領先的3D造船軟件FORAN及其應用
計算機輔助設計（CAD）技術可以提高船舶設計的效率和質量，已經成為國內造船行業的共識，國內多數骨干研究所和造船廠已經較大范圍應用了國際先進水平的3D造船軟件，具有代表性的軟件是Tribon和CADDS5，經過多年的經驗積累和二次開發，應用水平達到了一定的高度，獲得了一定的效益，目前正在擴大應用范圍；在許多尚未采用3D船舶設計軟件的設計單位和造船廠，也已經認識到3D軟件的重要性，正在進行軟件的策劃和考察，以期盡早升級到3D軟件上，提高設計水平和競爭能力。
在國際造船業激烈競爭的環境下，我國造船業提出了用15年左右的時間成為世界第一造船大國和造船強國的戰略目標。但目前我國造船行業在設計能力、建造模式、船舶質量、交船周期等方面還有差距，需要逐步提高，盡快趕上世界先進水平。
采用先進的造船模式無疑是實現以上目標的關鍵。國內造船業多年來推行的“轉模”工作，使船舶企業各級領導和管理者形成了一定要搞轉模的共識，先進的造船模式是提高造船競爭力的必由之路，是科技進步的重要課題，也是實現制度創新和技術創新的切入點。
作為首要的支撐技術，采用符合先進理念的設計軟件、提高設計水平則是保證轉模工作成功的極為重要的環節。三維產品建模使多用戶環境下的船舶設計與建造更加集成化，這意味著如下特征：
· 設計人員在一個完全交互的三維圖形環境下工作；
· 結構和舾裝可以平行設計；
· 船體外表面、甲板以及艙壁的信息能隨時供正在使用該產品模型的設計人員調用；
· 在船上某個分段區域的設計人員，可以了解到其他分段區域的信息，不管相鄰與否；
· 某個分段外舾裝的設計人員可以使用產品模型中船體結構中最新的信息；
· 最后制造出圖時，比如平面制圖、管道圖以及透視圖等，可以自動參照船體外板、甲板、艙壁、框架形式以及任何船舶構件；
· 設計人員可以在船廠預先設定的工作目錄中選擇鋼板、型鋼以及舾裝件；
· 設計人員之間可進行數據交換，遠程用戶之間可同時參與一條船的設計。
三維產品建模讓設計者使用這條船的同一個模型，從早期的初步設計一直到建造，有助于整個設計過程中數據的前后一致性。產品模型的優點有以下這些：減少設計時間、減少溝通環節、增強效率、更早的干涉檢查、更容易修改、設計錯誤的大量減少、設計信息的主要來源以及給予產品的可利用性。這種技術還可以包括專家系統以及人工智能。
在船舶設計中，當前的主要發展趨勢為：
· 使設計模式滿足現代造船模式的要求，與生產模式保持一致，提高船舶建造的生產
率和質量；
· 采用并行工程，縮短設計周期，從而加快交船周期；
· 提高設計質量，節約材料和工時，減少設計修改，從而提高質量、降低成本；
· 建立船舶產品的全3D數據庫，為產品數據管理、生產管理、物流管理等系統提供完整的數據源，實現數字化造船。
目前國內已經采用的各種3D船舶設計軟件，部分實現了上述的功能，也能夠部分滿足現在造船模式的要求，但或多或少地存在下列問題：
· 不能覆蓋船舶設計建造的所有專業，或在某些專業領域功能較弱，需要其它軟件進行補充；
· 功能不夠完善或不符合中國造船業的特點，需要各個船廠投入大量的人力物力進行二次開發才能在實際項目中使用，也造成了低水平重復；
· 軟件的設計理念相對陳舊，不符合先進造船模式，制約了轉模工作的開展；
· 軟件的底層架構和開發語言明顯落后，有的軟件只能在UNIX平臺上運行，使得企業采購和應用成本增加，特別是難以獲得滿足二次開發需要的人才；
· 軟件內部管理多采用文件系統，與其他應用軟件（如物流、ERP、PDM等）系統難以交換數據，不利于展開以“數字化造船”為標志的企業信息化建設；
2. FORAN軟件的特點
FORAN軟件由西班牙SENER集團開發，該公司以船舶設計起家，已有50年的歷史，具有40多年的造船CAD軟件開發和應用經驗。目前在進行軟件開發和應用的同時，仍然承接船舶設計項目。FORAN軟件是世界上應用最為廣泛的大型造船專業軟件之一，全球用戶包括了120家以上的設計公司和造船廠，近年來更以較快的速度在全球推廣。
