数字孪生赋能船舶建造智能化升级

近日，又有4家公司加入了由全球领先的船舶设计、运营海事软件和数据服务提供商NAPA牵头的跨行业协作的数字孪生项目。该项目旨在建立一个造船厂和数字孪生赋能船舶建造智能化升级船东之间的安全数据共享框架，以推动数字孪生在船舶整个生命周期中的使用，为提高运营效率和安全性做出贡献。

数字孪生技术是船舶智能化发展的关键技术之一，可通过高精度虚拟模型实时映射物理船舶的全生命周期。在船舶建造和生产阶段，该技术可实现船体模型的虚拟构建与优化，模拟施工流程，提前发现潜在问题。此外，还可通过创建设备的数字孪生模型，实时监控设备运行状态，预测故障，优化生产流程，提高生产效率和质量，助力船厂的智能化升级。

建造过程动态映射及优化

通过数字孪生技术构建高精度的虚拟三维模型，将设计、工艺、生产等多环节数据深度集成，实现建造过程的实时动态映射与可视化管理。在此基础上，借助先进的数据分析和仿真优化算法，对生产流程、资源分配、设备运行等关键要素进行精准优化，从而显著提升建造效率、降低成本、提高质量，为船舶制造业的智能化转型提供强大支撑。

首先，利用数字孪生技术可以构建船厂的虚拟三维模型，真实还原船厂的设施、设备、建筑和空间布局。通过高精度的三维建模，船厂可以直观地展示船厂的整体布局和各个区域的功能划分。例如在达索系统公司的数字孪生技术的支持下，智能船厂基于模型的方法为项目各阶段的资源和运营管理提供了一致的综合视图。它还为整个船厂生态系统(如工程、生产、供应商和船级社)提供反馈。将整个造船厂的生产流程整合到制造运营管理解决方案中，是提高全球造船厂首制正确率的关键。

第二，在通过数字孪生技术构建的虚拟三维模型基础上，可以对船厂内的运输工具移动路线、建材堆垛布局等进行优化模拟，从而确定最优的设备布局方案。例如，韩国大宇造船海洋(DSME)与Unity合作开发的智能船厂数字孪生平台，通过虚拟三维模型真实还原船厂的车间、船坞、码头等设施，为后续的布局优化提供了基础。

第三，数字孪生技术可以复现船厂内的各种生产流程，如焊接车间、空压站等关键区域的生产流程。通过对这些流程的仿真优化，减少无效工时，提高生产效率。此外，基于孪生数据还可模拟不同生产排程方案，进而优化物料配送路径和工位负载均衡，这将有效缩短等待时间，提升周转率。例如HD现代重工构建了基于数字孪生的智能船厂，实现了从设计到生产的全链条数字化管理。通过数字孪生技术，船厂能够提前验证建造流程的合理性，优化工艺参数，减少设计变更率，缩短建造周期。

第四，利用数字孪生技术构建船舶的三维虚拟模型，并将设计数据与工艺数据集成，实现从设计到建造的无缝对接，通过虚拟仿真，验证建造流程的合理性，优化工艺参数。例如，江南造船厂对船舶建造过程进行虚拟验证和优化。通过虚拟仿真提前对分段吊装、合拢等关键工序进行模拟，优化吊装路径和工艺流程，减少实际建造中的返工和调整时间。这种虚拟验证方式不仅提高了吊装效率，还显著缩短了船舶建造的工期。此外，荷兰达门造船利用数字孪生技术构建船舶的三维虚拟模型，实现设计、生产、运维全流程智能协同。通过该平台，达门造船能够更早地规划制造流程，更好地与供应商合作，按时和在预算内交付船舶。

资源管理与优化

通过数字孪生技术构建虚拟模型，可实时映射船厂内设备、人员、物料等资源状态，进而实现资源的可视化管理。基于数据分析与智能算法，精准调度资源，优化配置，提高利用率，降低成本，显著提升生产效率与建造质量，推动船舶制造业向智能化、高效化发展。

首先，通过数字孪生技术，船厂内的设备、人员、物料等资源状态可实时映射到数字孪生模型中。管理人员可以通过数字孪生平台实时掌握资源的使用情况、位置信息和运行状态。通过数字孪生模型实时监控资源状态，利用智能算法和数据分析，可实现资源的合理调度和优化配置。如此，便可根据生产任务的需求，自动分配设备、人员和物料，减少等待时间和资源浪费。例如，纽波特纽斯船厂通过数字孪生技术实时监控船厂内的设备状态和人员分布，实现了资源分配的优化，提高了生产效率。

其次，通过数字孪生模型，船厂可以实时掌握设备、人员、物料等资源状态，实现资源的合理调度和优化配置，以适应生产需求的变化。例如，当船厂订单增加或生产任务调整时，可以通过数字孪生模型快速调整设备布局，优化生产流程。

