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数字化造船面面观
时间:2019-07-24          阅读次数:584

注:原文刊发在国际船舶网

1.“无纸化”数字造船

所谓“无纸化”造船,利用数字化技术,在建造过程中采用数字传输,实现建造过程中的“无纸化”,不仅能提高船舶建造效率,降低建造成本,也能提高建造质量。“无纸化”造船,是一种数字化造船模式。

理想的“数字化造船”可大致归纳如下7个特征:

建造全过程仿真化——船舶建造全过程仿真化将提供在“计算机中制造”的能力,使用船舶产品模型、造船过程模型和制造设备模型,生产出数字化的船舶。在船舶设计阶段,实时地、并行地模拟出船舶未来建造的全过程及其对船舶产品设计的影响,预测船舶性能、造船成本、可制造性,从而更快捷地组织造船生产,使船厂和车间的资源得到更合理的配置,以达到船舶产品的研制周期和成本最小化、船舶性能最优化和建造效率最高化。

过程控制并行化——建立基于船舶产品数据管理的并行开发环境和科研生产协同环境,设计与建造、设备研制与总体研制、系统设计与总体设计之间的并行与协同,实现与船东、船级社、船厂、配套设备供货方、船模水池和CAE软件库等外部机构的协同。

决策体系智能化——针对发展战略、投资规划、重大产品决策等,形成智能决策支持系统,增强决策的科学性、准确性和及时性。

管理体系信息化——适应信息化环境和信息化生产的要求,建立信息化的管理、控制体系。

信息体系网络化——利用计算机网络,集成和流通科研、设计、生产及其过程控制信息和经营、管理、服务等信息。

工艺装备自动化——通过自动化工装,直接利用数字化工艺数据。

服务保障全程化——形成基于数字化设计、建造数据和信息网络的快捷、方便的军民船全寿期服务保障体系。

2.国外数字造船现状

当前世界造船已进入“数字化”造船阶段,国外数字化造船技术的发展以日本和韩国为代表,引领了技术发展水平与发展趋势。船舶数字化建造从技术上可分为五个阶段。

第一阶段以2D绘图、单机工作、功能设计为主要技术特征。在计算机中的存储对象以文件系统为主。制造信息的识别、加工和处理还主要是人工处理,制造信息大多是人工录入。

第二阶段以2D和3D混合建模、单机工作、功能设计为主要技术手段,计算机模型可提供部分制造信息。

第三阶段以全三维模型、桌面可视化、点对点的信息集成、功能设计为主要技术手段。计算机的全三维模型可以提供制造所需要的几何信息和加工信息。虽然实现了点对点的信息集成,但系统彼此孤立,特别是管理信息由管理信息系统产生,“信息孤岛”问题越来越突出。

第四阶段以智能产品模型(DMU)、工程数据管理、高级可视化、产品数据管理(PDM)/企业资源计划(ERP)集成为主要技术手段。在产品数据库管理的基础上,利用工程可视化的技术手段,建立设计过程的管理和控制平台,形成数字产品的柔性生产线,智能的产品模型为生产过程提供完备的信息,实现PDM/ERP一体化的系统重构。

第五个阶段以信息系统、共享数据环境、协同生产环境、电子商务-供应链集成、配置管理为主要技术特征。以计算机网络建成社会化的信息共享支撑平台,利用造船企业资源的战略优势,通过动态配置技术形成虚拟企业的动态联盟,实现企业社会化资源的最佳配置;通过智能化信息驱动的自动化过程,为全球个性化的客户快速提供高质量的产品。

目前,日本、韩国和欧盟先进船厂已经普遍进入到第三阶段,甚至已经进入了第四阶段,并开始考虑如何进入第五阶段的计划。

美国先进船厂已经进入了第四阶段,并开始实施进入第五阶段的计划。

在日本,数字化技术在造船中的真正研究发展始于上世纪80年代,到90年代中期,日本一些大的造船企业已经初步建立造船计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems,CIMS):如日本川崎重工船厂按照“自下而上”的思路建成了CIMS系统。2002年3月,石川岛播磨重工有限公司(IHI)与达索公司和IBM产品生命周期管理部共同研发和实施造船业3DPLM项目,以便继续保持其造船数字化的领先地位。到2004年初,日本大型船厂陆续实施CIMS,并开始了虚拟企业(VE)连续采办、全生命周期支援系统(CALS)与三维产品全生命周期管理(3DPLM)的开发研究。

在韩国,在上世纪90年代开发的造船“CIMS”系统相当于日本船厂80年代所开发的计算机集成信息管理系统(Computer Integrated Information Management, CI2M)系统。韩国在引进日本、美国和欧洲等国的先进造船信息技术后,研制实施自己的造船CIMS,取得了显著成果。如1991年韩国大宇船厂开始实施CIMS后,其造船销售量增长3倍,年造船缩短约500万工时,船舶建造周期缩短约3.5个月,实现年利润2.2亿美元。韩国各大造船企业为确保造船业的主导地位,正在广泛应用互联网技术并开始向机器人等高新技术发展。如2003年,三星重工安装了互联网支持的三维计算机辅助设计系统,该系统使船厂的生产力提高了50%;2004年3月,韩国政府资金大力支持韩国现代重工、大宇造船海洋工程公司,联合三星等几家大型电子企业共同开发新一代智能型机器人。

