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数字化造船技术的现状与展望
数字化造船技术的现状与展望
数字化造船国家工程实验室常务副主任谢子明
摘要
本文从国际船舶市场的竞争和船舶行业创新改革的角度，分析了国际、国内造船行业在建立现代造船模式的改革浪潮中，在现代造船模式下其管理体制、机制和数字化技术研发、应用等方面进行分析，特别是对目前国内船舶行业数字化的几项重点技术领域作了较为突出的论述。
在这基础上介绍了“数字化造船国家工程实验室”组建的背景和目标任务，这在实现数字化造船的现阶段提供了一种新的思路和方法。
关键词：
造船模式数字化集成平台仿真
1造船行业的形势和国内外情况
在我国不同经济发展阶段，党和国家领导人都对船舶工业的发展作了重要批示，指出了我国造船工业的正确发展方向，在我国船舶产品打入国际市场且成为世界第三造船大国之后，正以更新的姿态，积极创新，努力贯彻集团公司提出的“五三一”战略目标，加快我国造船业的发展，在本世纪初成为世界第一造船大国。
1.1世界造船业的形势
当今世界造船业已形成四极结构：
韩国、日本、中国和西欧，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发展了技术、性能、质量和服务等全方位的竞争。
随着全球船舶市场占有率的激烈竞争能力，世界造船业在技术、体制上发生了重大革命，其中造船技术的发展尤为突出。
在以前焊接技术革命到大型生产流水线等新技术的成功应用，目前正处于计算机技术进一步发展应用的新阶段：
信息集成系统的应用，并行工程、敏捷造船、先进制造模式正在或将在船舶制造业中广泛应用，使船舶行业成为信息密集、技术密集和资金密集为特征的现代新型产业。
1.1.1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，新船（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，给船舶产业的发展注入了新的有利因素。
然而市场越大，越兴旺，势必带来激烈的竞争，为占据更多的市场份额，获取更高的利润，这种竞争实际上是技术的竞争、体制和机制的竞争。
就目前信息化技术在企业间竞争占有相当的比重。
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，技术创新和造船模式的现代化提出了更高的要求。
1.1.2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市场商机的占有，这是要以自身的能力在市场的激烈竞争中取得的，通过对国际和国内的造船企业分析可以清楚的看到，造船模式的改革和信息技术的利用对造船企业在市场占有率上是非常重要的因素，这对于信息密集、技术密集和资金密集的船企能高效的、高质量的、低成本的造出船舶产品，提供了良好环境和技术条件。
1.1.3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的成熟，对船舶产品建造实现总装化较我国造船企业实现要容易，因他们有成熟的市场经济体制和机制，而我国就目前讲虽然在逐步走向市场经济，但由于现有的基础条件和长期的计划经济体制影响下，只能算是不成熟或带有许多约束的市场经济，这对物资的供需、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，这往往影响了整个行业的发展，与国外相比有一定的差距，在一定程度上影响了竞争力。
1.1.4谋求持续发展
事物的发展均需一分为二，在有利形势下必须看到不利的因素，要制订长期发展目标，为谋求实现目标而要保证企业的持续发展，在企业的活动改革中取得“强身”，在企业的“动增长”中技术创新和模式优化。
这对我国成为第一造船大国，而且保持第一的地位是有极为重大的积极意义的。
1.2国外造船界数字化状况分析
要实现本世纪初我国成为第一造船大国，其任务是多方面而且是繁重的，在此对韩、日二国的数字化作一分析。
1.2.1日本先进船厂的数字化造船应用动态
90年代中期，日本大型船厂CIMS技术已经实用化，总体效果：
节省人工50%，缩短工期20%。
1998年开始向中型船厂推广。
目前，日本一些先进船厂基本上都已采用CIMS系统，实现数字化造船。
2003年日本造船业的重组，形成了6大专业化造船公司，其对应的CIMS系统名称、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（MitsubishiAdvancedTotalEngineeringsystemofShips）
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4个子系统。
万国造船
HICADEC（HitachiZosenSystems3DCADSystem）
该系统不仅在日本国内开发较早、较为成熟，即时在全世界船舶软件产品中也享有一定的声誉，由当时的日立造船开发。
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4个子系统。
川崎重工
KHICIMS（KKARDS）（KawasakiKnowledge-based,AutomaticandRapidDesignSystem）
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（SumitomoManufacturingInnovationandRe-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（MitsuiAdvancedComputerIntegratedShipbuildingSystem）
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
AJISAI（AdvancedJointlessInformationSystemsbyAssimilationandInheritance）
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引进新系统选择问题。
表2显示了日本主要船厂的数字化应用现状。
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，并且成功投入大型客船建造中。
三井造船
自行开发采用MACISS设计系统，并整合了Tribon系统中部分模块。
