从工业2.0 到4.0

2015年国务院公布《中国制造2025》
船舶工业是为水上交通、海洋资源开发及国防建设提供技术装备的现代综合性和战略性产业,是国家发展高端装备制造业的重要组成部分,是国家实施海洋强国战略的基础和重要支撑。同时,造船业作为我国制造业的主要部分,从中共十六大第一次提出“两化融合”的雏形,再到2015年国务院公布《中国制造2025》,中国造船业的水平已经有了质的飞跃
自2010年起,我国造船完工量、新接订单量和手持订单量三大造船指标连续6年稳居世界前列,成为名副其实的造船大国。但是,我们也清醒地看到,在生产效率和管理水平方面,我国造船企业仍有较大提升空间,我国船舶工业大而不强, 船舶的技术含量和复杂程度、造船每修正总吨工时消耗、造船周期和全员造船效率等效率效益指标与造船强国的差距仍然较大。
2015年国务院公布中国制造2025》
到2020年,我国造船效率和建造质量要接近日本和韩国一流船厂的水平; 到2025年,全面建成信息感知网、物联网及信息物理系统管理平台,实现大数据与智能化技术的全面深化应用,力争骨干造船企业、产品质量赶超造船先进国家。

工业和信息化副部长辛国斌表示,“十三五”时期是我国船舶工业由大变强的关键期,产业发展已经进入增速减缓期、结构调整期和优势重构攻坚期三期叠加阶段。加快推动新一代信息技术与先进船舶制造技术融合,大力推动智能制造,能够快速提升船舶建造质量和效率,降低成本和资源能源消耗,是增强我国造船企业核心竞争力的有效途径。

智能制造成为船舶工业发展新趋势,但还得直面当前严酷的现实。不同于美德等国从工业3.0到工业4.0的渐进式发展,国内船厂总体处于工业2.0阶段,在数字化、自动化、精益生产等方面,仍有很多短板需要补齐。国内船厂要实现从工业2.0到4.0的跨越式发展,这一过程难免痛苦,有些问题还将“边跑边调整”,并不断从先进造船国的发展路径中获得一些借鉴。截止目前,外界对船舶智能制造的概念没有一个确切的定义,有报道将焊接机械手、机械臂和机器人混淆了,前者属于自动化,后者则更倾向于有思维和学习功能的智能化。

智能船舶7大功能

《智能船舶规范》将智能船舶的功能分为智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台,基本囊括了智能船舶所应具备的所有功能。为实现和完善上述功能,需进一步研究和深化与船舶有关的技术: 信息感知技术、通信导航技术、能效控制技术、航线规划技术、状态监测与故障诊断技术、遇险预警救助技术、驾机一体化和自主航行技术。

信息感知技术

船舶信息感知是指船舶能够基于各种传感设备、传感网络和信息处理设备,获取船舶自身和周围环境的各种信息,使船舶能够更安全、可靠航行的一种技术手段。船舶感知的信息可分为自身状态信息和周围环境信息。自身状态信息包括船舶机舱、驾驶台、货舱内各种设备的状态信息,以及船舶航行的位置、航速、航向等航行状态信息,主要依靠目前已有的压力、温度、转速、液位等传感器,感知手段较成熟。周围环境信息包括周围船舶和障碍物信息、周围气象条件、水深、视频监控信息、音频监控信息、水流速度和方向、航标位置、可航行区域等,主要依靠AIS、海事雷达、视频摄像机、激光传感器、激光雷达传感器、风速传感器、风向传感器、能见度采集设备、计程仪、水深仪、航行数据记录仪(VDR)、电子海图(电子航道图)以及船岸交互信息来获取,感知过程中涉及的信号种类较多、数据量较大、信息间存在冗余和冲突问题,值得进一步研究。

通信导航技术

通信技术是用于实现船舶上各系统和设备之间,以及船舶与岸站、船舶与航标之间的信息交互。常用的通信方式主要包括:VHF(甚高频)、海事专网、海事卫星、移动通信网络(手机网络)等。导航技术是用于指导船舶从指定航线的一点运动到另一点,通常包括定位、目的地选择、路径计算和路径指导等过程。船舶常用的导航技术包括早期的无线电导航和现在广泛使用的卫星导航。北斗卫星导航系统为我国船舶导航领域提供了新的发展契机。

能效控制技术

2007年,世界海运船舶排放CO2达10.4亿吨,其中国际海运排放CO2约8.7亿吨,分别占当年全球CO2排放总量的3.3%和2.7%。为提高船舶能效、减少船舶温室气体排放(节能减排),国际海事组织(IMO)提出EEDI(新造船设计能效指数)、EEOI(船舶营运能效指数)等评价标。智能船舶的发展应顺应“绿色船舶”的发展潮流,分析通航环境、装载量、吃水、主机功率(转速)等因素与船舶营运能效指数EEOI之间的内在关系,在保证船舶安全和营运效率的前提下,通过优化控制船舶航速、装载量、吃水、航线等,以最大限度降低EEOI指数。

