2022, Vol. 44
2. 中国船舶集团有限公司第七〇四研究所，上海 200031;
3. 中国船舶集团有限公司，上海 200011;
4. 北京审计中心，北京 100041;
5. 中国舰船研究院，北京 100192
2. Shanghai Marine Equipment Research Institute, Shanghai 200031, China;
3. China State Shipbuilding Corporation Limited, Shanghai, 200011, China;
4. Beijing Audit Center, Beijing 100041, China;
5. China Ship Research and Development Academy, Beijing 100192, China
21世纪以来，我国船舶工业实现了跨越式发展，造船完工量、新接订单量和手持订单量连续多年位列世界造船大国行列，具备了较强国际竞争力的基础优势和条件。随着计算机信息技术的进步，数字化正在改变着世界，并从根本上动摇着传统制造业的基础，船舶行业也不例外。在“工业4.0”新一轮工业技术革命和《中国制造2025》规划提出的大背景下，船舶生产建造理念已经发生了从自动化到数字化的转变，以数字化造船为核心的船舶工业信息化进程也不断加快，推动着船舶行业的产业变革和转型升级，这将是我国船舶工业大幅提升技术水平和竞争力，实现造船强国目标的战略突破口。
1 船舶数字化建造概念船舶数字化建造是以建造过程中的数据融合为基础，通过对计算机、网络通信、数字仿真等相关技术领域的有机结合，对船舶产品开发、设计、制造、管理、经营和决策等整个过程进行全面的数字化描述。具体来说，即在基于船舶产品描述的数字化平台上，建立基于计算机的数字化船舶产品模型，开展船舶设计的仿真与优化，进行船舶产品全寿期管理，最终实现船舶建造过程的数字化，如图1所示。
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图 1 船舶数字化建造过程 Fig. 1 Ship digital construction process |
船舶数字化建造过程中，数字模型取代了传统的二维图纸和文件，船舶设计信息的表达、传递、处理和控制方式都发生了根本性的质的变化。同样，船舶数字化建造过程中的设计流程、信息传递、管理方法、协同作业方式等也发生了全面、深刻的变化。船舶数字化建造的实施与应用不仅改变的是设计人员的设计、建造、维修与管理手段，更重要的改变是设计人员长期的思维方式，在某种意义上讲，这种改变将是一场船舶建造的革命。
2 国内外发展现状及趋势自20世纪70年代中期，计算机技术被应用到船舶数学放样和数控切割2个领域，船舶设计建造的数字化从此起步。20世纪80年代，计算机技术的应用逐渐向着辅助船舶设计/制造/分析 (CAD/CAM/CAE)领域拓展；90年代至今，造船强国纷纷将计算机集成信息管理系统(CIIM)、计算机集成制造系统 (CIMS)以及船舶虚拟设计和制造仿真作为重要的研究方向，开发造船数据的连续搜集与全生命周期支持系统 CALS (Continuous Acquisition and Life-cycle Support)。20世纪以来，如何实现船舶设计全数字化、船舶制造精益化和敏捷化、船舶管理精细化、船舶制造装备自动化和智能化、以及船舶制造企业虚拟化则逐渐成为发展重点。
2.1 国外发展现状及趋势 2.1.1 美国世界上发达国家在船舶数字化建造的研究和应用方面起步较早，美国凭借先进的信息技术优势引领着数字化制造的潮流，尽管美国已逐步减少商用船舶的建造，在造船总量方面已渐渐不如亚欧国家，但其在船舶数字化设计和建造方面仍处于领先水平。20世纪90年代，美国政府和美国国防部主导制定了MARI TECH计划（1994−1998年），由SHIIP，NIIIP SPARS，MariSTEP，COMPASS，FIRST，ProcessBASE，MAAST，EDI/EC，NSnet等9个工程组成，其中SHIIP和NIIIP SPARS工程概念图如图2和图3所示。借助其较强的制造基础理论和先进的IT技术，在船舶制造企业中以虚拟企业、虚拟产品和虚拟制造的全新船舶设计制造模式，实现了快速、灵活、低成本、高质量的船舶建造体系。
