1. 引言

船舶設計和建造需要海洋工程、工程學和技術知識。這些領域對于定義未來浮動結構的功能至關重要，并受到最多的學術和計算關注。對于典型的商用船舶建造項目，詳細的工程要求管理多達500萬個構造部件。用于海洋結構的船舶建造項目通常需要1至5年，并需要廣泛的流程管理數據。這包括管理下游和上游的船舶建造數據、材料和人員，以及整個工程和生產過程的數據管理。不幸的是，這些方面在研究中經常被忽視，但它們?yōu)榇�舶建造商提供了獲得競爭優(yōu)勢和受益于數字化轉型的機會。

本文側重于貫穿船舶設計和建造過程的集成數據管理，包括廣泛的變更管理以及所有相關數據的整體管理，包括3D和2D設計、文檔和物料清單。本文的主題將數字解決方案與船舶設計和數據管理相結合，貫穿典型船舶建造項目的整個生命周期，從概念階段到交付，甚至運營階段。

2. 三層次：目標驅動設計、數據管理和流程管理

通常，研究人員使用設計螺旋圖來說明船舶建造過程，這是描述設計經過各個階段循環(huán)發(fā)展的經典方法。也可以從線性產品生命周期的角度來考慮，從功能到詳細制造階段。這些過程構成了一個具有獨特復雜性的目標驅動設計層，通常由多個學科或特定功能的應用程序組成。另外兩個層次包括數據管理和流程管理。從數據角度看，設計過程涉及各種各樣的數據類型，包括3D模型、計算、圖紙、規(guī)格等。通常使用PDM（產品數據管理）系統(tǒng)來管理和控制這些信息。這種系統(tǒng)在其他行業(yè)中很常見，但在船舶建造中直到最近才得以實施。最后一層是流程管理，反映了造船廠或設計辦公室如何組織和管理活動 - 這包括組織設計、工作流程、項目管理等等。這三個層次的互聯(lián)是數字工具可以顯著優(yōu)化整個項目的時間和成本的關鍵所在。長期以來，船舶建造行業(yè)一直關注設計過程和工具，而忽視了其他方面。數據存儲和管理在目標驅動設計工具的范圍內部分包括，而流程管理經常被視為純粹的商業(yè)或組織管理學科。

本文為所討論的三個層次提供了一般性的考慮，謙卑地承認每個船廠或船舶設計組織都具有獨特的工作方式。這種工作方式通常包含競爭優(yōu)勢或商業(yè)機密。本文的主要目標是找到一個底層模型，可以幫助描述整個過程并找到適應現(xiàn)有工具、借鑒其他行業(yè)經驗或改進軟件工具的可能性。

圖1: 沿著船舶建造生命周期對齊的流程 - 設計、項目管理和數據管理 - 每個功能都有獨立的應用程序和界面

3. 目標驅動設計

船舶建造通常使用專門的軟件應用程序進行功能設計和計算，使用建模軟件進行詳細設計，并使用各種應用程序進行生產管理。

歷史可靠的基于CAD的船舶建造技術利用3D模型數據和自動化生產輸出（Seppala，2021）。這是一項經得起考驗的技術，可以有效地解決船舶建造工程、設計和并行協(xié)作的復雜性。對于大型項目，許多工程師和設計師可能達到數千人，他們需要訪問各種設計數據，以確保在線協(xié)作和安全層。

詳細工程，也就是大部分時間都花在船舶設計上的地方，通常使用面向目標的CAD軟件（Sieranski和Zerbst，2019）。一些部件，通常是各種用途的設備和裝置，由專門的分包商開發(fā)和提供。其他部件是從鋼材或鋼筋在車間或船上制造的。設計這些部件是具有挑戰(zhàn)性的，其復雜性主要來自這些部件之間的拓撲關系的數量之多。此外，如果必須同時執(zhí)行工作，并涉及多個專門從事特定設計學科的分包商和提供現(xiàn)代船舶上使用的各種技術（這是大多數情況），復雜性水平將會增加。管理這種復雜性要求使用面向目標的設計應用程序。使用多編輯和保留拓撲關系，可以在不將每個部件存儲為單獨的3D對象的情況下鏡像和重復使用類似的結構部件。

這種方法生成各種各樣的數據類型，包括3D幾何形狀、元數據、拓撲關系、產品和工作分解結構等。在當代船舶建造中，將這些數據與制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、采購和物料管理以及企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）集成在一起是一項挑戰(zhàn)和一種范式轉變。來自其他行業(yè)（如汽車或航空航天）的現(xiàn)有大規(guī)模軟件解決方案無法處理船舶建造項目的規(guī)模和拓撲關系的特殊性。因此，似乎可以通過在現(xiàn)有基于CAD的解決方案中增加數據管理系統(tǒng)和協(xié)作工具來組織設計和生產過程。

