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方书甲:智能化造船是船舶行业产能建设的高端目标

2021-07-30 20:22:11
来源:中国船舶报 编辑: 国际船舶网 我有话要说

以“智能化制造技术”为核心的第四次产业革命进程中,船舶制造业和相关配套业如何应用新技术、新成果带动行业高质量、高速度发展,使船舶产品技术附加值和海洋平台功能有跨越式提升?

如何利用海洋科技新进展、海洋开发新需求、世界经济新格局,拓宽服务面,加大船舶行业供给侧结构性改革,开发智能化船舶、智能化系统配套,以及为海洋经济服务的各种海上平台?

如何根据船舶企业的产能潜力和“超大规模”制造的特点,广泛应用智能光机电测量、计量、传感、探查、数据处理、宽带通信、数字机器人、自动化生产线,以及契入生产一线的管理和物流数据网络等,逐步推进“接地气”的智能化造船,实现高水平的产能建设?

当下,我国已是世界造船大国,我们船舶制造的产能是最大的,能独立开发制造一些新型船舶,能联合开发制造部分高端船舶。这是我国造船业的骄傲,但需要追赶和“补课”的项目还很多,科技引领的体制和机制在我国船舶行业尚不健全、不稳定,这是我国船舶行业短时间内不能做强的短板。

把现在的造船基地建设成为“智能化车间”“智能化工厂”,减员增效,是“智能化制造”的一个方面。“智能化制造”不仅包括生产流程、节能环保、减员增效等生产前台环节,还应包括市场拓展、新技术研究、新产品设计、资金物流管理等后台综合环节,而且是不可或缺的重要环节,“智能化制造”是第四次产业革命的核心,而科技引领和创新拓展又是“智能化制造”的核心。

基本现状

什么是“智能化船舶”?我们可以这样定义:在海陆空天潜信息网络和船载、天基、岸基海洋监测系统及大数据支撑的基础上,适时获得船舶自身传感、海洋环境、航线航道、广域物流、相关港口等方面的可靠信息,适应和满足船东、货主、物流主管、港口调度的需求和要求;基于计算机网络、自动控制、数据处理、智能化等现代科学技术,设计并建造出智能船体、智能机舱,以及绿色环保、智能客货管理、能效智能控制、在全球江河湖海实现智能安全航行的高效运营船舶及相关海洋作业智慧型平台。这也是船舶企业供给侧结构性改革的重中之重。

“智能化造船”则是船舶行业“产能建设”的高端目标。综合人、机、电、智,全面提高造船业的效率效益和制造水平,才能称得上是“智能化造船”,具体表现在5个方面:根据世界经济结构发展需求,用现代计算机网络和船舶及配套设备专用系统技术,引领和协同智能化船舶设计;用“数据流、物流、资金流”三流合一和合理的造船流程模式,规范管理船舶制造全过程;用现代传感和人工智能技术及先进工艺流程实现高质量的加工制造,减少对劳动力和大投资的依赖;使用绿色材料和设备,采用环保工艺和流程,提高显性功能和隐性性能,保证产品的环保、质量、性价比都能与智能化船舶相匹配;用现代科学计量手段和试验方法,验证新型船舶高科技性能,科学评价新交付船舶。

当前,对于我国船舶行业而言,信息电子技术与现代造船模式融合发展是主要趋势,信息化数字技术在船舶科研、设计、生产计划协同与管理、模块结构成形前的部分工序的生产线、物资采购与物流管理、成本计算及财务管理中,均有普遍的应用,但智能化造船规范发展没有标准样板,也缺少技术标准和规范。由于造船企业利润积累和可支配资金有限,目前的企业效益难以支撑智能化造船的全面建设。

