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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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（Mitsubishi Advanced Total Engineering system of
7、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（Hitachi Zosen Systems 3D CAD System）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
8、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KHI CIMS (KKARDS )（Kawasaki Knowledge-based, 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
9、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
10、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（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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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(Parametric Technology Corporation，PTC公司
16、)，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78。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
