船舶制造数字化技术的内涵

6.1.1　船舶制造数字化技术的内涵

船舶制造数字化是以数据处理、图形图像、虚拟现实、数据库、网络通信、数字控制等数字化技术为基础，将数字化技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程。通过对船舶产品以及船舶建造和管理过程的数字化建模，以信息系统为载体，将船舶设计、生产、管理相关的思想、理论和方法融合于信息系统及数字化装备之中，辅助船舶的设计、生产、管理过程，使船舶产品的设计和生产向着自动化、精细化、柔性化、智能化的方向发展。

目前，船舶制造数字化技术主要体现在如下三个方面，随着先进制造理论和数字化技术的发展，其内涵也将不断扩展。

1）CAX（计算机辅助技术）

CAX是计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）、计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）、计算机辅助制造CAM（Computer Aided Manufacture）和计算机辅助工艺计划CAPP（Computer Aided Process Planning）的统称。

CAD（计算机辅助设计）指在计算机及可视化设备为基础的专业化计算机系统的支持下，帮助设计人员进行设计工作。可以在CAD系统的辅助下完成从合同设计开始的一系列设计工作，建立产品数字模型，进行工程计算和分析，生成和绘制工程图、生成物料清单等。

CAE（计算机辅助工程）是用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。基于产品数字建模的CAE系统是进行结构分析和结构优化的重要工具，是工程和产品结构分析的一种重要手段。

CAM（计算机辅助制造）是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统，其核心是计算机数值控制（简称数控NC）。有狭义和广义两个概念。CAM的狭义概念指的是数控，包括数控机床、数控加工中心、数控生产流水线、数控火焰或等离子切割、激光束加工、自动绘图仪、焊机、机器人等；广义概念还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。

CAPP（计算机辅助工艺规划），通过计算机进行产品加工的工艺路线制定、工序设计、加工方法选择、工时定额计算，包括工装、夹具设计、刀具和切削用量选择等，生成必要的工艺卡和工艺文件等。CAPP是连接产品设计CAD信息和加工制造CAM信息之间工艺信息的桥梁，是生成各种加工制造、管理信息的重要环节。

2）企业业务过程与信息管理

通常包括PDM/PLM/ERP/MES/CIMS等。即产品数据管理PDM（Product Data Management）、产品生命周期管理PLM（Product Lifecycle Management）、企业资源计划ERP（Enterprise Resource Planning）、制造执行系统MES（Manufacturing Execution System）、计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）等。它们通过信息技术与现代生产管理理念的融合，使人、资源、技术、管理等要素有机地结合起来，从而实现设计及生产过程管理的精细化和企业资源利用的优化。

（1）PDM（产品数据管理）是管理与产品相关信息及管理产品开发过程的技术。产品相关的信息包括产品模型数据、零部件信息、产品结构、计算分析数据、CAD图纸、产品相关文档、产品配置信息、BOM信息等；开发过程管理诸如项目计划，产品及零部件审批、变更、版本发布，过程安全等。

PDM系统是产品信息的集成化平台，产品数据管理通过对产品生命周期中各信息系统所涉及的产品信息进行统一的描述与表达，建立完整的、统一的产品信息模型，通过PDM系统可以实现设计与建造阶段产品信息的共享，从而实现不同专业和不同设计生产阶段的工作协同。

借助于PDM系统可以自动跟踪产品的设计过程，管理工程文档资料、监视版本变化、设定工作流程、控制检入/检出权限等；可以进行项目管理、项目计划安排和人员控制等，使设计人员能够高效准确地建立、管理和使用产品相关数据，相互默契地协同工作。更重要的是PDM作为信息管理的核心，建立CAD/CAM/CAE/CAPP/ERP等系统间的公共信息模型，提供信息交换的平台。

（2）PLM（产品全生命周期管理）是一种信息化理念，即支持产品整个生命周期的信息化解决方案。按照CIMDATA的定义，PLM是一种应用于企业内部，以及在产品研发领域具有协作关系的企业之间的，支持产品全生命周期的产品信息创建、管理、分发和应用的一系列应用解决方案。主要包含三部分内容：即CAX软件（产品创新的工具类软件）、cPDM软件（基于协同的PDM，实现研发部门、企业各相关部门、甚至企业间对产品数据的协同应用）和相关的行业解决方案和应用服务。

PLM所管理的信息从时间上跨越产品的构思、设计、生产、维护、直至产品消亡的整个生命周期，从空间上覆盖整个企业和产品供应链，在技术上整合了CAD、PDM、视算仿真、工作流、协同、企业集成、SCM（供应链管理）、ERP、MRO（维护维修）等，及其他解决方案。

（3）MES（制造执行系统）是面向车间层的生产管理与实时控制的信息系统。MES的概念由美国先进制造研究中心AMR（Advanced Manufacturing Research）于1990年提出。此后，MESA（MES协会）提出了MES功能组件和集成模型，以及协同MES体系结构（c－MES）。MES旨在加强MRP（物料需求计划）的计划执行功能，把MRP计划同车间作业现场控制紧密联系起来，形成闭环的、可快速反应的、精细化的生产控制环境。

