船舶智能設(shè)計淺析

徐宏偉 王學(xué)營

（南通中遠(yuǎn)海運川崎船舶工程有限公司 南通226000）

引 言

船舶產(chǎn)品幾乎都是定制品，新的船型需要新設(shè)計，即便是成熟船型，大多數(shù)情況下也都會根據(jù)船東的需要進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計或者個性化設(shè)計。而船舶產(chǎn)品作為復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，設(shè)計周期長、人工耗時多。根據(jù)某知名合資船舶企業(yè)調(diào)研數(shù)據(jù)，以當(dāng)前主流的6萬噸級散貨船和30萬噸級油輪為例，周期一般為15～20個月和17～24個月，設(shè)計工時分別約為40 000 h和80 000 h，一些復(fù)雜的特種船可能還會更長。當(dāng)前國際市場并不穩(wěn)定，航運市場瞬息萬變，為快速應(yīng)對市場以及降低人工成本，短時高效設(shè)計作業(yè)已經(jīng)成為改進(jìn)的方向之一。［1］

1 智能設(shè)計

船舶行業(yè)已有數(shù)百年的歷史，隨著設(shè)計手段不斷發(fā)展進(jìn)步，船舶數(shù)字化設(shè)計已逐步取代其他設(shè)計方式。在船舶數(shù)字化設(shè)計的最初階段，設(shè)計人員擺脫了手工繪圖，設(shè)計數(shù)據(jù)也轉(zhuǎn)變?yōu)?D、3D的虛擬數(shù)據(jù)，設(shè)計效率有了質(zhì)的飛躍，此時的船舶設(shè)計才開始真正向數(shù)字化設(shè)計轉(zhuǎn)變。

為了提高船舶市場對小批量、多品種需求的響應(yīng)能力，設(shè)計逐步向著集成化、自動化的方向發(fā)展。計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）在此背景下迅速發(fā)展，各種集成設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)運而生，計算機替設(shè)計人員完成了更多的船舶設(shè)計任務(wù)，船舶設(shè)計效率得到進(jìn)一步提升。但人力資源成本在逐年提高，船舶制造業(yè)作為人員密集型行業(yè)，企業(yè)用工成本壓力越來越大，迫使企業(yè)在各方面改善以降低成本。

近幾年，數(shù)字化技術(shù)發(fā)展迅猛，智能化的概念越來越多被提及。所謂智能化，就是使計算機在更大范圍內(nèi)、更高水平上，代替人類處理數(shù)據(jù)、信息，甚至代替人進(jìn)行各種決策。由此引申出智能化在船舶設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，讓計算機在完成自動化知識處理的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)船舶設(shè)計過程的決策，即船舶智能設(shè)計。由于船舶本身物量大，設(shè)計過程較為復(fù)雜，完成一艘船的設(shè)計工作需要投入大量的人力和物力，尤其是在生產(chǎn)設(shè)計階段，幾十萬個零件都需要進(jìn)行放樣、采購、出圖。船舶智能設(shè)計在自動化設(shè)計的基礎(chǔ)上，融合了設(shè)計作業(yè)基準(zhǔn)，通過大數(shù)據(jù)分析，由計算機完成設(shè)計，實現(xiàn)大部分設(shè)計作業(yè)由計算機替代，極大地釋放人力資源。［2］

2 智能設(shè)計的方向

2.1 智能化模型匹配

在船舶設(shè)計過程中，往往會有很多規(guī)律可循，從船型開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計、再到生產(chǎn)設(shè)計，許多環(huán)節(jié)可以采用標(biāo)準(zhǔn)化搭配的形式進(jìn)行構(gòu)建。

