潜艇开发的数字化进程 ——开创高效开发以及生产多样化的新时代

概要

    世界各国都在寻求能满足国防需要的经济实惠而又可靠的设计，来满足对潜艇（包括核动力潜艇和常规潜艇）空前旺盛的需求。但现代潜艇的成本和复杂性经常会超出大多数国家的国防预算。因此，潜艇开发商一直在寻求技术解决方案，帮助船厂在预算内按时制造出这些关键资产，同时确保潜艇的性能、耐久性和可用性，从而实现可接受的总拥有成本(TOC) 目标。

    集成产品开发环境 (IPDE) 的出现，帮助许多领先的潜艇制造厂有效解决了这些棘手的难题。IPDE 是高度集成的同步环境，可用于在庞大的设计师与工程师团队、生产经营、采购和供应商之间建立和谐、忠诚的关系。因此，分散于各处的不同团队便可以齐心协力，因为他们确信自己掌握了正确的系统和组件要求，并且正在使用最新的设计和配置更改。另外，生产团队还可以使用每个船舱和系统的三维模型来优化船厂的原料周转以及装配、系统试运行和海上试航。

    为潜艇开发而实施的 IPDE 远比其前身更加复杂，已在最具挑战性的汽车和航空航天环境中经过验证，从而使船厂的总体生产效率以及船舶性能都有了前所未有的突破。将来这些优势将会扩展到整个供应链，从而降低这些关键战略资产的总拥有成本。

第一代（20世纪80年代：计算机辅助软件诞生）

    20 世纪 80 年代，第一代计算机辅助软件开始进军船舶开发领域，为设计师和系统工程师提供二维潜艇布局图、系统图和结构图。同时，计算机辅助软件工程工具提供针对具体学科的工具，用于自动执行重复分析：流体静力学、流体动力学、稳定性、有限元分析等。每套工具为团队提供各种能力来帮助其提高生产效率和优化流程，但多学科工程和运营协调属于劳动密集型工作而且很多信息是基于纸面传递，图纸仍是向生产团队和供应商传达设计意图的媒介。尽管设计和工程效率有所提升，但优秀的大型组织仍需要不断对照图纸多次核查生产计划和决策，同时在整个设计和生产阶段不可避免地处理过多的细节更改。

    更具挑战性的是，要求严苛的国家希望建造现代潜艇舰队并且在当地船厂联合生产，以确保本土企业能够在整个产品生命周期内提供完整的维修和支持，同时允许公民参与国家支持的国防计划。

第二代（20世纪90年代：提供更全面的解决方案）

       20 世纪 90 年代，诞生了新一代软件，提供更广泛、更全面的解决方案，首个商用版产品数据管理 (PDM) 系统也逐步推广开来。首批 PDM 系统为更改和配置管理提供了更加规范化、自动化的解决方案，随着新设计的规模和复杂性呈指数级增长，同时后续设计更改无休无止，这种解决方案正好可以满足船舶制造业和航空航天业的需求。无需借助软件控制和管理流程即可在大型企业内实现协调和同步的想法已经过时了。

    二维 CAD 系统逐渐被三维系统所取代，后者支持复杂的船舶数字模型 (DMU) 以及整个船厂中原料周转和装配流程的数字仿真。现有船厂工作流程和过程的数字仿真对工作效率的提升达到了两位数，至于新建船厂的提升则更大，因为在船厂建造之前就可以对过程和工作流程进行仿真和优化。依赖这一代新软件技术的潜艇项目在绩效上有一定的提升，但也有不尽如人意之处；例如，计划赶不上变化、超过预算、不能始终满足要求或性能期望。从其他行业的经验教训也可以看出，船厂要成功转型，用于造船业的新一代软件技术就必须超越单纯的信息技术 (IT) 项目。这需要船厂所有管理层的奉献和付出。正如一位高管所言，“改变绝非易事，工程师们最不愿意做的就是为了一些更好的新工具而放弃自己熟悉和喜爱的工具。”

