我國船舶設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的現(xiàn)狀與未來趨勢

何海華，張濟(jì) ，張兆德

（1.浙江揚(yáng)帆通用機(jī)械制造有限公司，浙江 舟山 316000；2.浙江省近海海洋工程技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 舟山 316022）

1 引言

近30 多年來，我國船舶工業(yè)發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了由傳統(tǒng)工業(yè)向現(xiàn)代工業(yè)、由自我封閉向國際化產(chǎn)業(yè)的歷史性跨躍。產(chǎn)業(yè)規(guī)模大幅提升，產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)初現(xiàn)，并形成了以大型國有企業(yè)為骨干、長江口、珠江口和環(huán)渤海灣三大區(qū)域的多種經(jīng)濟(jì)成分企業(yè)競相發(fā)展的新格局。中國已具備集裝箱船、油船和散貨船三大船型的設(shè)計(jì)能力和系列化建造，個(gè)別船型還達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

國內(nèi)造船企業(yè)在基礎(chǔ)設(shè)施、制造裝備、裝備自動(dòng)化等方面持續(xù)優(yōu)化，建立了一批先進(jìn)的硬件設(shè)施；大力推進(jìn)船舶“數(shù)字化”建設(shè)，實(shí)施了PDM，ERP 和MES 系統(tǒng)，很多企業(yè)實(shí)現(xiàn)了船舶產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計(jì)，制造過程的生產(chǎn)計(jì)劃、物流和質(zhì)量等的信息化管控[1]。近年來，國內(nèi)一些船舶企業(yè)開始引進(jìn)國際先進(jìn)的造船軟件，以三維設(shè)計(jì)建模技術(shù)為代表的數(shù)字化技術(shù)在我國新一代船舶設(shè)計(jì)和建造中得到了初步應(yīng)用。在引進(jìn)消化國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，國內(nèi)一些船舶企業(yè)開展了基于數(shù)字化造船相關(guān)的研究工作[2]。

在國際公約與規(guī)則及船舶市場大環(huán)境的影響下，近十幾年來我國船舶工業(yè)經(jīng)歷了轉(zhuǎn)型升級過程，產(chǎn)業(yè)集群效應(yīng)初現(xiàn)，綠色造船和數(shù)字化造船技術(shù)不斷深化，船舶設(shè)計(jì)與建造的技術(shù)水平不斷提升。同時(shí)我國的船舶工業(yè)還存在一些問題，如船舶企業(yè)規(guī)模偏小、設(shè)計(jì)與建造技術(shù)水平參差不齊，產(chǎn)業(yè)布局不合理，船舶配套業(yè)發(fā)展滯后，自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，專業(yè)技術(shù)人才不足等。隨著國家船舶工業(yè)規(guī)劃和相關(guān)政策的實(shí)施，我國船舶工業(yè)將逐步提高設(shè)計(jì)研發(fā)能力，增加核心競爭力，為從造船大國過渡到造船強(qiáng)國打下重要的基礎(chǔ)。

2 我國船舶設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 綠色船舶的發(fā)展對船舶行業(yè)的影響不斷深入

綠色船舶的概念一般指在船舶設(shè)計(jì)建造和營運(yùn)管理過程中，在滿足船舶功能的前提下，節(jié)省材料、節(jié)約能源并減少污染[3]。

1997 年，《國際防 止船舶 污染公 約MARPOL73/79》修訂案由國際海事組織通過，2011年又將船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）和船舶能效計(jì)劃（SEEMP）引入該公約，后來又引入船舶能效運(yùn)營指數(shù)（EEOI）、碳排放強(qiáng)度指數(shù)（CII）和全年效率比（AER）等。近二十多年來，綠色船舶的概念對國內(nèi)外的船舶行業(yè)產(chǎn)生了巨大的變化，甚至影響了船舶行業(yè)的發(fā)展格局。這種不斷發(fā)展的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是在設(shè)計(jì)過程中，通過船型優(yōu)化、縱傾優(yōu)化、增加附體、采用氣泡減阻及上層建筑風(fēng)阻優(yōu)化等，以減小船舶阻力；同時(shí)通過船、機(jī)、槳優(yōu)化提高船舶推進(jìn)效率；對集裝箱船進(jìn)行降速節(jié)能；以及通過采用新型船舶燃料，減少排放；甚至在船舶設(shè)計(jì)階段就要考慮船體結(jié)構(gòu)的振動(dòng)預(yù)報(bào)與噪聲控制。二是在建造過程中選擇合理的焊接方式和涂裝工藝，采用無污染材料和標(biāo)準(zhǔn)件，并盡量減少物料和能源消耗，減小廢棄物數(shù)量[4]。三是船舶要盡量減排溫室氣體并防止燃油泄漏。四是在船舶拆解時(shí)減少對環(huán)境的污染、提高材料重復(fù)利用率，以及降低能耗與資源浪費(fèi)[5]。五是綠色修船理念下對傳統(tǒng)的三大船型進(jìn)行節(jié)能環(huán)保型技術(shù)改造，如應(yīng)用高精度混拼裝備、自動(dòng)化除銹裝置、油污水處理系統(tǒng)等；加裝壓載水系統(tǒng)、脫硫裝置、球鼻艏和風(fēng)帆技術(shù)裝備等。

