“5G+工业互联网”赋能船舶建造数字化转型

随着经济全球化的不断发展，国际造船业已逐步成为一个全球化市场。全球范围内各大造船企业在船体技术、性能、质量和服务等方面展开了全方位的竞争。随着国际船舶市场占有率竞争的日益激烈，以及先进技术在制造业中的广泛应用，国际造船行业在技术应用和管理体制上发生了重大变化。

“十四五”期间，促进数字经济与实体经济融合发展，推动重点行业数字化转型成为新时期建设数字中国的工作重点。船舶行业作为大国重器核心行业，转型需求急迫且难度适宜，目前已发展成为布局实施数字化转型的重点行业。

“5G+工业互联网”是指通过5G赋能工业互联网，实现人、数据和机器之间的高效互联，赋予工业场景高可靠、低延时、抗干扰的特性，推动工业制造向工业“智”造转变。中国“5G+工业互联网”大会发布的《2022年度中国“5G+工业互联网”舆情研究报告》告显示，我国“5G+工业互联网”产业顶层设计不断完善、应用赋能千行百业、产业发展规模不断扩大，融合创新发展水平持续提升。全国“5G+工业互联网”在建项目超过4000个，已在采矿、装备、电力等十个重点行业和领域形成了众多典型应用场景。

船舶产业是现代工业的集大成者，汇聚庞大的工业品市场和生态链，具有建造周期长、工艺流程复杂、中间产品种类非标件数量多等特点，船舶工业对其上下游产业的发展意义重大，是我国国民经济的重要产业和经济增长点门类。我国船舶行业亟须开拓新思路，通过全新数字化技术体系赋能船舶工业，实现产业数字化转型升级，提高国际竞争力。工业互联网是智能制造的信息基础设施，通过信息技术把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来。另一方面，5G作为新一代移动通信技术，其无线、高速、大容量、低时延、高可靠的特点与工业互联网对信息传输的要求高度契合。

本文首先对我国船舶建造的现状与问题进行分析，并对“5G+工业互联网”赋能船舶建造数字化转型的应用领域进行探讨，分析落地应用需要解决的关键技术。在此基础上，给出进一步深化“5G+工业互联网”在船舶建造领域融合应用的相关建议。

1 我国船舶建造的现状与问题

船舶建造在国民经济和国防建设中具有举足轻重的地位。我国是世界上造船总量和规模最大的国家，但与日本、韩国等造船强国相比，我国船舶建造的生产效率相对较低，普遍采用粗放式调度型的生产管理模式。

船舶制造是典型的单件生产，批量较小且依赖大量手工作业。生产管理部门以最终产品的船舶为核心，通过部门分工和工艺流程来组织生产。船舶制造部门主要包括船体、舾装和涂装，每个部门由经验丰富、熟悉生产流程的人员组成项目组，班组按照专业来划分工作。由于部门之间的工件和工位交叉并行，在时间和空间维度上均存在交叉作业，管理难度很大，常常出现脱节、等工、摩擦和推诿等问题。不同工种之间的劳动力分配不均衡，常导致前道工序忙碌，后道工序等待等问题。设计和生产现场脱节，导致图纸无法及时施工，经常需要进行多次修改，效率低下。中间产品多次转运，人力和物力浪费严重，对生产计划的控制难度很大。船舶制造的生产过程错综复杂，往往各部门更多地考虑自身的利益，难免发生矛盾延误生产。

经过多年的信息化建设，我国船舶工业在虚拟样机、产品数据管理和内部并行协同等方面取得了显著进展。然而，船舶设计、制造、运营和供应链管理等领域的数字化程度不足，常面临以下问题:

1)设计院所和制造企业在数字化协同研制机制和手段方面仍有不足，三维模型在产品设计、工艺设计、仿真验证和现场应用等全流程上尚未实现有效衔接，这制约了产品研制的效率和质量。

2)在船体建造过程中，制造企业的自动化程度较低，缺乏设备联网监控和产品质量精度数据采集。

3)运营管理方面未实现“人、财、物、事”一体化机制，常常导致数据滞后或失真、统计口径不一致等问题，尤其在人员变动时问题尤为突出。

4)产业链上下游单位的信息化水平存在差异，各环节常出现产品信息不对等、物料供应不及时、客户需求与响应不同步、后期维护与服务不到位等问题。

综上所述，虽然我国船舶工业在信息化建设方面取得了一定进展，但仍然存在一些制约因素和问题。为实现船舶工业的可持续发展，需要进一步加强数字化能力，以驱动船舶建造向数据驱动的智能制造模式转变。其中“5G+工业互联网”是船舶工业数字化转型的重要引擎。

2 “5G+工业互联网”的概念与内涵

“5G+工业互联网”是指将第五代移动通信技术与工业互联网相结合，形成全新的融合模式和应用场景，强调利用5G的高速传输能力，实现海量数据的快速传输和处理。同时，低时延的特性使得实时监控、远程操作和自动化控制成为可能，提高工业生产的效率和精确度。高可靠性和大连接性使得工业设备和物联网设备能够稳定连接和协同工作，实现智能化的生产流程和资源调配。

