数字化造船技术的现状与展望

1、数字化造船技术的现状与展望(2008-12-29 11:01:45)本文从国际船舶市场的竞争和船舶行业的创新改革出发，以在现代造船模式下的全球造船行业为视角，就造船业的管理体制、机制和数字化技术研发、应用等方面进行分析，特别针对目前国内船舶行业数字化的重点技术领域作了较为突出的论述。在此基础上，介绍“数字化造船国家工程实验室”组建的背景和目标任务，体现出实现数字化造船的新思路和新方法。数字化造船技术的现状与展望（一）国内外造船行业的形势在经济全球化的今天，国际造船业已发展成为全球一体化市场，世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务等全方位的角逐。随着全球船舶市场占有率的竞争日趋

2、激烈，世界造船业在技术、体制上发生了重大改革，其中造船技术的发展尤为突出，从最初的焊接技术到大型生产流水线等新技术的成功应用，到现阶段信息集成系统、并行工程、敏捷造船、先进制造模式等先进技术或理念在船舶制造业中广泛应用，使船舶行业凸显成为信息密集、技术密集和资金密集的现代新型产业。经济贸易的发展促进船舶行业的全球一体化市场需求增加世界经济贸易的发展促进了国际航运业的发展，新型船种的需求量猛增，给造船行业带来了难得的机遇，创造出了历史上最好的商机，给船舶产业注入了新的有利条件。然而市场越兴旺，企业间的竞争就越激烈，为占据更多的市场份额，获取更高的利润，市场的竞争逐渐聚焦于技术的竞争、体制机制的竞

3、争。为此，要发展我国的造船产业成为世界第一造船大国，对企业的信息化应用、技术创新和造船模式的现代化提出了更高的要求。现代造船模式的实现和信息技术的提高市场商机的存在并非意味着市场商机的占有，这要以自身能力在市场的激烈竞争中取得，通过对国际国内的船企分析可以清楚看到，造船模式的改革和信息技术的利用对造船企业在市场上的占有率起到至关重要的作用，这对于信息密集、技术密集和资金密集的船企能高效、高质量、低成本地造出船舶产品，提供了良好环境和技术条件。大型总装化船舶建造企业的发展促使船企市场经济的发展由于国外发达工业国家市场经济日趋成熟，对船舶产品建造实现总装化较我国造船企业要容易实现，因为他们有成熟的

4、市场经济体制和机制，而我国就目前而言，虽然正逐步走向市场经济，但由于现有的基础条件和长期受到计划经济体制影响，对物资的供需、企业的协作（包括技术、信息的共享等）、配套的体制等带有浓厚的计划经济色彩，往往影响了整个行业的发展，与国外相比存在一定差距。（二）国外造船界数字化状况分析我国要在本世纪初实现世界第一造船大国，其任务是多方面且繁重的，在此对韩、日二国造船企业的数字化应用作一分析。日本先进船厂的数字化造船应用动态上世纪90年代中期，日本大型船厂在推进CIMS技术的实体化应用取得了重要进展，节省人工50%，缩短工期20%，获得了显著的经济效益。目前，日本一些先进船厂基本上都已采用CIMS系统，

5、实现了数字化造船。2003年日本造船业通过重组，形成了6大专业化造船公司，其对应的CIMS系统名称及功能如表1 所示。表1 日本六大造船公司所用CIMS系统名称及功能简介企业名称CIMS系统缩写功能描述三菱重工MATES（Mitsubishi Advanced Total Engineering system of Ships）通过将以往分散在大量设计图上的二维信息汇总成三维图像系统，实现了利用计算机进行设计信息验证、开发高精密度的产品、以及从构件自动展开到用于船体材料切割的NG参数自动输出等高效流畅的信息一体化。系统能够协助设计人员从整体布局上构思船舶主要部分的细节分布，如船体结构和管线系统

