1. 引言

船舶設(shè)計(jì)和建造需要海洋工程、工程學(xué)和技術(shù)知識(shí)。這些領(lǐng)域?qū)τ诙�義未來浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的功能至關(guān)重要，并受到最多的學(xué)術(shù)和計(jì)算關(guān)注。對(duì)于典型的商用船舶建造項(xiàng)目，詳細(xì)的工程要求管理多達(dá)500萬個(gè)構(gòu)造部件。用于海洋結(jié)構(gòu)的船舶建造項(xiàng)目通常需要1至5年，并需要廣泛的流程管理數(shù)據(jù)。這包括管理下游和上游的船舶建造數(shù)據(jù)、材料和人員，以及整個(gè)工程和生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)管理。不幸的是，這些方面在研究中經(jīng)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(shù)字化轉(zhuǎn)型的機(jī)會(huì)。

本文側(cè)重于貫穿船舶設(shè)計(jì)和建造過程的集成數(shù)據(jù)管理，包括廣泛的變更管理以及所有相關(guān)數(shù)據(jù)的整體管理，包括3D和2D設(shè)計(jì)、文檔和物料清單。本文的主題將數(shù)字解決方案與船舶設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)管理相結(jié)合，貫穿典型船舶建造項(xiàng)目的整個(gè)生命周期，從概念階段到交付，甚至運(yùn)營階段。

2. 三層次：目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理和流程管理

通常，研究人員使用設(shè)計(jì)螺旋圖來說明船舶建造過程，這是描述設(shè)計(jì)經(jīng)過各個(gè)階段循環(huán)發(fā)展的經(jīng)典方法。也可以從線性產(chǎn)品生命周期的角度來考慮，從功能到詳細(xì)制造階段。這些過程構(gòu)成了一個(gè)具有獨(dú)特復(fù)雜性的目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)層，通常由多個(gè)學(xué)科或特定功能的應(yīng)用程序組成。另外兩個(gè)層次包括數(shù)據(jù)管理和流程管理。從數(shù)據(jù)角度看，設(shè)計(jì)過程涉及各種各樣的數(shù)據(jù)類型，包括3D模型、計(jì)算、圖紙、規(guī)格等。通常使用PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(shí)施。最后一層是流程管理，反映了造船廠或設(shè)計(jì)辦公室如何組織和管理活動(dòng) - 這包括組織設(shè)計(jì)、工作流程、項(xiàng)目管理等等。這三個(gè)層次的互聯(lián)是數(shù)字工具可以顯著優(yōu)化整個(gè)項(xiàng)目的時(shí)間和成本的關(guān)鍵所在。長期以來，船舶建造行業(yè)一直關(guān)注設(shè)計(jì)過程和工具，而忽視了其他方面。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理在目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)工具的范圍內(nèi)部分包括，而流程管理經(jīng)常被視為純粹的商業(yè)或組織管理學(xué)科。

本文為所討論的三個(gè)層次提供了一般性的考慮，謙卑地承認(rèn)每個(gè)船廠或船舶設(shè)計(jì)組織都具有獨(dú)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(jī)密。本文的主要目標(biāo)是找到一個(gè)底層模型，可以幫助描述整個(gè)過程并找到適應(yīng)現(xiàn)有工具、借鑒其他行業(yè)經(jīng)驗(yàn)或改進(jìn)軟件工具的可能性。

圖1: 沿著船舶建造生命周期對(duì)齊的流程 - 設(shè)計(jì)、項(xiàng)目管理和數(shù)據(jù)管理 - 每個(gè)功能都有獨(dú)立的應(yīng)用程序和界面

3. 目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

船舶建造通常使用專門的軟件應(yīng)用程序進(jìn)行功能設(shè)計(jì)和計(jì)算，使用建模軟件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并使用各種應(yīng)用程序進(jìn)行生產(chǎn)管理。

