一、船舶设计领域面临的形式
21世纪以来，我国船舶业实现了跨越式发展，综合实力、国际地位稳步提升，造船完工量、新接订单量和手持订单量持续增长，已进入世界造船大国行列。经过30年的发展,我国船舶工业已经具备了向世界造船强国冲击的基础和条件。
造船强国需要不断应用各种新技术提高造船的效率和质量，实现数字化造船是成为造船强国的重要标志之一。数字化造船技术融合造船过程知识并通过建模仿真与优化，将信息技术全面应用于船舶设计、制造、试验、运维、管理、经营和决策等全过程，以达到快速建造和快速响应的目的。
现代制造业管理理念的转变和信息技术的发展深刻地改变着传统制造业。日、韩、美、欧等造船强国均十分重视以先进的信息技术改造传统的造船设计和建造方式。造船强国在设计技术方面普遍采用了三维设计建模；在信息集成和数据共享方面采用了产品数据管理系统，实现了并行协同设计和生产；在制造方面，虚拟制造技术已应用于生产实践中，实现了生产过程数字化模拟。
日本高度重视造船信息化的自主开发与创新，各造船集团如日立、三菱、三井、IHI、住友等均组织力量自行开发造船CIMS（计算机集成制造系统），都已实现了数字化造船。
韩国大力推行造船信息化，各造船集团如现代、大宇、三星等广泛引进欧美的造船CAD系统，如TRIBON、Intelliship等，并结合自身企业的特点自行开发造船CIMS（计算机集成制造系统），缩短了船舶设计建造周期。
美国政府在船舶建造过程中借助先进的信息化理论和技术，以敏捷制造为指导，在船舶制造过程中以虚拟企业、虚拟产品、虚拟制造的全新船舶建造方式，实现了快速、精准、灵活、低成本、高质量的舰船生产。
欧洲造船界通过统一的信息平台将12个国家的48个企业、公司、研究机构整合起来，形成虚拟企业联盟，大大缩短了研制周期、提高了产品质量。
国内造船企业十分重视信息化改造工作，各造船企业均引进或开发了一些面向特定应用的信息系统。在造船CAD/CAM领域的应用较为成熟，各企业设计部门已普遍使用CAD/CAM系统进行详细设计和生产设计。如使用引进的TRIBON、CADDS5等系统，或使用国内自主开发的SPD、SB3DS系统等。部分企业使用通用CAD软件AUTOCAD等作为辅助设计工具；有些企业已开始应用PLM系统，如引进的Windchill系统、3DE系统、西门子软件等，或国内自主开发的PDM等进行产品数据管理和设计过程管理；有的企业引进了国外HANA造船CIMS系统，在二次开发的基础上开始了设计生产一体化的应用实施。
二、船舶设计领域的瓶颈问题
我国船舶工业通过多年的信息化建设，各设计所及船厂在虚拟样机、快速设计、产品数据管理、内部并行协同等数字化技术方面有了较大的发展。但是也存在厂所协同、产品设计、工艺设计与仿真验证等方面数字化能力不足，导致产品研制效率不高，成为产业发展的瓶颈问题。
（1）数字化协同研制流程未打通
受到设计院所与制造企业之间的地域隔离限制，设计与制造层面难以实时传递数据，无法实现协同设计和更改的快速响应；技术协调以传统的线下沟通和现场协调为主，制约了船舶一体化并行协同研制模式的发展。
（2）三维数字化设计和仿真未覆盖
设计院所已进行了基于三维模型的船舶产品设计和仿真的探索应用，但尚未实现在设计领域的全覆盖；尚未建立多专业、多系统、虚实融合的联合仿真综合验证体系，未实现面向全船系统的联合仿真试验综合验证。
（3）数字化工艺设计和现场应用未实现
制造企业以“三维模型+二维图纸”的方式进行工艺设计和生产制造，造成三维工艺数据断层和信息损失，难以保证工艺信息的完整性和一致性，二维工艺信息直观性差；三维工艺数据断层导致无法进行有效的三维工艺仿真，不能提前验证和发现问题，因而产生工程更改、返工返修甚至重新投产，最终造成成本浪费和进度拖延。
（4）数字化协同研制标准体系未建立
数字化应用技术的核心是数据，船舶作为一种高科技复杂产品，它的数据要求能够在整个生命周期内被正确使用，因此数据必须要按照规定的标准和规范来生成。虽然各总体厂所都分别制定了大量标准规范，并且在各自船舶型号的数字化样机构造中得到应用，但没有形成覆盖全行业的统一数字化协同研制标准体系，标准规范的滞后已严重制约了数字化设计、制造、管理的效能充分发挥。