不过,国内多数船舶企业和主要配套企业的材料检验计量、放样下料、托盘形成及编码、小组立、中组立、小模块、弯管切割及成形、动力、电力、相关配套设备测试调试等车间内加工工序,基本已进入网络与信息支撑下的生产自动流水线,达到了自动化。少数企业还在车间内提高了网络数据支撑能力,在现场加装了光电测量、环境传感、大型PLC控制加工设备、激光导引运输车、数据实时处理器、机械手、机器人及相关运行管理软件,实现了网络服务流程、态势转换数据、数据引导物流、物流汇聚集成。换言之,这些企业在某些加工车间已实现初步智能化。

总而言之,也就是大多数船舶骨干企业处于设计出图信息化、下料作业自动化;小组立、中组立制造过程基本建立自动生产线;大组立、模块、分段合拢,实现网络计划引导下的人工吊装、焊接、铆接;生产物流主要依靠托盘编码、标准件编码;成本管理基本实现了有一定延时的数字化。

同时,板材、管系、半成品件加工的自动化程度提高;船舶配套设备的信息化设计和制造流程自动化基本实现,配套企业智能化推广面比总装厂宽;船舶总装厂与船舶配套厂协调配合得到加强。

但是,我国船舶行业智能化制造还面临一系列潜在挑战。一是智能化船舶规范标准缺乏,但在船级社、船东、船舶企业共同参与下,该工作正有序推进;智能化造船规范暂没有成功的样板,只在少数流程中得到应用;船舶总装现场的自动测量、计量、感知、应力变形及误差控制等核心技术还未突破,船体材料冷热加工后变形、应力离散性大,余量和误差难于数字化,造成大件成形或合拢花费工时较多,离精细化造船的要求还有很大差距。

二是船舶企业的条码数据库工作质量参差不齐。船舶工程中的物资流、托盘分类编码和物流条码识别,是智能化造船的重要环节和基础,建议行业主管部门组织、支持、联合力量,通过工程试点,逐步建立起行业标准,为智能化、数字化造船奠定一项重要基础。

三是船舶分段、总段、总装合拢、大型设备安装调试绝大多数是在露天作业,灰尘、雨水、阳光、焊光、高温高热、作业噪声、电气噪声对智能感知设备均造成背景干扰;智能化制造需要的传感、观测、计量、控制、设备互联等现场数据传输与获取 ,精度得不到保障;大规模制造件,材料种类多、品种型号多、冷热加工混合,误差余量离散性大;加上船台船坞的空间局限,智能化制造系统设备在现场安装、安全、工作状态、工作可靠性还得不到保障。

长期任务

智能化造船是行业高端产能建设的长期任务,必须结合市场需求调整产品结构,吸收先进技术,有的放矢地“补课”和追赶。智能化造船涵盖内容很多,我国要保持造船能力的强大,保持造船业持续发展,应抓住国家实施“海洋强国”战略、“一带一路”倡议的契机,重点抓好多方面工作,包括拓展服务面向,调整产品结构,争做海洋经济的主力军;紧跟市场需求,紧随科技引领,加速智能化船舶开发;积极参与海洋建设,提高海洋工程平台研制水平;新工艺流程设计研究;分段前加工工序智能化建设;涉海特种材料研究和生产;适配现有坞台的施工设计,提高现有产能贡献率;材料与工时的精细管理;生产工序流程的计划衔接;过程余量控制和半成品件应力消除及控制积累;分段舾装完整率;占坞占码头时间控制;配套设备本土化供应率;钢材管件预置率;提升废料废气废水的处理、排放、利用效率,加大油气电混合动力和自然能源的综合应用;吸收海洋科技进步成果,加快船舶智能系统设计和船载智能设备国产化;智能化船舶功能、性能的计量检测与试验验证;智能化船舶海上交付条件保障建设及功能验收流程研究等。

同时,智能化造船与智能化船舶都必须依靠科技创新和新技术新成果应用,需要借力和联合。

首先,企业信息化建设一定要根据本企业的规模、船舶产品特点、船坞船台现状、船舶设计与建造流程、技术基础与水平,依靠熟悉现代造船模式、了解本企业建造和管理流程、熟悉计算机网络及相应系统软件的技术团队联合进行企业信息化建设和智能化推进。