歷史可靠的基于CAD的船舶建造技術(shù)利用3D模型數(shù)據(jù)和自動(dòng)化生產(chǎn)輸出（Seppala，2021）。這是一項(xiàng)經(jīng)得起考驗(yàn)的技術(shù)，可以有效地解決船舶建造工程、設(shè)計(jì)和并行協(xié)作的復(fù)雜性。對(duì)于大型項(xiàng)目，許多工程師和設(shè)計(jì)師可能達(dá)到數(shù)千人，他們需要訪問各種設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以確保在線協(xié)作和安全層。

詳細(xì)工程，也就是大部分時(shí)間都花在船舶設(shè)計(jì)上的地方，通常使用面向目標(biāo)的CAD軟件（Sieranski和Zerbst，2019）。一些部件，通常是各種用途的設(shè)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(shè)計(jì)這些部件是具有挑戰(zhàn)性的，其復(fù)雜性主要來自這些部件之間的拓?fù)潢P(guān)系的數(shù)量之多。此外，如果必須同時(shí)執(zhí)行工作，并涉及多個(gè)專門從事特定設(shè)計(jì)學(xué)科的分包商和提供現(xiàn)代船舶上使用的各種技術(shù)（這是大多數(shù)情況），復(fù)雜性水平將會(huì)增加。管理這種復(fù)雜性要求使用面向目標(biāo)的設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。使用多編輯和保留拓?fù)潢P(guān)系，可以在不將每個(gè)部件存儲(chǔ)為單獨(dú)的3D對(duì)象的情況下鏡像和重復(fù)使用類似的結(jié)構(gòu)部件。

這種方法生成各種各樣的數(shù)據(jù)類型，包括3D幾何形狀、元數(shù)據(jù)、拓?fù)潢P(guān)系、產(chǎn)品和工作分解結(jié)構(gòu)等。在當(dāng)代船舶建造中，將這些數(shù)據(jù)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(xiàng)挑戰(zhàn)和一種范式轉(zhuǎn)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(xiàng)目的規(guī)模和拓?fù)潢P(guān)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(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和協(xié)作工具來組織設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程。

在設(shè)計(jì)過程中，組件的數(shù)量逐漸增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫大小的增加。現(xiàn)代CAD解決方案使得更容易維護(hù)最新的3D和相關(guān)數(shù)據(jù)，但存儲(chǔ)所有修改歷史記錄提出了挑戰(zhàn)，并引發(fā)了關(guān)于信息的結(jié)構(gòu)和識(shí)別所需信息的問題。

4. 數(shù)據(jù)管理

正如前文所述，船舶設(shè)計(jì)和船舶建造涉及大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)以特定格式和配置到達(dá)，并同時(shí)由多個(gè)專門的應(yīng)用程序處理。

從技術(shù)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(shè)計(jì)文檔，船舶設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)會(huì)優(yōu)先考慮工程、仿真和設(shè)計(jì)解決方案。除了管理設(shè)計(jì)信息外，船廠還必須管理設(shè)計(jì)、材料、建造和人員。在船舶建造中，有一種不可否認(rèn)的需求，即需要一個(gè)集中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以管理大量數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，并促進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作。

行業(yè)中存在許多關(guān)于無縫數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠懻�，其中最�?jīng)常引用的倡議包括ISO15926、STEP和OCX格式的使用，或在供應(yīng)商特定格式之間進(jìn)行原生數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換（Sieranski & Zerbst，2019）。與建筑和機(jī)械行業(yè)不同，通用數(shù)據(jù)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(shù)要求，并增加了數(shù)據(jù)管理的復(fù)雜性。將所有這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在通用的PDM解決方案中的想法聽起來可能是一個(gè)解決方案，但數(shù)據(jù)的數(shù)量和互連性引發(fā)了擔(dān)憂。透明的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型可以改善情況，但關(guān)于這種模型應(yīng)該是什么樣子還沒有共識(shí)。經(jīng)常被引用的SFI分類提供了一個(gè)有價(jià)值的基礎(chǔ)，但經(jīng)常針對(duì)每個(gè)船廠進(jìn)行修改。

理想情況可能是一個(gè)集中的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，可以管理大量數(shù)據(jù)，使用適用于船舶建造中不同類型的船只和項(xiàng)目的通用數(shù)據(jù)模型，確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，并促進(jìn)廣泛的團(tuán)隊(duì)合作。數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)分析提供了改善船舶建造效率、降低成本和增強(qiáng)安全性的機(jī)會(huì)；然而，管理由各種來源產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。