智能化模型匹配是指根據(jù)用戶需求建立數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型的模糊延伸，在數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匹配，并對匹配的結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)化篩選。經(jīng)過多年船舶設(shè)計的積累所形成的船型數(shù)據(jù)，是船舶設(shè)計初期必須參考的重要經(jīng)驗，各個專業(yè)的設(shè)計者必然會遇到選型的問題，是否能高效地查找到最匹配的所需部品、設(shè)備作為參考，會對初期設(shè)計和船舶接單產(chǎn)生較大影響。智能化模型匹配針對這一問題有較好的應(yīng)對，能在很大程度上將設(shè)計者從數(shù)據(jù)查找和篩選中解放出來，以便將更多精力投入到設(shè)計和開發(fā)中。

在船型開發(fā)階段實現(xiàn)船型數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)、船東意見的數(shù)據(jù)化，實現(xiàn)船舶初期設(shè)計開發(fā)的規(guī)范化、智能化。在市場詢單時，可根據(jù)船東的需求快速匹配主輔機等設(shè)備，用最短的時間形成最基本的船型規(guī)格，然后根據(jù)船東意見進(jìn)行局部修正：

（1）建立散貨船、油船、集裝箱船等多個船型的系列化樣本船基礎(chǔ)尺寸和規(guī)格，為新船型開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）建立主機、發(fā)電機、鍋爐等多個廠家和多個型號的設(shè)備規(guī)格數(shù)據(jù)庫，結(jié)合輔助計算程序，實現(xiàn)對新船初期系統(tǒng)開發(fā)的自動選型。

（3）建立不同船型、不同專業(yè)的船東意見數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)新船接單時的快速意見對應(yīng)；并且通過對船東意見的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)船型設(shè)計的改善優(yōu)化。實現(xiàn)此項功能的前提是已經(jīng)具備了基本設(shè)計能力，并且在船舶的基本設(shè)計、實船建造和售后跟蹤上積累了豐富的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

2.2 智能化替代作業(yè)

新一代船舶設(shè)計軟件AM12是集成了TRIBON和PDMS的開放式船舶專業(yè)設(shè)計軟件，其開放式的特點決定了船廠可以根據(jù)自身特點將需要人工重復(fù)作業(yè)的內(nèi)容進(jìn)行程序的二次開發(fā)，并通過二次開發(fā)后的程序進(jìn)行替代作業(yè)。

該類智能化是以各種嵌入式的程序軟件為基礎(chǔ)，以詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計各個階段的機械式重復(fù)作業(yè)替代為研究目標(biāo)，包括且不限于以下幾個方面：

（1）建模自動化

結(jié)合船舶設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行參數(shù)化建模、相同結(jié)構(gòu)的模型自動拷貝、部件規(guī)格自動選擇，以及利用二維信息及規(guī)格書信息驅(qū)動三維建模。

（2）設(shè)計過程自動化

包括船體結(jié)構(gòu)/舾裝件之間的干涉檢查、一些管路/支架/梯子/扶手的自動化建立、船體結(jié)構(gòu)的開孔自動化、管子/電路/風(fēng)管從系統(tǒng)到裝置的一體化設(shè)計等。以梯子的自動化為例，通過輸入或者選取梯子的4個坐標(biāo)點以及梯子的形式，軟件自動構(gòu)建最合適的梯子，并且能夠?qū)崿F(xiàn)95%以上的梯子都不需要手動修正。

（3）工藝自動化

能夠按照艙室等區(qū)域劃分的特點，自動進(jìn)行管路分切、吊耳合理化設(shè)置、重心計算等。以管路自動化分切為例，分切處選用法蘭還是套筒，選用什么規(guī)格的法蘭，管加工車間的加工能力是多少，能否利用庫存材等，均可以自動匹配完成。

（4）出圖自動化

根據(jù)分段或者區(qū)域劃分的情況，能自動形成包括現(xiàn)場安裝圖、管件加工圖等在內(nèi)的各種施工用圖。以安裝圖為例，圖面上的各種管件信息、設(shè)備信息、安裝位置尺寸等全部實現(xiàn)自動化標(biāo)注，并將圖面整理清晰、標(biāo)注齊全。

