2024, Vol. 46
2. 中远海运重工有限公司，上海 200135
2. COSCO Shipping Heavy Industry Co., Ltd., Shanghai 200135, China
船舶建造是我国的支柱产业之一，是保障航运和国家安全的重要产业。2023年1–11月，我国造船完工量、新接订单量、手持订单量分别占世界市场份额的50.1%、65.9%和53.4% [1]。船舶等海洋装备对维护国家海洋权益、加快海洋开发、保障战略运输安全、维持能源安全、促进国民经济持续增长、增加劳动力就业具有重要意义[2]。本研究所称船舶海工包括海洋工程装备和海洋船舶。
船舶海工生命周期内设计阶段至关重要，此阶段决策会显著影响后续阶段。此外，与未来阶段的变更成本相比，设计阶段的变更成本可以忽略不计。因此，适当管理设计过程至关重要。设计管理是规划、组织和管理设计过程以满足某些既定目标的学科，其需要实施集成管理系统和可视化管理工具以优化该过程[3]。
船舶海工往往是参考以往设计的母型船资料，结合不同客户的需求进行修改，设计建造过程中也会根据客户需求而更改设计，因此对产品数据和设计文档资料的保存质量、可获得性以及查询方便等提出了更高的要求。产品数据管理是制造业数字化等其他信息化建设的基础[4]。以产品为核心，以信息技术为基础的产品数据管理，实现对产品相关的资源、过程、数据一体化集成管理，实现“合适时间，将合适的信息，发送给合适的对象”[5]。
随着制造行业竞争越来越激烈，船舶海工行业逐步采用精益理论和模式。精益理论包括精益设计、精益生产等。要根据数据不断提升改进，否则无法实现[6]。采用工业 4.0 技术可以在多方面提高绩效 [7]。现有市场上的协同设计和产品数据管理系统不能很好地匹配船舶海工企业推行的精益设计流程，如要匹配需要花费较大的成本和时间。
目前对协同设计单个技术研究较多。史琪琪等[8]进行了邮轮多专业协同设计交叉关键工作研究。苏绍娟等[9]对船舶并行协同设计平台功能构建及实现进行了研究。Lee等 [10]开发了船舶技术信息管理系统，以积累、管理、共享和利用数据。Shin等[11]提出了数据增强方法，通过互联网建立CAD数据库。朱佳文等[12]针对计算书编制流程复杂的问题，提出一种新的基于产品数据管理的计算书自动生成系统。Iakymenko等 [13]指出工程设计变更管理应集中在变更控制、知识管理以及支持设计变更管理流程的IT解决方案上。
随着行业数字化转型的深入和精益设计制造的推广，面向产品全生命周期的精益协同设计有较大的研究空间[14]。精益专注于减少浪费、优化流程和考虑高度定制系统的生产。经在中国知网查询，国内研究船舶海工精益设计流程和信息系统的文献非常少，发现的个别研究如文献[15]基于理论和多个案例研究概述了海事精益设计方法，旨在将设计过程转变为可衡量的精益过程，并能够解决多个改进领域。可见系统性的船舶海工精益协同设计研究不足。
本文在协同设计相关文献研究基础上，提出船舶海工企业协同设计信息系统的建设目标和总体架构，并在案例企业进行自主开发实施和验证，总结出满足精益设计制造需求的船舶海工建造企业协同设计系统的开发和实施最佳实践，弥补目前船舶海工企业精益设计信息系统研究的不足[16]。
1 研究现状及系统应用情况 1.1 造船精益思维精益生产源于丰田生产系统（TPS），其主要基于2个概念：通过消除一切形式的浪费（那些不会给产品增加价值的东西）来降低成本和充分利用工人能力。精益采用基于流程的观点，重点关注价值流。精益的原则是：1）从客户的角度识别价值；2）确定每项产品或服务的价值流并解决所有浪费的步骤；3）使产品或服务持续流动并围绕最佳实践标准化流程；4）在不可能连续流动的所有步骤之间引入“拉力”；5）力求完美[17]。
Liker和Lamb提出了造船工业中精益制造（LM）实施的模型。其以干船坞的船为中心的模型表明，由4个主要要素支持的学习型组织思维将提供世界级造船作业的最终目标。该模型表明，如果这4个元素中的任何一个（及时；价值链集成；内置质量；稳定的船厂工艺）缺失，这艘船不太可能在时间表和预算内建造[18]。造船中LM实施模型预期结果是提高最终产品质量，缩短生产交货期，改善对客户和供应商的形象，消除返工，改进材料管理体系等[18]。真正精益和 TPS 的2个关键原则（“尊重人”和“持续改进”）以及由此产生的主要元素和思想，其中包括团队成员参与标准化和有效系统解决问题的重要性[19]。