5. 流程管理

除了IT和集成架構(gòu)方面的挑戰(zhàn)外，成功的船舶建造項(xiàng)目管理還需要優(yōu)化協(xié)作流程。由于希望縮短項(xiàng)目工期以及涉及分包商或具有遠(yuǎn)程辦公室的附屬公司，跨設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)、學(xué)科、階段和地理位置的并行設(shè)計(jì)過程變得更加普遍。這需要強(qiáng)大的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)控制和管理以及流程管理工具。

有幾項(xiàng)研究計(jì)劃從不同的角度探討了這些領(lǐng)域，然而，通常集中在單個(gè)項(xiàng)目或單個(gè)船廠情況上，并忽略了底層的通用模型討論。

將精益原則應(yīng)用于船舶生產(chǎn)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(fèi)和優(yōu)化工作流程。研究發(fā)現(xiàn)，將精益原則應(yīng)用于船舶建造項(xiàng)目可以提高效率并縮短交貨時(shí)間。

使用類似的策略，Ahn和Kim（2022）提出了一種用于調(diào)整大型塊生產(chǎn)和排定船塢設(shè)備使用的方法。他們證明，將精益原則應(yīng)用于生產(chǎn)計(jì)劃可以顯著提高生產(chǎn)效率并縮短項(xiàng)目交貨時(shí)間。

此外，探討了需要強(qiáng)大的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)控制的離岸船舶生產(chǎn)。Semini等人（2022）研究了在離岸生產(chǎn)船舶建造項(xiàng)目中管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的困難。研究提出了一個(gè)管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的框架，包括數(shù)據(jù)交換協(xié)議、安全措施和驗(yàn)證程序。

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

最后，需要考慮在整個(gè)船舶建造管理討論的背景下考慮船廠業(yè)務(wù)管理。Bruce在他2021年的著作中提到，將船廠管理與業(yè)務(wù)戰(zhàn)略相一致對(duì)于長期成功至關(guān)重要。這包括將船舶建造項(xiàng)目與業(yè)務(wù)目標(biāo)相結(jié)合，建立清晰的治理結(jié)構(gòu)，并培養(yǎng)不斷改進(jìn)的文化。

6. 壽命周期方法和不連貫的船舶建造利益相關(guān)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(gè)壽命周期，從其初始設(shè)計(jì)到最終處理的過程。這種方法確保了船舶的每個(gè)壽命周期階段，包括設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營、維護(hù)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(chǔ)上的，它是一種管理產(chǎn)品整個(gè)生命周期各個(gè)階段的綜合戰(zhàn)略。對(duì)于船舶建造，這種策略要求所有項(xiàng)目利益相關(guān)方，包括船舶設(shè)計(jì)師、船舶建造者、船舶所有者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)，共同努力，盡管今天它在某種程度上仍然是一個(gè)理論概念。

壽命周期方法始于船舶的設(shè)計(jì)階段，船舶設(shè)計(jì)師在此階段創(chuàng)建了一個(gè)功能性的，后來詳細(xì)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(shè)計(jì)階段還考慮了環(huán)境和安全法規(guī)、船舶的預(yù)定用途以及運(yùn)營要求。在建造階段，按照設(shè)計(jì)建造了船舶。在這一階段，實(shí)施質(zhì)量控制和安全措施，以確保船舶按照設(shè)計(jì)規(guī)格建造。建造完成后，船舶進(jìn)入運(yùn)營階段，此階段將其投入使用，并用于其預(yù)定的用途。在此階段，監(jiān)控船舶的性能和維護(hù)，以確保其持續(xù)安全和高效的運(yùn)行。在維護(hù)期間進(jìn)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(yùn)行。此階段還涉及更換已經(jīng)過時(shí)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(xiǎn)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(rèn)為是一種全面和系統(tǒng)的方法，用于管理船舶的整個(gè)壽命周期。這種方法確保了通過協(xié)調(diào)所有項(xiàng)目利益相關(guān)方的努力，有效地管理了船舶的每個(gè)壽命周期階段，從其初始設(shè)計(jì)到最終處理。

