论文部分内容阅读
船舶行业属于劳动密集、资金密集、技术密集的离散制造业，具备零件数量多、生命周期长、资本投入大、技术要求高等典型特征，正面临接单难、交船难、融资难等痛点。江南造船、黄埔文冲、沪东中华等企业以网络化协同和服务化延伸为切入点，从设计协同化、制造智能化、管理精益化、融资在线化、产品服务化等方向进行数字化转型。
船舶行业数字化转型
趋势分析
研发设计由独立设计向无缝设计转变。船舶行业研发设计环节复杂，涉及数十个专业分工。传统船舶行业使用独立设计模式，在设计环节联通、跨专业对接、设计模型变更等方面存在数据交流不畅、企业协同水平不足等问题。随着业内无缝设计模式的应用推广，基于MBD理念使用唯一数据源进行属性标注，有利于统一标准，改善数据差异问题，打破研发设计的空间、时间、组织限制，降低跨专业、跨部门、跨企业协同研发设计门槛。
生产制造由数字化向智能化转变。船舶构造复杂精密，大型豪华游轮零件数量超过2500万个，包括钢材预处理、零件加工、装配焊接、试验下水等诸多环节，对制造工艺、工序的要求较高。在传统船舶生产制造过程中，零部件加工需大量人力，不利于保障产品质量的稳定性，整体质量管控成本较大。随着数字孪生技术的发展应用，助力船舶企业依据统一模型、统一数据源进行生产制造，解决CAD到CAM的集成问题，实现生产过程可预测、可调整、可追溯，有效提升产品质量，提高用户体验，增加企业收益。
供应链管理由重经验向重需求转变。在传统船舶产业链管理体系中，船舶配套、船舶建造、货物生产运输、航运市场等环节的运营都是独立的、单向的。企业之间无法实现信息共享，各企业在制定供应链计划时更多依仗工作经验，导致产业链供需双方信息不对称，无法针对需求动态调整，缺乏供应链成本优化及纳期有效控制。工业互联网聚焦人、传感器、生产设备和库房、物流等节点的互联互通，打破数据、知识、能力、成本等束缚，推动供需双方相关数据互联互通，以信息流加速物流、资金流、技术流有效流动，加快经验导向到需求导向的模式转变，推动船舶制造企业向价值链、产业链高端跃升。
发展模式由卖产品向卖配套服务转变。目前，全球船舶运力和制造能力存在过剩现象，造船市场需求出现结构性不足，散货船等常规船型需求乏力，高技术船舶和海洋工程高端装备需求旺盛，传统船舶制造业，依靠生产要素投入和廉价劳动力转化的盈利模式难以为继。随着工业互联网在船舶行业的应用推广，有利于提升船舶制造整体配套服务水平，打造“船舶 智能系统 配套服务”的整体产品方案，提高用户黏性，构建技术迭代升级、用户体验友好的新型船舶工业服务体系。
船舶行业工业互联网平台
典型应用场景及实践
基于三维模型的协同设计。一是数字孪生仿真。船舶企业可通过在工业互联网平台部署CAE、CAD等功能模块，在赛博空间对船舶模型进行碰撞仿真、结构仿真和流体仿真等测试，降低样品试制成本，并缩短产品研发周期。二是并行协同设计。船舶企业可应用工业互联网平台集成船舶的外觀、结构、性能和电器分布等数据，实现各项设计工作在跨部门、跨企业、跨区域的同步进行，保障设计方案的协调与适配，提高研发效率。三是工艺设计优化。利用工艺设计仿真等功能模块，在数字空间模拟船舶零部件的加工、船舶部件的焊接与组装等制造过程，减少人工试错的次数，优化制造工艺，降低生产错误率。四是基于三维模型的可视化检验。基于工业互联网，建立面向船东、船检的在线检验平台，基于可移动、旋转的三维数字孪生模型，直观展示船舶检验数据，提高船舶检验的实时性，保障产品质量。五是船舶工业建设的数字化设计。在船厂数字化、网络化、智能化升级改造项目中，经过布局规划、仿真，验证船厂生产能力，优化车间物流和设备配置。