1.2 整合精益造船和工业4.0德国人工智能研究中心创新工厂系统 （IFS） 部门表示，智能工厂或工业 4.0 有4个推动因素：智能产品、机器、规划者和操作员。现有文献回顾，强调了工业4.0系统及时收集和传播信息的组成部分，可用于整合精益和工业4.0的共同成功[7]。
研究证实精益制造被评为最有利于造船的方式；研究同样证实工业4.0对造船行业有以下好处：允许共享无形资源，如能力、专有知识、隐性知识；高效的基于计算机的技术和交互性，让客户参与设计和生产的过程；制造计划和精益优化建模；部署布局建模和修改，提高整体设备效率，整合虚拟现实技术进行员工培训等[20]。
1.3 协同设计和精益设计概念美国设计管理协会（Design Management Institute）定义设计管理为：“以用户为中心，对信息、产品和环境进行开发、计划、组织和资源支配”[21]。协同设计系统主要将多个企业或者部门联合起来，采用基于信息和互联网技术的协同设计方式，让设计人员通过不同时间段协同进行设计并完成任务[22]。
在精益设计的背景下，不充分的设计解决方案造成了大约70%～80%的所有价值和浪费。为了提高竞争力，船舶海工企业需要从开始就设计一个精益产品，因为 “设计”是产品真正成功的主要成分[23]。
精益设计方法基于精益思维原则，旨在应用精益生产原则促进在生产制造过程中消除废物和非增值活动[23]。精益设计通过考虑设计变更、信息流和价值生成，通过减少信息使用前的时间、检查信息符合要求的时间、修改信息实现一致性的时间以及将信息从一个设计贡献者传递到下一个的时间来减少浪费[24]。精益设计管理具有三大功能：设计系统设计、设计系统运行和设计系统改进[25]。
虽然精益产品开发作为精益设计的重要组成，具有更高的变异性和不确定性，但文献表明，成功实施精益产品开发至少有3个重要的优势：改进开发性能；提高制造和加工效率；建立一个精益企业结构[24]。学者提出了3P（生产、准备、流程）精益设计流程，鼓励所有关键利益相关者在设计流程的早期进行协作。利用精益工具包来帮助最大限度地提高质量、最大限度地降低成本并避免未来出现问题[17]。Herrera等[26]提出了建设项目设计阶段精益设计管理（LDM）的19条实践，其分为3个主要类别：利益相关者管理、规划和控制以及问题解决和决策。同时提出了调查问卷，以评估项目层面每种实践的实施程度，并定义了5个级别的LDM实践分类。
2 协同设计系统总体原则和架构 2.1 协同设计系统应用现状国内船舶海工设计绘图和三维建模的信息化方面，使用包括法国达索、美国 PTC、英国AVEVA、中国东欣的产品；在产品数据管理（PDM）方面区别较大，市场有德国西门子、PTC、法国达索等，也有国内船舶企业自己开发的产品。采用 PDM 技术已成为制造先进技术的主流和发展方向。韩国大宇、现代公司及美国Ingalls、Newport News船厂等均在此方面加大投资[4]。欧洲最大的军用船制造厂DCN为进行欧洲第一艘全数字化护卫舰的设计，总投资 1200万美元购买了PTC的PDM产品[4]。
韩国和日本等船舶海工企业在日常运营中，非常重视数据采集和总结工作。日本大阪船厂对员工的评价标准是“数据、常识、良心”。船舶海工企业需要做到数据管理三大关键环节的基本内容及方法，即数据收集—处理—分析；理解数据管理精髓并形成数据管理循环的基本规律，即形成“实际数据—标准数据—计划数据”的不断循环和迭代；做好数据积累工作，在船舶海工企业逐步推进建立精益制造模式，并不断优化改善[6]。
船舶海工行业复杂程度和多样性是其他行业不能比拟的，其囊括了制造行业的各个领域，如机械、电气、结构、能源等[27]。但与其他先进行业和企业相比，船舶海工企业的信息化整体水平距离精益制造模式需求还有较大的差距，主要体现在[28]：1）缺乏一体化、集成化的设计数据管理系统，设计深度及内容有待完善；2）数据和零部件的编码缺乏或不统一，不能进行有效数据管理；3）设计变更、协同、审核等流程管理水平直接影响了整体效率的提升。
2.2 结合精益理念的系统规划工业 4.0 和真正精益之间的概念关系模型（见图1），一家公司通过使用信息与通讯（ICT）技术来实施工业4.0，极大地增强了流程可视性，使企业能够提高绩效。实时流程可视性可以加快问题识别和反应速度，但无法防止问题再次发生[19]。真正精益说明了 TPS 的基本思想，尤其是防止问题再次出现的动力，这使得标准化变得至关重要。但当团队成员无法执行标准化工作时，需要安全地让别人知道他们有问题，因此要有一个系统来响应，这便是信息系统的主要作用[19]。
