数字化造船

数字化造船
摘要面对经济全球化下的激烈市场竞争，中国造船行业需要实现数字化造船，以提高行业的核心竞争力，为行业的发展提供有力的支撑。

数字化造船需要信息技术的支持，但是信息技术总是在飞速发展变化着，造船行业应该细心规划信息技术在数字化造船中的应用。

本文首先说明选题的作用与意义，然后对数字化造船进行系统化的介绍。

其中包括数字造船国内外的发展状况，以及介绍了数字化造船其中的三个方面：数据集成平台技术，CIMS技术，虚拟现实技术。

关键词：数字化造船；CIMS技术；数据集成平台技术；虚拟现实技术
1.引言
现代造船是一项复杂的系统工程，船舶制造过程涉及到多工种、多工况和多专业，工作面展开大，交叉作业量多，加上外界条件的变化，如材料和设备的纳期、作业人员的技术能力、天气水文条件、各工种生产负荷的非均衡性等因素，使得其极不稳定，影响生产效率。

要实现现代造船模式所要求的以中间产品为导向，按区域组织生产及生产作业的空间分道，时间有序，仅仅靠预期经验或现场调度来管理企业的方法已远远不能适应。

开展数字化造船生产设计的目的就是通过虚拟仿真方法模拟实际生产组织、管理过程，在虚拟的环境中解决生产组织、计划、设备等资源的综合协调，使生产能够均衡有序的开展。

但在数字化生产设计开展的过程中，除了要考虑各生产环节不同专业的技术水平、装备能力等因素外，前期初步设计、详细设计的变更都会对数字化造船生产设计产生影响。

因此，分析研究数字化造船生产设计过程控制方法，对有效开展数字化造船生产设计具有重要意义。

2.数字化造船
纵观世界造船业，船舶制造技术的发展历程同时也是信息技术的发展历程。

以世界造船强国韩国和日本为例，韩国造船业最早是从外国引进设计图纸，在国外船级社和船东技术代表的监造下进行生产，本国企业在生产实践中进行探索学习，逐渐形成自主的研发能力。

随着信息技术和高新科技的发展，韩国造船业开始发展自己的基础设计能力、研发自己的发动机和核心机电设备，同时不断学习日本等国家的先进经验，改造其生产工艺和管理，使造船业向着高度机械化、自动化、集成化、模块化的方向发展，并步入了世界造船强国。

日本造船业是在第一次世界大战之后迅速发展起来的，
1955年超过英国成为世界上第一造船大国，迄今为止一直保持领先地位。

日本造船业最早也是从国外引进先进技术，如CAD／CAM，在保证产品质量与性能的同时采取精度管理，大大提高生产效率，降低成本。

同时日本很重视船舶技术的研发，在引进国外软件的基础上，借助于信息化技术高速发展的机遇，日本政府制定综合性研究计划开发，将国家级船舶技术研究院和民间造船公司的研究部门集中起来，以技术力量雄厚的企业研究力量为核心，进行产、学、官三方联合开发，这种措施大力的推进了日本造船业的发展。

日本造船业通过不断探索，积极改进，采取了很多措施来保持在业界的领先地位，如集中技术力量研发高科技、高附加值船舶，提高产业的科技竞争力；改进生产设备和工作环境，大力推进船舶工业制品规格化和标准化以应对多样化的市场需求；积极参与国际合作，加强与中国和韩国交流合作，在竞争中提升自己。

图1 数字化造船体系架构
在信息化高速发展的今天，要与韩国、日本造船业相抗衡，必须进行改革。

因此近年来我国调整人才结构，加大人才培养力度，提升人才队伍素质，推动机械创新，提升造船业科技水平和自主创新能力，走技术引进、消化吸收和自主研发三位一体的跨越式发展道路，在造船产量和造船质量上同步提升竞争力。

2.1 数字化造船的定义和特点
数字化造船技术是以造船过程中的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息化技术、先进数字化制造技术、先进造船技术和现代造船模式，综合应用在船舶设计、制造、测试、试验和管理维护等全部生命周期的各个阶段和各个方面。

数字化造船技术主要包括五方面：船舶设计数字化、船舶建造数字化、管理控制数字化、经营决策数字化、船舶维护数字化口引。

船舶设计数字化：利用各种设计软件，如CAD、Tribon、Sb3ds、Catia等，结合虚拟现实等技术，在船舶设计手段和设计过程上实现数字化。

船舶建造数字化：在船舶生产制造过程中利用自动化等高新信息技术，实现生产制造过程的自动化和智能化。

管理控制数字化：在internet的基础上利用电子商务等方法，对企业内外的资源进行信息化系统管理。

经营决策数字化：企业运用信息化技术在设置经营目标和战略决策时进行资源的综合分析，利用科技手段做出企业的经营决策。

船舶维护数字化：运用计算机、网络技术和信息库等手段，通过建立船舶设备数据信息库，实现船舶和计算机之间信息的传递和共享，实现对船舶营运状态和设备进行有效的监控。

不管是民用船还是海军用船，数字化造船技术不仅在船舶设计方法和工具上还是船舶的生产制造和企业的管理模式上都有着独到的作用，尤其在提高质量、减低成本和缩短交付时间方面表现出强大的功效，未来的造船业是属于数字化造船技术的，它在一定程度上决定着造船企业变革的成败。