图 1 5G+工业互联网概念全景图

“5G+工业互联网”的全景涵盖多个层面，见图1。采用5G等技术构建新的信息基础设施，连接和集成各类传感器、设备和系统，实现工业设备和生产过程的全面感知和监控，并利用5G技术提供的高速和低时延，实现机器之间的实时协同和智能决策，提供智能驱动的敏捷生产制造能力。此外，“5G+工业互联网”推动以工业互联网为核心的数据应用，基于互联网的开放属性，支持生产制造的新模式与创新应用。

3 “5G+工业互联网”赋能船舶建造的数字化转型

如图2所示，船舶建造的数字化转型主要集中在4个方面:1)全三维数字化设计;2)智能化船舶建造;3)智能化协同管理;4)智能化运维保障。“5G+工业互联网”可在这4个领域全面赋能船舶建造，不断提升船舶建造的水平。

图2 5G+工业互联网赋能船舶建造

3.1 数字化协同设计

“5G+工业互联网”通过高速网络连接和实时数据传输，开展基于5G技术的模型基础定义(Model Based Definition,MBD)技术工艺三维模型化，通过构建全三维数字模型，实现基于数字样船的三维送审和建造，支撑无纸化造船的落地实施。此外，虚拟现实和增强现实技术的应用使得设计师、工程师和生产人员可在数字环境中实现远程协同设计。各方人员可共同参与船舶设计、模拟和验证，便于更好地理解和优化船舶设计。

3.2 船舶建造新模式

“5G+工业互联网”的赋能借助高速网络和实时数据传输，将焊接设备与云端连接，实现焊接参数的实时监控和数据记录，并通过人工智能等技术实现焊缝的自动检测和质量评估，形成焊接免检的新模式。

“5G+工业互联网”的赋能通过物联网和传感器技术，各种设备和物料可以实现实时的位置跟踪和信息交互，实现物流过程的自动化和无人化，形成无人物流的新模式。

借助5G和工业互联网技术，设计团队和工程师可通过增强现实设备，在数字化模型的基础上进行虚拟调试和装配，形成高效的增强现实调试与辅助装配的新模式。

“5G+工业互联网”的赋能通过引入传感器网络和实时数据传输，可以对船坞的状态和运行进行实时监测和管理，构建数字化船坞模式，并利用虚拟仿真等技术实现船舶的模拟测试和评估。

3.3 产供融通体系

通过“5G+工业互联网”，船舶建造过程中各个环节的数据可实现实时共享和传输。设计团队、供应商、生产人员等各方可即时获取和共享设计需求、物料信息、生产进度等数据，促进了各个环节之间的紧密协作和信息流畅，有助于优化供应链管理和减少信息滞后。这有助于实现物料的精准采购、减少库存积压和提高物料利用率，从而形成更加高效的产供融通的供应链体系，减少成本和缩短交付周期。

3.4 跨界融合新平台

5G和工业互联网的结合可以为数字化船舶建造提供广阔合作机会。研究机构可与船企合作研究开发与船舶建造数字化转型相关的技术和解决方案，推动创新。“5G+工业互联网”技术提供商可与船企合作开发适用于船舶建造的定制化解决方案;船舶设计师和软件开发公司可合作开发基于“5G+工业互联网”的数字化船舶设计和模拟平台，提供虚拟现实和增强现实等技术，帮助船舶设计师在数字环境中进行船舶设计和性能模拟。

发的5G网络无法直接构建二层交换网络，难以直接替代有线传输网络。通过引入5GLAN技术，在现有5G网络基础上研究5GLAN的解决方案，构建基于5G的无线二层交换网，有效支持船舶建造的数字化全连接场景。

4“ 5G+工业互联网”的关键技术

智能制造是船舶建造的趋势，“5G+工业互联网”4.5复杂电磁干扰环境的可靠传输技术是实现智能制造的关键核心技术之一。近年来，工业互联网的相关技术，如物联技术、云计算、大数据、人工智能等技术已取得明显进展。同时我国通过推进5G应用“扬帆”行动和“5G+工业互联网”512工程，5G在设施、标准、技术、应用等方面已经实现全球领先。然而5G赋能船舶工业领域还存在一些关键技术需要完善和突破。

4.1针对船舶建造环境的5G边缘接入网关

船舶建造车间环境严苛，存在高温、高湿、高盐等特点。同时船舶建造场景中拟接入设备众多，接口具有多样和自定义等特点。针对船舶建造环境的5G边缘接入网关需适用于船舶建造环境，具备多种工业数据接口的接入能力，提供安全防护墙等能力，支持不同业务场景下的多种数据采集和分析处理。

4.2 复杂结构环境下的5G移动切换增强

船舶建造车间龙门吊等移动设备庞大，当其进行钢板移动搬运时，会造成区域内5G信号的遮挡和变化，易造成通信链路中断，需进行因信号遮挡而产生的切换过程。以现有移动切换技术为基础，减少切换中断时间和提高可靠性为目标，研究船舶建造特定场景下的移动切换技术，完善5G网络的移动切换机制，确保船舶建造场景下5G无线传输的稳定性。

