数字化技术在船舶船体舾装精度控制中的应用研究

摘要：随着三维建模与仿真、激光测量与定位、数字化装配及数据管理等技术的持续发展，其为舾装件精度控制提供了高效且精准的解决方案。本项目研究成果能够显著提升船舶舾装件的精度，优化制造流程、缩短生产周期并降低制造成本。因此，开展基于数字技术的船用舾装件精度控制方法研究，对推动我国造船行业高质量发展具有重要的理论与实践价值。本文通过分析船舶舾装件精度控制的重要性、传统方法及存在的问题，探讨数字化技术在船舶船体舾装精度控制中的应用，以期为我国造船企业的发展提供一定借鉴。

关键词：船舶船体；舾装精度控制；数字化技术；应用

中图分类号：U671

随着世界造船工业的快速发展，造船工艺的精度要求日益提高，尤其是舾装环节。船舶舾装的精度不仅关系到船舶的使用性能、质量与安全性，还与船舶的建造周期及造价密切相关。传统的舾装精度控制手段依赖人工测量、经验调试及机械工具，在精度、效率与系统性等方面存在明显不足，已无法满足现代化造船对高精度和高效率的需求。而数字化技术的迅猛发展，为船舶舾装精度控制带来了前所未有的发展机遇。

1 船体舾装精度控制的重要性

1.1 对船舶性能、质量的影响

舾装件的精度控制直接关联到船舶的使用性能与质量。船舶的航行性能、操纵性、稳性、抗风浪能力及乘坐舒适度等均为影响其整体性能的关键因素，而船舶与舾装件的精密匹配是决定船舶航行性能的核心要素。例如，船舶推进系统、舵系等舾装件的装配精度，对船舶的推进效率和操纵性影响显著。若舾装件装配不当，会导致船体受力不均、阻力增加、航速降低，严重时可能引发偏航，甚至威胁航行安全。舵系的装配精度同样关键，舵心与船舶纵中剖面不重合或舵角不准确，会使操纵性能下降、转向半径增大、灵活性降低。 此外，船体的稳定性与舾装精度关联紧密。舾装件的位置及重量分布直接影响船体的重心、浮态等参数。舾装件装配精度不足会造成船体重心偏移、失稳，易发生倾覆，在高海况下这一问题更为突出。为保障船舶的整体质量，必须严格控制舾装件的精度。舾装件的装配精度对船体的密封性、防水性和防火能力影响重大。以船舶舱室为例，其密封性要求极高，若舱盖、人孔盖、管路等舾装件的装配精度不达标，会导致舱内漏水或漏气，影响船舶安全运行。同时，船舶电气系统、管道等配件的装配精度直接关系到整体的安全性与可靠性，如电线敷设不规范、管系连接错误，可能引发火灾或泄漏等安全事故。因此，装配精度控制直接关系到船舶的安全运行、高效运转及使用寿命。

1.2 对船舶建造周期和成本的影响

在造船过程中，舾装精度控制是不可忽视的环节。舾装工程在造船工程中占比极大，其进度与质量直接影响整个造船工期。若对舾装精度控制不当，可能产生装配误差，进而导致返工、拆卸、重装等一系列问题，严重阻碍造船工期。例如，在船体分段闭合时，若装配零件的精度未达标准，会造成装配部件间的对接难题，需耗费大量时间与人力进行调试、校正。此外，舾装精度问题还会影响后续涂装和调试工作的正常开展，导致施工进度延误。 在成本方面，装配过程中的误差往往会大幅增加装配成本。一方面，返工和校正工作需消耗更多的人力、物力和时间，直接导致费用上升，如对精度不达标的舾装件进行再加工或替换，会增加材料及制造费用；另一方面，返工过程中可能损坏已安装的其他零件，造成不必要的损失。同时，建造周期的延长会使设备租赁、场地占用、人工等间接费用增加。另外，因装配精度问题导致的交货延误，可能产生违约及违约金赔偿等情况，给航运企业带来较大经济损失。因此，加强精度控制不仅能提升造船品质与性能，还能有效缩短造船周期、降低造船成本，增强造船企业的市场竞争力与经济效益。

