数字化造船系统研究

数字化造船系统研究

赵 东，周 宏

（江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，镇江 212003）

摘 要：文章介绍了数字化造船技术、数字化造船系统及其框架，以及数字化造船系统中各个分系统的主要内容和关键技术.

关键词：船舶；数字化造船系统；关键技术；框架；网络

中图分类号：U66 文献标识码：A 文章编号：1000-6982 (2006) 03-0058-04

Research on the digital shipbuilding system

ZHAO Dong, ZHOU Hong

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Abstract: This paper describes digital shipbuilding technology, digital shipbuilding system and its framework as well as the main contents and the key technologies of each subsystem.

Key words: ship; digital shipbuilding system; key technology; framework; network

0 引言

随着计算机技术、信息技术和网络技术的发展，造船企业的信息化、造船模式和船舶制造技术的数字化已成为全球造船业提高核心竞争力的关键因素和有效手段.世界上各造船巨头都在组织开发数字化造船系统.从到企业，从协会组织到科研院所，日本、韩国和欧盟把这一系统的研究当作战略来实施.当前，处于前沿的是美国研究开发的舰船制造业先进的信息工程MARITECH，它以全面数字化、全面模块化和网络平台等支撑技术，建立动态的造船联盟.尽管在我国数字造船还不是一个成熟的概念，但我国造船工作者也掌握了研究开发和实施数字化造船的一些关键技术，如建模、仿真以及系统集成技术[1].借鉴他国经验，我国要成为世界第一造船大国，造船业要实现跨越式发展，必须建立数字化造船系统，实现数字化造船.

1 数字化造船简介

数字化造船就是指造船领域的数字化，它是船舶先进制造、计算机、网络等技术与管理科学的交叉、融合、发展与应用的结果.企业的各种信息（如图形、数据、知识、技能等等）均以数字形式，通过网络， 收稿日期：2005-05-23；修回日期：2005-10-08

在企业内部传递，在虚拟现实、数据库、多媒体等多种技术的支持下，进行产品信息、工艺信息与资源信息的分析、规划与重组，以及产品设计和产品功能、加工过程与生产组织过程的仿真，从而实现生产过程的快速重组与对市场的快速响应，以满足客户要求.船东可借助网络发布信息，船厂、配套厂、科研院所等通过网络，应用电子商务，实现优势互补，形成动态联盟，迅速地协同设计，制造出相应的产品.简言之，数字化造船是以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术全面应用于船舶产品的开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程，最终达到快速设计、快速建造、快速检测、快速响应和快速重组的目的.实现数字化造船，必须实现设计数字化、制造装备数字化、生产过程数字化、管理数字化和企业数字化.

设计数字化是利用CAD/CAE/CAPP/PDM、虚拟现实、可视化仿真、知识工程等技术，实现产品设计手段和过程的数字化，以缩短产品开发周期，提高企业的产品创新能力.

制造装备数字化就是大力发展生产装备的数字化，实现加工和装配的数字化、自动化、精密化，提

项目性质：本课题由江苏省船舶先进制造技术重点实验室资助（2005011） 作者简介：赵东（1967－），男，硕士，讲师，主要从事船舶先进制造技术研究.

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高产品的精度和加工装配的效率.

生产过程数字化主要是通过智能化的方法对生产过程进行控制，实现生产过程控制的自动化和智能化，提高企业生产过程的自动化水平和生产效率.

管理数字化是指在全球化制造环境下，基于Internet/Intranet/Extranet，利用ERP、SCM（供应链管理）和CRM（客户关系管理）、电子商务等方法与工具，建立优化的集成管理信息系统，对企业内外部资源与过程进行全面管理与控制，以实现企业内外部管理的数字化和最优化，提高企业的管理水平.

企业数字化指企业通过网络，应用电子商务等技术，实现全球化环境下企业内外部资源的集成和最佳利用，促进企业的业务过程、组织结构与产品结构的调整.

