下分别对数字化造船的三个主要组成部分的衡量标准进行分析。 CAD/CAM技术的应用程度 船舶行业数字化开展得最早、最成功的是CAD/CAM领域。船舶设计方面的数字化经历了二维绘图、半三维（线框）建模、实体电子三维产品建模和船体部件生产线紧密集成的三个阶段，在船舶行业实体电子三维产品建模最具代表性的软件是瑞典Tribon Solution AB所开发的TRIBON造船专用软件。 国内的主要船厂和设计院所已经大规模引进了CAD/CAM 系统，如TRIBON TB5 和后续版本M1/M2/M3、 PTC-CADDS5、CATIA和NAPA Steel等以及一些外挂在通用CAD系统上的专用模块；这里必须要指明的是作为替代图板的通用CAD系统不在本文的讨论范围之内。 船体全船的三维电子建模，解决了结构出图以及一系列的工艺信息处理问题，取消了手工放样，并实现了自动套料和切割指令的输出，结合船厂的建造工艺特点，国内一些船厂在三维电子建模领域突破了一些关键的技术难点：如高精度的复杂曲面线型光顺、扭曲纵骨的建模定义、各种对合线的添加焊接补偿的实现等等。 机电综放的三维电子模型和出图，应用三维建模软件完成全船机电综放所需的全部设备建模并出布置图，管系的放样、出图、材料汇总和编制托盘管理表的全过程都集中在三维建模软件中，同时按照中间产品集成制造的要求，重点研究了各单元及功能模块的通用性和适应性，建立和储备了部分单元及功能模块档案数据库，达到简化设计、提高效率的目的。与此同时，在风管设计技术、管子支架、铁舾装的全面应用三维建模软件上都取得了突破性的进展。 因此，CAD/CAM的应用程度主要以围绕下列CAD/CAM系统中三维电子模型以及和相关联的数据库的要素来衡量： 电子模型的完整性：船舶设计过程中所建电子模型的完整性是衡量“数字化造船”的重要因素，同时也关系到CIMS和PDM系统从电子模型中抽取数据的完整性，从而关系到CIMS和PDM系统能否有效的运作；电子模型完整性的度量可以从电子模型所覆盖的数据、信息和图纸的所需工时当量进行量化； 电子模型的可维护性：船舶有其鲜明的特点，通常是单个、小批量产品，边设计边建造，电子模型的维护和修改几乎贯穿了船舶设计、建造的全过程，在整个过程中不断完善修改，最终和完工的船舶一起成为“As Built”的电子模型，因此，其可维护性是十分重要的； 电子模型的可靠性：电子模型的可靠性对船舶的建造质量和进度是至关重要的，虽然CAD/CAM系统通常有一些保障电子模型可靠性的手段，但可靠性的验证Verification and Validation (V&V)和其完整性一样也是设计过程中一个关键的环节。 CAE技术的应用程度 国内的主要船厂和设计院所在引进CAD/CAM系统的同时，也大量引进了CAE软件，如：MSC Nastran，ANSYS等分析软件以及Fluent，ShipFlow等CFD软件；除此之外，船级社也开发了对应其规范的结构设计软件，如：ABS SafeHULL、BV VeriSTAR Hull、CCS CCSS、DnV Nauticus Hull、GL POSEEIDON ND、KR SeaTrust-Holdan、LR ShipRight、NK PrimeShip-HULL等 这些结构设计软件在许多船厂内也被作为船体结构设计的标准工具使用，这些结构设计分析软件通常包含有波浪载荷计算模块和FEM求解器或接口。CAE的主体技术是它的分析计算核心（Solver），CAE主要应用于项目前期或局部分析。对于上述CAE的应用，船舶设计和建造主要是采用它们的计算分析结果，CAE和CAD/CAM之间的数据是互相独立的。仅仅在数值解析和仿真层面上的CAE应用不能理解为数字化造船。 在常规的数字化制造的概念中，十分强调CAE在制造过程中的应用，但由于造船有其特殊性，在船舶建造过程中CAE的应用程度相当低，随着船舶建造过程中自动化和机械化程度的不断提高，数字化生产技术的应用程度的日益提高，建造过程中对计算机技术支持的依赖也越来越强，在此层面上的CAE应用变得十分重要。 日本造船界已经清楚地认识到这一点，2001年至2002年间，由日本造船研究协会SR246研究部会等对CAE为主体的数字化生产技术在造船现场的应用进行了研究。