2 船舶船体舾装精度控制的传统方法及存在的问题

2.1 传统舾装精度控制方法

（1）人工测量与检测

目前，船舶舾装精度控制多通过人工测量和检查实现。施工过程中，通常使用卷尺、水平仪和经纬仪等工具。卷尺是常用的长度测量工具，操作简便，但测量精度通常仅能达到毫米级。水平仪主要用于检测设备及甲板等部件的水平度，通过其显示位置判断是否水平，却易受外界振动及人为操作因素影响。经纬仪常用于大尺寸构件的角度和距离测量，但其操作繁琐，对操作者的技术水平要求较高。 人工检测的流程大致为：记录测量数据，对照设计图分析偏差，提出修正意见。在施工现场，需对主要部位的尺寸、位置逐一测量，并手动将数据录入表格或图纸，再与设计要求比对，判断是否符合精度标准。该方法耗时费力，且易受人为因素影响产生误差。

（2）经验式控制

在传统造船工艺中，舾装精度控制主要依赖熟练操作人员的经验。在传统舾装件加工过程中，操作人员凭借经验进行装调是重要方法。熟练的操作人员可根据实际经验直接判断并调节舾装件的安装位置和角度，如管道安装时，凭经验判断管道方向、倾斜程度，人工调节管道支承及连接位置以达到精度要求。 装配过程中，各作业人员的经验及合作模式也会影响舾装精度。例如，船舶修造工、管工、电工需紧密配合，通过口头沟通、现场演示等方式，保障舾装件的协同安装。但传统经验控制方式存在较大不确定性，由于不同作业人员的操作能力、经验积累存在差异，导致精度控制结果不一致。

2.2 传统方法存在的问题

（1）精度受限

传统舾装精度控制方法存在明显的精度局限。首先，人工测量存在多重误差来源。测量仪器自身的精度是影响测量结果准确性的关键因素，如皮尺的尺寸精度有限，实际操作中因拉伸、弯曲等变形易产生测量误差。此外，人为因素造成的误差不可忽视，如读数时因观察角度偏差、估计误差等，会导致测量结果不准确。 其次，传统控制方法的误差较大，这是测量结果准确性不足的主要原因。由于舾装作业种类多、工艺复杂，各作业人员的作业经验、熟练程度存在较大差异。例如，对于大型机械，有经验的人员可凭感觉和经验将其安装到位，而经验不足的人员可能因判断失误造成安装误差。传统基于人工经验的装配控制模式难以保证装配过程的一致性与稳定性，导致装配精度不稳定，无法满足现代造船的高精度需求。

（2）效率低下

传统舾装精度控制方法效率较低，严重影响造船工程的施工进度。一方面，传统手工测量方法耗时费力，在造船这一复杂环境中，作业人员需对大量舾装件逐一测量并手工记录。例如，为保证各分段间的准确对接，分段闭合过程中必须对多个连接点进行精确测量，这种方式不仅耗时费力，还会因重复测量和校验浪费大量时间。 另一方面，传统调试方法繁琐，重复试装造成大量时间浪费。由于缺乏精准的测试与分析方法，船舶舾装装配时，常需对舾装件的位置、角度进行多次调试才能满足设计要求。例如，安装甲板设备时，可能需要多次移动仪器，反复校正其水平面和垂直度，直至达到精度标准。这种重复试装模式不仅增加了工作人员的劳动强度，还极大地降低了造船速度和交货效率。

（3）缺乏系统性和可追溯性

传统舾装精度控制方法缺乏系统性和可追溯性，不利于质量问题的追溯与改进。实际操作中，人工测量和经验式控制过程通常是分散且非标准化的。测量数据多以纸质记录形式保存，易丢失或损坏，且难以进行系统化分析与管理。例如，造船工程施工中，因施工人员的操作差异，各工序采集的测量数据存在偏差，导致数据集成与检索困难。 这种分散的数据管理方式，难以对舾装件精度控制过程进行有效监测与分析。当产品出现质量问题时，难以快速、精准地追溯原因，无法及时采取有效的改进措施。这种缺乏系统性和可追溯性的控制方式，不仅阻碍船舶建造质量的提升，还制约造船企业对生产过程的精细化管理。