例如，中船江南造船、中船黄埔文冲基于达索三维体验平台，实现了大型航标船、支线集装箱船等产品生产设计全流程、全专业、全三维交付，设计差错率大幅降低，提升产品的制造质量。外高桥造船在豪华邮轮设计方面建立了全球大型协同设计平台，实现和国外设计公司统一平台上的全球化协同设计，实现了和船东之间的图纸送审协同，提高设计效率30%。沪东中华使用自主研发的SPD三维设计制造系统，支持船舶船机电全专业设计建模及工艺完整性定义，通过在计算机上虚拟造船，融合各专业并行开工，减少船体建造过程中的错误率。黄埔文冲构建了基于工业互联网的云检测平台，实现了基于船体三维模型的焊缝设计、生产、检验信息在线查询与展示，确保相关方能在全球任何地点能够实时掌握船舶焊接工作状态。中船九院开发船厂工艺敏捷设计咨询系统，通过开发系列高效的工艺计算、船厂方案参数化布局、工艺仿真验证，以及设计成果发布等工具软件，持续不断地进行设计迭代以达到船厂客户的需求。
基于CPS的智能制造。一是关键生产环节的装备自动化，依托工业互联网平台控制智能机器人开展型钢上料、自动切割、智能焊接、材料输送等生产流程，缩短生产周期，提升生产效率，降低人力成本。二是造船厂域生产要素的泛在互联。在造船企业大尺度离散生产场地与车间范围，部署基于北斗、RFID等技术多层次、多粒度定位系统，建立面向切割、焊接、吊装、驳运等核心装备的状态采集与控制网络，实现造船全流程核心生产要素的泛在互联。三是基于边缘计算的关键工艺敏捷管控体系。在切割、焊接等造船核心工艺环节，组建车间层级边缘智能管控网络，建立造船离散作业环境下的人、机、件的融合统一，实现近装备端的敏捷质量监督、缺陷预警与节能管控。四是基于数字孪生车间的智能管控。建立零件加工、分段制造、船台船坞等三维数字模型，构建生产工位、生产线及生产车间逻辑模型，实现基于物联网的核心生产要素状态监控及作业状态管控，及基于实时状态数据的生产过程动态分析、决策与调度。
例如，依托工业互联网，中船黄埔文冲建立了基于北斗的厂域物流装备定位及管控网络，结合车间制造执行系统，建立面向船体分段作业的数字孪生车间，实现了生产作业的精细化管理。沪东中华、黄埔文冲等建立数控焊机管控边缘网络，推动焊机联网，实现了焊接指令及工艺在线下发、作业跟踪与自适应启停控制，有效提高了焊接的质量，降低了能耗。中船第十一研究所依托工业互联网平台研发工艺规划、车间管控、吊装仿真等软件，积极投身船厂生产线联网改造，实现关键工位国产化替代，与船厂一起打造数字化车间。中船信息致力于研制新型工业互联网APP，打造智能制造SaaS云服务，为船厂及供应链上下游提供设备接入、生产协同、设备管理、能耗管理、安全预警等智能化服务，帮助企业低成本上云、上平台。 供应链协同。一是供应链管理。通过工业互联网平台进行船舶配套资材、供应商、资材配送等精益化管理，保障供应链配套均衡、有序，有效提高物流周转效率。二是供应链金融。通过工业互联网平台进行融资租赁，将资产由流动性较差的固定资产向流动性最强的现金资产转变，改善企业现金流，降低企业融资成本，优化公司资本结构。
例如，中船黄埔文冲搭建标识解析船舶行业二级节点，推动供应链上下游开展基于工业互联网平台的外协外购产品一码协同制造、配送、入库，节约配送人员与成本，提高物流效率。外高桥造船依托工业互联网建立了供应链协同平台，把船厂内部管理向供应商端延伸，通过设计协同、计划协同，降低物资库存量、提升供应及时率。中远海运依托通过布局供应链金融，借助大数据分析把控风险借助供应链金融，利用区块链技术创造可信环境有效降低企业融资成本，船融比例达到80%。
