支持船舶设计与制造的PLM解决方案

1前言船舶工业，作为典型的综合加工装配工业，是综合工业经济之冠。目前，中国已经成为世界第三造船大国，并且正在向着世界第一造船大国的方向迈进。但是中国至今却还不是造船强国。中国无论在建造技术、建造质量还是建造周期方面都处于落后局面。中国成为世界造船大国的主要优势就是相对低廉的建造成本，尤其是劳动力成本，毕竟造船业是一个高度地劳动密集型产业。但是，随着中国经济的快速发展，企业的各项成本，尤其是劳动力成本也在逐年上升，中国造船企业的成本优势正在逐步丧失。因此，提高中国造船企业的各项工作效率、降低各项成本，已经成为中国各大造船企业继续解决的问题。国内的船舶企业必须进行信息化改造，把信息技术应用到企业的经营、生产、设计、管理等各层面，大力开发和应用PLM（ProductLifecycleManagement，产品生命周期管理）等信息化技术，逐步实现船舶设计制造数字化、企业管理过程数字化、管理信息集成化，达到企业资源的高效整合，最终实现以区域造船技术为基础，以企业综合信息集成为支撑的现代造船模式的跨越式发展。针对这一迫切要求，山东山大华天软件有限公司承担并完成了863重点项目“面向船舶行业的可定制PLM系统”的研究。针对船舶行业在PLM系统方面的需求，组织开展了船舶面向船舶行业的产品生命周期管理关键共性技术攻关，开发了具有自助知识产权的可定制PLM系统InforCenter，形成了具有船舶行业优势的PLM解决方案，为提高我国船舶行业的设计、制造效率，降低成本提供了支撑平台。2船舶行业的PLM典型需求船舶，作为复杂产品中的典型产品，具有按订单设计、产品构型众多、零组件数量巨大等特点，而且需要边设计、边生产、部分并行作业，这导致了船舶产品的设计、制造周期长，设计、制造变更频繁。由于国内船舶行业的设计制造能力与国际技术相比，存在较大的差距，且在船舶信息管理技术上也落后较多，导致国内船舶企业不能对国际的先进管理技术生搬硬套。因此，需要开发符合我国船舶行业需求的PLM系统。通过对国内的多家船舶企业进行调研和分析，总结船舶行业在PLM方面的主要需求如下：(1)船舶产品设计模式、生产模式的改进对PLM系统的可定制提出了强烈需求进入21世纪，船舶行业得到了飞速发展。其设计模式正在向多方、多人、多专业并行协同设计发展；生产模式经历了整体制造、分段制造、分道制造，正在向大批量定制和敏捷制造转变；整体业务也由简单的人工交流向异地分布式协同发展；业务与模式的转变使得产品的数据类型逐步增多，数据量急剧增大。正是船舶行业的上述发展变化使得不论现在多么完善的PLM系统，都无法完全适应将来的设计模式、生产模式、业务和数据。因此，只有提供完善而合理的定制机制才能为不断变化的船舶行业提供切实可用的PLM行业解决方案。(2)船舶行业的阶段、专业、零组件和图文档之间的关系复杂，对数据的组织带来不便船舶设计包括方案设计、详细设计、生产设计、完工设计等多个阶段，不同的阶段产生不同的数据，多则包含数万个零部件、物料或图纸，少则也达到几千个，且各阶段数据之间存在着紧密的联系。它不同于通用的产品数据管理模式，这对PLM系统的数据管理带来了极大的不便。与此同时，船舶工程中存在多个专业，如船体、舾装、关系、轮机等专业，船舶根据结构又划分为各个分段，分段和专业之间存在着大量的交叉，这直接影响了船舶企业的项目管理和任务分配。良好的专业和分段数据组织是提高船舶项目效率的重要基础工作。此外，一项船舶工程中存在各种类型的图纸，如总布置图、总说明书、型线图、中截面图、机舱布置图、功率计算书、电力负荷计算书、机电设备明细表、下水布置图、专业设备布置图和系统图、主要电气原理图、主要系统原理图等。采用通用的图纸、零组件对象的组织方式将会影响船舶行业图纸的浏览、查询和展现速度。因此，需要针对图纸的用途、类型、数量和阶段，建立图纸与产品、零部件的关联和组织方式。