6、的走向等。整个系统包括初始设计系统、舾装系统、船体系统和生产支持系统等子系统。万国造船HICADEC（Hitachi Zosen Systems 3D CAD System）这套由日立造船开发的系统不仅在日本国内开发较早、较为成熟，即使在全世界船舶软件产品中也享有一定的声誉。系统着重船舶结构、管系、舾装、电力布置的设计，同时还能向机器人提供有效参数。系统包含船体设计系统（HICADEC-H）、布置设计系统（HICADEC-A）、管路设计系统（HICADEC-P）、电力设计系统（HICADEC-E）等子系统。川崎重工KHI CIMS (KKARDS )（Kawasaki Knowledge-ba

7、sed, Automatic and Rapid Design System)将当时的KCS公司的Tribon与包括计算机辅助工程、计算机辅助制造/工厂自动化/机器人系统、生产管理系统、物料采购系统在内的川崎重工自己开发的系统进行集成所形成的CIMS，此后，又在此基础上开发了KKARDS系统，几乎全部设计结果都能以立体图形显示，实现了产品模型技术与工人技能的有机集成。住友重机械SUMIRE（Sumitomo Manufacturing Innovation and Re-Engineering）1997年投入运行。系统对从基本设计到船体结构设计、舾装设计、设备采购、生产计划和工厂自动化控制等整

8、个造船流程进行了集成与简化。其船体系统和舾装系统与IHI联合开发，先进的三维建模系统是其核心系统。三井造船MACISS（Mitsui Advanced Computer Integrated Shipbuilding System）该系统由设计系统和生产管理系统组成。其中，设计系统能够为生产部门提供准确的船体与舾装信息，并为车间提供工序操作步骤；此外，通过并行工程的实施，所有的船体几何数据均以三维数据形式存储。生产系统能够实现对各种工作计划、工时控制、部件分配控制的协调。所有生产信息均出自同一来源。整个系统的应用原则就是为车间提供必要的信息，使部件和组件在适当的建造阶段装配。IHI联合造船AJ

9、ISAI（Advanced Jointless Information Systems by Assimilation and Inheritance）能应用于船舶的基本设计到生产设计的所有过程，为产品模型提供数据。功能主要围绕船体结构和舾装两个部分，能够生成各种三维虚拟模型。其最大的特征就是能够提供强大的仿真功能。与此同时，还于1992年开发了KLEAN系统，通过局域网系统进行精确的系统计划和可视化管理，使船体分段处于实时监控状态。但是，除川崎造船厂和日立造船厂应用CIMS较成功外，其它船厂自行开发系统的维护更新步伐都已经跟不上生产模式和计算机信息技术的发展，正面临着继续系统维护更新还是更换

10、引进新系统的艰难抉择。表2 日本船厂数字化造船应用现状主要船厂数字化造船应用现状三菱重工20世纪80年代初，开发并采用完整的CAD/CAM系统及CIMS系统；2005年，在自身开发的MATES基础上，购入由芬兰设计公司开发的NAPA三维CAD系统软件，并且成功运用到大型客船的建造中。三井造船自行开发采用MACISS设计系统，并整合了Tribon系统的部分模块。石川岛播磨开发出AJISAI系统，该系统可生成一个3D-CAD系统覆盖概念设计参数，建立三维模型到全船模型；此外，该公司还开发了KLEAN(船厂生产计划管理系统)。住友重机械1997年开发并采用SUMIRE系统，从基本设计到船体结构设计、

11、舾装设计、设备采购、生产计划和工厂自动化控制等整个造船流程进行集成和简化，其船体系统和舾装系统与联合造船共同开发，先进的三维建模系统是其核心系统；2006年决定引进目前造船界最流行的Tribon造船系统，以替代自身开发的SUMIRE系统，通过一年时间用于分段建造和舾装工作。万国造船自行开发并采用完整CAD/CAM系统（HICADEC）、自动套料系统JNEST+、以及数字造船机器人；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，同时还将CATIA与船体设计采用的HICADECA系统组合成三维CAD系统，并在所属的有明、鹤舞和津三家船厂实施。川崎造船1996年，川崎重工将