2.2 数字化造船的国内外发展现状
20 世纪70 年代中期，计算机技术被应用到船舶数学放样和数控切割2 个领域，船舶设计建造的数字化从此起步；80 年代计算机技术的应用逐渐向着辅助船舶设计/ 制造/ 分析（CAD/ CAM/ CA ）领域拓展；90 年代至今，先进的造船国家纷纷将计算机集成信息管理系统（ CIIM）、计算机集成制造系统（CIMS）以及船舶虚拟设计和制造仿真作为重要的研究方向，逐渐“虚拟”企业，开发造船数据的连续搜集与全生命周期支持系统CALS（Continuous Acquisition and Life - cycle Support）。

美国在1992 年进行了下一代船舶设计系统SBD（ Simulation Based Design）的项目研究，目标是要建立一个能预先进行船舶设计、制造、运行和评价的虚拟环境，即在计算机上实现虚拟设计和建造船舶；2000 年，全美6 大造船公司又率先联合建成基于信息技术的造船虚拟企业（动态联盟—联合了造船的分包商、供应商和船舶使用、检验、研究部门），采用能交互的、一致性定义的设计、建造过程控制方法，基本实现
了造船CALS 系统。

近年来，日本各大造船企业在引进计算机先进技术、提高船舶三维自动化设计方面狠下工夫。

三菱重工引进TRIBON 公司船舶自动化设计系统的同时，又引进并开发了MAT S 系统；IHI 联合造船开发了名为“紫阳花”的设计信息自动化系统；三井造船开发了MACISS 设计自动化系统。

川崎造船在TRIBON 系统的基础上，采用川崎造船独有的专利技术，开发了新的智能化的K - KARDS 自动化设计系统。

韩国引进了日本的造船技术和管理模式，建立了CIMS，随后又引进CALS 系统，大力开展了有关敏捷制造和电子商务等方面的研究，力争建立起“虚拟造船企业”。

2002 年，韩国三星重工正式启动“数字化造船”系统的发展计划，该系统汇集了目前的造船经验和数字化信息技术，可在虚拟环境下模拟和检查整个造船过程；现代重工正在新建因特网采购系统HIPRO，利用因特网将现代重工、现代尾浦造船公司、三湖重工的采购集中于一个采购系统之中。

90 年代中后期，我国大型船厂通过引进国外先进的设计、管理软件系统（如TRIBON、CADDS5等），并结合自身情况进行深层次辅助（或自主）开发等方式，使造船数字化进程有了较大的发展。

上海沪东中华提出了“数字沪东”的口号，企业在多年CAD/ CAM/ MIS 开发应用的基础上，引进瑞典造船TRIBON 系统，以自我研发为主，建立了企业信息化系HDS - CIMS，同时正在继续开发后续模块；外高桥船厂于2004 年2 月开始进行全面实施CIMS 系统的一期项目，其中包括购买l 套由HANA - IT 公司开发的CIMS 系统；广船国际已在使用l 套由前国家经贸委的支持下开发的GSI - SCMIS 一期系统，目前正在实施以SPDM 为核心的GSI - SCMIS 二期系统；江南船厂正着手开发与实施名为“ e 江南”（eJN）的企业信息化系统，2003 年6 月已完成一期工程并启用。

从整体上来看，“中船”、“中重”两大集团所属的大型船厂在“数字化造船”方面仍落后于世界先进水平，处于“跟随”发展的阶段。

3.数据集成平台技术
船舶平台信息集成系统是进行数据交换和业务系统运行的平台，它规范了信息交换和系统运行标准及接口定义等，为业务应用系统提供良好的系统接口、稳定的运行环境和严格的管理界面。

船舶信息系统的结构如图2所示，其中处理机、智能传感器和带有数字化接口的设备物理地分布于船匕的各个部位，各自独立运行，它们通过网络设备连接，构成一个分布式系统。

该系统又是通过集成支撑环境将各个独立的系统连通集成进行信息交换和消息传递，形成一个有机的整体。

船舶平台信息集成系统负
责除指控系统外其他所有信息的共享与交换。

资源管理中心、控制中心、信息管理中心和操控台之间的信息传输和消息传递统一通过船舶平台信息集成系统控制完成。

图2船舶信息系统的结构
船舶平台信息集成系统的核心是任务管理调度子系统和数据访问中间件两大部分，平台本身也是作为中间件以通用组件的形式对应用要求的功能提供支持，包括流程调度与控制、权限控制和数据访问等支持。

