船舶制造数字化关键技术

6.8.2　船舶制造数字化关键技术

为了有效解决上述问题，首先需要解决的是：信息的共享问题、信息的交换问题、信息的安全问题、信息的完备性问题、信息的标准化问题等。要解决这些问题可以分为两个层面来看：一个层面是计算机系统本身的基础层面的问题，如网络问题、通信问题、数据库管理问题、系统体系结构问题等，随着IT技术的发展，这些基础技术已经较为成熟；另一个层面是在一些IT技术应用过程中，对不同的应用要求和不同的行业要求所产生的问题，需要根据行业的特点和要求进行应用层面的研究。对于船舶制造数字化来说，需要解决的一些关键技术是：信息建模和船舶制造数据库（如船舶产品数据库、造船资源数据库等）、信息集成与集成平台、信息标准化等。

6.8.2.1　船舶产品信息模型与船舶产品数据库

为了实现造船总装化，需要实行各相关企业间和不同专业间工作的并行和协同。为此，需要基于统一产品信息模型的船舶产品数据库，支持对产品信息的访问，保证信息的一致性、完整性、即时性。

产品数据库存放并管理与产品相关的数据信息，这里所指的产品不仅是最终产品，也包括中间产品、部件、零件等。产品信息包含从产品的构思开始直至产品的消亡的产品全生命周期中的各种信息。这些信息是在产品研发、设计、制造、运行、维护、退役过程中逐步形成的。同时，这些信息在各阶段的信息形成过程中相互影响，并支持各阶段工作过程的执行，这些信息全方位地表达了数字化的产品及其形成过程。因此，产品信息包含了企业的大量核心技术，是企业重要的基础信息。产品数据库存放并管理与产品相关的信息，为产品信息的访问提供服务，通过产品数据库实现产品信息的共享。

产品信息模型是产品数据库设计的基础，产品数据库的数据结构依据产品信息模型的信息框架建立，因此，产品信息模型的构建是十分重要的基础性工作。产品信息模型是对现实世界产品的抽象表示，是用形式化的方法（如规范化的图形表示、专用语言的描述等）对客观产品对象的信息化描述。产品信息模型通过对产品信息对象及其对象属性的描述以及信息对象间关系的构造，形成产品信息的完整框架。产品信息模型的建立需要从信息资源规划和企业应用集成（EAI）的角度、支持整个研发、生产、运行、维护全生命周期的信息一体化的角度去考虑和规划。通过建立统一的信息模型，并建立对应产品生命周期中各种不同应用要求的信息视图，来满足产品形成直至报废的全过程中各个阶段对产品信息的表达和访问的要求。产品信息主要包括：

1）设计信息

（1）几何信息：如外形、开孔、板厚、尺寸、位置等。不同的对象类型其表达方式是不一样的。如平板件和曲面板件的属性/特征表达就有很大的差异，平板件只需外形轮廓、开孔、坡口、板厚等特征表达即可，曲面板件还需要对曲面形状进行表达，如通过样条或其他辅助线对曲面形状进行定义。

（2）物理信息：对于船体零件对象，如材料品种、重量、重心等；对于有些零部件，如舾装件、设备等，还可能包含相应的技术参数。

（3）拓扑关系信息：构件间相互关系的描述，如与其他构件的关系、连接方式等。

（4）管理信息：与产品对象相关的图纸、技术文档、版本信息等。

2）制造信息

（1）物料构成信息：如产品对象的物料构成（BOM），对于不同的用途或从不同的视角有不同的BOM，如设计BOM、加工BOM、装配BOM等。除了物料的构成外，还应包含构成物料的加工提前期（Lead Time），通过BOM、Lead Time、工艺信息、资源能力信息等进行生产计划和资源计划的安排。

