豪华邮轮建造挑战与数字孪生应用

什么是豪华邮轮（Cruise）

     “邮”字本身具有交通的含义，过去跨洋邮件总是由这种大型快速客轮运载，故此得名。随着航空业的出现和发展，原来的跨洋型邮轮基本上退出了历史舞台。现在所说的邮轮，是指在海洋中航行的旅游客轮Cruise。例如，精致邮轮（Celebrity Cruises）是美国皇家加勒比的旗下品牌，新船“CelebrityEdge”于2018年11月下水，12月份进行首航。Celebrity Edge由英国设计女王Kelly Hoppen，法国天才设计组合Jouin Manku，迪拜帆船酒店建筑设计师Tom Wright，等世界顶级设计师联合设计打造。如Tom Wright所述，豪华邮轮描述为三个步骤——传统，进化和革命，EDGE就是邮轮设计的革命。EDGE融入了大量的创新性设计与黑科技。所以现代豪华邮轮追求的是集艺术性、创新性与极致体验为一体的综合性旅游服务。

全球顶级豪华邮轮Celebrity Edge

豪华邮轮智能制造挑战

   一艘大型邮轮的零部件数高达约2500万，是大型商用飞机的约10倍、大型LNG船的约20倍、高铁动车组的约50倍；价值约8亿美元，是大型LNG船的约4倍、大型商飞的约10倍、高铁动车组的约30倍。设计建造一艘大型邮轮需要浩繁的工程量，即使欧洲先进船厂也需要1000万工时以上。当前我国建设豪华邮轮仍然面临着许多难关，简述如下：

（一）关键能力要求：并行协同设计能力

   并行协同设计是邮轮设计研发的基本模式，该模式在邮轮开发的初始阶段，就以并行的方式综合考虑其寿命周期中所有后续阶段(包括工艺规划、制造、装配、试验、检验、运输、使用、维修、保养等环节)，降低邮轮建造成本，提高邮轮质量。为了适应这种设计模式，国外在邮轮建造阶段将船体和舱室拆开分别进行设计建造，待船体结构完成后，再将一个个已经预制装修好的舱室整体吊装进去。舱室建造全过程计划控制都非常严格，并且其建造进度可以完全符合整体建造计划，大大缩短了建造周期。

（二）关键能力要求：船舶三维设计与仿真技术

  虚拟设计是在进行邮轮三维建模的过程中使用船舶模拟仿真技术，迈尔船厂开设“虚拟-现实观察室”，模拟出邮轮开发建造的全过程及可能出现的问题，并预测邮轮的性能、制造成本、可制造性、可维护性等。因此，在实际建造前，可以在“虚拟现实观察室”演练一遍，从而尽量避开模拟中出现的问题，从而缩短邮轮设计周期，减少设计成本。模拟分段建造。在建造模式方面，迈尔船厂采用的是总段化建造模式。

（三）关键能力要求：邮轮设计性能技术要求

   豪华邮轮总布置技术，是国内与国外差距最大的地方。需要在船上有限的空间内布置好几千人的休闲娱乐居住等各种场所，让大家玩得开心，又能满足防火救生等要求，还要不影响船舶固有的稳性强度等性能。包含船舶总体性能技术，如耐波性操纵性等；包含安全性技术，如船舶结构安全与安全逃生实施的配置等；包含舒适性技术，如减震降噪与空调暖风等；包含环保方面的要求。要熟悉规范以及各个国家在这方面的要求；包含外部美学与内部装潢。这是最难的地方。比如说豪华邮轮海上宫殿般的外观，就不是船舶工程师所能设计的，得艺术家才能设计。

（四）关键能力要求：船体构件加工与部件拼装的智能化

   船体部件拼装指的是两个或者两个以上的零件拼装成组件（小组立），两个或者两个以上的组件拼装成部件（中组立）的生产过程。部件拼装作业可以使用埋弧焊、自动角焊等高效率焊接方式，比较容易实现流水线作业，采用FCB（焊剂铜衬垫单面焊双面成型埋弧自动焊）焊接、焊接机器人等先进方法，有效的提高了工作效率。船体构件的加工可分为船体构件的边缘加工和成型加工。边缘加工主要是指经过套料的船体钢材的切割分离以及焊接坡口的加工。边缘加工的方法主要有机械切割法，化学切割方法（气割）和物理切割法（等离子切割和激光切割等）。船体构件的成型加工主要是对船体的弯曲构件在边缘加工之后进行弯曲成型。可分为板材成型加工和型材成型加工。

（五）关键能力要求：舱室预制模块化标准化技术

   预制模块化舱室是豪华邮轮建造必须具备的技术手段。预制模块化整体舱室采用系统化设计，组成各个舱室部件、部件间的连接及与船体声降噪舒适度方面最大化协调与兼容总系统间能得到在耐火分隔及隔。预制模块化整体舱室采用专业生产商工厂预制化生产及建造，实现建造舱室成品工厂产业化，建造品质可靠保障，提升舱室建造舒适度品质。预制模块化整体舱室采用预制化生产工艺，实现舱室建造与船体建造并行建造，缩短船舶建造周期，改变船舶舱室建造传统工艺，提升船舶建造效率及品质，同时优化船舶建造项目管理程序。