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图 2 SHIIP系统结构 Fig. 2 SHIIP system structure |
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图 3 SPARS概念 Fig. 3 SPARS concept |
21世纪，美国在建造新型核动力航母（CVN-21项目）时，将数字化技术全面应用在船舶设计建造直至整个生命周期的过程中。通过实施产品生命周期管理（PLM），统筹项目管理、产品数据管理、生命周期流程管理、设计协同和决策支持，实现了第1艘完全数字化设计、制造和维护的航空母舰。
2020年7月，美国国家造船研究计划发布2020年技术投资计划，包括船舶设计和材料技术（SDMT）、船舶生产技术（SPT）、业务流程与信息技术（BPIT）和基础设施建设和支持（I&S）等。其中SPT和BPIT子计划均涉及数字化造船的内容。
SPT子计划包括：改进制造工艺；增加自动化和机器人技术的应用；提高全体员工的知识和技能；新兴技术的开发和认证；数字化造船；标准、通用性和模块化。
BPIT子计划包括：数字化造船、网络安全的法规、解决方案、教育和意识；信息管理；新兴技术和业务流程。
2.1.2 日韩20世纪80 年代中期，日本造船业实施了计算机集成制造（CIM）计划, 开始了数字化技术的真正研究。到90年代中期，日本一些大型船厂在推进船舶数字化技术的实体化应用方面取得了重要进展，日本7大造船公司均开发了相应的造船计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Systems, CIMS）。随着2003 年日本造船业的重组, 形成了6 大专业化造船公司, 并陆续实施了CIMS，开始了虚拟企业（VE）连续采办、全生命周期支援系统（CALS）与三维产品全生命周期管理（3DPLM）的开发研究。其中，日本川崎重工船厂是应用CIMS系统较成功的代表性企业，其在船舶数字化建船过程中，采用了在自动化生产设计基础上，逐步建立与底层关系紧密的上层系统，然后将它们逐个集成，并在此基础上进一步对上层信息系统进行扩充，形成完整的CIMS系统。经过十几年的发展，日本造船公司已具备对包括设计、材料加工、装配、舾装等生产过程在内的各阶段信息集成能力，形成了能满足船舶船型结构开发、产品设计、生产计划与调度、自动化等方面的计算机集成制造系统（CIMS）。一些先进船厂基本上都已采用系统，实现了船舶数字化建造。
日本政府于2016年提出了“i-Shipping”理念，助推本国船舶数字化建造水平进一步提升，主要的任务和措施包括：利用数字化技术加强现场工人生产管理；减少生产过程中零部件及材料在订货、制造、交货等环节中的浪费；升级现有设备进一步优化建造流程，提升模块精度、舾装效率；加强产研结合，提高先进生产设备应用率；加强技能工人培训等。
韩国十分重视数字化技术在船舶建造中的应用，但与日本造船业的先进水平还有比较大的差距。韩国船厂在90年代开发的船舶数字化建造应用系统相当于日本80年代造船CIM系统水平。但是，韩国依靠引进日本、美国和欧洲等国的先进船舶建造信息技术，研制开发出自己的CIMS系统，有效推动了韩国船舶数字化建造进展，并取得了显著成效，比较成功的是大宇造船和三星重工。大宇造船在2004年全面启用了CIMS系统，公司的综合效益高达5100万美元/每年，生产效率提高了7%～8%。三星重工于2003年实施了船舶数字化建造计划，开发的数字化造船系统成功在虚拟环境下模拟从初始的开发阶段到下水整个造船寿命期的工艺, 并使船舶建造工艺最佳化。
当前，韩国正在积极推进智能船厂建设。2016年，大宇造船提出了“Shipyard 4.0”概念，总体建设框架如表1所示，目前取得的主要进展为开发“移动生产业务APP”并投入使用、搭建了物联网平台、实现了3D设计生产信息系统向移动端延伸、助力配套厂商构建智能工厂等。