（5）物量信息統(tǒng)計自動化

主要包括采購物資的數(shù)據(jù)提取自動化，托盤數(shù)據(jù)提取及發(fā)放自動化等，該類信息可以按照區(qū)域劃分、分段、甚至全船進(jìn)行一鍵生成和統(tǒng)計。實現(xiàn)此項功能的前提是在設(shè)計階段實現(xiàn)100%的數(shù)字化建模，并且數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

2.3 智能化數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

將設(shè)計和制造、倉儲、采購等連接起來的ERP系統(tǒng)是關(guān)鍵，ERP系統(tǒng)將不同系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)串聯(lián)起來，可以有效解決數(shù)據(jù)孤島問題，實現(xiàn)智能化數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。

船舶行業(yè)在信息化方面相對落后于其他行業(yè)，目前最大的問題是信息載體缺失和信息的離散化。沒有集成的數(shù)據(jù)庫，智能設(shè)計建立的數(shù)字化模型就沒有分析的基礎(chǔ)，各個系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)無法及時共享，信息的時效差嚴(yán)重影響船廠內(nèi)各流程的高效運轉(zhuǎn)。

實現(xiàn)設(shè)計的智能化，必須基于同一個準(zhǔn)確數(shù)據(jù)源，建立能夠滿足船舶研發(fā)、設(shè)計、采購、制造、營運、維修等全生命周期管理的互聯(lián)互通ERP平臺；此外，最好能在一定范圍內(nèi)投資船舶，建造智能生產(chǎn)線或者自動化生產(chǎn)線，實現(xiàn)決策、設(shè)計、調(diào)度、監(jiān)測、生產(chǎn)、管理等數(shù)據(jù)在加工線上高效流轉(zhuǎn)，再通過工況在線感知、智能決策與控制、裝備自律執(zhí)行等，與智能設(shè)計形成閉環(huán)過程。該ERP平臺從規(guī)模上來說，業(yè)務(wù)流程應(yīng)覆蓋整個船廠；在數(shù)據(jù)配置方面，為保證數(shù)據(jù)的唯一性，同一數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫的不同表中應(yīng)只出現(xiàn)一次，且理論上只有唯一部門具有對該數(shù)據(jù)的寫入權(quán)限；從業(yè)務(wù)流程上講，不同部門對數(shù)據(jù)的需求不同，平臺應(yīng)具有靈活配置流程的功能，以應(yīng)對船廠復(fù)雜多樣的業(yè)務(wù)需求。

該功能是建立在設(shè)計大數(shù)據(jù)的結(jié)果之上，并且數(shù)據(jù)能前后流轉(zhuǎn)和應(yīng)用，使造船工藝流程、物流、信息流一體化。生產(chǎn)終端應(yīng)建有高度自動、自覺執(zhí)行能力/感知能力的智能生產(chǎn)線或者自動化生產(chǎn)線，智能化的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)適用于船舶設(shè)計的各個階段，以保證船廠內(nèi)的各個系統(tǒng)能實時獲取所需的最新數(shù)據(jù)，減少因信息時效差所引起的怠工和生產(chǎn)錯誤。通過打通船廠內(nèi)各環(huán)節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)壁壘，能解決信息孤島問題，使數(shù)據(jù)快速、高效地流轉(zhuǎn)，各子系統(tǒng)便能根據(jù)需求進(jìn)行分析，智能化獲取所需數(shù)據(jù)，大幅提高上下游的銜接效率。［3］

3 智能設(shè)計實施的基礎(chǔ)

智能設(shè)計功能的實現(xiàn)，必須對大量的設(shè)計經(jīng)驗數(shù)據(jù)、基準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及廠家數(shù)據(jù)等進(jìn)行對比分析，因此必須建立不同類型的公共數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅應(yīng)包含船廠內(nèi)外各種信息數(shù)據(jù)，還要打通與CAD、CAM、TRIBON和有限元等系統(tǒng)之間的壁壘，使設(shè)計系統(tǒng)之間的各種數(shù)據(jù)能夠相互調(diào)用。各數(shù)據(jù)庫之間既獨立、又相互聯(lián)系，既相互支撐、又相互依賴，從而組建起覆蓋船廠所有范圍的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 連通上下游的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

