实现船舶产品数字化和船舶建造数字化的途径

作者：中国造船工程学会 方书甲

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, ... 本文提请造船界，不但要在船舶设计、建造、管理环节中充分利用信息技术，形成数据、物资、资金在现代造船模式下的“三流合一”，提高船舶建造的水平、速度、质量、效益，而且应在船型设计、船舶动力、船舶电力、智能驾驶与安全、货物管理与装卸、数字化广域物流等方面广泛应用新型电子综合技术，提高船舶自动化、智能化的功能和性能。 船舶成为构建 数字化物流网络的支撑 船舶工业是水上交通、海洋开发和海防建设的重要支撑性产业，也是劳动、资金、技术密集型产业。造船业有着古老而悠久的历史，同时又有着海纳百川，不断吸收新技术、应用新成果，通过技术集成创新一次又一次焕发产业青春的历程。 船舶工业在第一次产业革命中成功地研制应用了船用蒸汽机，推进了船舶产业的动力革命；在第二次产业革命中成功地研制应用了船用内燃机、发电机，推进了船舶产业的电力革命。这两次产业革命使船舶工业获得了突飞猛进地发展，带动了世界航海业的飞速进步，促进了世界经济的交流和繁荣。在当今以电子信息技术为引领的第三次产业革命中，利用电子信息技术，提升船舶工业的设计水平、制造水平、配套水平、管理水平，走数字化造船之路，提高造船业的效率和效益，用新技术、新工艺、新方法建立新的造船模式，减少造船业对劳动力和大投资的依赖，以成为造船产业“古老而不衰老”，保持产业常青的重要制胜法宝。 为此，船舶工业要积极利用先进的信息技术和设备，提高船舶的通信导航、智能驾驶、机舱遥控、航行安全、海洋环保、光电传感、液货和干货安全管理、装货与卸货自动化、设备信息化改造等方面的技术水平，使承担世界最大运输量的船舶成为构建全球数字化物流网络的重要支撑。 敏捷造船 是当今造船的最高阶段 数字化造船是造船产业的重大变革，对造船产业效率和效益的提高做出了重大贡献。我国造船业在改革开放30年中，成功地经历了“经营体制”和“造船模式”的双重改革，面向国际国内两大市场，获得了造船吨位、造船品质和造船能力的跨越式提高。 2009年，中国造船企业船舶完工量达到4200万载重吨，占世界船市份额的33%，成为世界造船第二大国；根据2010年上半年造船三大指标看，成为世界造船第一大国已成定局。这一成绩很值得庆贺和总结，这一过程也将载入共和国的创业史。中国造船人有权力自豪、有条件自信，更有责任自立、有义务自强。 为此，我们应客观地总结过去，审视作为；科学地设计未来，思考发展。对照先进的数字化造船流程和方法， 总结经验， 查找不足， 发挥优势，补换短板。 现在，针对造船企业、造机企业及船舶科研、设计服务业的信息化产品很多，已经在船舶行业获得应用的信息化网络、系统、软件也很多，但归类起来可以分为三个方面： 一是数字化设计， 包括计算机辅助设计平台（CAD） ， 计算机工程仿真（CAE） 、并行和异地协同产品设计（CPD） 、多学科设计优化（MD O ） 、集成技术开发设计（PDM） 、船舶工程专用设计软件（CADDS5、TRIBON）等等； 二是数字化制造，包括计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）、计算机集成制造系统（CIMS）、数字化制造（MPM）、计算机辅助测试（CAT）等等； 三是数字化管理，包括企业资源计划系统（ERP）、产品生命周期管理（PLM）、供应链管理（SCM）、客户关系管理（CRM）、设计与生产数控管理系统（NCS）、企业知识产权库管理系统（KBS）等等。 由于这些信息产品有不同的品牌，又生产于不同的公司，对支撑的硬件和网络条件也有要求上的差异，因而造船企业在使用这些信息技术产品时，一定要根据本企业的规模、市场取向、船舶产品特点、船坞船台情况、船舶设计与建造流程、技术基础与水平，依靠熟悉现代造船模式、了解本企业建造和管理流程、熟悉计算机网络及相应系统软件的技术团队，联合进行信息化建设。造船企业万万不能只管出钱，委托一家或多家信息技术公司来推进信息化建设，而本企业技术人员只做配合、辅助性工作，因为这样做的结果往往只会是生产流程碰撞，数据流不起来，物资跟不上去，效率不高，最终用之不利，弃之可惜。 信息化建设需要很多基础工作做支撑，也需要与企业的船舶建造水平相匹配。船舶企业的生产工艺流程是数字化造船的基础，流程的合理性和优化程度是数字化造船效率的保证。