第三，通过集成实时传感器数据，可将现场数据实时映射到数字孪生模型中，实现对建造进度的可视化监控，通过对比实际建造数据与原计划模型的差异，可快速识别进度偏差和质量问题，并及时采取纠正措施。例如南通中远海运川崎船舶工程有限公司利用数字孪生技术实时监测吊装设备的运行状态和分段的姿态变化，通过数据分析，优化了吊装过程中的姿态调整策略，减少了因姿态偏差导致的返工。

第四，在虚拟环境中模拟船体装配、管道铺设、电气系统安装等环节，可提前识别潜在的装配冲突和问题，优化装配方案。通过数字孪生模型，可以直观地展示装配过程中的每一个步骤，确保装配的准确性和高效性。例如德国Meyer船厂开创了“虚拟现实观察室”，利用虚拟仿真技术模拟邮轮开发建造的全过程，设计团队在虚拟环境中对邮轮的各个细节进行多次测试和优化，提前发现潜在问题并调整方案。这种创新方式不仅大幅减少了实际建造中的返工和修改，还缩短了建造周期，提高了设计质量和建造效率。

第五，数字孪生技术可以将船厂的生产计划与供应链系统进行深度集成，实现供应链的协同优化。通过数字孪生模型，船厂可以实时了解供应商的供货情况和物流状态，提前调整生产计划，确保生产过程的连续性。例如三星重工通过数字孪生技术连接船舶和船厂，利用人工智能实现业务流程的自动化和标准化，以优化船厂内部资源和供应链的规划和运营，进而实现生产方式和生产执行的智能创新。

质量追溯与安全管控

通过数字孪生技术构建虚拟模型，实时采集生产数据，实现质量问题的精准溯源与快速定位。同时，借助虚拟现实与增强现实技术，开展人员安全培训，模拟复杂场景，提升员工安全意识与应急能力。此外，实时监控生产环境与设备运行状态，确保生产过程符合安全标准，有效降低事故风险，保障生产安全。

首先，质量缺陷溯源。数字孪生技术通过在船舶建造过程中实时采集大量生产数据，并结合虚拟模型进行仿真分析，能够快速定位和追溯质量缺陷的源头。这种技术可以精准识别问题产生的环节，分析缺陷产生的原因，从而为优化工艺参数和改进生产流程提供科学依据。这不仅有助于减少返工和浪费，还能显著提升船舶建造的整体质量和效率，确保每一艘交付的船舶都符合高标准的质量要求。例如，江南造船厂利用数字孪生技术构建了船舶建造的虚拟模型，通过集成传感器数据和历史数据，对建造过程中的质量缺陷进行溯源分析，优化工艺参数，显著提高了建造质量。此外，Meyer Turku船厂通过虚拟仿真技术优化邮轮建造流程，极大降低了返工比例，进一步提升了质量管控水平。

其次，人员安全培训。数字孪生技术为船厂人员安全培训提供了沉浸式的虚拟环境，通过构建高度逼真的虚拟场景，如火灾、触电、高处坠落等紧急情况，受培训人员能够在安全且真实的环境中进行反复训练与演练。这种虚拟培训方式不仅降低了实际操作中的安全风险，还增强了员工的安全意识和应急反应能力，显著提升了培训效果和人员操作的规范性。例如，韩国HD现代重工在其智能船厂中应用了数字孪生技术，开发了基于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)的安全培训系统。通过构建虚拟的生产环境，员工可以在安全的虚拟场景中进行操作演练，熟悉各种设备的操作流程和应急处理方法。这种沉浸式的培训方式不仅提高了员工的安全意识，还增强了他们在面对真实危险时的应对能力。此外，中国某造船厂利用数字孪生技术构建了智能安全培训平台，通过虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术模拟火灾、触电、高处坠落等事故场景。员工可以在虚拟环境中进行沉浸式培训，提前熟悉应对措施，提升安全意识和应急反应能力。这种创新的培训方式有效突破了传统安全教育的局限，推动了从“要我安全”向“我要安全”的转变。

第三，合规性验证。数字孪生技术通过实时监控和虚拟仿真，对船舶建造过程进行全方位的建造标准核查和自动校验，确保各项操作符合行业标准和规范。在建造过程中，数字孪生系统能够实时采集和分析生产数据，自动比对设计图纸与实际建造情况，及时发现偏差并预警。同时，系统通过虚拟仿真模拟不同建造场景，提前验证工艺流程的合规性，为调整优化提供依据，从而有效保障船舶建造过程的标准化和规范化，降低因违规操作带来的风险和成本，提升建造质量和安全性。例如，江南造船厂通过数字孪生技术构建了船体合拢区智能防碰撞仿真平台，实时监测交叉作业风险和设备状态，确保建造过程的安全性和合规性。此外，某些船厂还利用数字孪生技术对建造过程中的工艺参数进行优化和监控，确保每一步骤都符合设计要求。