國外艦船數字化設計建造技術發展動向與“數字化造船”初探

1 國外艦船數字化設計建造技術的發展動向
（1）建立統一的數據交換標準
為了從根本上解決信息“孤島”問題，國際ISO組織開始了中性的數據標準的制訂工作。該標準被稱做STEP標準，代號為ISO 10303。目前，國外造船行業紛紛開展了相關STEP標準的驗證工作。美國、歐盟、日本和韓國除各自成立了STEP船舶應用協議開發驗證機構外，還建立了合作關系。

（2）構建船舶產品生命周期管理（PLM）系統
產品生命周期管理PLM自20世紀末提出以來，便迅速成為制造業關注的焦點。PLM結合電子商務技術與協同技術，將產品的開發流程與供應鏈管理（SCM）、客戶關系管理（CRM）、企業資源計劃（ERP）等系統進行集成，將孤島式流程管理轉變成集成化的一體化管理，實現從概念設計、產品設計、產品生產、產品維護到管理信息的全面數字化。
目前，國外主要船廠都開始了PLM系統的建設工作。例如，韓國三星船廠開展“數字化船廠”項目的研究，選擇了IBM/達索公司為其提供PLM造船解決方案；美國紐波特紐斯船廠采購了達索公司的PLM系統來建造美海軍的新一代驅逐艦DD（X）艦。美國造船行業自行開發的IPDE可以說是PLM系統的雛形，目前IPDE仍在進一步研究、開發之中。

（3）建立網絡化船舶制造模式
網絡化制造是按照敏捷制造的思想，采用互聯網技術，建立靈活有效、互惠互利的動態企業聯盟，有效地實現研究、設計、生產和銷售各種資源的重組，從而提高企業對市場的快速響應能力和競爭能力的新模式。
目前，國外都在積極從事網絡化船舶制造模式的研究開發工作。美國于1994年創立的工業信息基礎結構合作組織一直致力于工業虛擬企業的研究和試辦，該組織屬下的造船部門已于2000年成立了造船虛擬企業的聯絡機構。日本、韓國和歐洲的海事行業也在開展造船虛擬企業的籌劃工作。

（4）開發智能化艦船建造設備
造船自動化裝備的發展歷程可以分為三個階段，分別為單機自動化階段、自動化生產線階段和智能化造船階段。智能化造船以企業為對象，在系統科學的指導下將企業的全部生產經營過程采用軟硬件綜合成一個由智能計算機、自動化裝備和智能機器人所組成的集成系統。迄今，世界上還沒有哪一家船廠完全達到該階段，但必將是未來的發展趨勢。

（5）大量應用虛擬現實技術
國外有關研究表明，基于虛擬現實技術的仿真研制方法對縮短海軍艦船的研制過程、研制周期和降低成本費用是完全可行的，在大型海軍艦船設計中，總的時間縮短達30%，同時，也促進了研制過程的變革。最近幾年，虛擬現實的費效比已經降低了。新一代的虛擬現實軟件產品正在出現，市場上有售的虛擬現實制作軟件從入門到專業型有十幾種之多。美海軍新一代LPD-17艦與“弗吉尼亞”潛艇的設計和韓國三星船廠開展的“數字化船廠”的研究都采用了達索/IBM公司的子公司——DELMIA公司提供的虛擬現實軟件，為船舶建造的策略、制造、裝配、舾裝等環節提供了強有力的支持。

（6）注重“數值預報”技術的研究與應用
利用數字化技術來實現船舶性能的預測和優化，又稱做“數值預報”技術，是造船數字化全壽期各環節中最難實現的一環。“數值預報”的準確與否，直接影響到后期艦船試航的次數和難度，從而實現研制時間和經費的大幅削減。目前，各海軍強國都在大力研究艦船性能的“數值預報”技術。特別是美國于1996年成立了直接由國防部主抓的項目小組，專門對船舶水動力學性能“數值預報”技術進行攻關，以支持采用全新船型的新一代DD(X)驅逐艦的設計。