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、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，争取2006年底前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HICADEC—A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Tribon系统产品信息和其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。
其中，日本川崎重工船厂是应用CIMS较成功的企业。
该船厂在建立造船CIMS的过程中，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的基础上，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，在此基础上再进一步对上层信息系统进行扩充，形成完整的CIMS。
1.2.2韩国先进船厂的数字化造船应用动态
韩国也十分重视信息技术在造船中的应用，80年代在造船数字化生产技术方面，韩国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“CIMS”系统相当于日本船厂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造船信息技术，并在此基础上研制出自己的造船CIMS，取得了显著成果，有效推动了韩国造船工业的发展。
在韩国生产设计方面全部采用TRIBON，并且充分发挥了TRIBON在生产设计方面的优越性，开展区域设计、单元模块设计等等。
韩国的大型船厂都采用了CIMS对设计和生产进行管理，另外还开发了基于TRIBON的自动设计软件，如船体的ADES自动套料等。
表3是对韩国核心船厂在数字化集成系统应用方面的汇总。
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系统作为其主流的CAD/CAM系统。
美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，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
韩国造船业界使用Tribon系统最好的一个船厂，该厂采用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完成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。
韩国大宇船厂于1991年实施CIMS后，其造船销售量增长3倍（由1989年的20条船到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个月（由19个月到15.5个月），实现年利润2.2亿美元。
韩国汉拿造船公司1995年开始实施CIMS，在没有大的硬件投入的前提下，销售量增加到原来的3倍（由1999年的30条船到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（由19个月到13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。
联合研究机构2002年在Geoje船厂成立，由韩国汉城国立大学数字化造船创新中心的JongGyeShin教授领导。
参加研究机构的有8所大学、两家公司和韩国船舶与海洋工程研究所等。
为三星重工业公司开发的数字化造船系统选择了美国DELMIA公司的制造技术方案。
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。
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。
开发的数字化造船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。
三星重工业公司计划在2004年末总共投资500万美元。
该项计划的实施将使韩国在未来的几年中造船生产效率大幅度提高，造船成本进一步下降，产品质量明显改善,造船竞争力进一步增强,对于巩固其目前在国际船舶市场中的优势地位将产生十分重要的积极影响。
韩国经一系列的改革创新，其造船产量超过日本成为世界第一。
1.3国内现状及存在问题
1.3.1国内信息化发展现状
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的历史，在四十年的历程中计算机技术的应用在我国的造船企业发展中起到了显著的成绩，特别自上世纪八十年代初开始船舶工业实施的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成功应用系统和引进国外先进技术提供了良好的条件。
如今我国船舶工业的一些主力船企在信息化建设中都取得了良好的成果，如沪东中华、大连造船、渤海造船、广州造船等船厂，不仅自主研发成功了企业的信息系统，有的还把成果推广至其他造船企业，起到了积极的效果。
有的企业引进了国外系统，吸取了国外信息化建设的先进理念，取得了成效。
这一切都是建立在以往研究发展的基础上根据我国国情和企业特点自主创新的结果。
1.3.2存在问题
事物是在发展的，任何问题都有二面性。
经前一段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的形势，在取得很大成果情况下也有许多不足而需解决的问题。
以下谈典型的几方面。
1.3.2.1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乏标准的接口，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。
1.3.2.2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。
1.3.2.3数字化造船信息基础比较薄弱
●缺泛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。
这些标准体系的缺乏就会造成企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。
●代码的不统一。
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。