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图 1 工业 4.0 与真正精益之间关系的概念模型[19] Fig. 1 Conceptual model of relationship between Industry 4.0 and true lean |
丰田在其“尊重人的关键原则”中所体现的以人为本的理念，是基于“经济理性”，有助于促进信任，并使丰田能够维持基于标准的文化，该文化的主要特点是员工坚信问题再次发生是不可接受的。这使得解决问题的活动能够识别，并消除根本原因（通过根本原因分析）。消除问题的原因涉及到改变人的工作，因此会导致标准化工作的改变，达到防止问题再次出现，这是 TPS 和真正精益的基础。TPS 操作方面的核心特征起源是八步问题解决法，也称为丰田商业实践 （TBP）和标准化工作[19]。
2.3 船舶海工协同设计系统总体架构鉴于船舶海工设计人员工作在不同地点，跨不同单位主体，为了解决不同行业周期船舶设计人员结构性富裕和结构性短缺的矛盾，需要构建跨企业跨地域的异地协同设计信息化系统。
如图2所示，系统建设总体目标为助力企业实现以设计为龙头牵引船舶海工建造业务数字化转型。
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图 2 船舶海工协同设计系统总体架构 Fig. 2 Architecture of ship and offshore engineering collaborative design system |
1）构建综合集成的协同设计平台，服务于基本设计、详细设计；并延伸至生产设计，开展面向智能制造生产线的数字化工艺设计研究及应用，实现与设计软件等系统无缝集成，通过业务流程再造推进精益设计理念和流程的采用。
2）建立船舶海工数据库，收集分析设计、生产等不同阶段以及船舶海工营运数据，为后续项目精益设计和智能制造提供支撑。
3）搭建虚拟化桌面协同平台，进行技术架构和系统安全研究通过虚拟化技术，搭建一套云桌面系统，供异地进行二维/三维设计使用，助力企业分散的设计资源形成合力，实现提高设计效率、缩短产品研发周期、提高数据准确。
图中箭头表示数据信息流通过建模技术创建数据，数据首先用于生产环节的智能制造。也可以用于预留的将来训练具有适当机械特征处理的人工智能方法，人工智能方法可以结合实验数据发现新的机制（即数据驱动发现）。其他箭头代表一个反向循环机制，通过数据收集、以及利用工业4.0等大数据分析和人工智能技术（如机器学习），整理创建更多数据，数据可以用于校准和验证模型，反馈回前端的基本设计、详细设计和船型开发等。同时，随着工业4.0技术的发展，人工智能将来使科学驱动的船舶海工过程自动建模、自动设计和自动检查等成为可能。
3 系统开发和研究前述研究明确了船舶海工协同设计的相关理论和总体规划，研究成果在CA公司进行了应用验证。CA公司通过自主开发实现了相应功能需求。
3.1 系统功能CA公司对船舶建造协同设计和产品数据管理信息系统功能需求包括数据管控、数据采集、数据治理、数据同步；以及包括流程管理、权限管理、图文档管理、设计变更、设计意见、厂商设计协作等各模块的功能和流程。平台由设计协同管理、船型数据库、终端客户机虚拟化系统3个业务模块构成，并预留后续进一步拓展的接口。
3.1.1 设计协同与管理研究船舶设计作为船舶建造产业链上极其重要的一环，建立一个实现项目间和异地间的工作统一安排的信息化设计管理平台以适应时代的发展趋势。研究实现了基于精益设计理念的设计项目管理、工时管理、设计检图和协议、变更管理等精益设计流程（见图3）。开发的协同设计平台实现了相应功能，具体包括船舶要目、设计检图、设计协议、设计工时管理、台账管理、船东船级意见管理和系统管理等14个模块。
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图 3 协同设计管理模块和流程 Fig. 3 Collaborative design management module and process |