3.1 建立基于船東和配套廠家的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

（1）建立并豐富船型數(shù)據(jù)庫

將各種船型的數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，形成數(shù)以百計、船型多樣化的實船研發(fā)建造數(shù)據(jù)庫，為新船開發(fā)形成堅實的經(jīng)驗及技術(shù)基礎(chǔ)。當(dāng)新船開發(fā)時，能夠快速查找到最理想的母型船，并便捷地修改成目標(biāo)船；能夠查找到最理想的設(shè)計方案，并快速修改成目標(biāo)圖紙；能夠快速搜索到某型設(shè)備信息，且整體調(diào)入并布置到相關(guān)圖紙中。

（2）建立船舶營運數(shù)據(jù)庫

與航運公司關(guān)聯(lián)，對船舶進(jìn)行實際航行數(shù)據(jù)跟蹤。通過海量的船舶營運天氣、海流、航區(qū)和油耗等相關(guān)數(shù)據(jù)的分析評估，得到各類船舶的實際航運性能。通過與設(shè)計的理論值相比較，分析設(shè)計偏差，提升船舶設(shè)計水平。

（3）建立船舶營銷數(shù)據(jù)庫

建立包括船東詳細(xì)信息、技術(shù)談判案例和船東喜好等相關(guān)數(shù)據(jù)，以便后期能快速開發(fā)出一款技術(shù)水平高且滿足船東個性需求的船舶。

（4）建立供應(yīng)商數(shù)據(jù)庫與模型庫

船舶采購產(chǎn)品種類繁多，通過該類數(shù)據(jù)庫可以在設(shè)計過程的第一時間了解某一設(shè)備的規(guī)格和尺寸等相關(guān)技術(shù)信息，提高設(shè)計準(zhǔn)確度和設(shè)計效率。

（5）建立行業(yè)技術(shù)數(shù)據(jù)庫

該數(shù)據(jù)庫包括船舶與航運相關(guān)論文、專利、技術(shù)動態(tài)、主流船廠及科研院所動態(tài)等，可用于全面評估技術(shù)發(fā)展趨勢，以便在高技術(shù)船舶開發(fā)方面超前布局，獲得發(fā)展先機。［4］

由于不同的實體在建立數(shù)據(jù)庫時需要記錄的信息不同，初期建立的數(shù)據(jù)庫難以滿足所有需求，需在使用過程中不斷完善。通過在船舶設(shè)計過程中不斷積累數(shù)據(jù)，船東和配套廠家的信息將不斷豐富，最大程度地兼容不同的船東和配套廠家。

3.2 建立基于船廠研發(fā)設(shè)計各種規(guī)定的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

船廠在發(fā)展的過程中，設(shè)計經(jīng)驗不斷豐富，逐步形成了有特色的設(shè)計基準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理方法。這些設(shè)計基準(zhǔn)和方法有的以文字形式存在，有的以員工經(jīng)驗形式存在，但都不能為數(shù)字化系統(tǒng)所利用。實現(xiàn)船舶設(shè)計的智能化，必須將這些基準(zhǔn)和方法轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)字化的經(jīng)驗，使之成為數(shù)字化的船廠專家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。［5］

將船廠的專家設(shè)計經(jīng)驗標(biāo)準(zhǔn)化，并融入到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，使船舶設(shè)計軟件系統(tǒng)通過二次開發(fā)，成為專家系統(tǒng)。例如在方案設(shè)計階段，必須根據(jù)專家的知識和經(jīng)驗，進(jìn)行合理判斷和決策，才能獲得優(yōu)良的設(shè)計結(jié)果。將該領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗，運用人工智能技術(shù)，歸納成一些規(guī)則，形成知識庫；再利用推理機制，進(jìn)行推理及判斷，最終應(yīng)用計算機處理后，獲得具有專家水平的設(shè)計結(jié)果。