12、Tribon系统产品信息和自行开发的先进计算机集成信息管理系统CI2M进行整合，还和南通川崎实现了异地设计数据互通。从上表可以看出，日本川崎重工船厂是应用CIMS较成功的代表性企业。该船厂在建立造船CIMS过程中，采用了自下而上、逐步扩展的发展模式，即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。韩国先进船厂的数字化造船应用动态除日本外，韩国也十分重视信息技术在造船中的应用。上世纪80年代在造船数字化生产技术方面，韩国与日本造船业的技术水平还有比较大的差距。韩国船厂在90年代开发的“CIMS”系统

13、相当于日本船厂80年代所开发的CI2M系统。但是，韩国积极引进日本、美国和欧洲等国的最先进的造船信息技术，在全面解读新技术基础上研制出适用于本国发展的造船CIMS系统，有效推动了韩国造船工业的前进步伐。在韩国，大型船厂的生产设计环节皆采用TRIBON，积极开展区域设计、单元模块设计，开发了基于TRIBON的自动设计软件，充分发挥了TRIBON在生产设计方面的优越性。表3汇总了韩国几家核心船厂的数字化集成系统应用。表3 韩国核心船厂数字化造船应用动态企业名称数字化造船应用动态备注现代重工90年代末，以PTC公司的Winchile为核心，开发出HICIMS集成制造系统，并全面实施。据称：该系统可使

14、平均设计周期缩短约25%、平均建造周期缩短约10%；目前，现代重工正在全面采用Tribon系统作为其主流CAD/CAM系统。美国参数技术公司(Parametric Technology Corporation，PTC公司)，是CAID/CAD/CAE/CAM/PDM领域最具代表性的软件公司。大宇造船该厂是韩国造船界Tribon系统应用最好的案例，其采用Tribon系统在实船上的应用、二次开发和CAD/CAM电子模型的覆盖程度相当高；2004年8月，该公司全面启用新开发的信息一体化综合管理系统(CI2M)，公司综合效益每年可达5100万美元，生产效率可提高7%8%。三星重工2001年开始应用由丹

15、麦、日本、美国和韩国的船厂共同开发的GSCAD系统，同时将其应用的分立系统全面整合成基于统一数据库和产品模型的系统；2003年1月，实施了数字化船厂计划，选择了美国DELMIA公司的IGRIP和QUEST，用于开发新一代与先进造船模式相结合的数字化造船系统。该系统将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, 并使造船工艺最佳化。DELMIA公司是精益制造工艺工程三维产品寿命期管理系统研究方面居领先地位的供应商。值得补充的是，韩国大宇船厂于1991年实施CIMS后，其造船销售量由1989年的20条船增长到2000年的60条船，年造船缩短约500万工时，船舶建造周期缩短约3.5个

16、月，实现年利润2.2亿美元。同样，韩国汉拿造船公司自1995年开始实施CIMS，在没有大硬件投入的前提下，销售量由1999年的30条船增加到2000年的100条船，年造船缩短约500万工时，船舶建造周期缩短6个月，实现年利润2.7亿美元。2003 年1 月, 韩国三星重工业公司也不甘示弱，继大宇、汉拿后也实施了数字化船厂计划。该项计划由韩国三星重工业公司投资, 研究工作由韩国汉城国立大学数字化造船创新中心领导的联合研究机构负责，经过层层筛选，最终选择了美国DELMIA公司的制造技术方案作为三星重工业公司开发的数字化造船系统。DELMIA公司是精益制造工艺工程三维产品寿命期管理系统研究方面居领先

17、地位的供应商，该公司的IGRIP和QUEST被用于开发新一代与先进造船模式相结合的数字化造船系统，实现了在虚拟环境下整个造船寿命期的工艺模拟, 并使造船工艺最佳化。（三）国内现状及存在问题与日韩相比，国内船舶工业自上世纪七十年代初开始应用计算机技术至今已近四十年历史，计算机技术的应用在我国造船企业的发展中取得了显著成绩，特别自上世纪八十年代初开始实施的3C工程（CASIS、CADIS、CMI-S）为我国船舶工业企业在信息化建设中打下了技术基础和思想基础，为今后企业自主研发应用系统和引进国外先进技术提供了条件。如今，我国一些主力船企在信息化建设中都取得了成果，如沪东中华、大连造船、渤海造船、广州

