1. 引言

船舶设计和建造需要海洋工程、工程学和技术知识。这些领域对于定义未来浮动结构的功能至关重要，并受到最多的学术和计算关注。对于典型的商用船舶建造项目，详细的工程要求管理多达500万个构造部件。用于海洋结构的船舶建造项目通常需要1至5年，并需要广泛的流程管理数据。这包括管理下游和上游的船舶建造数据、材料和人员，以及整个工程和生产过程的数据管理。不幸的是，这些方面在研究中经常被忽视，但它们为船舶建造商提供了获得竞争优势和受益于数字化转型的机会。

本文侧重于贯穿船舶设计和建造过程的集成数据管理，包括广泛的变更管理以及所有相关数据的整体管理，包括3D和2D设计、文档和物料清单。本文的主题将数字解决方案与船舶设计和数据管理相结合，贯穿典型船舶建造项目的整个生命周期，从概念阶段到交付，甚至运营阶段。

2. 三层次：目标驱动设计、数据管理和流程管理

通常，研究人员使用设计螺旋图来说明船舶建造过程，这是描述设计经过各个阶段循环发展的经典方法。也可以从线性产品生命周期的角度来考虑，从功能到详细制造阶段。这些过程构成了一个具有独特复杂性的目标驱动设计层，通常由多个学科或特定功能的应用程序组成。另外两个层次包括数据管理和流程管理。从数据角度看，设计过程涉及各种各样的数据类型，包括3D模型、计算、图纸、规格等。通常使用PDM（产品数据管理）系统来管理和控制这些信息。这种系统在其他行业中很常见，但在船舶建造中直到最近才得以实施。最后一层是流程管理，反映了造船厂或设计办公室如何组织和管理活动 - 这包括组织设计、工作流程、项目管理等等。这三个层次的互联是数字工具可以显著优化整个项目的时间和成本的关键所在。长期以来，船舶建造行业一直关注设计过程和工具，而忽视了其他方面。数据存储和管理在目标驱动设计工具的范围内部分包括，而流程管理经常被视为纯粹的商业或组织管理学科。

本文为所讨论的三个层次提供了一般性的考虑，谦卑地承认每个船厂或船舶设计组织都具有独特的工作方式。这种工作方式通常包含竞争优势或商业机密。本文的主要目标是找到一个底层模型，可以帮助描述整个过程并找到适应现有工具、借鉴其他行业经验或改进软件工具的可能性。

图1: 沿着船舶建造生命周期对齐的流程 - 设计、项目管理和数据管理 - 每个功能都有独立的应用程序和界面

3. 目标驱动设计

船舶建造通常使用专门的软件应用程序进行功能设计和计算，使用建模软件进行详细设计，并使用各种应用程序进行生产管理。

历史可靠的基于CAD的船舶建造技术利用3D模型数据和自动化生产输出（Seppala，2021）。这是一项经得起考验的技术，可以有效地解决船舶建造工程、设计和并行协作的复杂性。对于大型项目，许多工程师和设计师可能达到数千人，他们需要访问各种设计数据，以确保在线协作和安全层。

详细工程，也就是大部分时间都花在船舶设计上的地方，通常使用面向目标的CAD软件（Sieranski和Zerbst，2019）。一些部件，通常是各种用途的设备和装置，由专门的分包商开发和提供。其他部件是从钢材或钢筋在车间或船上制造的。设计这些部件是具有挑战性的，其复杂性主要来自这些部件之间的拓扑关系的数量之多。此外，如果必须同时执行工作，并涉及多个专门从事特定设计学科的分包商和提供现代船舶上使用的各种技术（这是大多数情况），复杂性水平将会增加。管理这种复杂性要求使用面向目标的设计应用程序。使用多编辑和保留拓扑关系，可以在不将每个部件存储为单独的3D对象的情况下镜像和重复使用类似的结构部件。

这种方法生成各种各样的数据类型，包括3D几何形状、元数据、拓扑关系、产品和工作分解结构等。在当代船舶建造中，将这些数据与制造执行系统（MES）、采购和物料管理以及企业资源规划（ERP）集成在一起是一项挑战和一种范式转变。来自其他行业（如汽车或航空航天）的现有大规模软件解决方案无法处理船舶建造项目的规模和拓扑关系的特殊性。因此，似乎可以通过在现有基于CAD的解决方案中增加数据管理系统和协作工具来组织设计和生产过程。