例如，造船水平分五级：一级是整船建造、二级是分段建造、三级是分道建造、四级是集成建造、五级是敏捷建造，我国船舶企业之间建造水平差距较大，差的停留在一级，好的进入到四级，多数处在二级和三级的水平上。而代表船舶建造最高水平的敏捷式造船需要对材料、配套、部件、管系、模块、分段等做系统重组、统一物流代码、标准化建库、吊装及运输设备进入网络链接以及自动条码识别等，使船舶生产类同于汽车生产线一般。 大型船舶和海洋工程属于极端制造产品， 一是单件产品形体大，二是单件产品自身重，三是涉及的专业技术、材料种类、配套设备、制造工艺、半成品件、建造方式等等都很多，四是从产品接单到产品交付跨多个年度，周期长，五是单件产品金额大，六是同型号产品批量小，七是用工量大，八是建造装备、工装种类多、作业面广，使得船舶产品全生命期管理、船舶设计与建造的过程管理、船舶产品形成过程的物流管理、船舶建造中的人员与工序管理都呈现出非常繁杂的态势。 针对造船业的这些特点，只有根据不同造船水平的实际需求，转换或建立不同的造船“模式”，理清船舶建造的合理流程，配置合理的信息化装备和软件，才能使得信息化建设发挥事半功倍的效果。 敏捷造船是造船水平的最高阶段，其重要标志是数字化。在船舶产品设计阶段，除按要求出三维设计的相关技术文件和图纸外，还需要建立本产品的零件、部件、组件、分段、总段及各种中间件的条码数据库。行业标准件使用统一条码，自制件则需根据条码编制准则和规范予以编码，保持生产流程中物流与数据流的统一，也为数字化造船生产线快速识别打下基础。 在船舶建造阶段，解决自制件的余量分配与控制是实现数字化造船的关键。由于自制件在冷、热加工过程中，会产生一定公差，特别是热加工应力生的误差，会使得余量控制存在较大难度。因而，余量分配与控制必须与加工工艺流程相结合，信息化运行必须与生产流程相结合，利用数据流的透明性，在大组件或总段形成之前，消化公差，均衡余量，达到物流与数据流的吻合。如此，才能使船舶总装顺利进行，才能缩短船台周期和系泊试验周期，提高造船业的生产效率。 数字化造船需要整体策划，首先是根据船舶制造企业的船坞船台、制造分段场地、吊装运输设备、加工制作车间、室内外仓储等实际条件，以造船流程为主线，以信息化设计和管理的数据流为牵引，以围绕造船流程节点的物资流为支撑，尽量使“三流”减少磨擦，防止碰撞，形成合力。 数字化造船的主要追求是：网络服务流程、数据引导物流、精益控制效率。 数字化造船的效果是通过制造效率来体现，制造效率是通过精益造船来保障，精益造船是通过优化管理和精益物流供应链做支撑，精益物流是通过设计数据、成本预算数据、计划管理数据做引导，数据流动规则是以现代造船流程及本企业造船工艺流程为准则，船舶制造企业信息网络是数据传输、信息采集、指令分发、多种现场终端链接、多种信息库共享的平台。 想做强做大 先要分析弱在何处 中国通过改革开放30年的努力，现在已成为世界造船大国，而若想成为世界造船强国，则需要业内同志们都来认真思考、分析和科学客观地策划中国造船业的未来。 回顾我国的造船历史，或许有利于帮助我们思考和借鉴： 明朝是我国造船的辉煌时期，设计、建造的船舶从吨位、功能到性能都是当时世界最领先的，造船业支撑了郑和七下西洋的壮举，造船业构筑了繁荣经济的海上“丝绸之路”。但后来为应对倭寇骚扰而消极“禁海”，则使造船业和海运业大伤元气。 鸦片战争后，国人被列强的坚船利炮所惊醒，1862年，我国自己设计、建造的第一艘蒸汽动力小火轮“黄鹄”号在安庆诞生；1888年，我国自己设计、建造的第一艘潜水艇在塘沽建成；1867年，江南制造局船坞和船舶制造厂成立，为制造舰船开拓了新局面，先后有福建马尾、广东黄埔、天津大沽、辽东旅顺等船坞加入到中国造修船行业。但由于船舶配套设备和材料及舰船武备完全依靠国外，船价昂贵，技术对外依存度大，一段时期后就被国外引进舰船所取代。 民国时期，中国船舶工业在战乱之余开始新的创业，江南船坞和船舶制造厂进入公司化运作，1918年达到可以承接制造美国政府4艘1.475万吨远洋运输舰的水平，1921年这些船陆续履约交船，成为中国造船业的一个里程碑，在中国工商界和海军内部引起极大反响。但这4条船技术设计和配套设备、建造材料仍主要依靠欧美（其中3668马力蒸汽主机由江南所自制），建造中的技术人才也依靠外国和留学归国人员。而后来的军阀混战及日本侵华战争则阻断了造船工业进一步发展的道路。 新中国成立后，经过工业化改造和调整，国家认识到，船舶工业的发展需要较为完整的工业体系，并由此加强了船舶工业的基础和配套建设，加强了人才培养。