3 数字化技术在船舶船体舾装精度控制中的应用

3.1 三维建模与仿真技术

（1）船体及舾装件的三维建模

三维建模是现代船舶设计中不可或缺的重要手段。以CAD、SolidWorks为代表的通用软件已在船舶设计中得到广泛应用。CATIA是一款具备高精度、复杂曲面造型功能的三维建模软件，能够实现船体外板、甲板、舱壁等关键构件的高精度建模。SolidWorks因其操作简便、参数化造型效率高，适用于甲板设备、管道、电缆等舾装零件的设计。 船体三维建模过程中，精度通常需达到毫米级及以上。例如，船体外板厚度、肋骨间距等重要参数需严格按照设计图建立模型。参数化建模法是船舶舾装件设计中的常用方法，通过确定舾装件的尺寸、长度、角度等关键参数，实现其尺寸的自动优化。该方法在保证建模精度与一致性的同时，能有效提高设计效率。

（2）舾装精度的虚拟仿真

虚拟仿真技术是数字化技术在船舶舾装精度控制中的重要应用。借助ANSYS、ABAQUS等大型计算机软件，可实现船舶舾装件的整体仿真，该类软件能对装配序列、零件间的相互干扰及应力进行分析。 在装配序列模拟中，通过优化装配工序，保障主机、甲板起重机等大型舾装件的有序安装，避免因工序安排不当导致的返工。通过装配组件的干涉检验，可检测装配构件间的空间冲突，例如管线敷设中，利用干扰检测技术能预先发现管线与结构部件、线缆的碰撞情况，并进行相应调整。对舾装件的应力分析，可确定其在装配及服役期间的应力状态，保障舾装件的强度与可靠性。设计者利用虚拟模拟技术，能预先检测构件间的干涉、应力集中等精度问题，进而优化装配方案，减少装配工序的返工次数，提升装配效率与质量。

3.2 激光测量与定位技术

（1）激光跟踪测量系统

激光跟踪测量系统是造船工程中用于船体分段闭合及大型舾装件装配的高精度检测装置，由激光发射器、反射镜、测量传感器三部分组成。激光发射器发射激光束，经反射器反射后，探测器通过接收光线的时间与角度参数，计算出反射面的位置信息。该系统具有精度高、可实时动态监测等优势，精度可达毫米级及以上。 在船体分段合拢过程中，激光跟踪测量系统能实时监测分段的对接位置和姿态，确保分段间的精确对接。例如，采用激光跟踪测量技术，可在大段分段吊装过程中实时调节各节段的定位及角度，保证节段与预制节段的无缝对接。对于甲板起重机、主机等大型舾装件，利用激光跟踪测量技术可实现准确定位，确保其符合设计要求，提升装配精度与效率。

（2）激光扫描技术

激光扫描技术能快速测量被测物体的表面形貌、尺寸等信息，通过对目标进行激光扫描获取点云数据，实现被测物体的三维建模。在船舶制造中，利用激光扫描检测船体及舾装件具有重要意义。 例如，船体分段加工后，通过激光扫描技术可获取船体的真实外形及尺寸，并与设计模型对比。将点云数据与设计模型比对，能快速发现生产、安装中的误差，为后续误差校正奠定基础。若发现分段外板形状与设计模型存在偏差，可根据扫描结果进行修正。此外，激光扫描技术还可用于舾装件的现场安装检测，确保其安装位置和姿态符合设计要求，提高舾装精度。