18、造船等，不仅自主研发信息系统，有的还把成果推广至同行。一些企业引进国外系统，吸取了国外信息化建设的先进理念，也取得了一定成效。这一切都是建立在以往研究发展的基础上，并根据我国国情和企业特点自主创新的结果。然而，任何发展中的事物都存在两面性。经过一段时期的信息化建设和计算机技术的研发，由于体制和机制等跟不上发展形势，许多不足和需解决的问题渐渐在造船企业内隐现。信息集成问题由于条件限制和发展的局限性，信息集成方面无论是信息系统本身、系统和系统间，信息共享存在较多问题、“孤岛”现象比较严重。由于船舶行业的特殊性，造成了信息多样性和信息源格式的异构性，缺泛统一标准。信息集成系统软硬件平台的异构性，加上

19、相互之间不开放或不够开发，造成了信息交互的障碍。企业信息系统的自闭性和缺泛标准的接口，造成信息数据的重复输入，影响了信息资源的利用率和错误。企业间信息交互不够，统一协调能力不足，重复劳动等现象严重，造成了资源的浪费。统一的组织管理和协调措施不够强劲。难以发挥行业的团队力量。设计和生产问题设计院所和生产船企的脱节以及传统习惯的影响，造成了诸多的重复劳动和错误的出现，并行协调（设计院所与船厂，船厂内生产部门之间）实行得不够，生产效率和产品质量跟不上形势的要求。数字化造船信息基础比较薄弱缺乏现代造船模式下企业的标准体系。这其中包括技术标准体系，管理标准体系和工作标准体系。这些标准体系的缺泛就会造成企

20、业在发展中往往制订带有局限性的实用“标准”，这实际上极大的影响了企业信息化建设的发展。代码不统一。由于缺泛体系的保证，各类代码往往是达不到统一和转换要求，造成了行业内部、企业之间、企业内部在信息化建设中资源共享应用困难，给信息化建设成果应用效率大打折扣。缺乏有效基础数据的积累和分析。在企业生产过程中，对产品的有效数据（生产工时、周期、材料、成本和质量等等）的数据信息积累是有相当价值的，这些数据通过分析，为企业行业今后发展有极大的指导作用。各种接口（数据接口、程序接口、通讯接口等等）的非标准，为信息交流和资源共享造成障碍，造成资源信息的“孤岛”现象。虚拟仿真技术的研究和应用深度不够目前虚拟仿真技

21、术只停留在演示阶段，无论是船舶产品的浏览、漫游等只是在产品造成或局部造成的结果进行演示，而缺泛在产品生产过程中应用虚拟仿真来指导设计和制造产品。管理技术的提高为适应现代造船模式企业管理，企业的扁平化管理技术是实现企业信息化的重要条件，扁平化的企业管理，确保了企业管理和生产业务流程管理信息流的畅通，及时到达和输出各岗位的信息资源。对加强企业的“执行力”提供基础条件。从而提高企业的整体水平。以上分析可以清楚地认识到，世界造船强国日韩或欧美等造船企业，从企业的信息化建设、高新计算机技术的应用、先进的管理企业思想都是严格被整合，才能产生显著的效率，我国的船企认识了这一点，但落实实处还有一定差距，存在许

22、多需逐步解决的问题，所以，要使我国成为世界第一造船大国，必须克服劣势，努力缩短差距，创造出据国情行之有效的一整套办法，持续发展和改革，使我国造船工业技术真正达到国际高水平。（四）急需发展的数字化造船技术国外众多企业包括一些跨国公司，对企业的信息集成平台技术研发相当重视，这实际上是解决“信息弧岛”、“信息通讯”、“资源共享”、“异构平台”等数字化企业的重要技术，信息集成平台的架构，体现了企业数字化发展的总体方向、目标，这些问题是数字化技术的关键之一。目前，市场上出现的“平台化”产品较多，因应用目标不同有自己的侧重点和特色，所以行业、企业在选择“平台化”产品或研究的过程中，除了达到“平台化”技术的

