船舶設(shè)計(jì)制造中的并行工程與分道建造技術(shù)

郭 濤 魏小星

（1.上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司 上海200125；2中船重工中南裝備有限責(zé)任公司 宜昌443005）

引 言

船舶實(shí)際上是一座集高新技術(shù)和基礎(chǔ)工業(yè)的水上移動(dòng)城市。大型船舶的設(shè)計(jì)和建造過程其實(shí)就是復(fù)雜生產(chǎn)過程的集合，現(xiàn)代造船工程其實(shí)質(zhì)是典型的基于高科技的系統(tǒng)性工程。造船體系和相關(guān)技術(shù)形成了相應(yīng)的造船“模式”，隨著市場競爭加劇、科技和工業(yè)的發(fā)展以及造船企業(yè)對生產(chǎn)效率和從業(yè)人員對作業(yè)環(huán)境的要求，造船模式的優(yōu)化與創(chuàng)新變革極為重要［1］。雖然我國已發(fā)展成為世界第一造船大國，但是與西方和日韓等造船強(qiáng)國相比，我國的船舶企業(yè)在設(shè)計(jì)、建造等各個(gè)方面，特別是在造船周期和過程管控上均存在一定差距。為縮小這種差距，引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)是目前較為流行的方法，而這其中具有代表性的先進(jìn)技術(shù)就是關(guān)于并行工程技術(shù)與分道建造技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)制造過程中的探索與應(yīng)用。

1 并行工程理論

并行工程是相對傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程而言的，并行工程更加強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開發(fā)的同步性而非傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)中的“串行”式次序性，并行工程又稱為同時(shí)工程或者生命周期工程。并行工程的出現(xiàn)以及現(xiàn)階段對生產(chǎn)周期的要求，使以往以串行工程為主體的傳統(tǒng)企業(yè)組織體制和工作流程，以及從業(yè)人員的思維方式都產(chǎn)生極大改變。并行工程的實(shí)質(zhì)就是一種系統(tǒng)集成方法，它對產(chǎn)品設(shè)計(jì)及相關(guān)的工藝過程都采用并行的方式來處理，并且是用管理、生產(chǎn)和經(jīng)營等多種不同的方法來集成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造及其他相關(guān)過程。

并行工程的實(shí)現(xiàn)需要在設(shè)計(jì)階段開始就能夠完成設(shè)計(jì)人員的集合，形成多功能的一個(gè)協(xié)同工作基礎(chǔ)，通過有效管理和通信實(shí)現(xiàn)信息共享，有序地進(jìn)行各項(xiàng)工作的交叉與并行，從而能盡早考慮到整個(gè)產(chǎn)品的各個(gè)因素，以確保設(shè)計(jì)與制造的一次成功，減少產(chǎn)品的建造周期。并行工程具有重視用戶要求、注重成員合作、高效通訊協(xié)同工作等特點(diǎn)。并行工程模型如圖1所示。

圖1 并行工程模型

2 分道建造技術(shù)理論

船體分道建造技術(shù)其實(shí)質(zhì)是將中間產(chǎn)品作為建造核心，并根據(jù)成組技術(shù)和相似性原理將其進(jìn)行細(xì)化、分解，按照部件、系統(tǒng)、分段和總段的過程進(jìn)行建造。分道建造技術(shù)的基本單元是中間產(chǎn)品，并且在實(shí)際建造過程中可將其視為生產(chǎn)單元；對各類中間產(chǎn)品按相同的工期要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便于實(shí)際生產(chǎn)中的平行作業(yè)。船體分道建造所要求的中間產(chǎn)品建造過程中空間相對較為獨(dú)立，且符合造船廠家在生產(chǎn)各階段、各方面的需求，并能在實(shí)際操作中對建造過程進(jìn)行有效而合理地監(jiān)控。在分道建造過程中的各個(gè)階段均以有序的大合攏為目標(biāo)，同時(shí)要求組織各類分道作業(yè)過程均衡和協(xié)調(diào)進(jìn)行，以實(shí)現(xiàn)造船過程的連續(xù)性。通過對各階段中間產(chǎn)品的相似性分析，使分道作業(yè)的內(nèi)容和過程最大限度相似，以便于各類中間產(chǎn)品建造的標(biāo)準(zhǔn)化與專業(yè)化，同時(shí)分道建造要實(shí)行上級分道與下級分道相互對應(yīng)的原則，以利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建造的信息化和標(biāo)準(zhǔn)化管理。