2.2 數(shù)字化造船技術(shù)應(yīng)用

在船舶建造過程中，運(yùn)用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)字仿真等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對船舶的設(shè)計(jì)、建造、管理、經(jīng)營和決策等全過程進(jìn)行數(shù)字化描述。數(shù)字化造船最先起源于20 世紀(jì)70 年代計(jì)算機(jī)技術(shù)在船舶數(shù)學(xué)放樣和數(shù)控切割中的應(yīng)用兩個(gè)領(lǐng)域，后來逐漸向著計(jì)算輔助設(shè)計(jì)/制造/分析 (CAD/CAM/CAE) 領(lǐng)域拓展。近二十年來，國外逐步進(jìn)行船舶虛擬設(shè)計(jì)制造、計(jì)算機(jī)集成管理系統(tǒng)和制造系統(tǒng)的研究，開發(fā)造船數(shù)據(jù)的連續(xù)搜集與全生命周期支持系統(tǒng) CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support)。近年來的發(fā)展熱點(diǎn)主要有船舶設(shè)計(jì)數(shù)字化、船舶制造敏捷化、船舶管理精細(xì)化、船舶裝備自動(dòng)化等[6]。

近二十年來，我國船舶行業(yè)在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，也在逐步將數(shù)字化造船技術(shù)應(yīng)用到船舶設(shè)計(jì)與建造過程中。國內(nèi)有的船舶企業(yè)開始陸續(xù)使用甚至開發(fā)一些計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件。大多數(shù)的船舶設(shè)計(jì)與建造企業(yè)也已經(jīng)基本完成從傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)從平面向3D 設(shè)計(jì)的過渡和從傳統(tǒng)的分段造船模式向分道造船模式的過渡[7]。

2.3 高附加值船舶建造水平提高、智能船舶初現(xiàn)

我國不僅具備了建造LNG 船、LPG 船、30 萬噸級超大型油輪、大型集裝箱船、大型游輪以及半潛式海洋平臺的建造，并成為能夠建造8000TEU 集裝箱船的少數(shù)幾個(gè)國家之一，甚至在LNG 船等開發(fā)設(shè)計(jì)與建造方面達(dá)到了世界高端造船先進(jìn)水平[8]。

智能船舶通過信息技術(shù)，收集并處理信息，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在船舶的航行和管理過程中實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)行。按船舶系統(tǒng)可以分為航行、船體、機(jī)艙和貨物管理等方面的智能化。按照船級社的提法，對智能船舶進(jìn)行了分類：第一代是人為代理系統(tǒng)；第二代是通過監(jiān)控系統(tǒng)做出決策；第三代是利用數(shù)據(jù)分析和互聯(lián)信息實(shí)現(xiàn)情景感知；第四代將會(huì)實(shí)現(xiàn)無人駕駛。其中前三代智能船舶仍需要人在船上[9]。

智能船舶的最初目的是為了減輕船員的勞動(dòng)強(qiáng)度，隨后的發(fā)展過程中，隨著計(jì)算機(jī)、信息感知和信息處理技術(shù)的不斷發(fā)展以及機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的應(yīng)用，船舶智能系統(tǒng)變得越來越“聰明”，提出的參考和選擇的決策和建議更符合實(shí)際。同時(shí)智能船舶在自主航行過程中，還需要有智能化岸基操控。2017 年挪威開發(fā)了全球首艘120個(gè)集裝箱的無人駕駛船舶，能節(jié)省大量運(yùn)營成本[10]。