（六）关键能力要求：邮轮功能单元模块化建造

   通过单元化建造技术可以有效缩短船坞周期,减少吊装次数 ,提前在船厂车问内组装完成,并在功能测试合格后整体吊装上船。相对于普通客船，豪华邮轮在安全、节能环保、舒适性方面要求很高，豪华邮轮功能单元模块化建造较为复杂。为了保证其各种运行条件下的舒适性和冗余度等，豪华邮轮需配备更多模块化设备。例如，“玛丽女王2号”空调系统有中央空气处理装置122台，中央风机盘管机组数量40组，圆管长度达50KM，独立风机204台等，该空调系统设备容量、尺寸及复杂程度都非常大；安全系统包括救生设备、应急撤离装置、防火与灭火设施等。

（七）关键能力要求：分段（Block）质量与精度控制

   豪华邮轮建造工序内容越是后移，费用和工时消耗越加增长，更改的代价也逐渐加大。因此，分段的质量控制就至关重要。以阿克尔船厂为例，该厂所有分段问题都在形成总段前解决。同样，德国的迈尔船厂也有非常严格的质量控制程序，船舶下水前，在车间或船上就对所有系统及其子系统（例如管系和阀件）进行测试，发现问题尽早解决。对于技术难度高、设备和管线密集度高的分段，船厂甚至会根据需要建造模拟分段以确保其可制造性，并让工人熟悉分段建造要求，从而确保分段的建造质量。

（八）关键能力要求：“豪华”的舾装工艺要求

   船舶舾装的内容一般包括船舶设备的安装与调试和船体表面工程。船舶舾装的设备就是船上安装的各种机械、仪器、装置和设施公共空间舾装工艺是内装现场工程的难点，包括：中庭、剧场、酒吧、露天水上乐园、餐厅、SPA、多功能厅、厨房等。舾装精度要求高，豪华邮轮乘客舱室最大噪声49dB（A），最大振动级2.5mm/s（峰值速度5~100Hz），减振降噪是建造邮轮的一大关键点。而舾装设备是产生噪声和振动的最大来源，如：动力系统设备、空调通风系统设备等，这两个系统的设备基本采取弹性安装，加设消音器等措施，安装精度的高低直接影响噪声和振动的大小。同样，船上其他设备的安装都要考虑振动和噪声的要求。

（九）关键能力要求：EPC项目与变更管控

   建造豪华邮轮的风险主要来自于施工安全隐患、建造进度拖延、工程意外变更等方面。EPC模式是最适合豪华邮轮建造的项目管理模式。相比于其他工程项目的管理模式，EPC模式的优点是在有经验和能力的总承包商的前提下，项目的交叉管理效率大幅提高，造价成本和所需工期大幅降低，船东的组织协调工作量减少，但缺点就是过分依赖总承包商的管理能力与实践经历。因此，目前能够通过EPC模式开展豪华邮轮建造的几大船厂都是在邮轮产业具有悠久历史的欧洲船厂。欧洲船厂已将将数字化信息化的管理方式和前沿科技应用在邮轮建造的过程中。通过引入国外船厂先进的信息化管理技术，不但能够质量与效率，更便于实现造船工程项目的管理与控制。

（十）关键能力要求：供应链管理与成本控制

   一艘豪华邮轮通常牵涉到100个战略供应商，以及500～600个普通供应商，零件数量高达2500万个以上，供应链管理难度极大。主要供应链包括：装饰材料、客房单元舱室、厨房、冷库、垃圾处理、照明、剧场等。国内尚缺乏符合外方要求的足够数量的合格供方，过于依赖国外供方。对于成本控制,船厂需有完善的财务监控和预警体系，一旦发现进度延误、费用超标等问题，需及时调整人力、物力等计划，避免积重难返的情况。例如芬坎蒂尼的产业链策略：一是普通产品—以控制成本为主。二是杠杆产品—多家长期协议供货。三是瓶颈产品—降低交易成本。四是核心产品—建立良好的长期合作关系。

（十一）关键能力要求：融合新技术新材料应用

   豪华邮轮越来越多的融入先进科技手段。歌诗达邮轮（Costa Cruises）首艘LNG动力豪华邮轮“Costa Smeralda”号顺利完成了使用LNG燃料的技术试航。邮轮利用现代光学技术可以利用阳光来照亮走廊和床舱内部的其他位置。船载波浪能技术可以在停泊的船上发电，而动能涡轮机可以在船舶航行时产生额外的电力。邮轮客房在设计中融入了众多人工智能科技，包括蓝牙锁、智能家居系统等，旅客可以通过智能手机、语音识别、触摸式控制面板实现灯光调节、温度控制等功能选择。客房内亦设有智能传感器，自动识别房内是否有人，实现节能环保及保持舒适温度，而空调系统亦配备三个送风口以实现最佳气流输送。

