舰船数字化制造系统的体系结构研究

舰船数字化制造系统的体系结构研究

摘要: 数字化制造以其响应快、质量高、成本低和柔性好等特点，正成为推动21世纪制造业向前发展的主流。本文在分析舰船产品研制特点的基础上，根据海军装备研制的发展需求，提出了舰船数字化制造的体系结构，介绍了舰船数字化制造系统的共享数据平台及集团公司管理控制系统、数字化试验分析系统、数字化设计系统、数字化建造系统、配套设备数字化研制系统等综合集成应用系统结构。

关键词: 船舶; 舰船工程; 数字化制造; 体系结构

1引言

数字化技术是以计算机软硬件、周边设备、协议和网络为基础的信息离散化表述、定量、感知、传递、存储、处理、控制、联网的集成技术。数字化制造是先进制造技术的核心，代表智能制造、网络制造、虚拟制造等先进制造技术的主流发展方向。数字化制造以其响应快、质量高、成本低和柔性好等特点，正成为推动21世纪制造业向前发展的主流。舰船数字化制造是指在计算机技术、信息技术等支撑技术的支持下，在对舰船设计制造过程进行数字化的描述而建立起的数字空间中完成舰船产品的研制过程。其实质是基于产品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并实现产品开发全过程的数字化。因此，它的基本特征表现为:设计制造全过程信息融合及过程集成管理、数字化建模仿真与优化、面向产品全生命周期。

世界先进造船国家及海军强国广泛地开展了相关技术的研究应用工作。数字化造船作为我国船舶工业信息化建设的主要内容和重点发展方向，是船舶行业应对国际竞争，实现产业结构调整与优化升级的必然选择，是贯彻落实党的十六大报告提出的“以信息化带动工业化”的重要举措，也是我国船舶工业实现跨越式发展的必由之路。本文以中国船舶重工集团公司为例介绍了舰船数字化制造系统的体系结构。

2舰船研制的特点

现代军用舰船具有研制阶段多，周期长，涉及专业种类复杂，参与机构人员众多，系统性强，配套要求高，研制费用昂贵等特征，舰船的研究、设计、建造与军事需求、科学技术、国民经济等诸多方面有密切的联系。这些基本特征为它的研究、设计、建造过程带来如下特点:

(1)技术密集、高度集成:舰船是一个综合武器平台，所涉及的技术领域广，包括造船、兵器、电子、航天航空、机电、材料等方面的前沿技术和工业资源;集成了空基和陆基独立使用的许多武器、电子、机械系统;

(2)总体牵头、多方协作:我国军用舰船研制实行的是总体设计部门牵头的体制。由总体设计部门按照战技任务书要求，完成初步设计、技术设计(含船体设计和系统配置)方案，由系统与设备研制牵头部门按照总体设计要求，进行系统设计、集成和调试，其中设备设计制造既有设计部门承担的，也有生产部门承担的，形成一个总体—系统—设备—配套层层负责的分工协作体系。建造过程中的施工设计、工程变更也由总体设计部门负责，总体建造厂负责船体建造、设备安装、交船验收;

(3)过程复杂、周期较长:一艘舰船完整的发展过程一般可分为:①预研阶段，主要包括:总体概念研究(含需求论证、作战环境分析、目标方案图像提出、技术经济可行性分析、技术路线确定等)、基础技术研究、主要系统技术预先研究等;②型号研制阶段，主要包括:战技任务制订、总体设计与建造、系统研制与集成、系统与总体试验、批产等;③使用保障阶段，主要包括:维修保障、技术改进、现代化改装等;

(4)管理严格、程式周密:军用舰艇的研究、设计、建造是在国防装备与科技发展

计划的严格制约之下进行的，服从军方装备主管部门、政府职能部门、行业负责部门的指挥和指导，接受战技任务书和多种标准、规范、指令的约束。整个过程按照既定规程，分阶段实施，按节点审查、试验、鉴定，各个阶段都有明确的计划、任务要求、时间节点;