圖1. FORAN船體結構設計
1. FORAN是由船舶設計師開發、為船舶設計師使用的軟件，符合船舶設計師、船廠的工作模式和生產特點；FORAN軟件可以用于各種船型的設計建造，包括常規客輪、貨船、非對稱船、雙體船等，各種軍用艦船包括航空母艦、巡洋艦、驅逐艦、潛艇等，也可用于FPSO、海洋平臺等。
2. FORAN于2000年重新編寫代碼，基于Windows、C++語言開發、OpenGL圖形語言、NURBS數據表達、Oracle數據庫等，形成了一整套先進的軟件體系和友好的用戶界面；用戶可在FORAN環境中無障礙地使用中文；其二次開發環境非常便于掌握；
3. FORAN覆蓋了造船領域所有的專業，包括總體設計、船體結構、管路及HVAC、舾裝、設備、電氣、住艙設計等；同時，FORAN可以滿足初始設計、送審設計和詳細生產設計的全部需求。
4. 全3D的船舶產品模型建立在Oracle數據庫基礎上，數據管理自始至終由Oracle完成，確保了數據模型的統一，同時也為與其他應用系統交換數據提供了方便的條件；同時，FORAN可以支持分布式數據存儲和管理，支持并行工程，可以滿足異地協同設計的要求，不同專業的設計人員可以隨時了解其他專業的設計進程、協調設計；
5. 全船的3D產品模型保證了設計的一致性和數據的精確度，同時可隨時進行干涉檢查，可在極大程度上避免設計錯誤、提高下料精度、減少切割和焊接的余量。這樣可以大量節約設計和生產的時間，節約原材料，為模塊化生產、分段制造、殼舾涂一體化等提供了堅實的技術基礎；
圖2. FORAN舾裝管路設計
6. 在全船的設計中應用了Topological（拓撲化）技術，實現了船體結構、舾裝、管路、HVAC、電氣、住艙等各種組件及其相互關系的相對位置定義，在某一足見修改時，系統可以根據約束條件對相關組件自動修改，解除了設計師修改設計時的顧慮，極大地提高了設計質量和設計效率；
7. FORAN的“實時漫游檢查”功能可以允許設計師隨時通過漫游方式檢查全船外觀、各個零部件，對船上人員的活動、維修維護、煙霧流向、燈光效果等進行仿真，并隨時修改；
8. FORAN軟件將設計和生產緊密聯系在一起，所有的設計可以隨時根據需要進行套料、管段制造和安裝，并直接生成小票圖、材料清單（BOM）、自動產生數控路徑和程序；每一分段或模塊可計算出重量和重心，為指導生產提供依據；
9. FORAN提供了完整的、可定制的生產策略（建造方針）功能，針對一個項目可以制定出若干種不同的生產策略，生產組織和管理人員可根據船廠特點方便地定義分段、模塊、中間產品及其生產流程，進行生產規劃和準備；
10. FORAN軟件的PDM功能包括了船廠級的文檔管理、工作流管理、版本管理、船東變更管理等；
11. FORAN軟件提供了一系列接口，用于與各種軟件系統實現數據交換，其中包括常用的IGES、DXF、DWG、STEP、XML等；其Oracle數據庫完全向用戶開放，可以根據需要提取數據，實現與其他應用系統（PDM、ERP、物流管理等）的集成。
圖3. 俄羅斯Severnoya建造的艦艇
3. 應用FORAN軟件的成功案例
FORAN軟件在全球各地的應用中，以其上述先進的設計理念和功能特點，為船廠建立現代造船模式、提高質量、降低成本發揮了積極的作用。西班牙IZAR造船公司利用FORAN完成了眾多艦船的設計建造，包括了航空母艦在內的各種水面和水下艦艇，以及138,000立方米的液化天然氣船í?igo Tapias等；俄羅斯Severnoya造船廠利用FORAN為中國海軍建造了驅逐艦等。
以下通過一個小型造船廠Astilleros Zamakona的實例，說明應用FORAN所帶來的效益。
3.1. 船廠簡介
1914年成立的Astilleros Zamakona船廠位于西班牙北部，成立初主要建造蒸汽船和帆船。船廠位于比斯開灣的Santurce，距離畢爾巴鄂市10公里。1928年，船廠建造了第一條鉚接船。船廠有300人（包括雇員和外包人員）。1978年，Zamakona開始對建造系統進行現代化改革，1994年船廠進行了一次大規模的設備更新。