●缺泛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。
1.3.2.4虚拟仿真技术的研究和应用深度不够：
目前这方面的技术只是停留在演示阶段，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。
1.3.2.5对国内自主开发和引进的软件从总体上缺泛有说服力的评价，也就是讲缺乏权威的测试体系和方法，那应用的实际效果也难以保证。
1.3.2.6缺泛深层次的技术交流，目前一些学术会议很少谈到深层次的技术问题，往往是流於形式，有的还带有浓重的广告意识。
当然在目前市场经济下要考虑经济利益，但这只需有机制来保证是可以解决的，利益的保证来源于技术成果的体现和机制的保证。
1.3.2.7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。
1.4与世界先进国家的差距
从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的整合一起，从而其效率是明显的，我国的船企认识了这一点，但落实到实处还是有一定差距的，存在许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，必须克服我们的劣势，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高水平。
2急需发展的数字化造船技术
数字化造船技术是新形势下对造船行业发展的新措施，它的实施一定会给我国造船企业的发展带来技术条件，就目前据我国情况和存在问题就以下几点谈谈初浅的看法：
2.1信息集成平台技术
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。
“平台化”技术的框架内容
目前出现在市场上的“平台化”产品比较多，从各自应用目标不同而有自己的策重点和特色，所以在行业、企业在选择“平台化”产品或自己研究的过程中，除了达到“平台化”的技术一般要求外，还要按自己的行业或企业的特点，选用、采用哪种技术产品，这一点是非常重要的。
虽然这是信息化建设中的常识，但在信息化建设的实施中往往把握不住，出现偏差，会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：
●基础层
这一层是“平台的基础”：
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。
●系统服务层
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。
●应用服务层
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，实现企业领域应用软件的集成。
应用服务层按如下几方面实现：
MIS、CAX（CAE/CAD/CAM/CAPP）、生产管理、OA、物资物流信息管理、电子商务、Internet及Intranet。
在全局系统和通讯系统支持下，进行应用系统的开发及应用集成；利用全局系统提供的信息服务及通讯服务；开发企业的CAX、生产管理与集成系统、MIS的接口、电子商务接口、OA接口、通讯接口、应用服务中间件等。
●平台管理系统
完成“集成平台”环境下的资源调配和系统管理：
用户管理、系统资源管理、信息服务管理、工作流程建模与管理、“中间件”管理。
对于“中间件”，它在集成平台中起到了非常重要的角色，实际上是“集成平台”技术发展中重要一环。
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。
在“集成平台”技术中平台管理系统负责集成各类“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，相互有机的结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”。
由于“中间件”的功能不同，所用的行业范围也有所不同，所以对于“中间件”，各行业应根据自己的“个性”来选择，这样可以做到有的放矢，物尽其用。
2.2并行工程
并行工程是目前制造行业重点研究的技术之一，它既有工程技术、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，作为我国的造船行业，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我国的船舶产品的开发、生产周期和产品质量，这此这是必须积极推进的数字化工程。
并行协同工程是近年来开始应用研发的一种集成化产品开发模式，它受到了国内外众多研究单位、制造企业的重视。
并行协同工程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。
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、CAD／CAE／CAM等都对并行协同工程产生直接的影响。
并行工程的提出就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）的应用，使企业保质、保量、快速的生产出市场需要的优质产品。
在此对并行工程技术四个关键要素进行分析。
2.2.1并行工程的核心内容包括四个方面：
●产品开发队伍重构：
将传统的部门制或专业组变成以产品为主线的多功能集成研发团队（integratedproductteam．IPT），IPT被赋予在产品开发中的责权利，对产品开发负责。
●过程重构：
从传统的串行产品开发流程转变成集成的、平行的产品开发过程。
并行工程不仅仅是活动的并行研发，更主要的是后继工序参与产品早期的设计过程。
这样在过程的改进中，使信息流与共享的效率提高。
●数字化产品定义，包括产品的建模和产品生命周期数据管理，数字化工具定义和信息集成，如DFA、DFM、CAD／CAF／CAM等。
●协同工作环境：
支持IPT协同工作的网络和计算机软硬件平台。
2.2.2并行工程四个要素：
●组织变革要素
协同并行工程首先要打破按传统的部门划分的企业生产组织模式，组成以产品开发为对象的跨部门（甚至跨企业）集成产品开发团队（IPT）。
IPT
企业管理决策者：
指导路线，任务和目标，组织产品开发团队，指定团队负责人并授权，以及参与支持决策。
团队负责人：
必须对决策目标负
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