针对造船、造机、配套企业及船舶科研、设计服务业的信息化服务产品很多,在船舶行业应用的信息化网络、系统、软件也很多,但归类起来分3个方面:数字化设计,包括计算机辅助设计(CAD)、计算机工程仿真(CAE)、并行和异地协同产品设计(CPD)、多学科设计优化(MDO)、集成技术开发设计(PDM)、船舶工程专用设计软件(CADDS5、TRIBON)等;智能化制造,包括计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助工艺规程设计(CAPP)、计算机集成制造系统(CIMS)、大型PLC控制生产(PCP)、机械手、机器人、自动生产线、传感识别与蓝牙激光技术应用、通讯计算机辅助测试及远程故障诊断(CAT)等;信息化管理,其包括企业资源计划系统(ERP)、产品生命周期管理(PLM)、供应链管理(SCM)、客户关系管理(CRM)、设计与生产数控管理系统(NCS)、企业知识产权库管理系统(KBS)、相关物流网等。这些信息产品有不同的品牌,产生于不同的公司,对支撑的硬件和网络有较大的差异。

而了解本企业生产工艺流程和产品管理的人员必须参加到工厂智能化建设当中去,企业万万不能只管出钱,委托一家或多家信息技术公司开展智能化建设,结果只会是生产流程碰撞,数据流不起来、物资跟不上去、现场缺动态感知、智能决策适配现场不强,效率不高,用之不利,弃之可惜。网络服务于现场、数据伴随着物流、现场感知识别服务于生产流程,这是智能化造船的重要特征。

其次,智能化建设需要与企业船舶建造水平相匹配,企业生产流程的合理性和优化程度是效率的保证。智能化造船需要对材料、配套、部件、管系、模块、分段等做系统的重组、统一物流代码、标准化建库、智能吊装及运输设备进入网络链接、自动条码识别、工序衔接检查、误差自动测量等,建造全过程进入智能生产线。

但是,我国大多数造船企业的新船模块、分段、总段、全船合拢都是在露天场地完成,由于晴阴雨雪天气原因,温湿度变化大、光照度变化大、雨雪冰水灰尘沙粒影响大,有的智能化设备不能被安装,有的不能工作,有的不能保证精度,这种场合下,不应求全造船全过程智能化,可适当改善或配备机械化吊机、操作机械手、手持式PLC控制的智能工具、舱室内手持式光电测量设备、适当安排信息化终端等,支持现场工作,合理提高效率。

再次,大型船舶和海洋工程属于极端制造产品。单件形体大、产品重、金额大;涉及的技术专业、材料种类、配套设备、制造工艺、半成品件、建造方式很多;从产品接单到交付周期长;同型号产品批量小;用工量大;建造装备、工装种类多、作业面广。这些使得船舶产品全寿命期管理、设计与建造的过程管理、产品形成过程的物流管理、建造中的人员与工序管理都呈现出非常繁杂的态势。针对造船业的特点,根据不同造船水平的实际需求,转换或建立不同的造船“模式”,理清船舶建造的合理流程,配置合理的信息化装备和软件,才能使得智能化建设发挥事半功倍的效果。

最后,敏捷造船是造船技术水平的最高阶段,其重要标志是数字化、智能化。在船舶建造阶段,解决自制件的余量分配与控制测量是实现智能化造船的关键。由于自制件在冷、热加工过程中会产生一定公差,特别是热加工产生的应力和变形,使得余量控制存在较大难度,因而,余量分配与控制必须与加工工艺流程相结合,测量感知、数据获取与生产流程相结合,利用数据流的透明性、实时性,在大组件或总段形成之前消除应力、消化误差、均衡余量,达到物流与数据流的吻合。只有这样,才能使船舶总装顺利进行,才能保证缩短造船船台周期和系泊试验周期,提高造船业的生产效率。