诸如：焊接变形的推算、板材弯曲成型、肋骨弯曲成型、中组立作业精度管理和补偿量、分段搭载作业的数值化推算和模拟等。 因此，采用CAE为主体的数字化生产技术对造船所采用的工法、工艺和外部条件的假定等进行评估、推定是衡量数字化造船的关键标准。 CAPP、PDM、CMIS信息支持系统的全面建立 CAPP和PDM作为数字化生产技术中二项最重要的信息技术支持系统，若将其应用到造船行业，其内涵又将进一步加深： ● CAPP（计算机辅助生产流程规划）是船厂信息化建设中联系设计和生产的纽带，同时也为船厂管理部门提供相关的数据， CAPP技术为船厂根治“信息孤岛”痼疾提供了可行的解决方案，真正做到变“会议驱动”为信息驱动；造船的生产流程规划（CAPP）含建造方针策划、装配流程设计，是优化配置企业资源、合理编排生产工艺流程的一个重要环节，它是造船生产准备工作的第一步，也是连接设计与制造的桥梁，同时CAPP技术有向两端发展的趋势，向上扩展为生产策划最佳化及作业计划最优化，作为ERP的一个重要组成部分，并为ERP提供所需的技术资料，向下扩展为形成NC控制指令以及各个层次的作业指导书； ● PDM（产品/项目数据管理）是船舶企业实现设计部门和其他管理部门联系的桥梁，PDM技术主要是解决企业技术部门产品设计全周期中的技术文档以及电子模型数据的管理和再加工及利用。船舶行业的PDM主要用于有效管理船舶设计建造过程中各个方面涉及的各种信息、各种文件格式的文件、图纸、单据、报表等等，这些数据可随时通过运行在网络上的各种信息平台应用于与船舶设计建造相关的环节中去，供不同的人员共享。 CMIS是ERP系统的初级阶段，一般基本的ERP系统根据企业的管理分成5大部分（财务管理部分、生产控制管理部分、物流管理部分、人力资源管理部分、项目管理部分）共9个模块（财务管理模块、生产管理模块、质量管理模块、工厂管理模块、销售管理模块、采购管理模块、库存管理模块、项目管理模块、人力资源管理模块）。ERP技术在现代造船模式转换的过程中起到了核心作用，现代造船模式所必须要求的：设计、管理的编码化、标准化、托盘化和电算化；计划可控、质量可控、安全可控、成本可控和效率可控的目标都要建立在企业本身具备了一个比较完备的“企业资源管理系统ERP”的基础上。 上述三个系统的建立和实施的完善程度体现了造船管理的全过程中数字化的覆盖程度，是衡量“数字化造船”的标准之一，但要量化衡量评估难度较大，通常采用问卷式专家分项评估的方法。日本造船研究协会曾经采用过这种方法对日本造船的数字化水平进行过评估。 数控制造技术在船舶建造设备/设施中应用的普及程度 通常数控制造技术在制造设备/设施/生产流水线中应用的普及程度是衡量数字化制造的一个重要标志，CIMS的原始定义很大程度上以计算机和数控制造技术支援下的集成制造为主题，欧洲一些中小型船厂曾经引入这种自动化程度很高的集成制造理念，虽然能大幅度提高效率、节约劳动力，但其高昂的初投资和较低的投入效能比，最终在和日、韩、中船厂的竞争中败下阵来。 若将船舶行业和汽车、机械制造行业整体相比较，可以看出即便是在先进的日韩船厂，船舶建造单个、小批量和部件的大体积决定了造船仍然是劳动力密集型产业，船舶行业产业重心的迁移也说明了这一点。船舶建造过程中的集成度、自动化程度和数字化程度还是相当低的，船舶行业数字化的进程还有相当漫长的路要走，同时其投入产出比也不得不考虑。 在船舶建造方面，近十几年来也从数控切割发展到了数控弯板、数控弯管、机械手/机器人装配/焊接、机器人涂装等，但整体自动化程度仍然比较低，一般造船的生产线也是非“包容式”的，因此，数控制造技术的普及程度应主要以在船体部件和管系舾装件生产制造过程中对CAD/CAM数据的直接应用程度（即：信息流对生产设备和设施的驱动）来衡量。 “数字化造船”是当前我国造船行业一个非常热门的话题，虽然造船行业在CAD/CAM/CAE应用方面有了长足的进步，也开始建立了CAPP、CMIS、PDM为主体的船舶建造信息支持系统，但由于船舶产品体积大、批量小、边设计边生产等特性，造成实施自动化、数字化生产的投入产出比很大，这就严重制约了造船行业实现数字化制造的进程。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/25/2006)