船舶設計制造中的并行工程與分道建造技術

郭 濤 魏小星

（1.上海振華重工（集團）股份有限公司 上海200125；2中船重工中南裝備有限責任公司 宜昌443005）

引 言

船舶實際上是一座集高新技術和基礎工業的水上移動城市。大型船舶的設計和建造過程其實就是復雜生產過程的集合，現代造船工程其實質是典型的基于高科技的系統性工程。造船體系和相關技術形成了相應的造船“模式”，隨著市場競爭加劇、科技和工業的發展以及造船企業對生產效率和從業人員對作業環境的要求，造船模式的優化與創新變革極為重要［1］。雖然我國已發展成為世界第一造船大國，但是與西方和日韓等造船強國相比，我國的船舶企業在設計、建造等各個方面，特別是在造船周期和過程管控上均存在一定差距。為縮小這種差距，引進先進技術是目前較為流行的方法，而這其中具有代表性的先進技術就是關于并行工程技術與分道建造技術在船舶設計制造過程中的探索與應用。

1 并行工程理論

并行工程是相對傳統產品開發過程而言的，并行工程更加強調產品開發的同步性而非傳統產品開發中的“串行”式次序性，并行工程又稱為同時工程或者生命周期工程。并行工程的出現以及現階段對生產周期的要求，使以往以串行工程為主體的傳統企業組織體制和工作流程，以及從業人員的思維方式都產生極大改變。并行工程的實質就是一種系統集成方法，它對產品設計及相關的工藝過程都采用并行的方式來處理，并且是用管理、生產和經營等多種不同的方法來集成產品的設計、制造及其他相關過程。

并行工程的實現需要在設計階段開始就能夠完成設計人員的集合，形成多功能的一個協同工作基礎，通過有效管理和通信實現信息共享，有序地進行各項工作的交叉與并行，從而能盡早考慮到整個產品的各個因素，以確保設計與制造的一次成功，減少產品的建造周期。并行工程具有重視用戶要求、注重成員合作、高效通訊協同工作等特點。并行工程模型如圖1所示。

圖1 并行工程模型

2 分道建造技術理論

船體分道建造技術其實質是將中間產品作為建造核心，并根據成組技術和相似性原理將其進行細化、分解，按照部件、系統、分段和總段的過程進行建造。分道建造技術的基本單元是中間產品，并且在實際建造過程中可將其視為生產單元；對各類中間產品按相同的工期要求進行設計，以便于實際生產中的平行作業。船體分道建造所要求的中間產品建造過程中空間相對較為獨立，且符合造船廠家在生產各階段、各方面的需求，并能在實際操作中對建造過程進行有效而合理地監控。在分道建造過程中的各個階段均以有序的大合攏為目標，同時要求組織各類分道作業過程均衡和協調進行，以實現造船過程的連續性。通過對各階段中間產品的相似性分析，使分道作業的內容和過程最大限度相似，以便于各類中間產品建造的標準化與專業化，同時分道建造要實行上級分道與下級分道相互對應的原則，以利于實現生產建造的信息化和標準化管理。

3 并行工程與分道建造技術在船舶工程中的應用

3.1 并行工程下的船舶設計建造系統結構

將產品開發的整個過程視作一個集成過程是并行工程的一大特點，也是并行工程與傳統生產方式的根本區別。在并行工程應用于船舶建造中，可以利用全局視野的角度對船舶建造的整個過程甚至是船舶的整個生命周期進行與之相對應的管理、控制和優化，并對已有過程進一步完善和提高。圖2為并行工程下船舶設計建造系統結構。

圖2 并行工程下船舶設計建造系統結構

并行工程現階段在船舶設計建造中應用主要依賴于網絡和數據庫，通過網絡的連接和數據庫的資料對比，使各類專家對產品模型進行統一的設計、分析，確定船舶的設計可靠性和相應的制造性能，各類專家可以利用網絡將不同的意見反饋匯總并利用數據庫進行相關分析，從而修改產品模型數據，實時上傳產品模型使不同的使用者能夠同時在新修改的模型上進行相關操作，直至完成所有相關任務。這種方法不僅有利于提升整體工作效率、減少設計時間，而且由于充分考慮了船舶在設計、建造、使用等整個生命周期各階段可能出現的各種問題，從而進一步提升了船舶設計質量。同樣，在船舶建造階段，并行工程的方法也能提升船舶建造效率，改善船舶建造質量。