2 数字化造船系统体系及关键技术 2.1 数字化造船系统体系

实现数字化造船，必须建立数字化造船系统，将设计、制造、过程自动化、管理、电子商务、系统集成与优化等技术结合在一起，不仅能够实现企业内部的信息集成和功能集成，而且能够实现产品设计、制造、管理、营销的过程集成、企业间的集成.一个完整的数字化造船系统应由数字化设计制造、过程自动化、企业管理与电子商务、数字化造船系统平台和数字化制造网络等五大分系统组成. 2.2 分系统研究内容及关键技术 2.2.1 数字化设计制造分系统

数字化设计制造分系统主要利用数字化技术完成产品设计和制造的全过程，包括以产品3D数字化模型为主要特征的产品设计（CAD）、结构分析（CAE）、工艺设计（CAPP）、产品数据管理（product data management，PDM），以及虚拟样船、仿真、虚拟制造等.该分系统关键技术包括全信息船舶数字模型、产品数据交换、数据集成、制造仿真等[2].

1）全信息船舶数字模型—基于STEP（standard of exchange for product data）数据交换标准，建立全信息船舶数字模型（电子样船）.产品设计过程实际上是一个建立产品模型的过程，因此，设计过程中必须建立一个能够表达和处理有关产品全生命周期各个阶段所有信息的统一产品模型.全信息产品模型用一个统一的科学的国际标准，即STEP来表示.STEP从多种角度对产品的综合属性作出了定义，这种定义覆盖了产品的全部生命周期.STEP提供一种不依赖于任何平台的中性机制，能够描述产品整个生命周期中的无二义性数据，从而成为产品数据在并行设计环境下共享的

基础.STEP标准采用EXPRESS语言.

2）产品数据交换—企业动态联盟需要进行数据交换，因此要有电子数据交换标准EDI（electronic data interchange）.EDI标准规定了文件的结构和格式.EDI经历了两个阶段的演变：1986年的SGML（standard generalization markup language）及标识语言HTML（hyper text markup language）；1996年的可扩展标识语言XML（extensible markup language）.它们三者之间的关系如图1所示.

SGML HTML XML

图1 SGML、XML、HTML关系

关于产品数据模型向XML的转换，新国际标准ISO10303-28定义了从EXPRESS到XML的映射.外部数据通过XML文件传入企业内部后，首先通过XML解释器对文件进行识别，然后建立数据映射,从而实现企业内外的信息交换.因此采用XML作为企业数据交换的标准是发展趋势.

3）数据集成—数字化设计与制造中的数据集成是对产品数据的统一管理和共享，通过PDM来实现.船舶设计与建造过程中涉及大量的数据，PDM系统是进行设计过程管理的有效工具.PDM主要应用于数据存储和管理、工作流程管理、设计变更控制管理、产品结构与配置管理、标准件管理、图像管理和基础管理等方面，是网上并行设计中信息集成的总框架.PDM管理从设计到建造的全过程产品数据，将所有与产品相关的信息和所有与产品信息相关的过程集成在一起.它将数据库的管理能力、网络的通信能力和系统的控制能力相结合，为产品提供全生命周期的信息集成化管理，并支持建立一个并行的产品开发协作环境，使有关人员可按要求方便地存取更新的数据.

4）制造仿真—制造仿真是基于计算机和信息技术的一种新颖、先进制造技术，可以看作CAD/CAE/CAM技术发展的更高阶段，是数字化制造的具体体现，被认为是加速新产品开发的有效手段.制造仿真是以产品的数字模型为核心，制造仿真所考虑的制造资源、制造环境等，如：船厂的生产线、设备、场地和人员等也须建立数字化模型，与完整的电子样船连接起来，实现船舶的虚拟建造. 2.2.2 过程自动化分系统

过程自动化分系统主要研究生产过程智能控制与优化控制、关键生产装置的建模和流程模拟、船厂物流管理与产品质量管理、关键生产装置和生产设备故

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障检测、诊断与维护、计划与调度等技术.该分系统关键技术为过程模型及方法.

1）过程模型—过程模型（model）通过一系列数学表达式对所研究的对象实际过程特性进行表达或描述[3].以模型的客观性和主观性作为切入点，可分为实体驱动型模型与数据驱动型模型.实体驱动模型是基于客观实体各要素而建立的模型；数据驱动型模型是从有限的对象过程的采样数据出发建立的模型.