服务化延伸。一是船舶節能运营。将智能检测设备连接工业互联网，实现能耗查询、分析、统计和管理等功能，减少海运碳排放量，降低船舶运营成本。二是航路智能规划。搭建船岸、船船信息传递网络链路，实现了船岸、船船之间大数据的互通与共享。实现开阔水域辅助驾驶，提高了船舶航行安全。三是设备预测维护。实时获取关键设备的状态参数和健康状态，使用大数据技术预测状态发展趋势和剩余寿命，并采用合理的维修或维护保障措施。
例如，中船集团打造船舶安全运营管理系统（SOMS），实现航线优化决策、设备健康预警、船舶能效管理等功能，应用该系统的智能船与传统船型相比，推进效率可提高约3%，日均油耗可降低约4%。
推进应用场景落地的着力点
夯实技术基础，建设数据流动快车道。一是推动新一代信息技术应用，加快大数据、虚拟仿真、系统协同、人工智能等技术协同，打破数据仅在本地计算机、局域网流动的范围限制。二是加大船舶智能制造总体技术、工艺设计、智能管控、智能决策等技术的研发投入力度，聚焦数据的搜集、积累并加快相关知识转化，指导产品生产制造。三是加快船舶行业知识沉淀、封装、固化，打造数字中台，构建船舶行业工业软件支撑体系，通过加快数据自由流动有效解决行业问题。
推动边云协同，突破生产现场数据瓶颈。一是核心产线智能改造，依托边缘智能计算、大数据分析，实现云对边智能控制，缩短核心零部件制造周期，有效降低不良品率，提升生产效率。二是生产计划动态调整，实时监控现场状态参数，在工业互联网平台综合分析场地、设备、人员等数据，制定负荷均衡的作业计划。三是生产模式组织优化，借助大数据、人工智能等技术，保障制造流程精益化、实时化和生产节拍的有序、流畅，降低制造成本。
优化供应链配套，提高上下游信息共享水平。一是依托工业互联网加强上下游企业生产需求计划的对接，减少交期提前或拖期现象。二是建立云端数字化库存管理机制，逐步推广“需求拉动计划、仓储动态调整”的自由型库存控制模式。三是布局基于工业互联网的供应链金融，着力解决垫资、交付延期、订单取消等因素引起的资金链断裂问题。
船舶行业数字化转型
趋势分析
研发设计由独立设计向无缝设计转变。船舶行业研发设计环节复杂，涉及数十个专业分工。传统船舶行业使用独立设计模式，在设计环节联通、跨专业对接、设计模型变更等方面存在数据交流不畅、企业协同水平不足等问题。随着业内无缝设计模式的应用推广，基于MBD理念使用唯一数据源进行属性标注，有利于统一标准，改善数据差异问题，打破研发设计的空间、时间、组织限制，降低跨专业、跨部门、跨企业协同研发设计门槛。
生产制造由数字化向智能化转变。船舶构造复杂精密，大型豪华游轮零件数量超过2500万个，包括钢材预处理、零件加工、装配焊接、试验下水等诸多环节，对制造工艺、工序的要求较高。在传统船舶生产制造过程中，零部件加工需大量人力，不利于保障产品质量的稳定性，整体质量管控成本较大。随着数字孪生技术的发展应用，助力船舶企业依据统一模型、统一数据源进行生产制造，解决CAD到CAM的集成问题，实现生产过程可预测、可调整、可追溯，有效提升产品质量，提高用户体验，增加企业收益。
供应链管理由重经验向重需求转变。在传统船舶产业链管理体系中，船舶配套、船舶建造、货物生产运输、航运市场等环节的运营都是独立的、单向的。企业之间无法实现信息共享，各企业在制定供应链计划时更多依仗工作经验，导致产业链供需双方信息不对称，无法针对需求动态调整，缺乏供应链成本优化及纳期有效控制。工业互联网聚焦人、传感器、生产设备和库房、物流等节点的互联互通，打破数据、知识、能力、成本等束缚，推动供需双方相关数据互联互通，以信息流加速物流、资金流、技术流有效流动，加快经验导向到需求导向的模式转变，推动船舶制造企业向价值链、产业链高端跃升。