4.3船舶建造车间的智能反射面技术

船舶建造车间钢结构庞大且复杂，极易对区域内5G终端产生信号遮挡，从而造成车间覆盖盲区。通过引入智能反射面(Intelligent Reflection Surface,IRS)技术，研制相应配套产品和设备，在不需要改变现有移动网络结构和协议的前提下，通过IRS技术实现船舶建造车间复杂环境下的5G全覆盖。

4.4 针对船舶建造设备互联的5GLAN技术

船舶建造是一个传统制造行业，现有设备大都以有线传输的二层交换为主。现有以IP类型会话转发的5G网络无法直接构建二层交换网络，难以直接替代有线传输网络。通过引入5GLAN技术，在现有5G网络基础上研究5GLAN的解决方案，构建基于5G的无线二层交换网，有效支持船舶建造的数字化全连接场景。

4.5 复杂电磁干扰环境的可靠传输技术

船舶建造车间电磁环境复杂且恶劣，存在大量的金属物件的反射以及各种形状障碍物的遮挡等问题。结合5G的开放架构，研究采用多路径传输等抗干扰手段，满足船舶建造过程中针对关键核心数据在复杂电磁环境的可靠传输需求。

4.6 船舶建造5G应用信息安全管控技术

以现有安全标准为基础，结合船舶建造领域应用的特定需求，采用主动防御的安全思想，构建船舶行业“5G+工业互联网”的可靠通信和安全模型，为船舶建造领域的5G+工业互联网打造安全架构体系，针对船舶建造领域形成“5G+工业互联网”在接入认证、数据加密、安全管控等方面的行业标准。

4.7 船舶建造便携式5G专网系统与装备

船舶建造的分段车间场景动态，现场情况随不同建造产品变化，固定网络部署无法满足其变化的场景需求。船舱内部施工时，由于处于钢结构包围的环境，外部无线信号无法穿透，而船舱内部也不易部署网络。针对船舶行业的特点，对便携式5G专网系统与装备进行攻关，支持在复杂环境下进行5G网络的即时性部署。

5 参考建议

目前，中国船舶集团已制定了2045年前“三步走”高质量发展战略，聚焦防务产业、船海产业、科技应用产业、船海服务业等四大产业方向，提出建设世界一流船舶集团发展目标。针对这一发展目标，必须从顶层规划、基础设施建设、行业标准与应用生态等方面继续深化“5G+工业互联网”在船舶工业领域的融合应用，以“5G+工业互联网”为发动机，加快推进船舶工业领域的数字化转型，构建船舶工业智能化转型的行业生态。

5.1 政策支持

综合考虑船舶领域环境复杂、保密要求等因素，探索船企的5G网络模式，建设具备船企特色的5G专网系统。随着5G技术的不断发展完善，制定相应政策，促进“5G+工业互联网”在船舶领域从点状示范应用逐步向面状、系统应用的阶段发展。

5.2 基础能力

构建船舶集团内工业互联网的公共服务能力，包括研究针对船舶行业的统一数据模型和标识体系，提供船企内数据的完整性、有效性、一致性、规范性与开放性，建设面向船舶行业提供标识注册和解析服务的节点。形成面向船舶行业“5G+工业互联网”应用的智能安全管控平台，提供安全态势感知与风险预警服务，保护企业数据和服务安全，为“5G+工业互联网”赋能船舶行业提供保障。

5.3 技术与标准

针对标船舶总装建造生产环境和现有网络体系，着力突破5G超级上行、高精度室内定位、确定性网络、高精度时间同步等应用关键技术，发挥国家工业互联网标准协调推进组、总体组和专家咨询组的作用，统筹中国通信标准化协(CCSA)及船舶行业标准化组织，研究制定船舶行业“5G+工业互联网”融合标准体系。

5.4 应用生态

“5G+工业互联网”的应用将在船舶行业产生大量数据，结合大数据、人工智能等新一代信息技术，深挖船舶行业数据的价值，赋能决策，提升船舶工业的生产力。进一步，以5G+工业互联网基础设施为基础，基于船舶企业的数字化和开放服务能力，构建船舶工业应用生态体系。

6 结论

目前受全球竞争加剧、成本上涨等因素影响，我国船舶工业发展仍面临巨大困境和压力。为化解这些困境和压力，必须进行数字化转型，利用数字技术实现企业资源的配置效率优化。钢铁、煤炭等行业的应用实践和经验表明，“5G+工业互联网”能够为制造领域的数字化、智能化转型提供切实可行的支撑。

针对船舶建造的数字化转型需求，本文探讨了“5G+工业互联网”赋能船舶建造的应用领域和需突破的关键技术，并提出了“5G+工业互联网”在船舶工业深化融合的建议。未来，通过统筹科研机构、运营商、设备商、终端厂商以及应用商等产学研用力量，协同推进“5G+工业互联网”在船舶工业的落地应用，赋能我国船舶工业的高质量发展。

来源：原文刊载于《船舶标准化工程师》2024年4月 作者：江苏自动化研究所上海分部 王栋耀

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