（2）成本构成信息：产品对象的成本构成信息，如物料成本信息、加工成本信息、间接费分摊信息等。

（3）加工工艺信息：产品对象的加工工艺信息，采用什么工艺、需要什么资源、有什么约束、要求什么技术条件等信息，如切割工艺、焊接工艺、涂装工艺等。

（4）装配工艺信息：产品对象的装配工艺信息。装配的次序、装配的方法、需要占用的资源、要求的技术条件等信息，如分段装配工艺、吊装/搭载工艺、设备安装工艺等。

6.8.2.2　资源信息模型与船舶制造资源数据库

产品的生产依赖于三大类基本资源：

（1）企业的人力资源，包括企业管理人员、技术人员、生产人员等，及相应的企业内部组织机构。

（2）企业的设备资源，包括企业的生产设备、工装、检测装备、场地、运输工具等，还包括这些生产设备的组合，如生产线、加工中心，工作区、车间、甚至整个工厂。

（3）企业的物料资源，包括制造产品所需的材料、外购的零部件和能源等。

此外，企业的合作伙伴（如外协加工的供应商）、物料供应商、客户等，也可视为企业的资源，可称为外部资源，在企业生产过程中也同样参与企业资源的分配。

为了实现精细化管理，需要对企业的资源（包括物料、设备、场地、劳动力等）及其属性、资源能力以及资源状态进行规范而精确地描述，便于企业资源的分配和调度。在此基础上，才能实现均衡的、有节奏的生产；同时，需要对业务流程、工艺流程进行规范化，并对与生产活动相关的信息，如生产计划、日程安排、物料需求、资源分配等信息进行规范化的信息表达，便于企业内各系统间以及企业间信息的交换。

资源是被用来执行企业活动的，每一类资源除了基本属性的描述外还应包括对资源能力的描述。资源能力是执行企业活动时，资源所具备的能力，通过资源能力可以把产品生产对资源的静态需求，按照规定的生产工艺过程，变成对资源占用的日程安排，从而形成动态的、可优化的资源计划信息。

准确的资源信息是实现精细化管理的基础，通过精细化管理实现企业资源的优化配置和利用，达到提高生产效率、缩短建造周期、降低生产成本、提高产品质量的目的。因此，造船资源数据库对提升造船生产能力具有重要的意义。

资源数据库存放企业资源的基本信息以及与业务过程或生产过程相关的资源动态信息。资源是企业生产得以进行的基础，资源数据库记录了企业业务活动和生产活动过程中资源的静态和动态信息，因此，产品的生产可以说是通过生产活动将企业资源转换为产品的过程。

资源数据库应包含上述基本资源的资源定义信息、资源能力信息，以及伴随企业活动而生成的资源动态信息。通常包含如下信息：

企业资源的基本信息（如：人力资源、物料资源、设备及场地资源，外部资源等）；

企业资源的能力信息（如：人员技能、设备能力、物料供应能力等）；

资源计划信息（如：由生产计划生成的物料需求计划、设备/场地/人员日程计划等）；

物流信息（如：采购信息、库存信息、配送信息、入出库信息等）；

生产信息（如：工艺信息、托盘信息、生产指令信息、生产实绩信息等）。

资源信息模型是建立企业资源数据库的基础，资源信息模型的建立对企业的信息化来说是一项重要的工作。通过信息模型的建立，可以理清企业信息的内容和结构，理顺信息对象间的相互关系，使信息系统间通过公共的信息模型实现产品信息、资源信息和业务过程信息的共享和交换。准确完整的资源信息的表达、合理的生产活动信息的构造、真实可靠的生产实际数据的采集等等，是实现精细化管理的重要基础性工作。

6.8.2.3　船舶制造数字化集成平台

1）信息集成与信息交互

船舶的设计建造过程是一个复杂的动态系统。包含着一系列相互关联的业务过程，这些业务过程所处理的信息之间存在着复杂的传递、包含、生成、约束等关系。从业务流程的纵向来看，上道业务生成的信息往往是下道业务所依据的信息，下道业务产生的信息又往往需要反馈到上道业务中；从横向来看，不同业务过程之间还存在着复杂的横向信息联系。在这样一个多系统的、异构平台的、具有复杂关联的动态环境中，为了能支持业务过程顺利进行，需要做到：