2 對“數字化造船”的認識

（1）“數字化造船”思想遠未到成熟的地步
“數字化造船”是近幾年熱炒的概念，韓國的三星船廠是最早提出該概念的船廠之一。通過專項課題（714所承接的《國外艦船數字化設計建造技術發展研究》情報課題）的研究，發現國外對“數字化造船”的研究還僅僅停留在概念的層次上，其核心思想還遠沒達到成熟的地步，乃至形成固定的模式。出現這種情況的原因有二：
一是國外船廠實施數字化造船的方法各異。造船過程的高度復雜性決定了國外各大船廠在數字化設計建造技術的發展上極不均衡，并有其濃厚的個性化色彩。每個船廠的造船全壽期各環節的活動都不盡相同，甚至差異很大。導致這種差異的原因很多，例如，主攻船型的不同、船舶產品區域的劃分方法、自身資源配置限制、地理位置、人員的能力等等。特別是不同國家船廠組織實施造船生產活動所依據的造船理論派系眾多，例如日本是精益制造、成組技術、準時生產理論的發源地，其船廠應用這些理論多一些；美國是并行工程、企業資源計劃、敏捷制造等理論的發源地，其船廠對這些理論認識得則更深刻一些；瓶徑管理或約束理論源自歐洲，其船廠應用該理論則更成熟一些。上述原因所導致的船廠生產活動的不同，最終使得它們在實施數字化建設上需要根據自身的資源配置、制造裝備、管理體系、產業環境、人員素質等具體情況，采取最優的解決方案。
二是軍船與民船實施數字化工程的途徑與措施大不相同。軍船相對于民船的研制與建造的特點是：過程復雜、周期較長，技術密集、高度集成，管理嚴格、程式周密。一艘新型艦船的誕生，通常要在設計、建造之前，往往要經過長時間的需求論證、總體與系統概念研究、基礎技術與應用技術的預先研究、方案論證等前期工作。所以軍船建造的數字化工程相對于民船來說，除需注意設計、建造的數字化支持外，還要強調前期的先期技術演法與方案論證，以及交船后的維修保障等的數字化支持。

(2)實現“數字化造船”的前提是要保證造船組織運行模式的優化
數字化工程說到底都是為提高造船各階段活動的效率提供支持的，其中造船組織生產過程是真正的“主體”，而數字化只是提高主體運行效率的“潤滑劑”。只有造船這個“主體”按照最優的運行模式組織生產時，加載“數字化”后才能使其發揮更高的效率。所以，實施數字化工程的前提是要保證造船過程按照最優的方式來組織生產的。
如何才能獲得最優的造船運行模式？最簡單、最快捷的方法就是加強對國外先進制造理念的消化或吸收，然后結合自身的資源配置特點來組織造船生產活動。源自日本的精益制造、成組技術、準時生產理論，以及源自美國的并行工程、企業資源計劃、敏捷制造等理論都是經過實踐檢驗，取得共識的先進制造理念。這些先進制造理念是我們建立最優組織生產模式所可以借鑒的，值得我們展開深入研究。當只有造船組織生產模式是最優時，“數字化”工程才能使造船過程發揮更大的效率。

（3）“數字化造船”的定義初探及特征分析
盡管上述種種原因導致“數字化造船”模式的個性化色彩極其濃厚，沒有形成統一的模式，但仍可以用一個更為宏觀的定義來規范它，并歸納出理想的“數字化造船”特征。
“數字化造船”定義：信息技術在造船全壽期活動中的有效應用，使得造船的決策、經營、采購、設計、排產、制造、物資配送、生產過程監控、資源分配、成本估算、供應鏈、保障等各個環節協調一致，實現“以中間產品為導向，按區域組織生產，殼、舾、涂作業在空間上分道，時間上有序，設計、生產、管理一化化，均衡、連續地總裝造船”的現代造船模式。

理想的“數字化造船”可大致歸納為如下7個特征：

建造全過程仿真化——船舶建造全過程仿真化將提供在“計算機中制造”的能力，使用艦船產品模型、造船過程模型和制造設備模型，生產出數字化的艦船。在船舶設計階段，實時地、并行地模擬出船舶未來建造的全過程及其對艦船產品設計的影響，預測艦船性能、造船成本、可制造性，從而更快捷地組織造船生產，使船廠和車間的資源得到更合理的配置，以達到艦船產品的研制周期和成本最小化、艦船性能最優化和建造效率最高化。

過程控制并行化——建立基于船舶產品數據管理的并行開發環境和科研生產協同環境，設計與建造、設備研制與總體研制、系統設計與總體設計之間的并行與協同，實現與船東（軍方）、船級社、船廠、配套設備供貨方、船模水池和CAE軟件庫等外部機構的協同。

決策體系智能化——針對發展戰略、投資規劃、重大產品決策等，形成智能決策支持系統，增強決策的科學性、準確性和及時性。

管理體系信息化——適應信息化環境和信息化生產的要求，建立信息化的管理、控制體系。

信息體系網絡化——利用計算機網絡，集成和流通科研、設計、生產及其過程控制信息和經營、管理、服務等信息。

工藝裝備自動化——通過自動化工裝，直接利用數字化工藝數據。

服務保障全程化——形成基于數字化設計、建造數據和信息網絡的快捷、方便的軍民船全壽期服務保障體系。