系统的最底层是各类分布的异构数据库管理系统。

船舶平台信息集成系统的体系结构，任务管理调度子系统通过传递消息控制应用系统中模块的运行演程、数据访问中间件通过发送和接收数据控制应用系统的数据流程。

权限控制子系统、任务与信息监控子系统通过对数据流和控制流的监控和控制完成自身的功能。

4.CIMS技术
CIMS全称(Contemporary Integrated Manufacturing System)中文名叫现代集成制造系统，是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上。

它不断吸收先进制造技术中的相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。

具体地说．它将传统的
制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统[程技术进行有机的结合．通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

从集成的角度看。

早期的计算机集成制造系统侧重于信息集成，而现代集成制造系统的集成概念在广度和深度卜都有了极大的扩展．除了信息集成外还实现了企业产品全生命周期中的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的集成阶段。

先进制造技术(AMT—Advanced Manufacturing Technology)作为一个专有名词至今还没有一个明确的、一致公认的定义。

通过对其内涵和特征的研究。

目前共同的认识是：先进制造技术是传统制造技术不断吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，并将其综合应用于产品设计、制造、检测、管理、销售、使用、服务的制造全过程。

以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，并取得理想技术经济效果的制造技术的总称。

它具有如下一些特点：从以技术为中心向以人为中心转变。

使技术的发展更加符合人类社会的需要；从强调专业化分工向模糊分工、一专多能转变，使劳动者的聪明才智能够得到充分发挥；从金字塔的多层管理结构向扁平的网络化结构转变，减少层次和中间环节；从传统的顺序工作方式向并行工作方式转变，缩短工作周期，提高工作质量；从按照功能划分部门的固定组织形式向动态的自主管理的小组工作方式转变。

通过对先进制造技术的定义和特点的分析我们发现。

现代集成制造系统拥有先进制造技术的绝大部分特点，只不过先进制造技术所涉及的的范围要比现代集成制造系统大，因此通过对先进制造技术的综合考察。

我们提出了一个现代集成制造系统的技术构成模式。

1．并行工程(CE—Concurrent Engineering)：并行工程是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程)的系统方法。

2．虚拟制造(VM —Virtual Manufacturing)：虚拟制造利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真。

以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施．从而达到产品一次性制造成功。

来达到降低成本、缩短产品开发周期．增强产品竞争力的目的。

3．敏捷制造(AM—Agile Manufacturing)：敏捷制造是以竞争力和信誉度为基础，选择合作者组成虚拟公司，
分工合作．为同一目标共同努力来增强整体竞争能力，对用户需求作出快速反应，以满足用户的需要。

4．绿色制造(GM—Green Manufacturing)CIMS全称(Contemporary Integrated Manufacturing System)中文名叫现代集成制造系统，是计算机集成制造系统新的发展阶段，在继承计算机集成制造系统优秀成果的基础上。

它不断吸收先进制造技术中的相关思想的精华，从信息集成、过程集成向企业集成方向迅速发展，在先进制造技术中处于核心地位。

具体地说，它将传统的制造技术与现代信息技术、管理技术、自动化技术、系统工程技术进行有机的结合。

通过计算机技术使企业产品在全生命周期中有关的组织、经营、管理和技术有机集成和优化运行，在企业产品全生命周期中实现信息化、智能化、集成优化，达到产品上市快、服务好、质量优、成本低的目的，进而提高企业的柔性、健壮性和敏捷性，使企业在激烈的市场竞争中立于不败之地。

从集成的角度看。

早期的计算机集成制造系统侧重于信息集成，而现代集成制造系统的集成概念在广度和深度卜都有了极大的扩展．除了信息集成外还实现了企业产品全生命周期中的各种业务过程的整体优化，即过程集成，并发展到企业优势互补的企业之间的集成阶段。

5.虚拟现实技术
虚拟现实技术最早由美国VPL Research Inc．公司提出的，涉及计算机、微电子、仿真与传感测量等众多高新技术，它是利用计算机在电脑上构造出一个与现实世界相同或相似的环境，人们通过虚拟设备就可以与虚拟环境进行交流互动，就像在现实世界中一样。