三、船舶数字化协同设计的发展目标
船舶数字化协同设计是借助基于模型的三维数字化协同设计解决方案，通过构建数字化协同设计平台，实现船舶产品设计模式转型，提升船舶工业核心竞争能力。
（1）提升厂所数字化协同设计能力
建立单一产品数据源的环境和数字化研制并行协同机制，对船舶研制中的数据、资源和过程进行全流程协调、统一管控。
（2）提升全三维产品设计和工艺能力
打造各专业数字样机，支持产品设计、工艺设计，形成壳、舾、涂各专业设计与制造能力，全面实现以动态三维数字模型为中心的数字化研制模式。
（3）提升多学科综合仿真能力
利用数字孪生技术，建立多专业、多系统、虚实融合的联合仿真综合验证体系，实现面向全船系统的联合仿真试验综合验证能力。
（4）健全协同研制数字化标准体系
面向船舶协同研制单位，建立统一的协同研制数字化标准体系，为协同单位间设计、分析、制造、试验等各阶段提供设计和建造依据。
四、船舶全三维协同设计的建设内容
针对船舶设计领域存在的瓶颈问题，围绕船舶并行协同、全三维设计、虚拟仿真验证和设计工艺一体化的发展目标，引入数字化研制支撑技术，建议实施以下建设内容。
（1）船舶数字化并行协同设计
梳理船舶厂所的产品协同设计业务流程，面向业务过程动态多变、海量信息交互和协同关系复杂等问题，以单一产品数据源为主线，利用协同平台和产品数据管理系统等数字化管理手段，通过IPT组织，围绕产品数字样船/样机，按照成熟度控制机制和并行工程实施规范，实现整个研制的并行过程控制，既包括设计之间的并行，也包括设计和制造之间的并行，通过高度并行的协同大幅缩短研制周期。
下图是船舶协同研制平台项目规划架构图。
图1 船舶协同研制平台项目规划架构图
（2）基于MBD的船舶三维设计和工艺
全面推进基于MBD的船舶三维设计在具体产品研制中的应用；梳理船舶产品各专业各阶段之间关联关系，构建船舶多级骨架模型，实现船舶产品多专业协同关联设计信息共享、继承、传递；构建面向多学科、多物理域的全三维数字样船，实现多专业协同的全三维结构化工艺设计和管理，打通工艺数据向生产现场的传递路径；建立基于三维模型的船舶工艺仿真验证和作业指导新模式，实现船舶各专业三维工艺仿真和AR辅助复杂装配作业指导应用，提高船舶产品装配效率。
（3）基于数字孪生的仿真分析
现代船舶是规模巨大、系统结构极其复杂、技术密集的复杂装备系统。在新船型设计过程中无原型样机，首舰即交付，总体和系统设计要求一次成功，迫切需要在方案论证、方案设计、技术设计、工艺设计阶段，采用数字孪生技术，建立涵盖全舰总体级、系统级和设备级的船舶数字孪生模型，从功能、性能、行为等方面对船舶总体、分系统和设备进行多学科、多领域和高逼真度的仿真、测试和评估，改进设计缺陷，减少设计迭代周期，提升设计效率。
下图是数字孪生技术在产品设计和工艺规划中的应用场景图。
图2 数字孪生技术在产品设计和工艺规划中的应用场景图
（4）构建船舶数字化协同研制标准体系
结合船舶装备研制特点以及工程应用需求，开展船舶数字化标准体系研究，构建面向船舶全生命周期的协同研制标准体系，制定数字化设计、数字化仿真优化、数字化制造、数字化试验和数字化协同、管理等标准规范群，支撑船舶产品的全三维数字化研制过程。协同研制标准体系涉及国际标准、国家标准、国家军用标准、行业标准和集团公司标准。
五、结语
船舶工业数字化转型是通过全面的数字化和网络化，在数字世界中以数据自动流动化解竞争环境的不确定性，优化资源配置，构建船舶企业新型竞争优势。通过多年的信息化建设，我国船舶企业在数字化产品设计领域已经有了一定的积累和基础，但仍存在数字化协同研制流程未打通、三维数字化设计和仿真未覆盖、数字化工艺设计和现场应用未实现等瓶颈问题。为了突破发展瓶颈，建议全面推进产品设计、工艺设计、仿真验证环节的全面数字化和统一数据源建设，实现全三维并行协同设计模式，缩短船舶研制周期、提高研制质量，促进我国船舶工业核心竞争能力提升。
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