23、一般要求外，还必须按自身特点，选用匹配的技术产品，这一点是非常重要的。虽然这是信息化建设中的常识，但企业在信息化建设的实施中往往把握不住，出现偏差，给信息化建设带来不少的麻烦及损失。“集成平台”的框架构成主要由四个层面的功能，首先是基础层。作为“平台的基础”，该层包括网络等硬件设施、操作系统、分布式数据库、各类规范及代码标准、网络系统平台；其次是系统服务层。它提供“基础平台”底层的透明通讯服务、信息服务。主要包括基础平台体系机构中的通讯服务系统、全局共享服务系统、开发工具、系统中间件与维护工具；第三是应用服务层。这一层主要在平台系统服务层的支持下，按信息集成系统领域应用需要，提供应用集成接口，

24、实现企业领域应用软件的集成。以上三层的并驾齐驱少不了平台管理系统层的保驾护航，它能完成“集成平台”环境下的资源调配和系统管理，负责集成各类“中间件”及相关的应用系统，实现各类不同“中间件”的功能服务与应用系统方面的交互、融合，成为实现系统部署、开发、运行、管理、安全和集成的一体化开放“集成平台”。需要强调的是，“中间件”在“集成平台”中扮演了非常重要的角色，是“集成平台”技术发展中的重要环节。由于“中间件”独立于系统软件和支持网络分布计算的业务特征，且功能不同，所用行业范围也有所不同，因此，各行业应根据自己的“个性”来选择“中间件”，做到有的放矢，物尽其用。并行工程并行工程是目前制造行业重点研

25、究的技术之一，它是一种指导新产品开发的哲理和方法，同时也是一门综合的自动化制造技术，既有工程技术、数字化技术，又有企业管理技术等多方面的问题。这些问题的解决对产品研发、制造起到极其积极的作用，国外无论军品、民品、造船、航空、机械行业等都在着力研究和实施此项工程，而且所取得的成绩是显著的。我国造船行业，由于以往技术的分工、企业的组织等传统习惯，在一定程度上影响了船舶产品的开发、生产周期和产品质量，因此并行工程是必须积极推进的数字化工程。并行协同工程的哲理和技术不是简单的发明或创造，而是集成了制造业中许多新的技术、模式、思想，经过系统化的抽象发展而成的。生产模式的一体化设计与制造、大规模生产模式中

26、的标准化零部件开发、精益制造模式中的综合产品开发、面向制造的设计、CIMS中信息集成、CADCAECAM等都对并行协同工程产生直接影响。并行工程的提出是全球性船舶市场剧烈竞争的需要，要求产品生产企业对市场变化作出迅速反应，并且通过并行工程中的新技术（计算机集成制造技术、设计辅助工具、装配设计辅助工具、集成平台技术、中间件技术、网络通讯和数据库技术等）应用，使企业保质、保量、快速生产出市场需要的优质产品。现代装备技术先进的装备是数字化造船技术的另一个重要环节，数字化生产及自动化流水线数字化技术的应用是数字化造船不可缺少的装备技术，确保了数字化船舶产品生产的条件和效率的提高。精益造船和现代管理技术

27、以上论述中，现代造船企业与现代化的管理技术，两者是密不可分的。精益造船、均衡生产等都是在数字化造船技术和现代管理技术支撑下实现的目标，这一研究课题永远伴随着先进造船技术的发展。（五） 建立新形势下的数字化造船技术平台为贯彻中共中央国务院关于实施科技规划纲要增强自主创新能力的决定文件，落实船舶工业中长期发展规划和船舶工业发展“十一五”规划纲要，紧密配合造船工业发展要求，以项目为纽带，通过产学研相结合的方式，整合造船信息化资源，提升造船行业的国际竞争力，“数字化造船国家工程实验室”因势组建而成。“数字化造船国家工程实验室”的建设将充分利用对国外引进的造船软件系统消化、剖析、二次开发的经验，开发完成具有自主版权的创新造船软件系统。其中，造船信息集成平台、现代造船模式信息化实验平台、船舶虚拟建造仿真平台及软件可用性、可靠性、安全性测试平台，是工程实验室重点建设的四大平台，也是力争在短期内取得成果的重点攻关课题。“数字化造船国家工程实验