西门子数字孪生助力豪华邮轮建造

        Siemens Digital Industries Software 为船舶行业提供了最全面的数字孪生建设应用，包括全面的集成式软件与服务组合，涵盖船舶生命周期的方方面面，从概念设计、生产到运营，再到经过优化的服务生命周期管理，全程满足船舶行业客户的需求。凭借为船舶行业提供尖端软件解决方案，将能够推动船舶按行业创新，提高生产力，进而克服眼前的挑战，并将企业转变为面向未来的数字化船舶企业。

     西门子数字化工厂集团工业软件全球资深副总裁兼大中华区董事总经理梁乃明先生认为：制造业变革归根结底要回归到基础，即保证速度、灵活性、效率、质量和安全，而实现这一切的关键驱动力是通过“数字化双胞胎”实现虚拟世界与物理世界的融合，西门子的“数字化双胞胎”则是从产品设计到产线设计，到OEM的机械设计，到工厂的规划排产，到最后制造执行，到最后的产品大数据，对产品、工厂、工厂云，还有产品云的监控。

                                                 全面船舶数字孪生

西门子船舶生命周期的数字化造船解决方案

设计领域数字化解决方案。豪华邮轮设计过程中缺少原型样机，首舰即交付，总体和系统设计要求一次成功情况多见。豪华邮轮建造迫切需要在总体论证和设计阶段，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模拟。西门子船舶设计数字化解决方案能够让设计人员能以船舶数字孪生模型为基础，开展多学科联合仿真，对船舶总体、分系统和设备的性能进行测试和评估，改进其设计缺陷，从而提升设计效率，减少设计迭代周期。

建造领域数字化解决方案。豪华邮轮的庞大吨位和系统组成的复杂性决定了生产建造所涉及的学科专业、型号管理、工程实施等各方面的复杂性均要远超其他工业产品。迫切需要利用数字孪生技术，建立包括产品状态、设备状态、物流状态、工艺数据、质量数据、控制信号等信息的船厂数字孪生模型，通过船舶生产建造过程全要素、全流程的虚实映射和交互融合，提升船舶生产建造的效率和质量，降低生产建造成本。西门子船舶制造数字化解决方案能够以船舶生产计划管理为核心，通过船厂数字孪生模型检验生产计划的合理性、分析寻找生产瓶颈，在实际生产前预知生产问题，从而采取措施，使得计划合理完成、减少造船过程中的浪费。

试验领域数字化解决方案。在豪华邮轮性能设计与试验验证过程中，面临实物试验环境难构建、大型实物试验费用高、试验样本少、试验覆盖面窄、试验资源异构性强、技术风险大等问题。有必要利用数字孪生技术，利用船舶数字样机模型、仿真分析数据、船舶试验数据、海域环境数据等建立船舶数字仿真试验系统，完成船舶总体性能数字仿真试验。西门子船舶仿真试验数字化解决方案能够在数字仿真试验过程中，实现船舶数字孪生模型与物理实船的“虚实结合”，一方面把船舶实物试验数据传递给数字孪生模型，实现对数字孪生模型的修正与优化；另一方面，将数字孪生模型的数据传递给物理实体，实现对物理实船控制与优化。

保障领域数字化解决方案。豪华邮轮产品一般由不同的功能空间、船舶动力、指挥通信系统等功能相对独立的的子系统组成，每个子系统又由若干单元模块组成。有必要利用数字孪生技术，通过传感器采集船舶各种设备的性能、状态参数，把数字化模型和运营的数据结合起来进行综合分析，从而提升船舶运营的效率。西门子船舶保障数字化解决方案能够及时发现船舶设备的健康状态和存在的问题，发现影响性能、故障和停机的原因，并支持预测性的维修维护预防潜在故障的发生，制定和执行相应的维修维护策略，保证船舶的安全运行，减小维修维护成本；也能够通过船舶耗能状况的在线监测与数据的自动采集，为船舶提供能耗数据评估分析结果和辅助决策建议。 

西门子船舶生命周期数字化解决方案 

   综上所述，豪华邮轮在我国有着广阔市场前景，但仍面临着各种建造挑战。通过应用工业4.0数字化与智能化制造技术手段，将能够使我国邮轮建造产业在较短时间内赶上甚至超越国外老牌邮轮建造厂。通过借助数字孪生技术实现邮轮自主设计建造和邮轮船队发展突破，构建完善的邮轮体系与效率显著的邮轮产业链，促使我国邮轮经济规模不断扩大，对城市转型、产业升级、经济发展和人民消费的支撑力和保障作用显着增强。