在設計過程中，組件的數量逐漸增加，導致數據庫大小的增加�，F(xiàn)代CAD解決方案使得更容易維護最新的3D和相關數據，但存儲所有修改歷史記錄提出了挑戰(zhàn)，并引發(fā)了關于信息的結構和識別所需信息的問題。

4. 數據管理

正如前文所述，船舶設計和船舶建造涉及大量數據，這些數據以特定格式和配置到達，并同時由多個專門的應用程序處理。

從技術和軟件解決方案的角度考慮船舶建造過程，專業(yè)系統(tǒng)的組成在不同的工作范圍之間存在顯著差異。由于他們的工作通常包括工程和設計文檔，船舶設計機構會優(yōu)先考慮工程、仿真和設計解決方案。除了管理設計信息外，船廠還必須管理設計、材料、建造和人員。在船舶建造中，有一種不可否認的需求，即需要一個集中的數據管理系統(tǒng)，可以管理大量數據，確保數據的一致性和準確性，并促進團隊合作。

行業(yè)中存在許多關于無縫數據傳輸的討論，其中最經常引用的倡議包括ISO15926、STEP和OCX格式的使用，或在供應商特定格式之間進行原生數據的轉換（Sieranski & Zerbst，2019）。與建筑和機械行業(yè)不同，通用數據格式和交換協(xié)議尚未出現(xiàn)。

所有這些因素都需要船舶建造技術要求，并增加了數據管理的復雜性。將所有這些數據存儲在通用的PDM解決方案中的想法聽起來可能是一個解決方案，但數據的數量和互連性引發(fā)了擔憂。透明的數據結構模型可以改善情況，但關于這種模型應該是什么樣子還沒有共識。經常被引用的SFI分類提供了一個有價值的基礎，但經常針對每個船廠進行修改。

理想情況可能是一個集中的數據管理系統(tǒng)，可以管理大量數據，使用適用于船舶建造中不同類型的船只和項目的通用數據模型，確保數據的一致性和準確性，并促進廣泛的團隊合作。數據安全性、完整性和互操作性是必須克服的巨大障礙。最后，大數據分析提供了改善船舶建造效率、降低成本和增強安全性的機會；然而，管理由各種來源產生的大量數據是一個重大挑戰(zhàn)。

5. 流程管理

除了IT和集成架構方面的挑戰(zhàn)外，成功的船舶建造項目管理還需要優(yōu)化協(xié)作流程。由于希望縮短項目工期以及涉及分包商或具有遠程辦公室的附屬公司，跨設計團隊、學科、階段和地理位置的并行設計過程變得更加普遍。這需要強大的設計數據控制和管理以及流程管理工具。

有幾項研究計劃從不同的角度探討了這些領域，然而，通常集中在單個項目或單個船廠情況上，并忽略了底層的通用模型討論。

將精益原則應用于船舶生產是解決這些障礙的一種策略。在他們的研究中，Song和Zhou（2022）提出了一種基于精益原則的船舶建造制造過程，該過程優(yōu)先考慮消除浪費和優(yōu)化工作流程。研究發(fā)現(xiàn)，將精益原則應用于船舶建造項目可以提高效率并縮短交貨時間。

使用類似的策略，Ahn和Kim（2022）提出了一種用于調整大型塊生產和排定船塢設備使用的方法。他們證明，將精益原則應用于生產計劃可以顯著提高生產效率并縮短項目交貨時間。

此外，探討了需要強大的設計數據控制的離岸船舶生產。Semini等人（2022）研究了在離岸生產船舶建造項目中管理設計數據的困難。研究提出了一個管理設計數據的框架，包括數據交換協(xié)議、安全措施和驗證程序。

專注于制造戰(zhàn)略是重要的，但設計過程，包括創(chuàng)新和決策方面，也需要數字支持并且必須加以考慮。Garcia Agis（2020）討論了將數字工具納入船舶設計過程中以促進創(chuàng)造力和決策。這包括利用虛擬現(xiàn)實、仿真和數字原型工具來增強協(xié)作和決策。

最后，需要考慮在整個船舶建造管理討論的背景下考慮船廠業(yè)務管理。Bruce在他2021年的著作中提到，將船廠管理與業(yè)務戰(zhàn)略相一致對于長期成功至關重要。這包括將船舶建造項目與業(yè)務目標相結合，建立清晰的治理結構，并培養(yǎng)不斷改進的文化。

6. 壽命周期方法和不連貫的船舶建造利益相關方

船舶建造中的壽命周期方法是一種全面和系統(tǒng)的方法，用于管理船舶的整個壽命周期，從其初始設計到最終處理的過程。這種方法確保了船舶的每個壽命周期階段，包括設計、建造、運營、維護和處理，都得到有效管理。