智能化造船的效果是通过制造效率来体现的,制造效率是通过精益造船来保障,精益造船通过优化管理和精益物流供应链做支撑,精益物流是通过设计数据、成本预算数据、计划管理数据做引导,数据流动规则是以现代造船流程及本企业造船工艺流程为准则。船舶制造企业信息网络是数据传输、信息采集、指令分发、多种现场信息感知终端链接、多种信息库共享的平台,集中发挥数字化造船的智能作用。

并重看待

在近40年的发展进程中,我国船舶设备配套落后于平台总装,船舶配套设备国产化率仍在65%左右徘徊,技术附加值较高的设备、技术附加值高的平台(船型)配套设备,对国外技术依存度更大。随着欧美“工业智能化”的影响,设备配套可能面临更严重的挑战。我国造船界和从事智能化造船的技术人员,应积极应对这一挑战,加快“数字化”与“机械自动化”的深入结合,加快可见效果的智能化建设,扩大板材、管系、半成品件加工的智能化程度,加速船舶配套设备的数字化设计和制造流程的改造,船舶总装厂与船舶配套厂协调配合,加快“智能化造船”的前进步伐,早日实现我国造船由大到强的战略转型。我们应积极应用智能化技术,既要用于智能化造船,更要用于智能化船舶,集成创新、功能拓展。

行业要将智能化造船和智能化船舶并重看待。智能化技术提升造船产能,产能提升的目的不仅是提高传统船舶建造的质量和效率,更重要的是适应建造高附加值的新型船舶和海洋工程平台的需要。随着海洋世纪的发展,船舶行业远不能只局限于面向海洋运输业,海洋发展的业态需要造船业做“桥梁”,海洋经济、维权、科考活动都需要造船业建造平台。我国海洋造船业在海洋经济总量中仅占6%,只有扩大服务面向,加大船舶产业战略策划,才能开发研制和设计建造出更多更新的海洋智能平台,为人类开发利用海洋全面服务。

智能化船舶必须有智能系统组成,包含6大智能化功能:智能航行,规划航线;智能船体,增稳减阻;智能机舱,环境感知数字化、运行维护无人化;能效智能管理,多种能源合理利用,保证节能减排高指标;货物智能管理,多参数数字传感,智能保障货船安全;现代港口装卸智能对接,信息物流透明、集散畅通快捷。

同时,智能化船舶必须有7大现代信息电子技术支撑,包含信息感知技术;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维护技术;遇险预警救助技术;自主航行技术。智能化船舶首先应提升“节能减排”能力,节能减排手段包括动力主机控制逐步向智能化方向发展;机舱控制、货仓监控实现智能化;推进轴上剩余功率利用向电气化发展;逐步发展船载自然能源作综合能源;传统油气能源利用充分,科学处理排放,提高船舶能效设计指数(EEDI)。

研究动力主机转速、船舶航行速度与所在海域的风、浪、流、波、潮汐速度、方向、冲击力大小等相关参数、相互影响,与船舶耗能是紧密相关的,利用智慧海洋的技术成果,使它们达到最佳耦合,使船舶航行既安全又节能,需要多种传感器数据和特种功能计算机来完成。这是智能化船舶的重要体现。中国船舶集团有限公司旗下中船黄埔文冲船舶有限公司建造的散货船“大智”号被评为2017年我国“智能化十大进展项目”,其亮点就是“智能化节能减排”。其节能排放指标获得用户、多家船级社及行业专家的一致好评;中国船舶集团旗下大连船舶重工集团有限公司开发建造的30.8万吨超大型油船(VLCC)“凯征”号,实现了智能航行、智能液货管理、综合能效管理、设备运行维护、船岸一体通信5大智能系统,是我国智能船舶1.0研发专项的示范船。