壽命周期中利益相關(guān)方的變化是這一策略的一個(gè)明顯復(fù)雜因素。如果第一階段主要集中在船舶的功能性設(shè)計(jì)，第二階段主要集中在船舶的詳細(xì)設(shè)計(jì)和建造，而第三階段完全獨(dú)立于船廠的運(yùn)營。在這一階段，船東可以從使用船舶的數(shù)字資產(chǎn)或數(shù)字孿生體獲益，但這很少發(fā)生。

另一個(gè)阻礙因素是項(xiàng)目的相對(duì)短的交貨時(shí)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(shè)計(jì)可能需要數(shù)年時(shí)間，但之后會(huì)生產(chǎn)數(shù)百萬輛汽車，那么對(duì)于船舶建造來說，將會(huì)建造一艘按訂單制造的獨(dú)特船舶，最多還可能有幾個(gè)修改后的姐妹船項(xiàng)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(guān)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(shù)據(jù)的集成管理

集成船舶建造數(shù)據(jù)管理是指在整個(gè)船舶的壽命周期（或建造船舶的過程）中，高效地收集、存儲(chǔ)、處理和分析船舶建造項(xiàng)目數(shù)據(jù)。船舶建造業(yè)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要性，近年來對(duì)集成數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和系統(tǒng)的研究也在不斷擴(kuò)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(shè)計(jì)、工程和生產(chǎn)過程來提高生產(chǎn)效率。作者還強(qiáng)調(diào)了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式的重要性，以促進(jìn)在參與船舶建造過程的各個(gè)部門和利益相關(guān)方之間的信息有效交流。

Zhang等人（2021）研究了船舶建造業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能決策技術(shù)。作者分析了使用大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和其他數(shù)據(jù)分析技術(shù)來改進(jìn)船舶建造決策的應(yīng)用。他們還強(qiáng)調(diào)了數(shù)據(jù)質(zhì)量和集成對(duì)于有效決策的重要性。

Choi等人（2021）提出了一個(gè)船舶建造集成數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)。作者認(rèn)為，該平臺(tái)應(yīng)能夠?qū)崟r(shí)從多個(gè)來源收集、處理、存儲(chǔ)和共享數(shù)據(jù)，以改進(jìn)決策和整個(gè)船舶建造過程。

Kim等人（2022）提出了基于數(shù)字孿生的集成船舶建造過程管理系統(tǒng)。數(shù)字孿生是物理系統(tǒng)的虛擬模型，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析數(shù)據(jù)。作者認(rèn)為，將數(shù)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(chǎn)品的質(zhì)量。

總之，船舶建造業(yè)可以從集成數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和系統(tǒng)中獲得實(shí)質(zhì)性好處，這些平臺(tái)和系統(tǒng)可以在整個(gè)船舶的整個(gè)壽命周期中實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)收集、處理、存儲(chǔ)和分析。整合數(shù)字孿生概念、大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)可以提高決策和整體效率。

8. 結(jié)論

提出的船舶建造過程層次結(jié)構(gòu)概述了船舶建造者獲得競爭優(yōu)勢并從數(shù)字化轉(zhuǎn)型中受益的機(jī)會(huì)。本文強(qiáng)調(diào)了對(duì)有效船舶建造至關(guān)重要的三個(gè)層次：目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理和流程管理。此外，目標(biāo)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)對(duì)于管理船舶零部件的設(shè)計(jì)和制造復(fù)雜性至關(guān)重要。同時(shí)管理船舶設(shè)計(jì)、工程、生產(chǎn)和維護(hù)數(shù)據(jù)嚴(yán)重依賴于數(shù)據(jù)管理。一個(gè)集中式數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以確保數(shù)據(jù)的一致性和準(zhǔn)確性，管理大量數(shù)據(jù)，并促進(jìn)團(tuán)隊(duì)協(xié)作�？傊�，在管理數(shù)據(jù)和流程時(shí)，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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