3.3 数字化装配与定位技术

（1）数字化装配系统

数字化装配系统是以数控装备为基础的高精密装配技术，在船舶舾装件装配中应用广泛。常用的数控设备包括CNC定位装置、CNC装配平台等，这类设备采用CNC控制方式，可实现对舾装零件位置及角度的精确调节。 例如，CNC定位装置能根据设计参数自动调节管件的支撑位置，保证管件安装精度。数控装配平台主要用于大型舾装件的组装，通过数控系统进行运动控制，实现高精度组装。该设备的控制基于精密坐标系及运动控制算法，使工作流程简洁高效。设计参数可直接导入CNC系统，由其控制装配定位及角度调节，减少人为误差，提高装配效率与精度。

（2）精密定位技术

精密定位是船舶舾装设计的关键环节，尤其适用于大尺寸舾装件的远距离定位与安装。卫星定位（GPS）结合视觉识别技术是实现船舶舾装件远距离定位的有效手段，该方法通过摄像机获取舾装部件的影像，再与图像识别算法匹配。 例如，大型甲板设备装配时，采用卫星与视觉结合的方法可实现较高的远距离精确定位。将多种定位方法有机融合，能有效提高舾装件的绝对与相对精度，使其满足设计需求，提升船舶的整体精度。

3.4 数据管理系统

（1）船舶建造数据的采集与存储

数据管理系统是造船工程中的重要环节，通过传感器和测试仪器可实时获取船舶制造过程中的尺寸、装配、检验等各类数据。例如，利用激光跟踪、激光扫描等技术实时检测船舶各部分及舾装件，通过传感器实时监控其工作状态及环境参数。 采集的数据经网络传输至中心数据库，进行分类、存储与管理。为确保数据的完整性与准确性，采用先进的数据库管理系统，并通过结构化与非结构化相结合的数据存储方式，便于后续数据检索与分析。例如，将产品的尺寸数据、装配数据进行结构化存储，实现快速检索与统计分析；将激光扫描生成的点云数据以非结构化形式存储，用于后续三维建模和比对分析。

（2）数据分析与质量控制

数据分析是数据管理系统的核心功能之一，通过统计分析、数据挖掘等技术对采集的数据进行深度分析，可发现舾装精度控制过程中的规律与问题。例如，对测量数据进行统计分析，能识别频繁出现的偏差点，定位潜在的设计或制造问题；利用数据挖掘技术可挖掘数据中隐藏的关联规则和趋势，如分析不同阶段的装配数据，发现装配顺序对精度的影响。 根据数据分析结果，可制定针对性的质量控制策略，实现对舾装精度的动态监控和持续改进。例如，若某一区域的装配精度普遍不高，可采取改进装配工艺或强化产品检验等措施解决。通过该系统，造船企业能更好地控制舾装件精度，提升造船质量与效率。上述数字技术的应用，大幅提高了舾装件精度控制水平，在提升造船精度与效率的同时，增强了造船工艺的系统性与可追溯性，为造船产业数字化转型奠定坚实基础。

4 结语

本研究表明，采用数字化技术对船舶舾装件进行精度控制具有显著优势。三维建模与仿真技术为舾装件设计及装配方案优化提供有力支撑；激光测量与定位技术实现了船舶舾装件的高精度实时检测与定位；数字化装配系统有效提升了舾装件的生产效率与精度；船舶舾装件数据管理系统为精度控制提供了全方位的监测与改进手段。 本项目研究有助于提高造船工艺的精确性与高效性，增强造船工艺的系统性与可追溯性，为造船行业数字化转型奠定基础。然而，当前数字化技术在舾装件精度控制中的应用仍面临技术成本偏高、专业人才短缺、技术集成难度大、数据安全性不足等问题。未来，随着智能化、物联网、大数据、虚拟现实等技术的深入发展，船舶舾装件的智能化、自动化及集成化程度将不断提高。造船企业应主动采用数字技术，加大技术研发与人才培养力度，优化技术整合方案，以提升核心竞争力，推动我国造船业高质量发展。

参考文献

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作者简介：章英海（1973—），男，汉族，安徽太湖人，本科，中级工程师，研究方向为船舶舾装工程。