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表 1 大宇造船“Shipyard 4.0”总体设计框架 Tab.1 Shipyard 4.0 overall design framework of Daewoo |
现代重工则加快 “Smart Factory” 建设，除工厂自动化外，在设计方面提出要实现基于3D模型的实时协同作业及生产信息共享，在生产方面提出要实现基于数据的实时监控、风险管理和协同生产等。目前取得的主要进展为构建智能工作环境、基于大数据的焊接作业优化、能源管理系统和聘任首席数字官等。
2.2 国内发展现状及趋势20世纪80年代，中国船舶工业总公司组织下属单位研制开发了计算机辅助造船集成系统（CASIS），有力促进了船舶企业的数字化进程。90 年代中后期，国内一些船舶企业开始引进国际先进的造船软件如TRIBON，CADDS5 系统，以三维设计建模技术为代表的数字化技术在我国新一代舰艇的设计和制造中得到了广泛应用。在引进国外技术的同时，国内一些船舶企业基于数字样船的仿真分析、性能评估、虚拟制造以及进一步的虚拟产品开发等方面的研究工作也已逐步展开，并取得了一批拥有自主知识产权和核心创新技术的船舶数字化软件工程产品和系统平台，如沪东中华在2005年自主开发了三维数字化船体设计系统，611所、上海船厂和708所联合开发的船舶制造三维设计系统是国产化CAD/CAM系统成功研制的表现，这2个系统已在国内数十家单位引进并使用。随着CAD/CAM 技术的深入应用，CIM技术和CIMS开始在沪东中华、渤海船厂和广船国际等造船企业开发应用。
2016年，中船集团提出“造船建模2.0”（2016−2025）（如图4所示），全面革新生产模式和管理模式，经过一段时间快速发展，成效显著。国内造船企业在基础设施、制造装备、装备自动化等方面持续优化，建立了一批先进的硬件设施；大力推进船舶“数字化”建设，实施了PDM，ERP和MES系统，实现了船舶产品的数字化设计，制造过程的生产计划、物流和质量等的信息化管控。
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图 4 现代造船模式2.0 Fig. 4 Modern shipbuilding mode 2.0 |
没有数字化就没有智能化，而要顺应未来船舶智能制造、智能船厂和智能船舶等发展趋势，就要先实现数字化。对比国外先进船舶数字化建造水平及应用能力，我国船舶数字化建造可从以下几方面进行：
1）加快实施船舶数字化体系建设
以数字化船舶产品价值为导向，有效推动整个生产理念、生产过程、经营模式的数字化变革，构建包括船舶数字化设计研发系统、生产建造系统、运营管理系统和维修保障系统等在内的数字化体系平台，实现船舶全寿命周期的数字化管理。
2）加强智能化船舶建造装备应用
加强智能计算机、自动化装备和智能机器人等智能化船舶建造设备的研制和应用，引进和研发智能生产线，逐步采用自动化装备代替人工操作机械，采用信息化设备代替人脑劳动，进而实现船舶生产建造全过程的自动化，最终达到建设智能船厂的目标。
3）优化船舶数字化平台数据集成
加强协同，打通数据流，实现数据的全流程覆盖，构建初步设计、详细设计、生产设计基于统一数据库的三维模型，让三维模型数据直接传输到生产现场，实现不同检验方的数据模型一致，提升统一数据模型下检验的效率，形成一个有机的整体。
4）普及虚拟现实技术（VR）运用
利用虚拟现实技术（VR）的感知性、存在感、交互性、自主性的特点，开发涵盖船舶整个生命周期的船舶虚拟设计系统，提供产品全寿命周期（PLM）虚拟现实解决方案，提前发现和解决船舶实际建造过程中的问题，从而真正实现船舶建造、舾装、涂装一体化和设计、制造、管理一体化。
5）打造船舶数字化人才队伍。
强化船舶制造业和数字化行业整体协作、资源共享的意识，通过学术委员会会议、技术交流等手段，加强两2个领域间企业厂商、高校和研究院所等科研合作，培养大批复合型人才，以先进的理念打造一支高素质的船舶数字化人才队伍。
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