船廠各種裝備的生產(chǎn)條件是船舶設(shè)計過程中的制約條件，將各種裝備的生產(chǎn)條件數(shù)字化，并融入到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中，使船舶設(shè)計軟件系統(tǒng)通過二次開發(fā)，成為預(yù)判系統(tǒng)。如何合理地最大化利用材料并簡化工藝，是這個系統(tǒng)工作原理的精髓，例如定尺鋼板的選擇、庫存材料的利用、工法工位的選擇等。這在不影響原有的工藝基礎(chǔ)上，從根本上改變現(xiàn)有的作業(yè)方式，更大程度地實現(xiàn)自動化作業(yè)并減少了作業(yè)者的工作量。由于該數(shù)據(jù)庫是對各種規(guī)定的數(shù)字化表示，當(dāng)規(guī)定修改時，相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫也需要進(jìn)行適配。

3.3 建立船舶運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

船舶作為船廠的主要產(chǎn)品，其性能的好壞直接影響船廠在行業(yè)內(nèi)的口碑，進(jìn)而影響船東對訂單的選擇，可以說直接決定了船廠的命運。船舶在交付船東運營后，運行中的各項參數(shù)是評價船舶性能的主要參數(shù)，也是優(yōu)化船型和船舶各項指標(biāo)的參考依據(jù)。設(shè)計全新船型時，船舶的型線設(shè)計、船舶設(shè)備的選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及螺旋槳設(shè)計等，往往未經(jīng)實船驗證，各種參數(shù)的選擇無法達(dá)到最優(yōu)，因此需要在設(shè)計的過程中不斷改進(jìn)和優(yōu)化。［6］

現(xiàn)階段，船舶的主要性能參數(shù)在大部分船舶上都有相應(yīng)的采集傳感器。新增采集數(shù)據(jù)需對船上已有設(shè)備進(jìn)行改造，以補充相關(guān)的數(shù)據(jù)輸出，進(jìn)而通過相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

建立船舶運行參數(shù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實時收集船舶運行中的各項指標(biāo)數(shù)據(jù)（性能指標(biāo)：風(fēng)速、航速、吃水等；主機運行指標(biāo)：主機轉(zhuǎn)速、主機運行時間等），結(jié)合合理的智能化分析技術(shù)，這些數(shù)據(jù)便可為船廠智能設(shè)計提供有力支撐。

在船舶設(shè)計初期，根據(jù)對以往交付船舶的航行參數(shù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)可自行比對，并對問題參數(shù)進(jìn)行局部優(yōu)化，從而達(dá)到不斷優(yōu)化設(shè)計之目的。對主機參數(shù)的收集，是主機選型的重要依據(jù)。在進(jìn)行新船設(shè)計時，根據(jù)已建立的廠家數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)可以智能化規(guī)避存在問題的廠家和主機型號。

4 結(jié) 語

目前，我國在船舶智能制造方面的推進(jìn)力度較大，也取得了很大突破，各船廠也在努力打造船舶制造智能化生產(chǎn)線。在船舶設(shè)計過程中，對智能化生產(chǎn)所需要的數(shù)據(jù)已不斷擴充并完善，但是對于設(shè)計的各個環(huán)節(jié)，關(guān)于智能化方面的探索仍亟待提高。這需要各個船企找到自身的作業(yè)規(guī)律，化繁為簡，加大智能作業(yè)手段和工具的二次開發(fā)或引入力度，在將設(shè)計人員從繁復(fù)的工作中逐漸解放出來的同時，進(jìn)一步提高設(shè)計質(zhì)量。我國在船舶智能設(shè)計方面尚處于較初級階段，需要不斷發(fā)展和挖掘可以實施的努力方向。