人们不仅能从视觉上感知虚拟世界，同时也可以从嗅觉、听觉甚至触觉等方面来感知虚拟世界。

在计算机中构造的虚拟世界是一个开放的环境，不仅能够对人们通过虚拟设备传递给它的信息做出反馈，还能够让人们“真实”地感知虚拟环境下的虚拟实物。

虚拟现实系统主要由五方面组成：虚拟引擎、输入/输出设备、软件和数据库、用户以及任务，其中虚拟引擎和I/O设备是虚拟现实系统的核心，他们之间是通过以下组成关系来完成虚拟任务的，如图3所示：
图3 虚拟现实系统组成部分
VR引擎是虚拟仿真系统的核心部位，通过读取输入设备中的数据信息，访问与任务相关的数据库并进行实时计算，完成相应工作任务，最后通过输出设备反馈任务结果。

I/O设备是实现虚拟环境交互性的基础。

人们通过专门的数据接口给计算机发送命令，同时计算机也会将实时的模拟信息反馈给用户。

比较常见的I/O设备有三维位置跟踪器，即传感衣、三维声音发生器、数据传感手套等。

软件和数据库，根据各个领域的应用侧重点不同，目前虚拟现实系统的VR仿真软件
有很多种，软件和数据库的主要功能有两部分：
1)建立虚拟对象的几个模型，根据需要也可以加入物理属性和行为特性，同时构造虚拟对象层次结构，建立I/O设备到虚拟场景的映射。

2)创建虚拟环境，创建连通应用程序与虚拟世界的数据接口，从而实现人机交互。

任务指的是虚拟现实系统需要完成的命令和工作。

传统的虚拟现实系统主要运用在教育、娱乐、医疗和军事，新型的虚拟现实系统主要运用在机器人、制造业和信息可视化等领域。

虚拟现实技术的特点主要通过四个方面来表现，他们之间的关系如图4所示：
图4虚拟现实技术的特点
多感知性：所谓多感知性就是除了一般计算机所具有的视觉感知之外，还拥有其他方面的感知，比如听觉感知、触觉感知、嗅觉感知、味觉感知、甚至运动感知等。

沉浸感：沉浸感是指计算机生成的虚拟环境让人有一种真实的存在感，犹如身临其境，所有感知就像在真实世界一样。

要有沉浸感，除了逼真的三维模型，还必须有人机交互作用才能够实现。

想象性：在进入虚拟环境时，不仅仅是依靠外设的一些虚拟设备，像数据手套之类的来提供沉浸感，同时也要通过想象把虚拟的环境构造出来，想象性从一方面也表达了作者的设计思路。

交互性：虚拟环境是一个开放的环境，它能通过人们输入的信息感知人们的意愿，并做出相应的反馈，交互性的优劣主要由实时性和自然性来体现。

在经济全球化的今天，国际市场竞争非常激烈，尤其是工程制造领域。

新技术、新产品日新月异，这对新产品的设计开发和制造提出了更高的要求，企业要在这样严峻的挑战下生存发展，就必须有全新的、强有力的技术支撑，虚拟现实技术就是工程制造领域未来发展的技术力量。

虚拟现实技术最早是由国外提出的，经过多年的发展已经在航空航天、汽车制造、医疗康复、教育娱乐以及军事等领域得到了广泛的应用。

而我国在上世纪九十年代，工程界和科学界才开始关注虚拟现实技术的研究和开发，虽然起步较晚，但是信息技术的快速发展和信息共享，目前虚拟现实技术在我国的各个领域也得到了广泛的应用，同时国内的科研院所和高校也在不断的对其进行深入地研究。

虚拟现实技术在工程制造业的应用主要体现在两个方面：产品外形结构设计，产品装配工艺过程的优化确定。

产品外形结构的设计又分为三个方面：以设计为中心的虚拟制造技术、以生产
为中心的虚拟制造技术和以控制为中心的虚拟制造技术。

6.结论
国外舰船数字化造船技术的发展，体现了数字化技术在集成化、网络化、虚拟化、
智能化等方向的发展。

当前，我国正在大力推进数字化造船的发展，跟踪掌握国外舰
船数字化造船技术发展趋势，可帮助我国认清与国际先进水平的差距，明确数字化造
船的重点发展方向。

通过促进数字化技术在造船行业的广泛应用，达到缩短建造周期、
提高产品质量、降低生产成本，从而全面提升企业核心竞争能力的目的。

如今，世界造船已经进入更高层次的”数字化”阶段，全球造船业正在研究全球
化的资源优化集成，以全面数字化、全面模块化和网络平台等为技术支撑，建立动态
的造船联盟一虚拟企业。

中国造船业要想在这个未来的动态联盟中占有一席之地，赢
得新世纪舰船建造的竞争，就必须致力于全面的船舶产品模块化、信息数字化、制造
敏捷化和创新的造船技术研究、开发和引进，建立智能化信息驱动的企业运行体系，
实现造船行业现代化的跨越发展。

这是我国赶超世界先进水平，成为世界第一造船强
国的历史机遇。

我们必须以高度的民族责任感，探索中国特色的造船行业现代化的有
效途径，全力以赴完成历史赋予我们的使命。

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