3.2 并行工程下船舶設計建造的關鍵技術

并行工程需要同時對產品及其下游過程進行相關設計，即要求在進行產品需求和功能設計的同時也要滿足產品后續的可靠性、可加工、可維護、可裝配以及表面外觀處理，甚至是產品升級、報廢等不同層面的設計需求。對于技術和勞動密集型的造船行業，要實現在船舶設計、建造中對并行工程的應用，就需要造船企業具有與之相對應的先進造船設備和技術。這其中管理技術，CAD/CAM/CAPP一體化，DFM/DFA等相關技術的應用是實現使用并行工程方法的基礎。下文將介紹實現并行工程的幾項重點技術。

3.2.1 質量管理與控制

按并行工程的哲理，可靠性和可維護性分析必須成為在初期設計階段的設計考量和依據，建造過程中可能出現的問題必須在此前被識別并設置為“開”的狀態，即在設計初期就充分考慮產品后期生產制造中的問題，并通過整體性的考慮盡量避免這些問題。

3.2.2 CAD/CAM/CAPP一體化

并行工程并非傳統式的產品開發，它是建立在信息化基礎上的現代產品開發系統化方法。它強調產品設計的整體性與系統性，即在設計產品的同時也需要設計產品生產建造工藝過程、工序以及質量等的系統性要求。因此，并行工程的關鍵是集成一切資源，統籌和合理利用資源，從而促使相關活動盡早開啟并能夠合理有序地進行。CAD/CAM/CAPP一體化在并行工程產品開發中發揮著重要的作用，在面向經營決策時，它能提供所需的產品設計、生產周期和計劃等信息；在面向管理系統和質量系統時，它能夠提供產品的結構、工藝過程、檢驗情況以及風險隱患等不同方面的信息；在面向制造車間時，也能夠獲得產品生產單元、數控加工、裝配建造等過程的工藝及加工信息。

3.2.3 產品數據模型

設計制造一體化實現需要大量且頻繁的數據信息傳遞和交換。目前在船舶設計建造中，雖然計算機CAD/CAM軟件和CNC設備的應用已經非常普通，但艦船產品數據仍然是以圖樣和文件為主，不利于數據的傳遞和實現，目前船舶設計制造缺乏統一的產品數據模型。

3.2.4 面向制造及裝配的設計（DFM/DFA）

并行工程中面向制造的設計和面向裝配的設計是兩個非常重要的概念，這兩個設計概念主要是提出在產品設計時，除了要考慮產品的功能和性能等方面的要求，同時還需要考慮產品的可制造性、可裝配性、經濟性等方面要求。這能夠有效優化材料、技術、工藝、生產過程及成本等之間的相互關系。DFM/DFA在產品設計階段開始進行，其主要是在質量、功能、生產和效益之間統籌協調以解決相關的總體性問題。

上述技術在使用并行工程方法的船舶設計建造過程中，是提高船舶整體質量、降低生產成本、縮短建造周期的有效途徑，同時也是并行工程在船舶設計建造過程中需要重點解決的問題。

3.3 船體分道建造技術的應用

利用產品導向型工程分解方式和以中間產品為基礎的船體分道建造就是將整船進行細化分解，形成不同的中間產品，按照成組技術、相似性原理進行分類并安排生產資源，從而實現均衡生產的目的。

3.3.1 分道作業流程

對一般性的船舶制造而言，分道作業流程可分為材料切割和加工分道、小組立分道、中組立分道、大組立分道和總組立分道等不同的過程，最終完成合攏，實現整船建造。圖3為應用分道建造的生產流程。

圖3 應用分道建造的生產流程

3.3.2 分道作業的支撐技術

船舶要實施分道建造還需要船廠在實施建造前，對原生產模式下的生產線進行調整，形成適應分道建造的新生產線，同時還需要轉變管理思路，形成與之相應的管理制度。完成前述準備后，船舶需按照成組技術以及相似性原理，對中間產品進行分類、確定工藝流程，以保證生產的并行進程和均衡性。因此，分道建造技術除了需要相應的軟件外，還需要生產等方面的硬件和與之相適應的生產技術的支撐。分道作業主要包含如下技術：