（1）保持信息流的通畅性。伴随着业务流程的进行，信息也随之生成并从一个业务过程流向另一个业务过程，各业务过程中可能应用了不同的信息系统，这就要求信息能够顺畅地从一个信息系统流向另一个信息系统。

（2）保证信息的一致性。同一个信息对象可能存在于不同的信息系统中，并可能以不同的形式表现出来。为了保证信息处理的正确性，必须保持同一信息对象在不同系统中的一致性，信息对象一旦发生变更，应该实时地反映到相关的系统中。

（3）提供异构平台的互操作性。由于不同的软件系统可能基于不同的开发平台开发，如采用不同的数据库管理系统、不同的操作系统、不同的开发语言等。这些系统需要在同一个应用环境下执行，且需要相互交换信息，甚至需要相互调用过程。这就要求提供异构平台下的互操作能力。

（4）提高应用与开发的便捷性。正如6.8.1节中所述，信息用户往往需要综合了解由不同系统生成或处理的信息，而不希望分别进入不同的系统执行操作。因为不便于直观地进行相关信息的分析对比，且操作麻烦。希望有一个统一的信息入口去访问不同的信息系统。系统开发人员也希望有提供业务处理的过程、中间件和服务信息可供调用，以简化开发过程，提高程序的可重用度。

2）信息集成方式

（1）点对点的数据接口。通过建立两个系统间的数据接口，对数据进行提取、转换、传输和加载操作来实现两个相关系统间的数据传递，这种方式处理比较简单，只涉及两个特定的系统，只完成两个指定系统间的数据交换。在企业信息化的初期系统数量较少的情况下是有效的，但随着企业信息系统数量的增加，随着造船设计生产方式的改变，并行设计、模块化生产、总装化造船等更要求进行企业间的信息交换。随着系统数量的增加，接口数量和维护的复杂度成倍增加。因此，数据接口方式已难以适应造船信息化发展的要求。

（2）基于标准的数据交换。为了减少接口数量、降低接口维护的复杂度，国际标准化组织提出了若干信息交换标准。系统间的信息交换按照交换标准进行转换。各个系统只要建立与交换标准相对应的接口即可进行系统间的信息交换。如：基于STEP（ISO 10303）的产品信息模型和产品信息交换标准，可按照STEP标准进行产品信息的交换。为了适应不同的应用领域，该标准还针对船舶产品制订了一系列的应用协议。以适应行业的特定要求。这种方式由于只需建立系统与标准间的接口，不必顾及与其他系统的关系，系统的自身的变动只影响到自身与标准间的接口，相对于点对点的接口方式，接口数量减少，更易于系统维护。

（3）集成平台。随着信息化应用需求的逐步提高和信息技术的深入发展，不仅需要信息的集成，还提出了功能集成和应用集成的需求。要求集成平台不仅可以将设计、制造、管理各阶段、各部门的信息集成起来，形成一个整体的企业信息化系统，而且要建立一个面向服务的、松散耦合的IT基础架构，满足业务需求的变化，快速实现新老系统的整合，减少信息系统集成成本，真正实现造船企业内和企业间信息集成和应用集成。

在信息集成平台上可以提供多种集成方式，包括基于标准的信息接口、系统的API调用、中间件，以及面向服务的集成架构。信息集成平台还可以提供应用编程接口和应用集成接口；提供透明的信息访问服务，使用户以一种统一的方式实现对数据的访问；信息集成平台也提供相应的应用开发工具，以简化用户应用程序的开发工作。信息集成平台可以使现有的信息系统和今后扩展的信息系统以一种统一的集成方式方便地集成起来。因此，建立集成平台是实现造船信息系统集成的一种有效方法。

3）信息集成平台的功能与架构

随着造船模式的转变，专业化配套、总装化造船、集中化采购等新的生产运营模式的实施，不仅需要实现企业内部信息资源的集成，还迫切需要在企业集团内上下部门间和企业间实现跨平台、跨系统、跨地域的信息整合和应用整合，其功能和架构是：