发展模式由卖产品向卖配套服务转变。目前，全球船舶运力和制造能力存在过剩现象，造船市场需求出现结构性不足，散货船等常规船型需求乏力，高技术船舶和海洋工程高端装备需求旺盛，传统船舶制造业，依靠生产要素投入和廉价劳动力转化的盈利模式难以为继。随着工业互联网在船舶行业的应用推广，有利于提升船舶制造整体配套服务水平，打造“船舶 智能系统 配套服务”的整体产品方案，提高用户黏性，构建技术迭代升级、用户体验友好的新型船舶工业服务体系。
船舶行业工业互联网平台
典型应用场景及实践
基于三维模型的协同设计。一是数字孪生仿真。船舶企业可通过在工业互联网平台部署CAE、CAD等功能模块，在赛博空间对船舶模型进行碰撞仿真、结构仿真和流体仿真等测试，降低样品试制成本，并缩短产品研发周期。二是并行协同设计。船舶企业可应用工业互联网平台集成船舶的外觀、结构、性能和电器分布等数据，实现各项设计工作在跨部门、跨企业、跨区域的同步进行，保障设计方案的协调与适配，提高研发效率。三是工艺设计优化。利用工艺设计仿真等功能模块，在数字空间模拟船舶零部件的加工、船舶部件的焊接与组装等制造过程，减少人工试错的次数，优化制造工艺，降低生产错误率。四是基于三维模型的可视化检验。基于工业互联网，建立面向船东、船检的在线检验平台，基于可移动、旋转的三维数字孪生模型，直观展示船舶检验数据，提高船舶检验的实时性，保障产品质量。五是船舶工业建设的数字化设计。在船厂数字化、网络化、智能化升级改造项目中，经过布局规划、仿真，验证船厂生产能力，优化车间物流和设备配置。
例如，中船江南造船、中船黄埔文冲基于达索三维体验平台，实现了大型航标船、支线集装箱船等产品生产设计全流程、全专业、全三维交付，设计差错率大幅降低，提升产品的制造质量。外高桥造船在豪华邮轮设计方面建立了全球大型协同设计平台，实现和国外设计公司统一平台上的全球化协同设计，实现了和船东之间的图纸送审协同，提高设计效率30%。沪东中华使用自主研发的SPD三维设计制造系统，支持船舶船机电全专业设计建模及工艺完整性定义，通过在计算机上虚拟造船，融合各专业并行开工，减少船体建造过程中的错误率。黄埔文冲构建了基于工业互联网的云检测平台，实现了基于船体三维模型的焊缝设计、生产、检验信息在线查询与展示，确保相关方能在全球任何地点能够实时掌握船舶焊接工作状态。中船九院开发船厂工艺敏捷设计咨询系统，通过开发系列高效的工艺计算、船厂方案参数化布局、工艺仿真验证，以及设计成果发布等工具软件，持续不断地进行设计迭代以达到船厂客户的需求。
基于CPS的智能制造。一是关键生产环节的装备自动化，依托工业互联网平台控制智能机器人开展型钢上料、自动切割、智能焊接、材料输送等生产流程，缩短生产周期，提升生产效率，降低人力成本。二是造船厂域生产要素的泛在互联。在造船企业大尺度离散生产场地与车间范围，部署基于北斗、RFID等技术多层次、多粒度定位系统，建立面向切割、焊接、吊装、驳运等核心装备的状态采集与控制网络，实现造船全流程核心生产要素的泛在互联。三是基于边缘计算的关键工艺敏捷管控体系。在切割、焊接等造船核心工艺环节，组建车间层级边缘智能管控网络，建立造船离散作业环境下的人、机、件的融合统一，实现近装备端的敏捷质量监督、缺陷预警与节能管控。四是基于数字孪生车间的智能管控。建立零件加工、分段制造、船台船坞等三维数字模型，构建生产工位、生产线及生产车间逻辑模型，实现基于物联网的核心生产要素状态监控及作业状态管控，及基于实时状态数据的生产过程动态分析、决策与调度。