智能船舶可以減少人力成本和人為失誤，以及在惡劣海況下完成任務(wù)。但還有很多方面的技術(shù)問題需要解決。①傳感器的可靠性與感知信息冗余；②復(fù)雜海況下的信息識別的準(zhǔn)確性；③數(shù)據(jù)高速傳輸與信息的實(shí)效性；④信息不完備條件下智能系統(tǒng)的模糊判斷能力；⑤人工干預(yù)的界面劃分等。

2.4 現(xiàn)有人才培養(yǎng)模式不能適應(yīng)未來船舶工業(yè)的需求

一是我國的學(xué)歷教育規(guī)模宏大，但很多學(xué)校培養(yǎng)方式不能很好地適應(yīng)船舶工業(yè)的需求。在學(xué)歷教育方面我國船舶專業(yè)的學(xué)生數(shù)量為世界最多，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國現(xiàn)有船舶與海洋工程本科專業(yè)的高校為30 所，每年培養(yǎng)有本科生逾1000 人、碩士研究生約700 人、博士研究生200 人以上。但由于很多學(xué)校師資力量不強(qiáng)，教學(xué)內(nèi)容更新不夠，甚至有的高校在重科研、輕教學(xué)的考核機(jī)制下，教師很難全身心地培養(yǎng)一批能適應(yīng)船舶工業(yè)未來發(fā)展的學(xué)生。

二是船舶企業(yè)對技術(shù)工人的培養(yǎng)主要針對不同工種崗位的要求，進(jìn)行短期崗前培訓(xùn)，對技術(shù)工人的綜合素質(zhì)提高成效不大；一般船舶企業(yè)對科技和管理人員的培養(yǎng)過程往往以崗位實(shí)踐為主，缺少系統(tǒng)的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)方面的培養(yǎng)。

3 船舶設(shè)計(jì)與建造技術(shù)的未來發(fā)展趨勢

3.1 船舶設(shè)計(jì)與建造數(shù)字化進(jìn)程加快

優(yōu)化船舶數(shù)字化平臺數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)與建造數(shù)據(jù)的全流程覆蓋，基于統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建一個(gè)從概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)設(shè)計(jì)的三維模型，實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型一致。以數(shù)字化船舶產(chǎn)品為導(dǎo)向，促進(jìn)整個(gè)船舶設(shè)計(jì)與建造過程的數(shù)字化變革，構(gòu)建包括船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)研發(fā)系統(tǒng)、生產(chǎn)建造系統(tǒng)、運(yùn)營管理系統(tǒng)和維修保障系統(tǒng)等在內(nèi)的數(shù)字化體系平臺，實(shí)現(xiàn)船舶全壽命周期的數(shù)字化。未來，船舶數(shù)字化將面向自動(dòng)化、集成化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化方向發(fā)展[11]。

3.2 船舶設(shè)計(jì)與建造一體化逐步融合

我國船舶行業(yè)的傳統(tǒng)是船舶的開發(fā)設(shè)計(jì)與建造分別進(jìn)行，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)與建造部門之間的協(xié)調(diào)和溝通問題，從而降低了生產(chǎn)效率，甚至拖延造船周期。為了適應(yīng)船舶業(yè)的發(fā)展需求，需要加大船舶設(shè)計(jì)與建造一體化軟件開發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)一體化和模塊化的要求，使船舶實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、建造、管理一體化。普及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）運(yùn)用，開發(fā)涵蓋船舶整個(gè)生命周期的虛擬設(shè)計(jì)系統(tǒng)，提供船舶全壽命周期（PLM）虛擬現(xiàn)實(shí)解決方案，預(yù)告發(fā)現(xiàn)并解決船舶建造過程的問題，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造和管理一體化[12]。

3.3 智能化無人船技術(shù)將快速發(fā)展

船舶智能化作業(yè)場景包括開闊水域航行、狹窄水道航行、起拋錨作業(yè)、裝卸貨作業(yè)和靠離泊作業(yè)等。綜合考慮不同的營運(yùn)需求、技術(shù)路徑和經(jīng)濟(jì)成本，需要對不同的智能功能和場景匹配不同的自主化程度。自主航行技術(shù)將是未來的主攻方向和發(fā)展熱點(diǎn)[13]。