此外,智能化船舶还必须具备全航程物流透明。远洋船舶运输是最经济、最主要的货运形式,占全球运输量70%以上,为节能减排均采用经济航速运行,货物从出发港装载到目的港卸载,在船上停留时间几天到几十天。为尽可能地提高物流流通率,要求船舶不论散货、液货、气货、箱货,确保存放安全、确保货物质量、降低运输损耗;装货编码建库、卸货快速识别、分运快速疏散。现代远洋航运船舶必须加入全球物流网,供货方、需货方、承运方、发货港口、到货港口、中转港口都可在物流网上查询货物状态,以便作接力运货安排、港口泊位安排、到岸资金计划、用货计划等等。这些环节都需要船舶智能化、港口智能化、海上船舶、陆地机构、港口装卸、接力运输都进入网络化,使得全球航运物流透明,达到全球航运高效运行。

我国海洋运输业占据海洋第一大产业位置40余年,造船业走向国际市场时,面临海洋运输业的强劲需求,重点开发了远洋运输船舶,三大主力船型为我国成为世界第一造船大国立下了不可磨灭的功劳。但是,我国渔船特别是远洋渔船,旧而不换,多而不大,外国二手船、三手船我们接着用,与国际先进远洋渔船相比,落后30年。我国缺乏高品位围网渔船、具有现代鱼产品加工生产线的大型远洋渔船、鱼群探测雷达和声呐、快速保鲜冷冻设施、水下远距离诱鱼光、声源设施;由于保鲜冷冻和鲜货加工条件的影响,我渔民捕获远海的鱼类价格低人几折,难以进入高端市场,影响我国渔业快速发展。

我国是浅水近海的网箱养殖大国,由于以人工饲料喂养为主、网箱阻隔部分海流、网箱水质不佳,海鱼特征下降,市场不受青睐,价格比野生海鱼低得多。近些年,北欧国家率先进入深海高值化养殖,网箱大,引流入网,水质好,风浪流场伴随鱼类生长,以海洋微生物为主作鱼类饲料,用生物物理科学养殖,海鱼特征明显,质量好,价格高。在海洋生态科学指导下,世界临海国家,均在策划建设“海洋牧场”,培养、养殖人类生存需要的鱼类和有关海洋生物产品,将成为海洋一大新型产业。

我国造船业服务于海洋油气开发,从钢结构平台建造开始,从导管架平台、自升式平台、半潜式平台、浮式生产储卸装置(FPSO)及海洋油气相关的工程船,是我们造船业骨干企业努力开发的成果。但是,这些平台完成的任务是钢铁架构、管系缆系铺设为主,其动力、电力、钻井、测井、封井、动力定位、安全保障、综合控制等系统,几乎是成系统引进,在平台工程建设中,投入工时约占70%,工程价值仅占30%。这是需要引起业内足够重视的方面,也是需要在智能化奋起阶段重点策划的领域。

在国家海洋科技示范城市建设立项和检查工作中,较多船界企业正在开发海洋工程的配套设备、专项设备、水下设施,智能控制技术用的很广泛,配套系统和设备智能化技术含量更大,水下勘探和开采对智能化技术依赖更强,我国造船业必须紧跟我国目前最富裕的上游产业同步发展。

2018年我国海洋产业已占国内生产总值9.8%,达到8.3万亿元;海洋旅游业是海洋第一大产业,约占35%,超过了海洋运输业和海洋渔业。海洋旅游业的发展离不开造船业,需要普通客船、滚装船、客滚船、豪华邮轮、快速交通艇、休闲快艇、帆船、观光潜艇、无人驾驶游艇等;围绕滨海旅游业的海岛建设,海洋浮式机场、风能太阳能利用工程、波浪能发电兼作浮式防波堤建设、滨海生态工程、海岛港口建设及相应的安防建设,给造船业、涉海配套业提供了广阔的开发空间,是船舶业做大做强的难得机遇,我国造船业应紧跟“一带一路”倡议和“海洋强国”战略发展,以我国涉海技术专业优势和能力,一定会成为市场广大、经济持续性强、技术附加值高的科技产业。

作者系中国造船工程学会

 

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