例如，依托工业互联网，中船黄埔文冲建立了基于北斗的厂域物流装备定位及管控网络，结合车间制造执行系统，建立面向船体分段作业的数字孪生车间，实现了生产作业的精细化管理。沪东中华、黄埔文冲等建立数控焊机管控边缘网络，推动焊机联网，实现了焊接指令及工艺在线下发、作业跟踪与自适应启停控制，有效提高了焊接的质量，降低了能耗。中船第十一研究所依托工业互联网平台研发工艺规划、车间管控、吊装仿真等软件，积极投身船厂生产线联网改造，实现关键工位国产化替代，与船厂一起打造数字化车间。中船信息致力于研制新型工业互联网APP，打造智能制造SaaS云服务，为船厂及供应链上下游提供设备接入、生产协同、设备管理、能耗管理、安全预警等智能化服务，帮助企业低成本上云、上平台。 供应链协同。一是供应链管理。通过工业互联网平台进行船舶配套资材、供应商、资材配送等精益化管理，保障供应链配套均衡、有序，有效提高物流周转效率。二是供应链金融。通过工业互联网平台进行融资租赁，将资产由流动性较差的固定资产向流动性最强的现金资产转变，改善企业现金流，降低企业融资成本，优化公司资本结构。
例如，中船黄埔文冲搭建标识解析船舶行业二级节点，推动供应链上下游开展基于工业互联网平台的外协外购产品一码协同制造、配送、入库，节约配送人员与成本，提高物流效率。外高桥造船依托工业互联网建立了供应链协同平台，把船厂内部管理向供应商端延伸，通过设计协同、计划协同，降低物资库存量、提升供应及时率。中远海运依托通过布局供应链金融，借助大数据分析把控风险借助供应链金融，利用区块链技术创造可信环境有效降低企业融资成本，船融比例达到80%。
服务化延伸。一是船舶節能运营。将智能检测设备连接工业互联网，实现能耗查询、分析、统计和管理等功能，减少海运碳排放量，降低船舶运营成本。二是航路智能规划。搭建船岸、船船信息传递网络链路，实现了船岸、船船之间大数据的互通与共享。实现开阔水域辅助驾驶，提高了船舶航行安全。三是设备预测维护。实时获取关键设备的状态参数和健康状态，使用大数据技术预测状态发展趋势和剩余寿命，并采用合理的维修或维护保障措施。
例如，中船集团打造船舶安全运营管理系统（SOMS），实现航线优化决策、设备健康预警、船舶能效管理等功能，应用该系统的智能船与传统船型相比，推进效率可提高约3%，日均油耗可降低约4%。
推进应用场景落地的着力点
夯实技术基础，建设数据流动快车道。一是推动新一代信息技术应用，加快大数据、虚拟仿真、系统协同、人工智能等技术协同，打破数据仅在本地计算机、局域网流动的范围限制。二是加大船舶智能制造总体技术、工艺设计、智能管控、智能决策等技术的研发投入力度，聚焦数据的搜集、积累并加快相关知识转化，指导产品生产制造。三是加快船舶行业知识沉淀、封装、固化，打造数字中台，构建船舶行业工业软件支撑体系，通过加快数据自由流动有效解决行业问题。
推动边云协同，突破生产现场数据瓶颈。一是核心产线智能改造，依托边缘智能计算、大数据分析，实现云对边智能控制，缩短核心零部件制造周期，有效降低不良品率，提升生产效率。二是生产计划动态调整，实时监控现场状态参数，在工业互联网平台综合分析场地、设备、人员等数据，制定负荷均衡的作业计划。三是生产模式组织优化，借助大数据、人工智能等技术，保障制造流程精益化、实时化和生产节拍的有序、流畅，降低制造成本。
优化供应链配套，提高上下游信息共享水平。一是依托工业互联网加强上下游企业生产需求计划的对接，减少交期提前或拖期现象。二是建立云端数字化库存管理机制，逐步推广“需求拉动计划、仓储动态调整”的自由型库存控制模式。三是布局基于工业互联网的供应链金融，着力解决垫资、交付延期、订单取消等因素引起的资金链断裂问题。