特别是改革开放以后，中央政府指导船舶工业走向国际市场，引进、消化、吸收，提高船舶设计、建造水平，使中国造船取得了巨大进步，完成了单条船吨位从几万吨级到40万吨级的跨越，完成了年交船吨位占世界3%份额到35%份额的跨越，2010年，中国更在造船吨位方面排名世界第一。但与此同时，我们也应该清醒地认识到，第一大国与第一强国差距很大，中国造船业需要数字化技术引领，需要补换好船舶配套这只“短板”，需要坚持工业体系优化和船舶科研、船型开发、技术集成等的不断提升。 应用数字化技术 进行集成创新 笔者认为，实现船舶产品数字化和船舶建造数字化，应该从以下几个方面加速“补课”、努力追赶、发挥优势、大胆创新。 1）建立国内船舶性能和结构数据库，认真消化、研究船舶共同规范并作统一量化处理，借用“电脑”做功能和性能比对，提出主力船型的优化方案和新船型开发方案，形成几种典型的中国品牌特色船型。 2）利用网络，加快对世界造船新技术、新动向的了解，让我国船舶标准全面与国际接轨，努力探索，在制定国际标准方面争取话语权；动员力量，在消化吸收的基础上，研究开发集成度高的综合优化软件系统、船舶三维设计软件系统等，造船业，强要强在设计领先上。 3）加强国内外联合，在CAD的基础上，加快船舶性能试验的各种传感器应用和计算机辅助测试（CAT）建设，发展实船与船模性能相关分析技术、减振降噪技术、特种焊接技术等，获取精益开发需要的支撑数据。 4 ） 增补和完善船舶内外网络功能，为经济全球化提供支撑；结合集装箱电子标签技术应用、液货数字计量和液面测深雷达技术的应用、散货重量和体积精确数字计量方法的应用，并以船舶、港口码头、航线的数字网络及吊装设备的电子识别技术作支撑，做到物流数据透明，大大提高物流周转率。 5）利用理化数据分析技术，对不同海域海水水样进行分析，形成世界不同海域海水成分含量谱，逐步建立海水含量分布数据库，为压载水处理工艺和设备制造提供决策方案选择，按环保公约要求，提高压载水处理的效果并降低处理成本。 6）为维护经济大通道的安全，长期以海军护航编队为远洋运输船队护航不一定是经济的办法，依靠提升远洋运输船舶和沿途协约防卫组织对海盗的防卫能力是最根本的方式，一是以卫星监视运输大通道的态势，二是设置沿途光电自动监视中继塔站，三是在部分大型远洋运输船上装备地波雷达，及时发现海面小目标，这些信息既向登记在航相关船舶通报，又向相关协约防卫部门通报，形成沿途支援防卫力量；在船上适当改装或增设非杀伤性设施，如在不影响左右舷侧推工作性能的前提下，加纵向转动板，配合主推和侧推造波造浪，使海盗船不能接近大型远洋运输船，甚至掀翻小海盗船；再比如在甲板合适部位加装数字声干扰器或“致盲”光发送器，造成非法侵入甲板的海盗临时性失聪或致盲，干扰或制止他们的侵权犯罪。 7）船舶节能需要通过多种手段来实现：其一是动力主机的控制逐步向智能化方向发展，其二是机舱控制逐步实现自动化，其三是推进轴上剩余功率利用向电气化发展，其四是逐步发展船载自然能源作补充能源。但动力主机转速、船舶航行速度与所在海域的风、浪、流、波、潮汐速度、方向、冲击力大小等相关参数相互影响，与船舶耗能是紧密相关的，如何使它们达到最佳耦合，使船舶航行既安全又节能，需要多种传感器数据和专用功能计算机来完成。这是数字化船舶的重要体现。 8 ） 国际上自动船桥已进入第四代，这是信息电子技术在船舶产品上的综合应用，从导航、海图与驾驶的功能结合，到目前的卫星加雷达导航、电子海图生成与识别、机舱监测、遥控与无人化、参数传感与设备监测、远程网络通讯与内部语音、数据、图像一体化传输、部分物资储运条件集中监控等都属于这类技术，在航行的船桥驾驶舱中，通过观看信息大屏和仪表，既能了解航行态势，又能了解船舶运行状态，使得大型船舶驾驶就象自动挡汽车驾驶一样方便。自动船桥目前已成为数字化船舶的重要标志，但中国作为造船大国至今还未研制出国产的、能够满足远洋船舶使用的自动船桥系统，我们必须正视！我们必须奋起直追！ 数字化船舶需要数字化理念作基础、需要数字化技术作支撑、需要配套设备的自动化和智能化来体现。我们应该通过加大船舶配套业的投资、船舶配套基地的建设、船舶配套科技的广泛联合、船舶配套技术的引进消化和吸收，以及系统技术集成和自主开发创新等手段，在中速机、低速机、大型曲轴、电站工程、通讯导航、传感集控、高效推进系统、遥控阀门、机舱与船桥自动化、装卸货自动化、高效高质环保等装备的研发、提高、优化上狠下功夫。加大联合开发力度，继续提升船舶配套能力，促进中国数字化船舶发展迈向更高的水平，早日使我国船舶产品显示出高品位、高水准、高质量。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (4/20/2011)