船舶建造數字化技術

李偉

摘 要：本文對船舶建造數字化技術進行了深入地分析，介紹了船舶建造過程中數字化技術的應用，著重對數字化技術的發展趨勢進行了深入地論述和詳細地說明。

關鍵詞：船舶建造；數字化；信息技術

中圖分類號：U673 文獻標識碼：A

1.什么是船舶建造數字化

船舶建造數字化是以數據處理、圖形圖像、虛擬現實、數據庫、網絡通信、數字控制等數字化技術為基礎，將數字化技術全面應用于船舶的產品開發、設計、制造、管理、經營和決策的全過程，使船舶產品的設計和生產向著自動化、精細化、柔性化、智能化的方向發展。通過數字化技術與現代管理思想和先進工程方法的融合，形成船舶制造業信息化的完整體系，實現對造船業的信息化改造，使得造船企業全面提升產品的研發、生產能力，降低生產成本，縮短設計、生產周期，提高產品質量。

2.船舶建造數字化技術的內涵

船舶建造數字化技術主要體現在如下3個方面：

2.1 CAX（計算機輔助技術）

CAX（計算機輔助技術）是CAD（計算機輔助設計）、CAE（計算機輔助工程）、CAM（計算機輔助制造）和CAPP（計算機輔助工藝計劃）的統稱。

（1）CAD（計算機輔助設計）指在計算機及可視化設備為基礎的專業化計算機系統的支持下，幫助設計人員進行設計工作?？梢栽贑AD系統的輔助下完成從合同設計開始的一系列設計工作，建立產品數字模型，進行工程計算和分析，生成和繪制工程圖，生成物料清單等。

（2）CAE（計算機輔助工程）是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的一種近似數值分析方法。

（3）CAM（計算機輔助制造）是將計算機應用于生產制造的過程或系統，其核心是計算機數值控制（簡稱數控NC）。有狹義和廣義兩個概念。CAM的狹義概念指的是數控，包括數控機床、數控加工中心、數控生產流水線、數控火焰或等離子切割、激光束加工、自動繪圖儀、焊機、機器人等；廣義概念還包括制造活動中與物流有關的所有過程（加工、裝配、檢驗、存貯、輸送）的監視、控制和管理。

（4）CAPP（計算機輔助工藝計劃）是通過計算機進行產品加工的工藝路線制定、工序設計、加工方法選擇、工時定額計算，包括工裝、夾具設計、刀具和切削用量選擇等，生成必要的工藝卡和工藝文件等。CAPP是連接產品設計CAD信息和加工制造CAM信息之間工藝信息的橋梁，是生成各種加工制造，管理信息的重要環節。

2.2 企業業務技術過程與信息管理

通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即產品數據管理PDM、產品生命周期管理PLM、企業資源計劃ERP、制造執行系統MES、計算機集成制造系統CIMS等。它們通過信息技術與現代管理理念的融合，使人、資源、技術、管理等要素有機地結合起來，從而實現設計及生產過程管理的精細化和企業資源利用的優化。

2.3 數字化裝備

軟硬件相結合的數字化裝備，如NC（數控設備）、FMS（柔性制造系統）、Robot（機器人）等通過數字控制形成的生產自動化裝備。這些設備通過離散的數字信息控制設備或傳動裝置的運行，實現生產加工的自動化。

3.船舶建造數字化技術的發展歷程

3.1 單項技術的企業部門級應用階段

該階段主要是單項技術，如數值計算技術、CAD/CAE/CAM技術、數控技術以及各種部門級的管理信息系統，如財務、人事、OA、物資等管理系統在企業部門的局部范圍內的應用。部門級數字化技術的應用作為一種技術手段對提高設計和生產效率、提高產品質量發揮著重要作用。

3.2 企業內綜合應用集成階段

這一階段是由企業內的信息集成、過程集成到應用集成。通過信息集成保證了系統間信息的一致性，通過應用集成使企業內部的各種信息系統組成了一個有機的整體，大幅提高了數字化技術應用的整體效益，使得企業設計、生產、經營、管理的各種業務活動得以協調運行，大大提高了企業的生產能力。

3.3 企業間的應用集成階段

由于互聯網技術的快速發展，促使電子商務、供應鏈管理、協同設計、敏捷制造等一些基于互聯網技術的新型管理思想和管理方法得以實施，使得船舶這種具有大量配套設施的高度復雜產品的制造能夠實現跨地域的專業化企業間的協同運作，使產品能夠快速地、柔性地應對用戶的需求。