(5)行动敏捷，快速响应:虽然军船工程是极其复杂的大系统工程，过程相对较长，但在追求先进性、可靠性、可用性的同时，整个工程过程还必须尽可能缩短周期，以满足国防需要。这就要求过程整体和各个局部能够对情况、指令、协同要求做出敏捷、适时、正确的响应;

(6)单件小批量研制:军用舰船生产通常是单件或小批量的，由于研制周期长，随着技术进步及战技任务和战技指标的调整，即使是同样型号的舰船，单个产品之间往往也有较大的差异。

舰船设计制造是一项非常复杂的工程，它是由多团队、多领域、多厂所共同参与开发，涉及大量的信息系统，并且需要在严格的流程管理控制下实现这些信息系统之间交互和协作，以支持并行、协同的舰船设计与制造。舰船数字化制造工程的实施，将有力地保证国家重大型号研制生产的顺利进行，并将建设起军船设计建造的快速反应体系;同时也将大幅度地提升造船技术水平，切实增强国际竞争力，对于我国迈向世界第一造船大国具有十分重要的意义。

3舰船数字化制造系统的体系结构

3.1舰船数字化制造系统的总体结构

舰船数字化制造系统的目的是实现舰船研制过程中不同数据、应用、流程和服务的共享和协作，其应用对象是具有复杂信息环境、复杂信息关联的舰船设计制造企业。它是在面向集团公司的网络系统及其分布式数据库和应用系统的基础上，建立能够支持集团范围信息集成、过程控制与资源共享的平台，通过平台提供的专业化系统服务、管理以及集成接口，实现并行、协同、实时的舰船产品研制。舰船数字化制造系统是由一个共享数据平台及集团公司管理控制系统、舰船总体性能数字化试验分析系统、舰船数字化设计系统、舰船数字化建造系统、配套设备数字化研制系统等五个综合集成应用系统组成。其体系结构如图1所示。

3.2共享数据平台

(1)计算机网络系统

舰船数字化制造系统的基础是计算机网络系统，需要建立一个以集团总部为中心、连接全部所有分支机构的高效、稳定、快速的广域数据通信网络。结合中国船舶重工集团下属企业、科研院所的地域分布特点，网络系统结构可设计为环状/部分网状加星型拓扑结构，如图2所示。从网络层次化角度将其分成三层:第一级:主中心;第二级:区域中心(例如:北京、武汉、上海、大连、重庆等)，包括区域中心及单列单位;第三级:下属单位;

(2)数据库平台

数据库平台建立在面向集团公司的网络平台上，采用分布式数据存储方案，逻辑上分为两个层次:①集团级:在集团总部建立综合数据中心，管理集团公司的共享数据，管理集团下属的企业共享数据;②厂、所级:各厂、所建立各自的共享信息数据库，将各自的信息进行整合，并与综合数据中心进行信息交互。数据库平台主要包括两类数据库:①企业资源共享数据库:包括型号项目管理数据库、资产管理数据库、财务管理数据库、信息管理数据库、人力资源数据库等。这一类型数据库的建立需要考虑集团和二级单位的实际需求建立，它既有集团级，也有厂所级。②舰船工程共享信息库:包括舰船性能库、舰船结构数据库、舰船产品数据库、舰船规范及标准数据等。

3.3集团公司管理控制系统

舰船数字化制造系统支持跨地域、异构环境下的信息无缝连接，支持整个集团的信息集成、过程集成和资源共享。为全面服务、支持、协调舰船数字化设计制造的需求，建立数个集团级的信息服务中心，如图3所示。

集团公司管理控制系统包括综合管理系统和综合商务系统，系统结构如图4所示。

3.4舰船数字化试验分析系统

舰船总体性能数字化试验分析系统，将建立起虚拟试验分析手段和网络化数字实验室体系，如图5所示。它主要分为两大方面:一为虚拟试验系统，一为物理试验系统。整个系统是基于网络的数字化试验系统。