（1）信息集成平台功能。信息集成平台提供了信息集成和应用集成的一个软件框架环境。通常可以采用SOA（面向服务的架构）并通过ESB（企业服务总线）满足集成要求。基于这样一个平台框架，现有的或今后开发的信息系统能够方便地整合在一起，形成一个有机的整体。通过集成平台可以有效地实现：

—跨地域、跨平台信息的访问

随着经济全球化，造船业产业链跨地域的特征明显。信息的集成和共享必须支持跨地域的远程访问。由于各应用系统的基础平台不一致，导致信息交换困难，集成平台采用开放的软件架构，通过Web服务技术可以支持异构平台（不同的操作系统、不同数据库）系统间的信息访问。

—信息的集成和信息交换

对企业信息建模，建立企业的产品信息模型、资源信息模型和生产管理过程信息模型，并基于统一的信息模型建立信息的映射，在平台内建立统一信息模型与各应用系统的信息视图间的信息变换，实现对平台下各信息系统中的信息的访问。对于系统间需要传递的关键数据提供基于标准的信息转换。

—系统应用的整合

通过服务（Services）的交互和协作可以集成企业内的IT资源，将不同的应用系统整合在一起，并最大限度地重用现有系统功能和数据资源。通过集成平台提供的信息门户，不同应用系统间相关的信息可以整合在同一个用户界面上呈现出来，以满足对信息综合访问的要求。

—系统开发的便捷

在采用SOA技术的平台框架下，可以实现功能和过程的模块化、构件化，从而实现系统开发和系统变更的便捷性，可以方便地柔性应对企业业务过程的变更。

（2）信息集成系统架构。造船企业信息系统总体架构如图6.8－1所示。在造船信息集成系统框架下集成平台提供系统集成的内部软件环境，企业门户提供外部的信息访问界面。

造船企业信息集成系统的整体架构包含六个层次：

—基础系统层：提供网络与操作系统的基本运行环境；

—数据库管理层：提供对基本数据的操作、管理与控制，执行对产品数据库、企业资源数据库、企业知识库的访问和管理；

—集成平台层：提供信息集成和应用集成的基础架构和集成环境；提供编程接口、应用接口和信息对象访问工具；

—应用平台层：提供信息交换接口、对应用系统的信息交换管理和应用开发环境支持；

图6.8－1　造船企业信息集成框架图

—应用系统层：包含对应不同应用需求的各种应用系统。如CAX、PDM、ERP、MES、OA等；

—企业门户层：为不同的应用系统环境以信息门户的方式提供统一的信息访问接口。

4）企业信息门户

信息访问门户（Portal）是信息集成平台提供给终端用户的信息出入口，通过门户技术可以获取不同应用系统生成的数据，将不同应用系统中的相关信息组合在一起集中呈现给用户，而不必分别进入各个应用系统，可以由门户方便快捷地调用平台提供的后台应用，获取各应用系统生成的信息或执行操作。门户技术是实现企业信息的整合和应用集成的有效途径。

通过信息门户可以方便地访问企业产品数据库、资源数据库、企业知识库的信息。还可以实现企业业务流程的集成，把业务流程中功能不同的模块形成后台“服务（Services）”，通过门户技术集成在一起。从某种意义上说，可以把企业应用门户看成是企业信息系统的集成界面，用户可以通过企业信息门户访问相应的应用系统。

通过门户可以对结构化与非结构化数据进行收集、访问、管理，实现信息的交换和无缝集成。所谓结构化数据通常是以一定的数据结构存放在数据库中的数据，而非结构化数据则通常包括企业的各种文档、图纸、图像或多媒体资料等。信息门户可以为散布在企业内孤立的、互不兼容的数据提供统一的WEB访问入口点，对结构化数据提供数据库的访问、对非结构化数据提供信息的分类检索服务。

用户通过信息门户访问不同应用系统的信息时，可通过单点登陆的方式访问不同系统中的信息，即只需要通过对门户用户的身份认证，就可以对所有被授权的信息资源进行访问，而不必顾及各个应用系统的安全认证方式。信息门户将建立统一的权限控制及与各应用系统间的安全映射机制，这对于需要掌握综合信息的部门和人员提供了很大的方便。