在设计过程中，组件的数量逐渐增加，导致数据库大小的增加。现代CAD解决方案使得更容易维护最新的3D和相关数据，但存储所有修改历史记录提出了挑战，并引发了关于信息的结构和识别所需信息的问题。

4. 数据管理

正如前文所述，船舶设计和船舶建造涉及大量数据，这些数据以特定格式和配置到达，并同时由多个专门的应用程序处理。

从技术和软件解决方案的角度考虑船舶建造过程，专业系统的组成在不同的工作范围之间存在显著差异。由于他们的工作通常包括工程和设计文档，船舶设计机构会优先考虑工程、仿真和设计解决方案。除了管理设计信息外，船厂还必须管理设计、材料、建造和人员。在船舶建造中，有一种不可否认的需求，即需要一个集中的数据管理系统，可以管理大量数据，确保数据的一致性和准确性，并促进团队合作。

行业中存在许多关于无缝数据传输的讨论，其中最经常引用的倡议包括ISO15926、STEP和OCX格式的使用，或在供应商特定格式之间进行原生数据的转换（Sieranski & Zerbst，2019）。与建筑和机械行业不同，通用数据格式和交换协议尚未出现。

所有这些因素都需要船舶建造技术要求，并增加了数据管理的复杂性。将所有这些数据存储在通用的PDM解决方案中的想法听起来可能是一个解决方案，但数据的数量和互连性引发了担忧。透明的数据结构模型可以改善情况，但关于这种模型应该是什么样子还没有共识。经常被引用的SFI分类提供了一个有价值的基础，但经常针对每个船厂进行修改。

理想情况可能是一个集中的数据管理系统，可以管理大量数据，使用适用于船舶建造中不同类型的船只和项目的通用数据模型，确保数据的一致性和准确性，并促进广泛的团队合作。数据安全性、完整性和互操作性是必须克服的巨大障碍。最后，大数据分析提供了改善船舶建造效率、降低成本和增强安全性的机会；然而，管理由各种来源产生的大量数据是一个重大挑战。

5. 流程管理

除了IT和集成架构方面的挑战外，成功的船舶建造项目管理还需要优化协作流程。由于希望缩短项目工期以及涉及分包商或具有远程办公室的附属公司，跨设计团队、学科、阶段和地理位置的并行设计过程变得更加普遍。这需要强大的设计数据控制和管理以及流程管理工具。

有几项研究计划从不同的角度探讨了这些领域，然而，通常集中在单个项目或单个船厂情况上，并忽略了底层的通用模型讨论。

将精益原则应用于船舶生产是解决这些障碍的一种策略。在他们的研究中，Song和Zhou（2022）提出了一种基于精益原则的船舶建造制造过程，该过程优先考虑消除浪费和优化工作流程。研究发现，将精益原则应用于船舶建造项目可以提高效率并缩短交货时间。

使用类似的策略，Ahn和Kim（2022）提出了一种用于调整大型块生产和排定船坞设备使用的方法。他们证明，将精益原则应用于生产计划可以显著提高生产效率并缩短项目交货时间。

此外，探讨了需要强大的设计数据控制的离岸船舶生产。Semini等人（2022）研究了在离岸生产船舶建造项目中管理设计数据的困难。研究提出了一个管理设计数据的框架，包括数据交换协议、安全措施和验证程序。

专注于制造战略是重要的，但设计过程，包括创新和决策方面，也需要数字支持并且必须加以考虑。Garcia Agis（2020）讨论了将数字工具纳入船舶设计过程中以促进创造力和决策。这包括利用虚拟现实、仿真和数字原型工具来增强协作和决策。

最后，需要考虑在整个船舶建造管理讨论的背景下考虑船厂业务管理。Bruce在他2021年的著作中提到，将船厂管理与业务战略相一致对于长期成功至关重要。这包括将船舶建造项目与业务目标相结合，建立清晰的治理结构，并培养不断改进的文化。

6. 寿命周期方法和不连贯的船舶建造利益相关方

船舶建造中的寿命周期方法是一种全面和系统的方法，用于管理船舶的整个寿命周期，从其初始设计到最终处理的过程。这种方法确保了船舶的每个寿命周期阶段，包括设计、建造、运营、维护和处理，都得到有效管理。