自20世紀60年代末將計算機用于船舶線型放樣開始，我國船舶行業信息化已歷經40多年，國內造船業經過不懈的努力，使得造船數字化技術已逐步滲透到造船業價值鏈的每一個環節，引進或自主開發了各種各樣的信息系統，已廣泛應用于船舶設計、建造和管理過程中。國內一些骨干造船企業和研究院所已開始引進虛擬仿真技術，開展船舶和海洋工程的產品虛擬設計和建造過程模擬等研究。

4.船舶建造數字化技術體系

制造業數字化技術是以現代設計制造的工程方法和先進制造理論為依據，以數字化技術為手段，面向產品全生命周期，理論方法與應用技術相結合的一個復雜的技術體系。

4.1 現代制造理論與數字化技術基礎

主要有計算機集成制造、并行工程、精益生產、敏捷制造、大批量定制等現代制造理論，以及建模技術、仿真技術、優化技術、集成技術等數字化技術緊密結合，形成了其技術理論基礎。

4.2 數字化基礎環境

主要包括計算機系統及系統軟件、數據庫管理系統及相關技術、網絡系統及相關技術、信息安全體系、信息標準化體系等。

4.3 數字化產品開發設計技術

主要包括產品需求分析、設計開發、生產制造等各個階段中，為分析和解決產品設計和制造過程中的各種問題而提供的數字化的技術方法和應用工具，如單項應用技術CAD、CAE、CAM、VR等，過程管理和集成平臺PDM、仿真及優化應用等。

4.4 數字化制造技術

主要有數字化生產計劃與制造執行控制、數字化工藝過程、數字化裝備、數字化制造單元、基于數字化的生產系統綜合集成等。

4.5 數字化管理技術

主要包括現代企業管理模式、集成化管理與決策信息系統、企業資源計劃與管理系統、企業生產項目管理系統、企業間協作的供應鏈管理與電子商務技術、企業質量管理的相關技術及企業管理系統的應用實施過程及方法等。

船舶建造數字化技術是制造業數字化技術針對船舶制造的特點和具體要求的實際應用。船舶建造數字化技術體系包括現代制造與數字化技術基礎、船舶產品的數字化設計技術、數字化制造技術、數字化管理技術和一體化集成技術，此外，還有數字化基礎支撐環境與相關技術等。

（1）船舶產品數字化設計技術以三維建模技術、數值計算技術、CAD、PDM、并行協同技術等數字化技術為基礎，按照船舶設計不同階段及不同專業的規范和技術要求，形成船舶各設計階段的數字化技術。

（2）船舶產品數字化制造技術以MES、CAPP、NC、過程仿真等數字化技術為基礎，根據現代造船模式的要求，形成制造執行層面的船舶數字化制造技術。

（3）船舶產品數字化管理技術則是將制造業先進的管理理念和方法與數字化技術相融合，按照船舶生產管理特點，形成船舶制造數字化管理技術。

（4）一體化集成技術則是進一步在設計、制造、管理等數字化技術應用的基礎上，實現信息的集成和應用的集成，達到工程的并行和協同。

上述數字化技術的研究、開發和應用需具備相應的基礎環境，需要解決一些相關的關鍵技術，如信息標準化、編碼體系、產品數據庫、企業資源數據庫、集成平臺、信息安全體系等。

5.船舶建造集成系統

船舶建造集成系統涵蓋船舶建造企業的設計、制造、管理的主要業務過程：

（1）設計方面主要包含船、機、電、舾裝、涂裝等專業門類的設計CAD系統、船舶設計虛擬仿真系統，以及結合生產工藝要求的各個專業的生產設計系統。設計系統生成的設計數據通過PDM（船舶產品數據管理系統）存放并管理，以PDM作為平臺，為船舶制造系統和管理系統提供有關產品信息的共享。

（2）船舶建造和管理系統通常包含工程計劃管理、物資與物流管理、成本管理、財務管理、質量管理、企業資源（設備與人力資源）管理，以及MES（制造執行系統）等。

（3）制造執行系統控制車間級的生產制造執行過程，如造船精度管理、資源日程計劃、作業安排與執行實績反饋等。制造和管理系統根據企業經管計劃和產品生產設計的要求制訂工程計劃、采購計劃、生產計劃和其他生產準備工作，通過制造執行系統貫徹實施生產作業過程。

結語

隨著信息技術的飛速發展，制造業的新思想、新方法、新技術層出不窮、日新月異，船舶建造業應該緊跟現代科技潮流，不斷創新，以實現船舶建造技術的跨越式發展。

參考文獻

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