(3)船舶项目的任务结构复杂，需要项目的模板化管理船舶企业的船舶类型一般比较固定，以黄海造船有限公司为例，以客滚船、货船、渔船、拖船和海洋工程船为主。每一类型船的设计阶段划分、生产任务的分配和分解都几乎保持一致，相似率非常高。而一个船舶工程项目的任务分解非常复杂，通常包含几千个任务节点，如果采用传统的依靠手工建立项目的任务节点和计划安排的方式，将会为项目管理人员带来极大的工作量。因此，需要给船舶项目提供符合船型要求的任务模板，简化项目管理者的工作，且保证项目任务分解的准确率。(4)船舶产品的成本较高，变化频繁，难以控制船舶产品的造价较高，以客滚船为例，造价可达几亿元人民币。由于船舶产品的变更频繁、多样，关键设备、板材使用等成本的变化将给船舶产品的实际成本带来较大的变化。因此，需要在经营报价的基础上，进行目标成本的分解，通过设计、采购、发料和制造等过程分别控制工艺成本、采购成本、材料消耗成本和制造成本，实现对船舶制造企业目标成本的全生命周期管理和实时动态控制，保证船舶实际成本与目标成本的吻合度。(5)船舶行业的专业CAD系统的集成船舶行业所使用的CAD系统不是通用机械的UGNX、CATIA、Pro/E等，而是Tribon、沪东EFSHD、申博SB3DS等专业CAD工具，它们是船舶详细设计和生产设计的重要手段。它们采用工作空间的方式管理船舶数据，图纸、模型、报表等多个对象放置于同一工作空间中，这与通用的CAD系统具有非常大的差异。要想实现船舶行业数据的统一管理，必须实现船舶行业的专业CAD工具的集成，确保图纸、模型和各类报表的统一管理，保障数据源的一致性。(6)船舶产品的多方质量规范与控制船舶产品在设计、制造过程中，为了保证质量，必须经过船厂的生产制造过程的检验，满足船级社的检验标准，同时还要取得船东的质量检验认可。因此，出于对船舶的安全性考虑的要求，以及在保护环境、减少船舶在运营过程中对环境的影响和其他一些规范性的要求，各国在船舶的设计和建造过程中都明确制定了各种规范，所有这些规范同时要满足国际海事组织（InternationalMaritimeOrganization，IMO）的规范要求。所以，船厂在设计、制造、采购、加工、装配的诸多环节中，必须要遵守和满足相关的船级社的规范要求。船厂的检验工作，代表国家管理的船级社的检验工作和代表船东的建造管理机构要对采购的各种零部件、安装过程、试验数据、装配过程同时进行登记、复核，以取得最终满足要求的各种资料。因此，如何在PLM系统中，将三方面的要求进行有效的统一，达到质量数据的监控和共享，是目前要解决的重要问题。(7)船舶产品在异地的售后服务支持由于船舶航行在世界各地，在船舶保修期内，难免会发生一些故障。如何在保修期内对船东提出的保修项目进行快速反应，减少故障给船东造成的经济损失，提高顾客的满意度，是船厂的一项重要工作。此外，如何利用PLM系统实现售后服务的快速反应也是目前要解决的一个问题。造船企业是一个以装配为主的制造企业，船上装配的设备由众多生产厂商制造，对发生的质量故障要通过相关的渠道及时通知生产商和货代公司，按时准确的为船东提供维修的备件和服务。有效的售后服务体系，可以提高顾客的满意度，吸引更多的船东来公司造船。(8)产品生命周期数据的闭环管理目前，在产品的设计空间和物理空间之间存在着信息壁垒，产品设计数据无法供给物理产品使用，物理产品数据无法反馈给设计阶段。为此需要建立消除信息壁垒的机制，建立产品生命周期数据的闭环管理机制，使数据在全生命周期内能实现前馈和反馈，最大程度的挖掘数据的潜力。综上所述，船舶行业的PLM系统在可定制技术、专业和图纸管理、项目管理、成本管理、检验管理、售后服务管理、数据闭环管理方面存在迫切的需求，是面向船舶行业的可定制PLM系统所需要重点解决的内容。3面向船舶行业的PLM解决方案针对船舶行业的总体业务流程分析，结合当前信息系统从数据管理、信息管理到知识管理过渡的发展趋势，本项目构建了如图1所示的面向船舶行业的PLM解决方案。