日本数字化造船现状及未来趋势

作者：中国船舶工业综合技术经济研究院 张新龙    来源：E制造

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, ... 日本造船业从20世纪50年代末到21世纪初称霸全球半个世纪，这与日本造船企业追求创新、不断改进建造工艺、提高建造效率有根本性的关系；研究并应用数字化设计/制造/协同等技术提升产业竞争力，是日本造船业近年来采取的重要措施。 总体体而言，日本企业的数字化造船实践主要体现在三个方面，即CAD/CAM基础上的CIMS，船厂与相关实体（如设备供应商、船级社等）的供应链管理系统和CAM基础上有关切割、焊接、装配、涂装的装备自动化。 从三者的关系来看，CAD/CAM基础上的CIMS主要提供虚拟造船功能，装备自动化主要从提高船舶建造精度和效率、降低成本等角度为实际建造过程提供高效的实施手段，而供应链管理系统则是从船舶协同设计/建造的角度为造船过程提供辅助支持，提高各个环节工作流的效率。 CIMS开发现状 在CIMS开发方面，日本造船业采取了以政府为主导的自上而下的发展策略，从1985年提出造船CIMS发展构想，到2000年阶段性研究计划的结题，均由代表政府的日本造船学会提出发展路线，由日本船舶和海洋财团具体提供资金资助。整个CIMS计划的实施经历了一个对CIMS全面认识——造船CIMS辅助模型建立——基于产品模型的开发环境建立——高级CIM建立的过程。 到目前为止，各船厂已经形成较为完善的CIMS系统，即三菱重工的MATES系统，万国造船的HICADEC系统，川崎重工的KKARDS系统，住友重机械的SUMIRE系统，三井造船的MACISS系统和IHI联合造船的AJISAI系统。 此外，在CIMS发展的同时，随着网络技术的日益发展，日本政府还相继实施了CALS和LINKS计划。其中，船舶CALS研究计划重点是通过构建共同的网络系统，实现企业之间的信息共享；而LINKS计划的主要目标则是将七大造船集团的CIMS系统用网络连接起来，通过推进船厂之间的协调与合作，为虚拟企业的实现创造条件。 基于CAM的造船自动化发展现状切割成型技术方面，在上世纪80年代早期，日本船厂用数控等离子切割机替代了数控火焰切割机，提高了切割效率和切割精度，从源头改善了焊接自动化的精度。80年代后期到90年代早期，平板和型材数控切割得以普及。90年代后期的发展重点则是板材成型的数控线加热系统。 焊接技术方面，在上世纪80年代早期，半自动CO2电弧焊开始在日本船厂流行，同过去手工操作相比，生产效率得到大幅度提高。80年代后期，日本船厂实现了焊接手段机械化，机器人被广泛应用于部件、平面分段的焊接。90年代早期，随着船体双壳结构的增多，为提高平面分段的生产效率，日本船厂开始研究角焊自动化，90年代后期以来的工作重点就是曲面分段装配和户外作业自动化。 涂装技术方面，上世纪80年代末和90年代初，日本船厂涂装操作主要依赖人工。随着人工成本的上涨及作业条件改善的需要，特别是双层底结构涂装工作量的增大，日本造船企业开始研制涂装机器人。目前，涂装机器人技术将成为本世纪造船工业的一个发展热点。 船舶总体建造技术，上世纪90年代初，随着自动化焊接技术的普及，造船业开始应用片状分段建造法，并逐渐运用车载式吊车取代传统脚手架。90年代后期，开始普遍应用平面分段自动化生产流水线。 通过一系列努力，目前日本船厂的板/型材切割与焊接机械化率得到大幅提高，其中板材切割平均机械化率达到90%，最好水平达到100%。 从船舶建造各阶段所需劳动力数量来看，所耗劳动力最多的工种为焊接、装配、涂装及管舾装。其中，焊接虽然自动化程度很高，但仍在所需劳动量中占有较大比例，进一步提高效率的潜力有限，而其他工种，特别是涂装，自动化水平的潜力则还有进一步深挖的可能。 供应链管理发展现状 日本造船业认识到， 造船竞争已经不是单个船厂之间的竞争， 而是延伸至整个供应链与供应链之间的竞争， 于是， 由政府主导实施了ZoHakuWeb计划。该计划的目标就是建立一个电子商务平台，使船厂和配套厂商之间通过电子数据交换方式建立沟通，达到缩短设计周期，获得更多商业机会的目的。