3 并行工程與分道建造技術(shù)在船舶工程中的應(yīng)用

3.1 并行工程下的船舶設(shè)計(jì)建造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

將產(chǎn)品開發(fā)的整個(gè)過程視作一個(gè)集成過程是并行工程的一大特點(diǎn)，也是并行工程與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式的根本區(qū)別。在并行工程應(yīng)用于船舶建造中，可以利用全局視野的角度對船舶建造的整個(gè)過程甚至是船舶的整個(gè)生命周期進(jìn)行與之相對應(yīng)的管理、控制和優(yōu)化，并對已有過程進(jìn)一步完善和提高。圖2為并行工程下船舶設(shè)計(jì)建造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 并行工程下船舶設(shè)計(jì)建造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并行工程現(xiàn)階段在船舶設(shè)計(jì)建造中應(yīng)用主要依賴于網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫，通過網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)庫的資料對比，使各類專家對產(chǎn)品模型進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)計(jì)、分析，確定船舶的設(shè)計(jì)可靠性和相應(yīng)的制造性能，各類專家可以利用網(wǎng)絡(luò)將不同的意見反饋匯總并利用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行相關(guān)分析，從而修改產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)上傳產(chǎn)品模型使不同的使用者能夠同時(shí)在新修改的模型上進(jìn)行相關(guān)操作，直至完成所有相關(guān)任務(wù)。這種方法不僅有利于提升整體工作效率、減少設(shè)計(jì)時(shí)間，而且由于充分考慮了船舶在設(shè)計(jì)、建造、使用等整個(gè)生命周期各階段可能出現(xiàn)的各種問題，從而進(jìn)一步提升了船舶設(shè)計(jì)質(zhì)量。同樣，在船舶建造階段，并行工程的方法也能提升船舶建造效率，改善船舶建造質(zhì)量。

3.2 并行工程下船舶設(shè)計(jì)建造的關(guān)鍵技術(shù)

并行工程需要同時(shí)對產(chǎn)品及其下游過程進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，即要求在進(jìn)行產(chǎn)品需求和功能設(shè)計(jì)的同時(shí)也要滿足產(chǎn)品后續(xù)的可靠性、可加工、可維護(hù)、可裝配以及表面外觀處理，甚至是產(chǎn)品升級、報(bào)廢等不同層面的設(shè)計(jì)需求。對于技術(shù)和勞動(dòng)密集型的造船行業(yè)，要實(shí)現(xiàn)在船舶設(shè)計(jì)、建造中對并行工程的應(yīng)用，就需要造船企業(yè)具有與之相對應(yīng)的先進(jìn)造船設(shè)備和技術(shù)。這其中管理技術(shù)，CAD/CAM/CAPP一體化，DFM/DFA等相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)使用并行工程方法的基礎(chǔ)。下文將介紹實(shí)現(xiàn)并行工程的幾項(xiàng)重點(diǎn)技術(shù)。

3.2.1 質(zhì)量管理與控制

按并行工程的哲理，可靠性和可維護(hù)性分析必須成為在初期設(shè)計(jì)階段的設(shè)計(jì)考量和依據(jù)，建造過程中可能出現(xiàn)的問題必須在此前被識別并設(shè)置為“開”的狀態(tài)，即在設(shè)計(jì)初期就充分考慮產(chǎn)品后期生產(chǎn)制造中的問題，并通過整體性的考慮盡量避免這些問題。

3.2.2 CAD/CAM/CAPP一體化

并行工程并非傳統(tǒng)式的產(chǎn)品開發(fā)，它是建立在信息化基礎(chǔ)上的現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)化方法。它強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的整體性與系統(tǒng)性，即在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的同時(shí)也需要設(shè)計(jì)產(chǎn)品生產(chǎn)建造工藝過程、工序以及質(zhì)量等的系統(tǒng)性要求。因此，并行工程的關(guān)鍵是集成一切資源，統(tǒng)籌和合理利用資源，從而促使相關(guān)活動(dòng)盡早開啟并能夠合理有序地進(jìn)行。CAD/CAM/CAPP一體化在并行工程產(chǎn)品開發(fā)中發(fā)揮著重要的作用，在面向經(jīng)營決策時(shí)，它能提供所需的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)周期和計(jì)劃等信息；在面向管理系統(tǒng)和質(zhì)量系統(tǒng)時(shí)，它能夠提供產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝過程、檢驗(yàn)情況以及風(fēng)險(xiǎn)隱患等不同方面的信息；在面向制造車間時(shí)，也能夠獲得產(chǎn)品生產(chǎn)單元、數(shù)控加工、裝配建造等過程的工藝及加工信息。