    但是为了满足未来的需求和预算，改变势在必行。令人鼓舞的是，其他行业已通过新一代软件技术、流程改进和团队培训在生产效率方面实现了巨大的突破。

第三代（本世纪第一个十年：计算机辅助软件诞生）

       2001 年，美国国防部启动了史上规模最大的项目来同时为空军、海军和海军陆战队，以及全球约 30 个同盟国开发新一代先进的超音速多功能飞机的三个版本。由三个主要合作伙伴、多个次要合作伙伴以及包含多达 600 家公司的全球供应链共同组成的国际联盟牵头负责该项目。在拿到合同之前，该项目的领导团队决定，需要采用一种完全不同的方法来设计、开发、生产和维护一个总数可能会达到 4000 多架飞机的机群。安全性、全局观和高效协同是这个项目成功的关键。对每架飞机的序列号进行自动化配置、更改和有效管理至关重要。主要模块将在多个地点完成装配，并将在美国、欧洲和亚洲各地完成最后的组装和测试。每架飞机的生产周期将从 15 个月减至 5 个月，最后该项目预计未来 20 至 30 年每年将交付超过 200 架飞机。最后，该联盟将负责机群的维护，同时遵循基于绩效的严格新物流指标。如今，这个联盟已建立了集成产品开发环境，在 9 个国家的 140 个地点组建了 30个独立的产品开发团队。有 112 个工作流程用于管理更改（仅 2009年就有 24000 个），每周管理和归档 70000 项安全事务，其中记录了全球参与者的所有工作。

    用于这个影响深远的项目的 IPDE 已成为复杂航空航天和船舶建造项目国际化联合生产的行业标杆。该项目的数字化已经在韩国、欧洲和美国孕育了一批领先的数字化船厂。这些数字化船厂采用了新一代的软件技术，该技术提供可扩展的开放式模块化组合，可用于方便、快速地改造现有基础设施以提高设计和工程效率。这些技术还可用于提升原始设备制造商 (OEM) 以及供应链成员的生产、建造和海上试航效率。

    最终将打造出高度一体化的企业，这些企业能够更协调、更高效地生产更出色的潜艇；例如，在预算内按时交付性能满足要求的船舶，这是所有海军项目的最终目标。

    这一代数字化船厂的生产效率已经有了大幅提升，来自各个领域的团队成员几乎可以同时设计军用和商用船舶，提供船级和弦号知识/技术定义的单一来源。流程经过数字化仿真，优化了性能并消除了代价高昂的错误。一家船厂的生产效率提高了 100％以上。

    在本世纪的第一个十年，也有值得一提的旨在提高安全性或服务与支持效率的在役船舶配置管理计划。随着船队所有者和运营者寻求降低当前和未来船队的拥有成本，这种趋势的重要性正在加强。

第四代（本世纪第二个十年：PLM的诞生）

    为应对开发高级潜艇（包括核潜艇和常规潜艇）的独特挑战而量身定制的产品生命周期管理 (PLM) 组合的出现正在改变着世界上最先进的船厂，未来的潜艇舰队将变得更加经济、可靠且耐用。这些新产品组合的生产效率预测对于满足当前预算的限制条件至关重要。另外，每艘新潜艇的调试与现有潜艇的报废相互联系，因此整个舰队的准备工作不会受到负面影响。

    在一种情况下，两个项目正在联合开发精度极高、可完全互换的通用导弹发射舱。

最全面的船舶建造 PLM 还有一系列新的工程软件技术，用于分析和改进潜艇的声学特征，以满足关键的隐形要求并合成软件工具来减少自身产生的机械噪音。

    潜艇 IPDE 革新的下一步是将该数字平台扩展到所有合作伙伴、供应链和舰队支持团队成员，以最大限度提高企业的总体生产效率并降低总拥有成本。一些领先的船厂已开始呈现这一发展趋势。

未来：加强企业整合

    未来的 IPDE 解决方案将使船厂能够更紧密地整合整个企业，特别是供应链和服务生命周期管理这两个目前最重要的环节。战略合作伙伴将继续通过高度安全的专用网络进行协作并共享具有国际标准化组织 (ISO) 标准的数据（如 JT数据格式），支持建造三维多计算机辅助设计 (CAD) 模型。基于云的解决方案将帮助供应链中的其他人员从主数据文件访问所需的信息和数据，从而帮助其提高工作效率。同样，服务生命周期管理将由领先的船厂或整体服务提供商以及供应链成员和船队支持人员协调和管理。此外，所有系统和组件的平均无故障工作时间、系统可靠性指标和相关数据等在役生命周期性能将按船级和舷号准确记录，以便未来舰队能够吸收过去的经验，许多系统将不需要针对未来潜艇进行重新调整。

    今天，您会发现，全球至少有 7 家大型船厂已经进行了重要的数字转型，其中至少有两家分布在全球主要市场：亚太地区、美洲和欧洲。在每个示例中，船厂都已经被公认为特定船级领域的世界领先厂商，而且在多种情况下，船厂是高度多元化的；例如，为商业、军事和私人游艇所有者建造各种船舶。但是这些船厂的管理层认为，要想保持数字化转型带来的领先地位，他们需要继续创新和改革。可以肯定，由于其他船厂争相效仿七大船厂的举措，在未来十年中实现大规模数字化的船厂数量在全球将增加一倍或两倍。

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