2）方法—建立实体驱动型模型的主要方法是把整体分解为要素，包括特征信息的提取、定义、模式的表示等等，也包括把功能组考虑为要素，并进行要素的集成.实体驱动型模型如广义地表示为：Y＝f(X，U)，Ｘ、Ｕ代表各种要素、特征，可以是定量或定性的数据特征；Ｙ是被描述的特征；f(x)可以是普通的函数、实验公式等等，表示任何一种广义的映射关系.建立数据驱动型模型的方法有两种：一种是在实体驱动型建模得到的结构模型的基础上，确定所有参数值，其重点是解决参数辨识技术或参数计算方法；另一种更有代表性的，是因为无法建立实体模型，只能从有限的对象过程的采样数据出发来构造模型，从而通过建立具体、明确的函数表达式来描述由输入变量到输出变量间的映射.这时,在对象过程有限采样值条件下，数据驱动型模型可以广义描述某个输出变量Ｙ与若干输入变量x＝(Ｘ1，Ｘ2，…，Ｘn)之间映射的函数表达式，如Ｙ＝f(x)+ ε，ε为修正值.在实际中，常把实体驱动型模型和数据驱动型模型结合起来. 2.2.3 企业管理与电子商务分系统

主要研究开发适合我国船厂的虚拟企业（动态联盟）组织与经营管理技术、企业重组与优化方法及技术、电子商务环境下的企业商务智能技术、面向产品生命周期的全面质量管理系统、企业管理系统集成技术等.该分系统关键技术是ERP/PDM集成、供应链管理（SCM）和客户关系管理（CRM）等.

1）ERP/PDM集成—ERP/PDM的集成借助于PDM环境中的BOM（bill of materials）.BOM汇总产品结构、工艺路线、工时定额、材料定额、工艺装备等信息，这些信息传递给ERP系统作为基础数据，实现两者的集成.

2）SCM—市场需求的快速多变要求企业快速进入与退出市场，这就决定了产品的所有零部件不可能全由本企业设计制造.在网络环境下寻找合作伙伴，组成动态联盟企业，除关键零部件外，其它大部分零部件由外部供应商提供,这将大大缩短造船生产周期.随着“中间产品”导向型生产模式的出现，船厂向总装化方向发展，SCM技术显得越发重要.在这种动态联

盟模式中，企业可能既是盟主（需求者），也是被团结的对象（提供者）.企业既要建立自身产品的实物供应链，也要建立虚拟产品的数字化供应链，同前者相比，后者的成本更低、效益更大.数字化供应链提供虚拟产品的全部数字化信息资料，包括产品的几何形状特征、工艺特征、使用性能、设计信息、加工工艺信息、装配检测信息等等，企业生产能力信息、企业产品开发能力信息等均可作为供应链提供的对象[4].

3）CRM—CRM以“客户关系一对一理论”为基础，为了满足每个客户的特殊需求，同每个客户建立联系，了解客户的不同需求，并在此基础上进行“一对一”的个性化服务.企业需要研究用户，确定市场，考虑如何提供优质服务，吸引和开发客户，如何确定企业的管理机制和管理内容.因此，CRM不仅是一个企业经营概念，同时也是一个以客户为中心的企业管理技术.为了实现以客户为中心的管理，企业必须建立智能化的客户数据库.某种意义上说，智能化的客户数据库是企业发展的基本能源. 2.2.4 网络分系统

加入动态联盟的企业应建立合适的网络，支持协同设计、制造和管理、资源共享、全球采购和产品销售等.图2为系统网络运行模式.该分系统关键技术是分布式异构环境下的信息互操作技术.

1 区域区域2 企业2

企业3

企业企业4资源3 1资源1

企 资其

业 源它资源2其它1资源4其它2

5 53 Internet/Intranet /Extranet及数据库 图2 数字化造船系统网络运行模式

分布式环境中，异构性（不同的硬件、操作系统、

数据库和网络协议）是十分明显的，异构性阻碍了各个应用系统间的互操作.在集成系统中，要实现信息和软件资源的共享，必须解决异构环境下各应用系统的互操作.为了解决异构性问题，提出了中间件MW（middle ware）概念.中间件是一个软件，它通过规定一系列的应用编程接口，转换客户端和服务器端之间的访问、通信来实现其屏蔽底层异构性的作用.其中基于分布对象技术的中间件CORBA和DCOM是影响最大的，它们为解决异构性问题提供了途径[5]. 2.2.5 平台分系统

建立数字化造船系统的企业，将进行网络化制造，

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因而数字化造船系统平台的关键技术是面向网络化制造应用实施的软件集成与集成平台技术.图3为数字化造船系统平台.