船舶要目主要包括船号、船型、船东、载重吨、建造状态等。设计检图包括设计者设绘的图纸提交审核审批并签字存档的系统管理；设计协议包括设计部门各专业内部协议及跨专业科室的协议签字审批系统管理；设计工时管理包括设计者登记实动工时提交审核审批并进行工时汇总报表展示等功能；台账管理包括详设图台账上传，出图台账报表展示及船东船级台账状态跟踪等；船东船级意见管理包括设绘者对需要船东或船级送审的图纸进行送审、退审意见处理并审批的功 能，直至意见关闭；系统管理包括用户组织机构人员，角色管理及权限管理等。
3.1.2 产品数据管理研究与应用案例研究企业已经建造交付数百艘各型船舶海工项目，其中很多项目的性能参数达到国内和国际先进水平，将这些船型数据资料收集汇总成一个数据完整、准确、检索方便的综合数据库，对提升案例企业自主船型开发能力具有重要意义。通过对设计、生产等不同阶段数据的收集分析方法、复杂数据分析和处理方法、数据对比分析等技术方案进行研究，形成建立船型数据库的方案，为船型数据库的开发奠定技术基础。研究形成了船舶全周期数据收集、管理及共享的方法；以及数据库架构和字段等内容。结合这些研究开发的船型数据库，可以采集CA公司设计和制造环节产生的物量、工时等信息并及时反馈到各环节，供基本设计和经营报价等前道工序使用[4]。研究和开发具体实现了以下功能（见图4）。
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图 4 船型数据库结构示意 Fig. 4 Schematic diagram of ship type database structure |
1）船舶全周期数据收集、管理及共享的方法。从合同前期的报价设计、性能预估、物量预估等信息管理，详细设计和生产设计阶段的设备、物量、3D模型等数据信息，以及航海试验数据及后期营运数据信息的管理和共享；通过不同先进技术提高数据采集的效率；实现全周期内数据的完整性和可靠性。
2）设备数据库。设备数据库是用于组织和管理数据的必需工具，可以提供准确的设备模型数据提高建模效率，可以为设计方提供设备的参数信息以便快速进行设备选型。
3）船舶数据分析与处理。船舶数据的分析和处理是非常重要的环节，能否通过合理的分析提取，得到优化的数据结果，是数据库建立的主要目的之一。根据不同的设计阶段需求，船厂生产建造需求以及对航运公司的需求，提取分析出优化数据及报告。
3.1.3 客户端虚拟化及异地协同研究与应用在船舶协同设计方面，传统的异地数据协同模式（如AM GLOBAL），数据管理相对繁琐，不仅对协同双方的作业分工存在限制，而且难以实现双方数据的实时共享。基于本项目对超融合架构、桌面虚拟化系统、GPU 虚拟化技术的研究，构建基于桌面虚拟化的异地协同系统，部署云终端系统。云终终端系统采用“集中计算，分布显示”的架构，通过虚拟化技术，将所有办公PC的运算合为一体，在服务器端进行集中处理，员工采用云终端设备，仅负责输入输出与界面显示，不参与任何计算和应用。
云终端技术在船舶设计中的应用，为设计研究院和各企业开展异地协同设计，实现协同双方同时在同一个数据库下作业，且能够满足协同双方灵活划分作业任务的需求，实现协同双方的实时数据共享，方便协同作业的高效进行。
最关键且最具创新的技术是显卡虚拟化技术，这一技术可以将服务器端显卡虚拟化池中的GPU 资源进行按需分配并提供给用户使用，而用户端并不需要传统的图形工作站或高端显卡，而只是用普通的终端设备即可享受高性能的显示资源，从而实现三维设计。用户最终可以使用云平台提供的三维设计虚拟桌面来完成三维及二维等各种设计工作。
3.1.4 面向智能制造的数据融合研究与应用基于案例企业已经建成投产条材机器人生产线，研究数字化设计系统与条材机器人生产线控制系统的融合，使数字化设计三维模型及加工工艺数据可以直接传输到智能制造设备。过程中，主要完成以下研究并在现场应用实现。
1）面向智能制造的数字化工艺设计（CAPP）研究和应用。研究CAPP软件研发与应用，支撑从设计系统（Tribon M3/AM12）中抽出数据至制造执行系统（MES），以及满足FA关联系统的工艺数据要求，以驱动型钢/条材切割机器人和先行小组立机器人进行型钢/条材的切割加工和先行小组立以及小组焊接智能化、安全、有序作业。
2）面向智能制造的数字化工艺仿真技术研究和应用。生产过程的仿真对现场的加工过程更有借鉴意义，研究切割路径仿真、分段装配仿真、弯管作业仿真，在计算机中进行生产现场的加工工艺进行，有效避免加工数据错误对智能设备的损害，便选取最优化加工工艺方案，减少返工作业。
