数字化船舶建造——船舶工业4.0：数字化双胞胎在车间中的应用

船舶工业4.0：数字化双胞胎在车间中的应用 车间复杂性与日俱增 愈加严格的环境/安全规定和日益增加的定制功能需求，推动了对高附加值船舶的需求。这些船舶不仅设计和工程复杂，而且建造也更复杂。随着竞争加剧，这波复杂性的需求对车间产生冲击，并且经济不确定性上升正迫使船厂降低生产成本和上市时间。船厂如果想要保持竞争力，就必须按时、按预算、按规格交付。但面对如此低的利润空间，船舶制造商如何在不影响质量的前提下不断降低生产成本？ 原本高效的流程会随着设计和建造复杂性的增加而变得效率低下 规划的重要性 数字化船厂 对于大多数造船项目而言，项目总成本的80%到90%将用于建造期间的花费：材料、人工、设备、系统供应商、管理费用等。因此，高效的规划可能对盈利能力产生巨大影响。规划有助于促进团队之间协作和同步，最大限度地降低风险和不确定性，同时为配置和更改管理提供强大支持。船厂对此非常清楚，故而采用多种企业规划工具为船舶的设计和建造提供规划支持。随着船舶复杂性增加，加上船上需要装载更多高科技设备和系统，因此遵循正确的工序对避免返工和延误至关重要。为此，必须严格遵循主生产计划(MPS)。该计划作为生产战略设计的一部分，是在设计阶段根据所需的生产时间、产品组合、船厂布局及产品流等制定完成的。 为了优化制造规划和生产，船舶制造商必须采用整体数字线程方法建造船舶。该方法有赖于以下三个核心系统的实现和集成：(i) ERP系统，(ii)简单直观的产品生命周期管理(PLM)平台，以及(iii)制造运营管理(MOM)系统；其中MOM系统是一款集成式解决方案，将包括质量管理、高级规划和调度及制造执行系统在内的所有生产流程整合到了同一个环境中。通过MOM系统，船舶制造商就可以部署清晰直观的电子工作指导说明(EWI)，从而提升车间工作效率。 ERP、PLM和MOM是数字化船厂（即船舶工业4.0）的三大基本要素。这三大“支柱”一向彼此独立，但又必须相互连接，如此才能确保设计和工程、生产和规划及物流始终保持同步。这种ERP-PLM-MOM闭环方法称为船舶精益生产的“铁三角”。它不但可以确保缩短产品交付周期，消除冗余（且通常易于出错和延迟）的手动流程，并主动发现和纠正质量问题，还可以通过无缝集成工程和制造规划工具实现并行设计和生产，从而使生产可以更早地开始并一步到位。 物料需求计划(MRP)是在MPS的基础上制定的，可细分为物料清单(BOM)和工单及采购订单等详细计划。大多数船舶制造商已采用了基于MRP软件的系统，用于对现有组件和原材料进行编目、确定需要补充的组件和原材料并安排相应的生产或采购事宜。该系统必须与企业资源规划(ERP)系统完全集成才能发挥作用。如今，造船环境通常可能由位于不同地区的多个船厂组成，每个船厂有各自的供应商和联合制造商。因此，整个ERP系统需要能够根据每个船厂的具体情况安排材料和设备，并使船厂之间能够相互交流各自对材料和设备的需求，从而重新分配库存，改进端到端的企业生产效率。 船舶制造商可以在切割第一块钢板之前就在集成的虚拟船厂环境中仿真整个造船过程，从而可以优化船舶的生产顺序，最大限度地减少设计更改和无序工作。与船舶相关的所有数据都可以保存在全面的船舶数字化双胞胎中，之后可以作为单一数据源来共享实时项目状态，并确保与所有相关方（例如供应商、分包商、联合制造商、船级社，甚至客户）实现高效协同。 尽管MRP系统作为船厂ERP的主要部分进行部署确实可以显著提高生产效率，但仍存在诸多局限性。例如，船舶制造商所依赖的计算机辅助设计(CAD)工具通常是传统的闭环系统，缺乏相应的数据交换接口。此外，工程、制造和物流等功能区之间没有自动反馈环路，因而许多设计更新需要手动完成，既耗时费力又容易出错。船舶制造商知道有些数字化解决方案可用于这些目的，但不确定其可行性和投资回报率。 一旦铁三角部署到位，就可以开发基于云的低代码定制应用程序，实现数据池的实时同步和可视化，方便执行倾斜测试准备、智能仓储、船舶检查、噪声测量、问题管理和智能规划等任务。值得一提的是，部分上述工具必须能够脱机工作，以便采集连接受限的车间的信息，并在重建连接后将数据上传到PLM系统进行验证。 除船舶的数字化双胞胎外，船舶制造商还可以部署船厂的数字化双胞胎，将其作为固定资产进行管理。最关键生产设备的运行情况可以加以监控，以便进行预测性维护，从而避免计划外的停机时间和生产延迟。仿真可用于优化船厂布局来实现更高效率或在采购前确认设备的投资回报率。 仅有规划还不够 船舶制造商大都比较保守、厌恶成本、对花钱升级原本高效的传统流程持谨慎态度。对于新型的数字化技术，他们不仅要考虑软件的成本，还要考虑委派员工与软件提供商合作完成软件实施（过程可能很漫长）的成本。他们不会考虑到，原本高效的流程会随着设计和建造复杂性的增加而变得效率低下。 随着这一复杂性日益增长，他们迫切需要一个强大的需求、更改、配置、风险和进度管理系统，该系统需要囊括船厂的所有功能区，确保所有团队可随时随地访问最新信息并朝着同一目标协同工作。唯有如此，才能最大限度降低成本，同时提高企业的整体生产效率。 通过引入虚拟现实和增强现实等新技术，以及将切割、打磨、弯曲和焊接等系统实现自动化控制，船厂可以显著提高生产效率和质量。通过引入3D打印等新的生产方法和更轻、更牢固的复合材料等新材料，可以进一步降低成本。 有了跨设计和制造的通用数据中枢，船舶制造商就可以采用模块化方法进行船舶建造。采用“随处建造，随处集成”的策略，船舶制造商和联合制造商可以分别或同时设计、制造和测试各部分，从而缩短建造周期，进而最终降低生产成本。 最后，采用这种数字线程方法还有助于将基于信息复用的做法实现标准化。新老项目中的知识和最佳做法可以被采集并存储在数据中枢中，用于将设计决策传达到制造车间并将车间建议反馈给设计团队，进一步优化生产设计。再者，鉴于劳动力人口老龄化问题所引起的技能差距日益扩大，这些知识也可以作为EWI的一部分用于培训年轻工人并促进任务执行。 结论 造船作业是一项复杂流程。要在保证质量的前提下削减成本和提高生产效率，该流程需要微调，并尽可能地进行自动化。这可以通过在船舶建造中采用数字线程方法来实现。通过利用数字化双胞胎技术，数字化船厂可以最大程度地减少当前制造流程中的风险和低效现象，将复杂性转化为竞争优势。