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面向船舶制造的数字孪生装配过程仿真与优化1

面向船舶制造的数字孪生装配过程仿真与优化

摘要

船舶制造业作为国家战略性产业，其高质量发展对海洋强国建设具有重要意义。随

着工业4.0和数字化转型的深入推进，数字孪生技术在船舶制造领域的应用已成为行业

发展的必然趋势。本报告系统研究了面向船舶制造的数字孪生装配过程仿真与优化技

术，旨在解决传统船舶装配过程中存在的效率低、精度差、成本高等问题。报告首先分

析了船舶制造业的发展现状与面临的挑战，阐述了数字孪生技术在船舶装配中的应用价

值；其次构建了船舶数字孪生装配的理论框架与技术体系，包括多尺度建模、实时数据

采集、虚拟物理映射等关键技术；然后设计了具体的实施方案，涵盖了从数据采集到系

统集成的全流程；最后对项目的经济效益、风险因素及保障措施进行了全面评估。研究

表明，数字孪生技术的应用可使船舶装配效率提升20%30%，质量缺陷率降低15%25%，

显著缩短造船周期，为我国船舶制造业的转型升级提供有力支撑。

引言与背景

1.1研究背景与意义

船舶制造业是国民经济的重要支柱产业，其发展水平直接关系到国家海洋战略的

实施。根据中国船舶工业行业协会发布的《2022年船舶工业经济运行分析》，我国造船

完工量、新接订单量和手持订单量连续12年保持世界第一，但高端船舶市场份额仍不

足30%，与日韩等造船强国存在明显差距。在当前全球造船业竞争加剧的背景下，提升

船舶制造质量和效率已成为行业发展的核心议题。

装配环节作为船舶建造的关键工序，约占总工时的40%50%，其效率和质量直接影

响整个造船周期。传统船舶装配主要依赖经验丰富的工人和纸质工艺文件，存在以下突

出问题：一是装配过程可视化程度低，难以实时监控生产状态；二是工艺优化缺乏数据

支撑，难以实现科学决策；三是质量问题追溯困难，返工率高达15%20%。数字孪生技

术通过构建物理实体的虚拟映射，为解决这些问题提供了全新思路。

1.2国内外研究现状

国外在船舶数字孪生领域的研究起步较早。韩国三星重工开发的”智能船厂”系统，

通过数字孪生技术实现了分段装配的实时监控和优化，使生产效率提升18%；日本今治

造船与三菱电机合作开发的装配过程仿真系统，可将装配误差控制在±2mm以内。欧

美国家则更注重基础理论研究，如挪威科技大学提出的基于物理的数字孪生建模方法，

英国劳氏船级社制定的船舶数字孪生标准框架等。

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国内研究虽起步较晚，但发展迅速。江南造船集团开发的”数字造船”平台，实现了

设计、生产、管理的一体化；沪东中华造船与上海交通大学合作开展的”基于数字孪生

的船舶智能制造”项目，在液化天然气船建造中取得显著成效。然而，国内研究仍存在

系统化不足、标准缺失、应用深度不够等问题，亟需构建完整的船舶数字孪生装配技术

体系。

1.3研究目标与内容

本研究旨在构建面向船舶制造的数字孪生装配过程仿真与优化系统，实现以下目

标：一是建立船舶装配的多尺度数字孪生模型，实现从零件到船体的全要素映射；二是

开发装配过程实时仿真引擎，支持动态工艺优化；三是构建智能决策支持系统，提升装

配质量和效率。研究内容包括数字孪生建模理论、数据采集与传输技术、仿真优化算法、

系统集成与验证等四个方面。

研究概述

2.1研究定位与特色

本研究定位于应用基础研究，聚焦船舶装配这一关键环节，以数字孪生技术为核

心，融合物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术，构建具有自主知识产权的船舶

数字孪生装配系统。研究特色体现在三个方面：一是强调多尺度建模，从微观的零件特

征到宏观的船体结构，实现全要素数字化表达；二是注重实时性，通过边缘计算和5G

通信技术，确保虚拟模型与物理实体的同步更新；三是突出优化功能，基于机器学习算

法，实现装配工艺的自适应优化。

2.2研究范围与边界

研究范围涵盖船舶装配的全过程，包括零部件准备、分段装配、船台合拢等主要工

序。研究对象以大型船舶（如集装箱船、油轮）为重点，兼顾特种船舶（如LNG船、邮

轮）的特殊需求。研究边界限定在装配环节，不涉及船舶设计、下水、试航等其他阶段。

在技术层面，重点研究数字孪生建模、数据采集与处理、仿真优化等核心技术，不深入

探讨底层硬件开发。

2.3研究