航线规划技术

航线规划是指船舶根据航行水域交通流控制信息、前方航道船舶密度情况、公司船期信息、航道水流分布信息、航道航行难易信息,智能实时选择船舶在航道内的位置和航道,以优化航线,达到安全高效、绿色环保的目的。目前常用的航线规划方法包括:线性规划方法、混合整数规划模型、遗传算法、模拟退火、粒子群优化算法等智能算法

状态监测与故障诊断技术

状态监测技术是以监测设备振动发展趋势为手段的设备运行状态预报技术,通过了解设备的健康状况,判断设备是处于稳定状态或正在恶化。未来船舶故障诊断可考虑以大数据为基础,运用多尺度分析方法来构建设备状态监测系统。故障诊断技术就是在船舶机械设备运行中或基本不拆卸设备的情况下,掌握设备的运行状况,根据对被诊断对象测试所取得的有用信息进行分析处理,判断被诊断对象的状态是否处于异常状态或故障状态,判断劣化状态发生的部位或零部件,并判定产生故障的原因,以及预测状态劣化的发展趋势等。

遇险预警救助技术

水上交通事故时有发生,尤其是碰撞和搁浅事故,往往造成严重的经济损失和人员伤亡。无论是在海上还是内河水域,船舶碰撞是最为常见的水上交通事故类型,在所有的水上交通事故中占很大的比例。船舶遇险预警与搜救技术能够有效的降低事故的发生率以及降低事故的损失。

自主航行技术

《智能船舶规范》中定义,智能航行系指利用计算机技术、控制技术等对感知和获得的信息进行分析和处理,对船舶航路和航速进行设计和优化;可行时,借助岸基支持中心,船舶能在开阔水域、狭窄水道、复杂环境条件下自动避碰,实现自主航行。

船厂“试水”改革

赶上新一代制造业发展的浪潮,以工业机器人和3D打印为代表的数字化、智能化制造技术将成为引领未来包括造船业在内的装备制造业变革的重要技术之一,使制造业从传统迈向智能化时代。在这样的背景下,国家政策加大对船舶智能制造的支持,期望通过产业升级换代提高造船行业生产效率。国内船舶企业的智能制造应用近年来发展迅速。

南通中远川崎一直被公认为中国质量和效率最高的船厂之一,该公司智能制造系统更是领先一步。作为船舶智能车间的基础设施建设,南通中远川崎建立了覆盖全厂的计算机网络系统,通过光纤连接到各生产车间,并借助计算机网络,实现物理制造空间与信息空间的无缝对接和映射,为精细化和智能化管控提供基础;同时,利用数字专线连接大连中远川崎船舶工程有限公司,中远川崎实现两家船厂异地协同,设计、采购、经营等信息共享;南通中远川崎的智能造船模式使设计、制造、加工、管理信息一体化,贯穿了零件设计信息、工艺信息、工装信息、材料配套信息、加工信息和装配信息的信息生成和传输全过程,并且在采购申请单、物料清单、托盘清单等业务方面全面实现了无纸化。据了解,该公司在未来发展中还将继续扩大工业机器人应用。

中船重工七二四所鹏力科技集团牵头承担的“大型复杂箱型结构件智能制造数字化车间”和“船舶分段制造数字化车间”、“大型船舶立体结构件成形及焊接装备”数个国家智能制造装备发展专项先后通过国家验收后按照现有规划。到2018年,中船重工将建设7家智能制造试点示范企业,突破共性关键技术

大连船舶重工从2015年开始针对船舶智能制造开展研究,基本原则是以精益生产、总装造船为核心,建立和完善现代造船模式。通过流程再造,推进中间产品专业化生产,推行工种复合化,进而逐步实施专业化生产线的自动化,同时建立生产管理信息系统,建设中间产品数字化车间,最终达到智能制造。2016年大船集团建成并投入使用了小组立数字化示范车间,自动倒角工作站、先行小组立工作站和小组立辊道生产线已实际运行,示范效果明显。

江南造船(集团)有限责任公司在测量场、复杂曲面的加工、特殊钢种的焊接管控等方面也实现了数字化。其配套企业江南管业引进了3条全自动管子焊接生产流水线,并配备了6台焊接机器人。在高技术复杂船型的研发、设计和生产过程中,江南造船依托体验式3DEXP平台,借助于统一的数据模型,进行船型的设计研发、建造策划、工艺和工法研究,从数据源头抓起提高利用效率,同时,将个人智能装备也作为一种先进的终端应用操作流程中。

国内船厂纷纷“试水”智能制造,船厂根据自身现有模式的不同各有侧重,智能制造的投入也不尽相同,但殊途同归,造船智能化的最终目的是提高造船厂的盈利水平,有效控制造船工业的成本。国内船舶工业智能制造的发展正迈着自己的步伐,既不同于造船先进国家拥有长期智能化技术的积累与沉淀,也不同于其他制造行业的轻快、好上,国内船舶工业智能制造仍在摸索着前行。

名家讲言

上述业内人士认为

在推动我国由造船大国向造船强国转变的过程中,首先要着力提升船舶和海工装备配套设备的国产化率,尤其要尽早提高动力系统、通讯导航等关键设备的本土化装船率。如今,面向未来,船厂及上下游所有信息基于一个平台,实现“物联互通”,智能制造将更加有力促进我国船舶工业的发展。