壽命周期方法是建立在總壽命周期管理的基礎上的，它是一種管理產品整個生命周期各個階段的綜合戰(zhàn)略。對于船舶建造，這種策略要求所有項目利益相關方，包括船舶設計師、船舶建造者、船舶所有者和監(jiān)管機構，共同努力，盡管今天它在某種程度上仍然是一個理論概念。

壽命周期方法始于船舶的設計階段，船舶設計師在此階段創(chuàng)建了一個功能性的，后來詳細的船舶模型。該模型用于模擬船舶在不同條件下的性能。在設計階段還考慮了環(huán)境和安全法規(guī)、船舶的預定用途以及運營要求。在建造階段，按照設計建造了船舶。在這一階段，實施質量控制和安全措施，以確保船舶按照設計規(guī)格建造。建造完成后，船舶進入運營階段，此階段將其投入使用，并用于其預定的用途。在此階段，監(jiān)控船舶的性能和維護，以確保其持續(xù)安全和高效的運行。在維護期間進行定期檢查和維修，以確保船舶保持良好狀態(tài)并繼續(xù)有效運行。此階段還涉及更換已經過時的部件和系統(tǒng)。處理階段涉及船舶的安全和環(huán)保的停用和處理。此階段包括危險材料的清除和所有廢物的妥善處置。

在船舶建造中，壽命周期方法被認為是一種全面和系統(tǒng)的方法，用于管理船舶的整個壽命周期。這種方法確保了通過協(xié)調所有項目利益相關方的努力，有效地管理了船舶的每個壽命周期階段，從其初始設計到最終處理。

壽命周期中利益相關方的變化是這一策略的一個明顯復雜因素。如果第一階段主要集中在船舶的功能性設計，第二階段主要集中在船舶的詳細設計和建造，而第三階段完全獨立于船廠的運營。在這一階段，船東可以從使用船舶的數字資產或數字孿生體獲益，但這很少發(fā)生。

另一個阻礙因素是項目的相對短的交貨時間，與其他行業(yè)（如汽車和航空航天）相比，這種情況排除了廣泛的變種研究。如果汽車原型的設計可能需要數年時間，但之后會生產數百萬輛汽車，那么對于船舶建造來說，將會建造一艘按訂單制造的獨特船舶，最多還可能有幾個修改后的姐妹船項目。

上述所有因素使得在船舶建造中使用PLM具有爭議性。盡管壽命周期階段是明確的，但利益相關方的變化以及船廠的低利潤幅度阻止了該概念的有效使用。

7. 船舶建造數據的集成管理

集成船舶建造數據管理是指在整個船舶的壽命周期（或建造船舶的過程）中，高效地收集、存儲、處理和分析船舶建造項目數據。船舶建造業(yè)已經認識到數字化轉型的重要性，近年來對集成數據管理平臺和系統(tǒng)的研究也在不斷擴展。

Lee（2020）討論了為船舶建造過程管理開發(fā)的集成信息系統(tǒng)的發(fā)展。該系統(tǒng)旨在通過整合設計、工程和生產過程來提高生產效率。作者還強調了標準數據格式的重要性，以促進在參與船舶建造過程的各個部門和利益相關方之間的信息有效交流。

Zhang等人（2021）研究了船舶建造業(yè)內數據驅動的智能決策技術。作者分析了使用大數據、機器學習和其他數據分析技術來改進船舶建造決策的應用。他們還強調了數據質量和集成對于有效決策的重要性。

Choi等人（2021）提出了一個船舶建造集成數據管理平臺的設計。作者認為，該平臺應能夠實時從多個來源收集、處理、存儲和共享數據，以改進決策和整個船舶建造過程。

Kim等人（2022）提出了基于數字孿生的集成船舶建造過程管理系統(tǒng)。數字孿生是物理系統(tǒng)的虛擬模型，可以實時監(jiān)控和分析數據。作者認為，將數字孿生的概念納入船舶建造中可以提高效率、降低成本，并提高最終產品的質量。

總之，船舶建造業(yè)可以從集成數據管理平臺和系統(tǒng)中獲得實質性好處，這些平臺和系統(tǒng)可以在整個船舶的整個壽命周期中實現(xiàn)高效的數據收集、處理、存儲和分析。整合數字孿生概念、大數據分析和機器學習可以提高決策和整體效率。

8. 結論

提出的船舶建造過程層次結構概述了船舶建造者獲得競爭優(yōu)勢并從數字化轉型中受益的機會。本文強調了對有效船舶建造至關重要的三個層次：目標驅動設計、數據管理和流程管理。此外，目標驅動設計對于管理船舶零部件的設計和制造復雜性至關重要。同時管理船舶設計、工程、生產和維護數據嚴重依賴于數據管理。一個集中式數據管理系統(tǒng)可以確保數據的一致性和準確性，管理大量數據，并促進團隊協(xié)作�？傊�，在管理數據和流程時，需要采用一種全面的方法，以提高船舶建造過程的整體效率和效果。

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