MES定位于计划层和现场自动化系统之间的执行层，主要负责车间生产管理和调度执行。也就是说，在通常负责整合企业现有的生产资源的ERP（企业资源计划）系统与在下层的生产现场的自动化系统SFC（Shop Floor Control System）之间，MES负责沟通与反馈生产计划的执行，协调与控制生产的执行过程。通过MES系统可以在统一平台上集成诸如生产调度、产品跟踪、质量控制、设备故障分析、网络报表等管理功能，实现生产现场的自动化控制，同时为生产部门、质检部门、工艺部门、物流部门等提供车间管理信息服务。

MES的主要功能包括：优化排产、生产调度、数据采集、生产过程监控、质量监控、物料跟踪、异常处理、设备状态监控、生产人员管理、生产查询、生产成本统计、工厂效能分析等。

（4）MRP/MRPⅡ/ERP（物料需求计划/制造资源计划/企业资源计划）。从MRP、MRPⅡ到ERP是制造业生产管理信息化逐步发展的过程。

物料需求计划MRP（Material Requirements Planning）是以产品结构关系（物料清单，BOM）和工艺过程为依据，按产品交货期和各个零部件的加工提前期逐层计算每个零部件所需的数量和时间，并且根据物料的有效库存量，确定每种物料的生产计划。它是以保证生产进度和降低库存量为目标，统一规划物料的采购和制造的一种方法体系。

制造资源计划MRPⅡ（Manufacturing Resource Planning）是以物料需求计划MRP为核心，覆盖企业生产活动所有领域、有效利用企业制造资源的生产管理思想和方法。MRP主要用于物料需求和库存控制，没有考虑企业资源的生产能力。而MRPⅡ则不仅考虑到制造资源的能力及生产实绩的反馈，形成了闭环的MRP，从而可以及时调整生产计划，同时还综合了企业的财务、成本等业务活动，在周密的计划下有效地利用各种制造资源，控制资金占用，缩短生产周期，降低成本，实现企业的整体优化。

企业资源计划ERP（Enterprise Resource Planning）是对MRPⅡ的超越，它的概念最初是由美国著名的计算机技术咨询和评估集团Garter Group Inc.提出的，包括一整套企业管理系统的体系。ERP虽无统一的标准定义，各个组织或商业机构有其各自的解释。但从本质上看，ERP仍然是以MRPⅡ为核心，但在功能和技术上超越了传统的MRPⅡ。MRPⅡ是以生产管理的计划与控制为主线，规划了企业生产运作的理想境界。ERP则是在MRPⅡ的基础上扩展了管理范围，把企业的内部和外部资源有机地整合在一起，体现了对应市场需求、全面优化利用企业资源要素、进行适时制造的供应链管理思想。它是以顾客驱动的、基于时间的、面向整个供应链管理的企业资源计划。在ERP系统中，通常贯穿了JIT、精益生产、并行工程、APS（高级计划排程）等管理思想和管理技术，体现了事先计划、事中控制、事后分析的管理方法。

（5）CIMS（计算机集成制造系统）。计算机集成制造系统CIMS（Computer Integrated Manufacturing Systems）是按照CIM的哲理和技术构成的软硬件系统，是CIM思想的具体实现。我国“863计划”CIMS主题专家组提出：“CIMS是未来工厂自动化的一种模式，它把以往企业内相互分离的技术（如CAD、CAM、FMC、MRPⅡ等）和人员，通过计算机有机地综合起来，使企业内部各种活动高速度、有节奏、灵活和相互协调地进行，以提高企业对多变竞争环境的适应能力，使企业经济效益持续稳步地增长。”

计算机集成制造系统就是将技术上的各个单项信息处理系统（如CAD、CAM、CAPP等）和制造企业管理信息系统（如MRPⅡ等）集成在一起，将产品生命周期中所有的有关功能，包括设计、制造、管理、市场等的信息处理予以集成。通过建立统一的全局产品数据模型和数据管理及共享的机制，保证正确的信息在正确的时刻以正确的方式传到所需的地方。

CIMS的关键是集成。即通过计算机网络技术、数据库技术等软硬件技术，把企业生产过程中经营决策、产品设计、生产管理、制造控制、售后服务等环节联系在一起，构成了一个能适应市场需求变化和生产环境变化的大系统。CIMS不仅把技术系统和经营生产系统集成在一起，而且把人（人的思想、理念及智能）也集成在一起，使整个企业的工作流程、物流和信息流都保持通畅和相互有机联系。

3）数字化装备

硬软件相结合的数字化装备，如NC/FMS/Robot等。即数控设备NC（Numerical Control）、柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing Systems）、机器人（Robot）等通过数字控制形成的生产自动化装备。这些设备通过离散的数字信息控制设备或传动装置的运行，实现生产加工的自动化。