3.2.3 產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型

設(shè)計(jì)制造一體化實(shí)現(xiàn)需要大量且頻繁的數(shù)據(jù)信息傳遞和交換。目前在船舶設(shè)計(jì)建造中，雖然計(jì)算機(jī)CAD/CAM軟件和CNC設(shè)備的應(yīng)用已經(jīng)非常普通，但艦船產(chǎn)品數(shù)據(jù)仍然是以圖樣和文件為主，不利于數(shù)據(jù)的傳遞和實(shí)現(xiàn)，目前船舶設(shè)計(jì)制造缺乏統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。

3.2.4 面向制造及裝配的設(shè)計(jì)（DFM/DFA）

并行工程中面向制造的設(shè)計(jì)和面向裝配的設(shè)計(jì)是兩個(gè)非常重要的概念，這兩個(gè)設(shè)計(jì)概念主要是提出在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮產(chǎn)品的功能和性能等方面的要求，同時(shí)還需要考慮產(chǎn)品的可制造性、可裝配性、經(jīng)濟(jì)性等方面要求。這能夠有效優(yōu)化材料、技術(shù)、工藝、生產(chǎn)過程及成本等之間的相互關(guān)系。DFM/DFA在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段開始進(jìn)行，其主要是在質(zhì)量、功能、生產(chǎn)和效益之間統(tǒng)籌協(xié)調(diào)以解決相關(guān)的總體性問題。

上述技術(shù)在使用并行工程方法的船舶設(shè)計(jì)建造過程中，是提高船舶整體質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短建造周期的有效途徑，同時(shí)也是并行工程在船舶設(shè)計(jì)建造過程中需要重點(diǎn)解決的問題。

3.3 船體分道建造技術(shù)的應(yīng)用

利用產(chǎn)品導(dǎo)向型工程分解方式和以中間產(chǎn)品為基礎(chǔ)的船體分道建造就是將整船進(jìn)行細(xì)化分解，形成不同的中間產(chǎn)品，按照成組技術(shù)、相似性原理進(jìn)行分類并安排生產(chǎn)資源，從而實(shí)現(xiàn)均衡生產(chǎn)的目的。

3.3.1 分道作業(yè)流程

對一般性的船舶制造而言，分道作業(yè)流程可分為材料切割和加工分道、小組立分道、中組立分道、大組立分道和總組立分道等不同的過程，最終完成合攏，實(shí)現(xiàn)整船建造。圖3為應(yīng)用分道建造的生產(chǎn)流程。

圖3 應(yīng)用分道建造的生產(chǎn)流程

3.3.2 分道作業(yè)的支撐技術(shù)

船舶要實(shí)施分道建造還需要船廠在實(shí)施建造前，對原生產(chǎn)模式下的生產(chǎn)線進(jìn)行調(diào)整，形成適應(yīng)分道建造的新生產(chǎn)線，同時(shí)還需要轉(zhuǎn)變管理思路，形成與之相應(yīng)的管理制度。完成前述準(zhǔn)備后，船舶需按照成組技術(shù)以及相似性原理，對中間產(chǎn)品進(jìn)行分類、確定工藝流程，以保證生產(chǎn)的并行進(jìn)程和均衡性。因此，分道建造技術(shù)除了需要相應(yīng)的軟件外，還需要生產(chǎn)等方面的硬件和與之相適應(yīng)的生產(chǎn)技術(shù)的支撐。分道作業(yè)主要包含如下技術(shù)：

（1）合理的分段劃分

船體分段劃分的合理性是否能順利實(shí)施船體分道建造的關(guān)鍵技術(shù)也是基本要求之一。分段劃分是在船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中完成的，它不僅需要考慮分道建造的原則與分段劃分的相似性，同時(shí)還需要考慮船廠生產(chǎn)設(shè)施、生產(chǎn)能力等實(shí)際情況，最終形成科學(xué)、合理并能夠符合船廠實(shí)際生產(chǎn)情況的分段。

（2）推行船體精度控制技術(shù)。

基于船體建造標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合精度計(jì)算、管理方式和建造工藝等方面因素，分析船體建造過程的尺寸精度以確定生產(chǎn)補(bǔ)償量和控制精度，使現(xiàn)場生產(chǎn)的修正量最小化，提升現(xiàn)場工作質(zhì)量和工作效率。

（3）合理配置分道工位

依據(jù)各種不同中間產(chǎn)品的工藝過程，并設(shè)定相應(yīng)的分道區(qū)域及分道作業(yè)位，使建造過程能夠按照相應(yīng)的流程逐級制造。在分道建造過程中，各分道的設(shè)備設(shè)施和作業(yè)操作人員必須合理配置以保證作業(yè)的連續(xù)和均衡，同時(shí)也有利于高效生產(chǎn)和合理利用資源。

（4）實(shí)行定置管理和區(qū)域管理

由于船舶分道建造過程需要連續(xù)和均衡作業(yè)，所以材料、零件等都需要有向流動(dòng)形成相應(yīng)的工序過程，故在船舶分道建造時(shí)需要實(shí)行定置管理和區(qū)域管理。