在整体解决方案中，首先在面向产品生命周期的项目管理的基础上，实现数据和信息的统计分析，进而向决策支持过渡；其次，将船舶产品生命周期划分为船舶设计、船舶建造、船舶使用和船舶报废与回收四个主要阶段，每一个阶段都在各类资源的支持下、借助各类数据的管理，实现阶段内大量的业务过程的顺利流转；第三，在各阶段过程、数据和资源的支持下，船舶产品各个阶段既有正向的数据传递（如维护支持、故障评估、维修策略等），也有反向的数据反馈（如检验问题、维修/维护问题等），这就构成了产品生命周期的闭环管理模式，它将成为今后数据管理和支持创新的重要发展和管理模式。面向船舶行业的解决方案将以产品业务对象为数据组织核心，以项目管理为过程管理核心，构建协同的、面向船舶行业的可定制PLM系统，支持船舶行业的应用服务。图1面向船舶行业的PLM解决方案4船舶行业PLM解决方案的关键内容根据船舶行业的PLM需求，结合面向船舶行业的PLM解决方案内容，分析与船舶业务紧密相关的内容主要有以下七个部分组成：4.1面向船舶行业的PLM系统框架根据上述船舶行业的需求，借鉴PLM系统在通用机械行业的发展和应用，建立了如图2所示的面向船舶行业的PLM系统的总体架构，并完成了各部分的研究和软件设计开发，形成了InforCenter解决方案。系统主要包括底层平台、PLM基础平台、PLM应用层、船舶行业解决方案层、PLM实施方法论与评价技术、PLM工具层。图2面向船舶行业的PLM系统体架构4.2多阶段船舶设计数据的动态管理船舶是典型的按订单设计的复杂产品，船东订单驱动，单艘或数艘订单生产，根据船东需求的不同，同一母型船的各艘船舶之间存在较大差异；船舶产品构型众多，材料和形状各异，零组件数量巨大，并且具有边设计、边生产、部分并行作业的特点，设计、制造周期长，设计、制造变更频繁。因此，产品数据具有动态、复杂性的特点，船舶产品没有一个相对稳定的BOM，BOM视工程项目的不同而不同。因此，通过对船舶产品数据特点的分析，根据船舶产品设计的四个主要阶段（即，方案设计阶段、详细设计阶段、生产设计阶段和施工设计阶段）的任务、文档、产品结构的特点和差异，提出了以ITEM为基础，以分段和专业为组成，以不同设计阶段任务为目标的船舶产品数据组织模式。为了方便管理各个阶段的船舶数据，在零部件主记录ItemMaster的基础上建立了船舶对象，它是一类特殊的零部件(Item)，单独作为一个对象表示。除了具备一般零部件的特性外，船舶对象具有自己的属性和版本规则。相应的组织方式如图3所示。图3船舶产品的设计数据组织方式其中，01代表方案设计阶段，01.A代表方案设计阶段版本02代表详细设计阶段，02.A代表详细设计阶段版本03代表生产设计阶段，03.A代表生产设计阶段版本04代表完工设计阶段4.3基于制造BOM和BOP的船舶建造过程管理船舶的建造过程是船舶企业的重要环节，占据大量的工作时间。虽然生产设计阶段已经以专业、分段的形式组织了生产设计BOM，类似于通用机械中的工艺设计。但是它与我们常用的指导制造的MBOM有一定差异，且缺少工艺过程的内容。因此，为了指导船舶的建造过程，通过对船舶建造过程的分析，形成了船舶制造BOM和BOP的结构，为船舶的顺利建造提供支持。图4和图5分别描述了某船舶的制造BOM和BOP结构。图4船体建造阶段的制造BOM结构示例图5分段合拢阶段的制造BOP结构示意4.4支持船舶设计与建造的多方协同项目管理不同于其他离散制造企业，船舶项目管理贯彻船舶产品的设计、建造直至船舶交付。面向船舶行业的项目管理必须能够支持船舶项目的定义与决策、计划与设计、实施与控制、完工与交付等各个阶段，实现边设计边生产的项目组织方式，并形成计划协同编制与执行、状态动态跟踪与监控、成本监测等功能。因此，建立了基于产品设计结构和制造BOP的项目计划分解方式，形成了基于中间产品的成本核算和挣值分析方法，形成了支持船东、船厂、船级社、设计院之间的船舶协同设计、建造与管理的项目管理模式。其中，船舶制造BOP与船舶建造计划的映射如图6所示。图6船舶制造BOP与船舶