该计划实施历时3年（1998～2000年），并于2001年成立专门的ZoHakuWeb有限公司负责运营。截至2002年9月，已有20家船厂和70余家配套厂商加入该网站。 总体而言，日本数字化造船发展经历了一个循序渐进的过程，从不断发现问题到不断进行调整，走了一定的弯路。在软件方面，从开始的CAD/CAM发展到CIM，经过了很长一段时间摸索过程；在硬件方面，从开始开发的机器人不适用到后来的逐渐适用，其过程也比较的坎坷。但从结果来看，日本数字化造船的整体效果良好。 日本造船数字化发展趋势 从发展趋势上来看，日本造船数字化的发展方向仍主要在于基于管理效率提高的CIMS研究和特定环境自动化装配的研制两个方面。 CIMS方面，最近，日本政府为了进一步推进ACIM技术的实用化，在将该项技术列为21世纪挑战计划连续研究项目的同时，更提出了新的发展战略和措施。 自2003年以后，世界造船业迎来了前所未有的高峰期，各船厂为扩大订单，提高建造能力，在纷纷加大投资、更新设施的同时，进一步更新软件系统，以利于提高各项设计的精度和生产效率。从2005年开始，日本船厂明显加快了在设计和生产过程中采用三维CAD技术的步伐。需要说明的是，那些大型船厂开发的三维CAD技术，其详细设计和生产设计等设计流程部分，功能均十分强大，而这些技术也已为相当多数的日本国内中型船厂所使用。但与此同时，船厂自行开发系统的成本投入较大，显得不够经济，故日本造船界认为，较为稳妥的办法就是将自主开发与市场上销售的通用软件系统相结合。 目前在6大造船企业中，有3家正在采用此种方法对自己的CIMS系统进行新一轮的改造。 住友重机械决定引进目前造船界最为流行的Tribon造船系统，以替代自身开发的SUMIRE系统，争取在2006年用于分段建造和舾装工作。 三菱重工在继续使用其自身开发的MATES的基础上，购入了由芬兰设计公司开发的NAPA三维CAD系统软件，作为其初始设计阶段的软件系统，并在大型客船建造中采用该软件。 万国造船现已决定引进由日本IBM/达索系统公司提供的CATIA软件， 拟用于舾装设计。此外， 万国造船还将CATIA与船体设计采用的HICADEC系统整合成统一的三维CAD系统，并在其所属的有明、鹤舞和津3家船厂实现系统化，计划在2006财年开始统一作业，并拟在2008财年完成整个集团公司的系统化。 自动化装备方面，日本的发展重点在于激光切割装备、外场焊接机器人和涂装机器人技术等。 日本数字化造船发展的启示 日本数字化造船发展具有如下4方面的特点： （1）政府在数字化造船方面起到了主导作用日本政府非常重视数字化造船研究，相继推出的CIMS、CALS、LINKS以及电子商务、自动化设备研制等各项计划，其模式基本是政府为主导——财团出资——有关企业牵头，体现出日本政府主导产业发展的特征。 （2）数字化造船进展受外部环境影响较大 日本数字化造船研究的黄金时期为上世纪80年代和90年代，其中自动化系统研发的黄金时期是80年代，而软件系统研发的黄金时期是90年代，与整个时代的信息化发展相对应。比如，80年代受数控技术的影响，在此基础上开发了特定功能机器人，90年代受到汽车工业CIMS发展的影响，在此基础上开发了各自的造船CIMS系统。 （3）软件开发路径各异 日本造船的CAD/CAM、CIMS软件的开发方式各不相同。比如，三菱凭借自身的实力自主研发了MATES系统；IHI联合则与住友一起研发了CIMS的核心模块，再分别形成具有自我特色的系统；而川崎重工从一开始就走了一条借鉴国外现成软件——Tribon作为技术核心，并在此基础上形成了自己独特软件系统的道路。 （4）注重自动化设备的开发 日本造船业从上世纪8 0 年代开始发展数控技术始，就着眼于焊接自动化的研究，并在80年代中期进入实际生产领域，目前已经应用到了小合拢、平面分段、曲面分段、甚至船坞大合拢阶段，从而使日本船厂的造船效率一直处于世界同行业的最高水平。(end)

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