（1）合理的分段劃分

船體分段劃分的合理性是否能順利實施船體分道建造的關鍵技術也是基本要求之一。分段劃分是在船體生產設計過程中完成的，它不僅需要考慮分道建造的原則與分段劃分的相似性，同時還需要考慮船廠生產設施、生產能力等實際情況，最終形成科學、合理并能夠符合船廠實際生產情況的分段。

（2）推行船體精度控制技術。

基于船體建造標準，結合精度計算、管理方式和建造工藝等方面因素，分析船體建造過程的尺寸精度以確定生產補償量和控制精度，使現場生產的修正量最小化，提升現場工作質量和工作效率。

（3）合理配置分道工位

依據各種不同中間產品的工藝過程，并設定相應的分道區域及分道作業位，使建造過程能夠按照相應的流程逐級制造。在分道建造過程中，各分道的設備設施和作業操作人員必須合理配置以保證作業的連續和均衡，同時也有利于高效生產和合理利用資源。

（4）實行定置管理和區域管理

由于船舶分道建造過程需要連續和均衡作業，所以材料、零件等都需要有向流動形成相應的工序過程，故在船舶分道建造時需要實行定置管理和區域管理。

（5）分段制造與舾裝、涂裝作業同步

船舶分道建造的關鍵是中間產品的逐級制造，中間產品建造過程中船體分段和舾裝作業過程應同步作業，并且依據現場生產的實際情況將涂裝作業即時安排在中間產品建造的各個階段完成。

（6）設備機械化與自動化

制造裝配的機械化和自動化是船舶分道建造的硬件保證，優良的制造裝配能夠有效地提升船廠建造的工藝水平和建造質量，提高制造設備的現代化水平。這也是目前船廠升級的目標之一。

船舶分道建造技術將相關資源成組布置，能夠使這些資源在建造中具有足夠的柔性，從而適應不同類型船舶的相同和相似中間產品的建造，提升船舶制造效率，同時使經濟效益最大化。目前我國重要的大型船廠已基本實現船舶的分道建造。

4 展 望

目前國內造船企業大部分都已開始應用并行工程和船舶分道建造技術，但仍處于初步階段，并未貫穿于整個造船周期。并行工程和船舶分道建造技術的使用深化還需造船企業推動改進以下幾方面：

（1）加強船廠的信息化進程

雖然目前大多數船廠已經開始進行信息化改革，但基本仍只停留在局部或單一系統，不同過程間的信息共享程度依然較低，未形成整體性信息化處理和數據庫的建立。并行工程和船舶分道建造技術的應用需要共享程度較高的信息化，不僅包含設計、建造、工藝等基礎性設計建造要求，還需要將船舶設計建造全周期中所遇到的問題、處理方式、特殊使用等方面進行分類記錄形成相應的數據庫。

（2）需要對現有的管理模式進行改變

目前船廠基本以設計團隊、建造團隊、工藝團隊、質檢團隊等專業化團隊為單位進行船舶設計建造，團隊間的融合度較低。基于并行工程和船舶分道建造技術特點要求將船舶的設計建造按相似性進行區段劃分，相應的實際建造團隊也應按此劃分，每個團隊中設計、制造、工藝、質檢等專業化人員都應具備以增強融合度。

（3）增加復合型人才比例

目前國內船廠中，專業人才較多，但復合型人才相對較少。并行工程和船舶分道建造技術的應用中需要數量較多的復合型人才，以便于在船舶設計建造的全過程中進行統籌管理，提升整體工作效率。

上述幾點建議將有助于深化并行工程和船舶分道建造技術在船舶設計建造過程中的應用，實現真正意義上的并行，從而提高造船企業效率。

5 結 語

船舶工業是國民經濟的支柱產業之一，而造船質量、周期以及成本幾乎決定了船舶工業的發展水平，優良技術的使用將有利于促進船舶工業的發展。并行工程與分道建造技術在船舶設計建造過程中的應用能大幅縮短造船周期，使資源利用更充分和有效，從而獲得更大的經濟效益。目前，分道建造技術在我國的應用已經日趨成熟，但是并行工程的實施依然受到很多因素制約，仍有很大提升空間，需進一步研究與實踐。并行工程與分道建造技術合理的組合與使用，是現代造船模式發展的需要。它將使我國的造船工業得到進一步發展，并向著世界造船強國的目標邁進。