過去十年中，Zamakona交付了大約80條各種類型的船舶，包括拖輪、海洋供應船、漁船、渡船、挖泥船、泥艙船、巡邏艇、引航艇等。
圖4. Astilleros Zamakona造船廠鳥瞰
圖5. Astilleros Zamakona 40 m 冷凍拖網漁船
為了壓縮船舶建造周期，Zamakona船廠布置時考慮到了較大的材料流以及工作機構。船廠有三個建造平臺，分別是120X20米、80X14米以及80X11米。裝配碼頭有110米長，10米吃水。兩臺15噸的動臂起重機為建造平臺工作，一臺8噸的動臂起重機則在裝配碼頭作業。建造平臺上移動的起重機能起吊最多60噸重的分段。船廠有一個1300平方的鋼料場地、2100平方的分段預裝配區域以及3300平方的分段預舾裝區域。該船廠擁有數控氧氣切割機、卷板機、型材彎曲機以及管子彎曲機各一臺。Zamakona的內部設計團隊有15人。
3.2. 以前使用的方法
在實現三維產品建模以前，Zamakona一般都用傳統的、不借助計算機的畫圖技術來進行設計。入級圖紙通過外包，室內進行1:1的放樣。能夠傳遞給車間的信息非常少，特別缺乏機械和舾裝專業的信息。船體結構預先焊接，管系和空調管道則只能在船體結構建造完成后由建造師決定。
3.3. 使用三維建模產品以后
1993年，為了在質量以及交船洲其方面能同其他西班牙以及歐洲船廠競爭，Zamakona船廠決定實施CAD/CAM/CIM系統。經過評估以后，選擇了FORAM。剛開始實施時，只選用了線性優化以及船體結構模塊，1995年實施了另外兩個機械和舾裝模塊。
船廠的設計所有8臺FORAN工作站及兩臺AutoCAD工作站。由于所有成員必須從原有的1:1手工放樣轉變為現代化的3D造船模式，這種轉變過程中必然需要培訓，并轉換設計思想。
每個模塊的培訓包括四個星期。在應用該系統以后的第一條船（海洋工程供應船）的設計過程中，兩位Zamakona的設計人員在SENER公司借助工程技術支持（Technical Assistance）工作了兩個月。接下來的設計在船廠進行，而且沒有出現差錯。由于設計人員已經習慣了三維設計模式，后續的機械和舾裝模塊就不再需要這種直接的技術支持。
升級到三維產品建模以后獲得了以下提高：
· 節省35%的材料成本
· 節省35%的人力成本
· 建造周期縮短25%
· 節省30%的設計人員開支
· 建造產品質量提高
· 如今每年交船10條，而1980年時一年交船4條。
之所以有這樣顯著的提高，是由于給生產提交了更多更好的信息、生產過程中所發現的設計錯誤明顯減少（低于3%）以及因而在材料和人力上開支的降低、更準確的材料預估、設計工時的減少、分段預裝配、更早得出材料清單、能為數控切割機以及彎管機提供數控信息以及提供給計劃部門信息。
4. 總結
國內造船行業正在快速發展，生產能力的逐步提高，對設計質量、交船周期、建造成本等提出了越來越高的要求。FORAN軟件先進的理念和完善的功能，正是協助造船企業建立健全現代造船模式有力的工具。
目前大力倡導的轉模，是要建立以中間產品為導向的區域作業。隨著轉模的不斷深入，生產設計要按中間產品出圖，組織生產要以中間產品進行區域定置作業，而且還提出了中間產品成品化，要求其質量與尺寸精度嚴格控制。這些從提高中間產品的質量、尺寸精度與提高生產效率的轉模要求，也是推進船舶先進制造技術體系中應用其核心技術與基礎技術的要求。
FORAN軟件可以在全3D集成環境下進行船舶產品的數字化設計和建造，集中體現了總體設計和生產設計一體化的思想，同時提供了良好的數據庫管理系統和多種數據接口，可以為國內造船企業的數字化、信息化架設中起到重要的作用。
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