用户1 用户2 区域1 区域2 其他

Internet/Intranet/Extranet

应用系统层（协同设计和制

造、商务和供应链协同等）

应用软件系统（CAx/PDM/PLM/ERP/SCM/ CRM等）与使能工具层（企业建模等） 网络化制造标准与协议、基础数据

库、产品资源库、基础技术体系等

图3 数字化造船系统平台

3 系统实施

实施数字化造船系统是一项综合性的工程，难度非常大.现代造船CIMS多年的研究与发展，提供了实施数字化造船系统的模式：整体化综合治理方式采用多学科、多领域集成的系统解决方式，全方位整体考虑和综合解决数字化造船系统的关键问题；分形化技术集成方式强调基于分形的多层次系统集成，由系统技术带动各单元技术的集成，而各单元技术系统内也逐层集成，自成体系，即由小系统集成为大系统，由集成化的单元技术系统构成数字化造船系统；集成化系统应用方式，将CIMS技术和软件系统地应用于造船业，注意企业设计/生产制造/管理/后勤的局部集成 与企业内外部整体集成的结合、单元技术应用与系统集成应用的结合、单一企业应用与行业性或区域性应用的结合、制造业应用与流通领域应用的结合，用CIMS集成方法与整体解决技术方案来解决数字化造船系统的应用问题；协同组织实施方式，在各类项目实施以及项目间的协调过程中，注意将CIMS关键技术攻关、软件产品及工具集开发与企业应用紧密结合，配套组织项目及实施单位，相互促进，协同发展.

4 结语

开展数字化造船技术研究、建立数字化造船系统，必将大大提高我国造船业的竞争力.然而，数字化造船技术、数字化造船系统的开发是一项复杂的系统工程，其覆盖面广，涉及技术复杂，参与单位多，管理难度高，时间跨度大，绝不是靠一个单位在一两年内就能完成的，需要主管部门、科研院所、厂家从长计议，共同努力.有关系统的理论、方法研究和系统的开发等等还需要不断探索、丰富和完善.

参考文献：

[1] 吕航.我国将走进数字化造船时代[J].中国船检，2004

（1）.

[2] 戴国洪，张有良.现数字化设计与制造的关键技术[J].机

床与液压，2004（3）.

[3] 任德祥.过程模型与方法[J].控制工程，2002（5）. [4] 唐亮贵，梁新元.电子商务中的关键技术[J].东南大学学

报，2002（10）.

[5] 范玉顺.网络化制造的内涵与关键技术问题[J].计算机集

成制造系统-CIMS，2003（7）.

中船重工武昌造船厂诞生“世界第一钢箱梁”

近日，一节长103米、宽19米、重达1300余吨的重庆石板坡长江大桥加宽改造工程正桥主跨钢箱梁在中船重工武昌造船厂建成，并顺利下水。建造尺寸和重量如此之大的单节钢箱梁在世界造桥史上还是首次。

重庆石板坡长江大桥加宽改造工程就是在紧靠该桥上游处建造一座复线桥，以缓解重庆市中心交通压力。为了不影响长江主航道的通畅，该桥330米主跨一跨过江，这在世界T型钢混桥梁史上也是创举。按照设计，330米的主跨采用了两端混凝土，中间110米的钢箱梁组合模式。

作为我国重要的造桥基地，武昌造船厂竞争承接了110米钢箱梁的建造任务。110米钢箱梁分为3个节段，其中两个与混凝土预埋的连接段各长4米，主梁节段则长达103米。武昌造船厂凭借技术、场地、设备、运输等综合优势，精心组织制造，创造了桥梁“精品”，工程完工后，103米的主梁误差仅3毫米。如此庞大的单节钢箱梁只能通过下水，当作“船舶”浮运。武船把该梁段当成船舶建造，在箱梁节段首部安装了“船艏”，上部则安装了船舶航行需要的信号灯和系缆等装置，箱体进行了全密封检查，确保箱梁在武汉至重庆1286公里的水上航行中万无一失。

根据运输吊装计划，该梁段下水与推轮编组后，从武汉起航，发往重庆。通过现场工装对梁段进行90度的转向定位，再通过大型浮吊将梁段嵌放在主跨上焊接合拢。业内人士称，如此大体积大吨位梁段的整造、下水、浮运、转向定位和现场吊装在我国乃至世界桥梁史上也不多见。 转摘自（中国船舶网）

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