未來將實(shí)現(xiàn)船舶制造、航行、管理和服務(wù)整個(gè)流程的智能控制，智能化不但提升效率而且降低營運(yùn)成本。但智能化發(fā)展也會(huì)遇到一些問題。一是構(gòu)建全球范圍內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)的可行性；二是大數(shù)據(jù)處理過程中對計(jì)算處理能力；三是智能化系統(tǒng)的可靠性和安全性。

3.4 各種新能源船舶不斷涌現(xiàn)

傳統(tǒng)的船舶動(dòng)力主要是化石燃料，近年來為減少二氧化碳和氮氧化物的排放，新能源船舶成為新的發(fā)展熱點(diǎn)[14]。船舶新能源動(dòng)力具有低排放、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，新能源船舶主要有電力推進(jìn)、太陽能、風(fēng)能、甲醇、液氫、LNG 和LPG 動(dòng)力船舶等。由于太陽能和風(fēng)能的能源密度低，雖不能用作船舶的主要供能需要，但可以用于輔助動(dòng)力；甲醇和液氫用做船舶燃料的安全性問題解決后，將成為未來理想的綠色船舶燃料[15]。隨著新能源船舶的發(fā)展，新能源基礎(chǔ)設(shè)施體系將建成，適用于新能源船舶的法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將不斷完善，新能源船舶將會(huì)有快速的發(fā)展。

3.5 船舶建造材料將有所突破

在船舶建造材料的選擇上，加寬加長型材、具備良好抗腐蝕性的不銹鋼、細(xì)晶粒的低溫鋼、焊接性能好的高強(qiáng)度鋼等，是船舶建造過程中嚴(yán)格要求的良好材料。隨著船舶制造業(yè)的快速發(fā)展，逐步應(yīng)用新型材料[16]。一是耐低溫、耐腐蝕材料，如含稀土的B 級碳素鋼和低合金高強(qiáng)度鋼、低溫鋼和低磁鋼等；二是減振降噪材料。如鋁制瓦楞復(fù)合板、發(fā)泡鋁及復(fù)合材料等。這些新材料的應(yīng)用為進(jìn)一步推動(dòng)船舶工業(yè)高質(zhì)量展和海洋強(qiáng)國建設(shè)起重要作用。

3.6 復(fù)合型、高技術(shù)人才的需求增大

船舶行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級過程中，需要打造一支專業(yè)化、數(shù)字化的船舶人才隊(duì)伍。強(qiáng)化船舶制造業(yè)和數(shù)字化行業(yè)整體協(xié)作、資源共享的意識，通過學(xué)術(shù)會(huì)議、技術(shù)交流等手段，加強(qiáng)企業(yè)廠商、高校和研究院所等科研合作，培養(yǎng)大批復(fù)合型人才，以先進(jìn)的理念打造一支高素質(zhì)的船舶數(shù)字化人才隊(duì)伍。同時(shí)要培養(yǎng)智能型、一專多能技術(shù)工人，增強(qiáng)工種的適用性，提高勞動(dòng)效率。

4 結(jié)論

（1）在船舶設(shè)計(jì)與建造方面與世界先進(jìn)水平看齊，需要借鑒國外先進(jìn)科技，在引進(jìn)、消化、吸收的基礎(chǔ)上，勇于創(chuàng)新。充分發(fā)揮數(shù)字化優(yōu)勢，不斷開發(fā)造船技術(shù)與應(yīng)用。構(gòu)建數(shù)字化的標(biāo)準(zhǔn)體系，建立網(wǎng)絡(luò)平臺，實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)、自動(dòng)化、集成化、虛擬化船舶建造。

（2）要做好長遠(yuǎn)規(guī)劃，以未來船舶工業(yè)的人才需求為目標(biāo)，改革現(xiàn)有的人才培養(yǎng)模式，加強(qiáng)高校和企業(yè)聯(lián)合，高校為企業(yè)培養(yǎng)優(yōu)秀的技術(shù)人才，才能在未來的國際競爭中取勝，早日實(shí)現(xiàn)我國的海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略。

（3）我國船舶設(shè)計(jì)與建造的發(fā)展必須加大以3D技術(shù)為基礎(chǔ)的軟件開發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)船舶設(shè)計(jì)、船舶建造和船舶管理的一體化，同時(shí)在建造過程中實(shí)現(xiàn)“殼、舾、涂一體化”。改革不合理的管理模式，充分發(fā)揮科研人員和技術(shù)人員的能動(dòng)性，提高船舶設(shè)計(jì)與建造技術(shù)水平。