寿命周期方法是建立在总寿命周期管理的基础上的，它是一种管理产品整个生命周期各个阶段的综合战略。对于船舶建造，这种策略要求所有项目利益相关方，包括船舶设计师、船舶建造者、船舶所有者和监管机构，共同努力，尽管今天它在某种程度上仍然是一个理论概念。

寿命周期方法始于船舶的设计阶段，船舶设计师在此阶段创建了一个功能性的，后来详细的船舶模型。该模型用于模拟船舶在不同条件下的性能。在设计阶段还考虑了环境和安全法规、船舶的预定用途以及运营要求。在建造阶段，按照设计建造了船舶。在这一阶段，实施质量控制和安全措施，以确保船舶按照设计规格建造。建造完成后，船舶进入运营阶段，此阶段将其投入使用，并用于其预定的用途。在此阶段，监控船舶的性能和维护，以确保其持续安全和高效的运行。在维护期间进行定期检查和维修，以确保船舶保持良好状态并继续有效运行。此阶段还涉及更换已经过时的部件和系统。处理阶段涉及船舶的安全和环保的停用和处理。此阶段包括危险材料的清除和所有废物的妥善处置。

在船舶建造中，寿命周期方法被认为是一种全面和系统的方法，用于管理船舶的整个寿命周期。这种方法确保了通过协调所有项目利益相关方的努力，有效地管理了船舶的每个寿命周期阶段，从其初始设计到最终处理。

寿命周期中利益相关方的变化是这一策略的一个明显复杂因素。如果第一阶段主要集中在船舶的功能性设计，第二阶段主要集中在船舶的详细设计和建造，而第三阶段完全独立于船厂的运营。在这一阶段，船东可以从使用船舶的数字资产或数字孪生体获益，但这很少发生。

另一个阻碍因素是项目的相对短的交货时间，与其他行业（如汽车和航空航天）相比，这种情况排除了广泛的变种研究。如果汽车原型的设计可能需要数年时间，但之后会生产数百万辆汽车，那么对于船舶建造来说，将会建造一艘按订单制造的独特船舶，最多还可能有几个修改后的姐妹船项目。

上述所有因素使得在船舶建造中使用PLM具有争议性。尽管寿命周期阶段是明确的，但利益相关方的变化以及船厂的低利润幅度阻止了该概念的有效使用。

7. 船舶建造数据的集成管理

集成船舶建造数据管理是指在整个船舶的寿命周期（或建造船舶的过程）中，高效地收集、存储、处理和分析船舶建造项目数据。船舶建造业已经认识到数字化转型的重要性，近年来对集成数据管理平台和系统的研究也在不断扩展。

Lee（2020）讨论了为船舶建造过程管理开发的集成信息系统的发展。该系统旨在通过整合设计、工程和生产过程来提高生产效率。作者还强调了标准数据格式的重要性，以促进在参与船舶建造过程的各个部门和利益相关方之间的信息有效交流。

Zhang等人（2021）研究了船舶建造业内数据驱动的智能决策技术。作者分析了使用大数据、机器学习和其他数据分析技术来改进船舶建造决策的应用。他们还强调了数据质量和集成对于有效决策的重要性。

Choi等人（2021）提出了一个船舶建造集成数据管理平台的设计。作者认为，该平台应能够实时从多个来源收集、处理、存储和共享数据，以改进决策和整个船舶建造过程。

Kim等人（2022）提出了基于数字孪生的集成船舶建造过程管理系统。数字孪生是物理系统的虚拟模型，可以实时监控和分析数据。作者认为，将数字孪生的概念纳入船舶建造中可以提高效率、降低成本，并提高最终产品的质量。

总之，船舶建造业可以从集成数据管理平台和系统中获得实质性好处，这些平台和系统可以在整个船舶的整个寿命周期中实现高效的数据收集、处理、存储和分析。整合数字孪生概念、大数据分析和机器学习可以提高决策和整体效率。

8. 结论

提出的船舶建造过程层次结构概述了船舶建造者获得竞争优势并从数字化转型中受益的机会。本文强调了对有效船舶建造至关重要的三个层次：目标驱动设计、数据管理和流程管理。此外，目标驱动设计对于管理船舶零部件的设计和制造复杂性至关重要。同时管理船舶设计、工程、生产和维护数据严重依赖于数据管理。一个集中式数据管理系统可以确保数据的一致性和准确性，管理大量数据，并促进团队协作。总之，在管理数据和流程时，需要采用一种全面的方法，以提高船舶建造过程的整体效率和效果。

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