（5）分段制造與舾裝、涂裝作業(yè)同步

船舶分道建造的關(guān)鍵是中間產(chǎn)品的逐級制造，中間產(chǎn)品建造過程中船體分段和舾裝作業(yè)過程應(yīng)同步作業(yè)，并且依據(jù)現(xiàn)場生產(chǎn)的實(shí)際情況將涂裝作業(yè)即時(shí)安排在中間產(chǎn)品建造的各個(gè)階段完成。

（6）設(shè)備機(jī)械化與自動(dòng)化

制造裝配的機(jī)械化和自動(dòng)化是船舶分道建造的硬件保證，優(yōu)良的制造裝配能夠有效地提升船廠建造的工藝水平和建造質(zhì)量，提高制造設(shè)備的現(xiàn)代化水平。這也是目前船廠升級的目標(biāo)之一。

船舶分道建造技術(shù)將相關(guān)資源成組布置，能夠使這些資源在建造中具有足夠的柔性，從而適應(yīng)不同類型船舶的相同和相似中間產(chǎn)品的建造，提升船舶制造效率，同時(shí)使經(jīng)濟(jì)效益最大化。目前我國重要的大型船廠已基本實(shí)現(xiàn)船舶的分道建造。

4 展 望

目前國內(nèi)造船企業(yè)大部分都已開始應(yīng)用并行工程和船舶分道建造技術(shù)，但仍處于初步階段，并未貫穿于整個(gè)造船周期。并行工程和船舶分道建造技術(shù)的使用深化還需造船企業(yè)推動(dòng)改進(jìn)以下幾方面：

（1）加強(qiáng)船廠的信息化進(jìn)程

雖然目前大多數(shù)船廠已經(jīng)開始進(jìn)行信息化改革，但基本仍只停留在局部或單一系統(tǒng)，不同過程間的信息共享程度依然較低，未形成整體性信息化處理和數(shù)據(jù)庫的建立。并行工程和船舶分道建造技術(shù)的應(yīng)用需要共享程度較高的信息化，不僅包含設(shè)計(jì)、建造、工藝等基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)建造要求，還需要將船舶設(shè)計(jì)建造全周期中所遇到的問題、處理方式、特殊使用等方面進(jìn)行分類記錄形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。

（2）需要對現(xiàn)有的管理模式進(jìn)行改變

目前船廠基本以設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、建造團(tuán)隊(duì)、工藝團(tuán)隊(duì)、質(zhì)檢團(tuán)隊(duì)等專業(yè)化團(tuán)隊(duì)為單位進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)建造，團(tuán)隊(duì)間的融合度較低。基于并行工程和船舶分道建造技術(shù)特點(diǎn)要求將船舶的設(shè)計(jì)建造按相似性進(jìn)行區(qū)段劃分，相應(yīng)的實(shí)際建造團(tuán)隊(duì)也應(yīng)按此劃分，每個(gè)團(tuán)隊(duì)中設(shè)計(jì)、制造、工藝、質(zhì)檢等專業(yè)化人員都應(yīng)具備以增強(qiáng)融合度。

（3）增加復(fù)合型人才比例

目前國內(nèi)船廠中，專業(yè)人才較多，但復(fù)合型人才相對較少。并行工程和船舶分道建造技術(shù)的應(yīng)用中需要數(shù)量較多的復(fù)合型人才，以便于在船舶設(shè)計(jì)建造的全過程中進(jìn)行統(tǒng)籌管理，提升整體工作效率。

上述幾點(diǎn)建議將有助于深化并行工程和船舶分道建造技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)建造過程中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)真正意義上的并行，從而提高造船企業(yè)效率。

5 結(jié) 語

船舶工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一，而造船質(zhì)量、周期以及成本幾乎決定了船舶工業(yè)的發(fā)展水平，優(yōu)良技術(shù)的使用將有利于促進(jìn)船舶工業(yè)的發(fā)展。并行工程與分道建造技術(shù)在船舶設(shè)計(jì)建造過程中的應(yīng)用能大幅縮短造船周期，使資源利用更充分和有效，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，分道建造技術(shù)在我國的應(yīng)用已經(jīng)日趨成熟，但是并行工程的實(shí)施依然受到很多因素制約，仍有很大提升空間，需進(jìn)一步研究與實(shí)踐。并行工程與分道建造技術(shù)合理的組合與使用，是現(xiàn)代造船模式發(fā)展的需要。它將使我國的造船工業(yè)得到進(jìn)一步發(fā)展，并向著世界造船強(qiáng)國的目標(biāo)邁進(jìn)。