面向条材机器人生产线的数字化设计研究经使用验证，数字化设计三维模型及加工工艺数据可直接作用于生产线加工工位机器人，进行写字、划线、切割的作业，并满足作业精度的要求。提高了生产效率，降低了劳动强度。
3.2 系统实施效果协同设计平台完全自主开发，过程中分阶段实施，目前已全面上线（见图5）。已经在包括19个首制船在内的64个设计工作中使用，形成6万多条业务数据，并依托自主开发船型实现了跨组织（设计院、扬州、舟山等）的异地（扬州、上海、舟山）协同设计。系统建成使用后，助力案例企业分布在各地的近2000名设计人员协同形成合力，提高了自主研发效率及配合营销的强力支撑作用，为企业提供技术支撑。面向智能制造的CAPP系统，减少人工投入，缩短周期15天；虚拟化协同设计平台可同时满足70个异地用户同时在线作业，设计周期相较同船型缩短31.58%，实船应用仅舾装设计总工时就节省5%（约5503小时/年）；采用虚拟化技术代替终端客户机，节约了单独高性能PC机采购成本。
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图 5 CA公司异地协同设计信息系统 Fig. 5 CA Company's collaborative design information platform |
系统可扩展到船东、船检进行图纸审核和批准等协同应用，形成的数据库为后续人工智能和虚拟现实VR/AR）技术应用奠定了基础。虚拟客户端实施可以提高设计水平和工作效率，改善组织和管理体系，加强计划和协作能力，降低成本。项目过程中积累的精益设计流程、协同开发经验，形成的具有自主知识产权的软件著作权、桌面虚拟化和超融合等技术可向行业进行推广，助力中国船舶海工行业推广精益制造和设计模式。
船舶海工协同设计信息系统开发建设，同时也是精益设计理念在企业实践落地的流程再造和转型过程。结合本案例研究的系统开发实施总结，并借鉴Pikas等[24]提出的数字化转型最佳指导实践，以及Maginnis等[19]在研究中根据肯塔基大学精益系统项目（University of Kentucky Lean Systems Program）课程形成的真正的精益运营环境模型，总结出了适合船舶海工企业的精益实践实践（Lean Design Practice，LDP），供后续包括船舶企业在内的制造业设计流程再造和系统开发参考。当然，LDP实践的组成要素的具体内容、可靠性和有效性需要进一步深入研究[24]。
4 结 语现有文献中适合船舶海工等ETO行业的协同设计和产品数据管理研究不足，没有适合的可供推广的最佳实践和经验。随着船舶海工新产品种类的迅速增加、环境的快速变化和产品生命周期的缩短，船舶海工企业需要采用协作和精益方法来整合企业内部和企业间新产品开发的关键功能、流程和不同阶段。一个高效的产品开发和设计必须依靠协作信息系统来促进和支持协作过程。本文通过研究提出适合船舶海工企业的协同设计信息系统框架来弥补之前研究的不足。
本文提出了船舶协同设计信息系统平台的总体目标架构，组织开发了满足精益设计制造需求的船舶海工企业协同设计管理系统。开发的系统平台由设计协同管理、船型数据库、终端客户机虚拟化3个系统组成，每个系统由若干功能门模块组成。构建开发的设计协同管理系统，涵盖基本设计和详细设计，并服务生产设计，通过业务流程再造推进设计精益。建立的船型数据库，集成设计、采购、生产和营运等不同阶段数据，解决数据孤岛，为后续项目精益设计和智能制造提供支撑。通过虚拟化技术搭建一套云桌面系统，供设计人员异地进行二维/三维设计使用，助力分散的设计资源协同，形成合力。同时基于案例企业已经建成投产的条材机器人生产线，研究设计系统与条材机器人生产线控制系统的融合，使数字化设计三维模型及加工工艺数据可以直接传输到智能制造设备。设计协同管理系统平台已经在案例企业上线应用，效果良好，提高了设计效率、数据准确性和意见反馈及时性，实现了船型开发和船舶海工项目设计异地协同。
同时，基于案例研究企业实施过程中的精益转型总结和讨论，结合相关文献，总结形成了适合船舶海工企业的精益设计实践，供后续包括制造业设计流程再造和系统开发参考。建议该领域未来的研究可基于开发的系统研究人工智能、虚拟现实等数字化技术深化应用的方案，如借助人工智能的最新技术方法，对船型数据库形成的数据进行分类梳理，提取数据之间隐藏的逻辑关系，为进一步的船型优化设计提供重要的参考价值和理论依据。
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