在欧洲,主要的造船企业如德国的不来梅·富坎集团、HDW公司和博隆·福斯公司、丹麦欧登塞和B&W船厂、法国大西洋船厂、阿卡集团和俄罗斯波罗海船厂等,具有先进的造船管理理念,重视建造完美的船舶,具有很强的组织生产、管控物流的能力和经验。物流方面的信息化系统不只是一个信息处理平台,还是一个能适应现代造船模式的综合管理和调控平台,同时信息化集成度高,与物流相关的信息流贯穿企业的各个部门。欧洲船厂在船舶生产组织管理、设计能力方面具有一定的先进性。在信息化方面,欧洲船厂具备了长期的信息化建设和应用经验,应用信息技术的意识很强。丹麦的欧登塞船厂近几年在引进新的CIMS生产设备、CAD/CAM系统和机器人上的投资已经超过了8300万元。这种大规模投资的结果,使该厂成为欧洲造船业中生产效率最高的企业。克瓦尔纳的瓦尔诺夫船厂装备有最新的以UNIX为基础的计算机综合集成系统,可用于设计、生产和所有活动的管理。德国的HDW船厂和IBM公司及CENIT公司合作,引进了一系列硬件、软件及服务功能,总投资3000万欧元,使其成为澳洲第一家将集成数据技术应用于整个开发、建造和产品数据管理活动的船厂。

3.美国无纸化造船

2016年,亨廷顿英格尔斯工业公司希望在第三艘福特级航空母舰(CVN-80)建造过程中,实现无纸化建造,且数据传递全部使用三维图。纽波特纽斯船厂总裁马特·穆尔赫林于2016年5月17日在美海军联盟的2016“海空天”展览会上称,纽波特纽斯船厂是这一计划的排头兵,并将创建集成数字化造船环境,预计将会把CVN-80的建造成本降低15%。 

三维产品模型环境的核心是打造一个计算环境,即船厂所有活动数据来自单一数据源,这些活动数据包括为所有待建船舶的所有设计图,检查的状态数据、材料需求清单以及这些材料的状态及位置等等。一旦这些信息全部集中到一个中央计算机系统,所有在船厂工作的人就能够在里面提取信息或添加信息。 

除了能够告诉造船工人如何安装零件的动画工作包,这种实时信息网络能够大幅提高效率,如能够避免在船厂内来回检查材料状态,以及有些工人需要等待其他人完成他们的工作才能继续开工所造成的时间及成本浪费。 

一旦数字环境实现并运行,将至少节省15%的建造成本。目前几个正在CVN-79上进行的试点项目,包括发放150个平板电脑以及数字化1000多个工作包,已经带来了非常显著的成本节省。 

其他的试点项目包括使用激光扫描仪辅助创建空间三维图像,替代传统的在纸上画图的方式。穆尔赫林称,我们目前真正取得成功的是激光扫描技术,如果你没有一个地方的三维模型,你可以使用激光扫描得到数以百万计的数据点,进而创建一个空间模型,用于数字环境。

4.国内无纸化造船

目前,我国骨干船厂已经普遍进入到数字化建造第二阶段,有的已经进入了第三阶段,并开始考虑如何进入第四、第五阶段的计划。

2019年初,号称“全球首艘无纸化建造”船舶——“海巡160”交付。该船号称是全专业、全要素使用三维体验平台设计,实现全船大规模三维设计交付物(三维“图纸”)、采取全过程无纸化建造的大型钢质船舶。

基于“单一数字模型”核心理念,在设计上运用三维体验平台进行数字化设计和VR建造模拟,提前进行空间可达性、设备可操作性和可维护性评估,从源头上提升设计质量、增强用户体验;在建造上,按建造阶段创造性地提出了三维交付物的方案,即通过智能生产终端以三维模型直接指导生产建造与管理,无纸化建造的新模式逐渐成形。

三维体验平台能够模拟船员在船上的行走、操作、运维,充分反映人在船上的行为,从而能够在船舶设计阶段充分发现问题,有效控制更改及造船成本,缩短造船周期,提高造船质量。

与又厚又大、艰涩难懂的二维图纸相比,三维体验平台仅需使用一台Pad、笔记本电脑,图纸的电子文件就能通过网络直接传递到现场终端,实现图纸信息高效传递的同时节省了纸张资源浪费。并通过 Wifi 将三维作业指令传输至现场,这些三维指令已经过仿真验证,工艺准确率高。使得生产现场作业人员能快速、准确获取工艺信息,大大提高了作业质量和生产效率。

“在建造船的过程中,以前的工人施工拿着图纸需要花了两到三个小时去思考想象,现在拿着iPad转一下角度,就会很直观立体的呈现。”

全专业、全要素使用三维体验平台设计,全船大规模三维设计交付物(三维“图纸”)、全过程无纸化建造的大型钢质船舶的核心是打造一个计算环境,即船厂所有活动数据来自单一数据源,这些活动数据包括为所有待建船舶的所有设计图,检查的状态数据、材料需求清单以及这些材料的状态及位置等等。一旦这些信息全部集中到一个中央计算机系统,所有在船厂工作的人就能够在里面提取信息或添加信息。

利用三维设计建造工艺和无纸化建造,也为国内数字化造船开启了新征程。