领先的3D造船软件FORAN及其应用
1. 当前船舶设计的发展趋势和软件应用中的主要问题计算机辅助设计（CAD）技术可以提高船舶设计的效率和质量，已经成为国内造船行业的共识，国内多数骨干研究所和造船厂已经较大范围应用了国际先进水平的3D造船软件，具有代表性的软件是Tribon和CADDS5，经过多年的经验积累和二次开发，应用水平达到了一定的高度，获得了一定的效益，目前正在扩大应用范围；在许多尚未采用3D船舶设计软件的设计单位和造船厂，也已经认识到3D软件的重要性，正在进行软件的策划和考察，以期尽早升级到3D软件上，提高设计水平和竞争能力。
在国际造船业激烈竞争的环境下，我国造船业提出了用15年左右的时间成为世界第一造船大国和造船强国的战略目标。但目前我国造船行业在设计能力、建造模式、船舶质量、交船周期等方面还有差距，需要逐步提高，尽快赶上世界先进水平。
采用先进的造船模式无疑是实现以上目标的关键。国内造船业多年来推行的“转模”工作，使船舶企业各级领导和管理者形成了一定要搞转模的共识，先进的造船模式是提高造船竞争力的必由之路，是科技进步的重要课题，也是实现制度创新和技术创新的切入点。
作为首要的支撑技术，采用符合先进理念的设计软件、提高设计水平则是保证转模工作成功的极为重要的环节。三维产品建模使多用户环境下的船舶设计与建造更加集成化，这意味着如下特征：
· 设计人员在一个完全交互的三维图形环境下工作；
· 结构和舾装可以平行设计；
· 船体外表面、甲板以及舱壁的信息能随时供正在使用该产品模型的设计人员调用；
· 在船上某个分段区域的设计人员，可以了解到其他分段区域的信息，不管相邻与否；
· 某个分段外舾装的设计人员可以使用产品模型中船体结构中最新的信息；
· 最后制造出图时，比如平面制图、管道图以及透视图等，可以自动参照船体外板、甲板、舱壁、框架形式以及任何船舶构件；
· 设计人员可以在船厂预先设定的工作目录中选择钢板、型钢以及舾装件；
· 设计人员之间可进行数据交换，远程用户之间可同时参与一条船的设计。
三维产品建模让设计者使用这条船的同一个模型，从早期的初步设计一直到建造，有助于整个设计过程中数据的前后一致性。产品模型的优点有以下这些：减少设计时间、减少沟通环节、增强效率、更早的干涉检查、更容易修改、设计错误的大量减少、设计信息的主要来源以及给予产品的可利用性。这种技术还可以包括专家系统以及人工智能。
在船舶设计中，当前的主要发展趋势为：
· 使设计模式满足现代造船模式的要求，与生产模式保持一致，提高船舶建造的生产
率和质量；
· 采用并行工程，缩短设计周期，从而加快交船周期；
· 提高设计质量，节约材料和工时，减少设计修改，从而提高质量、降低成本；
· 建立船舶产品的全3D数据库，为产品数据管理、生产管理、物流管理等系统提供完整的数据源，实现数字化造船。
目前国内已经采用的各种3D船舶设计软件，部分实现了上述的功能，也能够部分满足现在造船模式的要求，但或多或少地存在下列问题：
· 不能覆盖船舶设计建造的所有专业，或在某些专业领域功能较弱，需要其它软件进行补充；
· 功能不够完善或不符合中国造船业的特点，需要各个船厂投入大量的人力物力进行二次开发才能在实际项目中使用，也造成了低水平重复；
· 软件的设计理念相对陈旧，不符合先进造船模式，制约了转模工作的开展；
· 软件的底层架构和开发语言明显落后，有的软件只能在UNIX平台上运行，使得企业采购和应用成本增加，特别是难以获得满足二次开发需要的人才；
· 软件内部管理多采用文件系统，与其他应用软件（如物流、ERP、PDM等）系统难以交换数据，不利于展开以“数字化造船”为标志的企业信息化建设；
2. FORAN软件的特点
FORAN软件由西班牙SENER集团开发，该公司以船舶设计起家，已有50年的历史，具有40多年的造船CAD软件开发和应用经验。目前在进行软件开发和应用的同时，仍然承接船舶设计项目。FORAN软件是世界上应用最为广泛的大型造船专业软件之一，全球用户包括了120家以上的设计公司和造船厂，近年来更以较快的速度在全球推广。
图1. FORAN船体结构设计
1. FORAN是由船舶设计师开发、为船舶设计师使用的软件，符合船舶设计师、船厂的工作模式和生产特点；FORAN软件可以用于各种船型的设计建造，包括常规客轮、货船、非对称船、双体船等，各种军用舰船包括航空母舰、巡洋舰、驱逐舰、潜艇等，也可用于FPSO、海洋平台等。
2. FORAN于2000年重新编写代码，基于Windows、C++语言开发、OpenGL图形语言、NURBS数据表达、Oracle数据库等，形成了一整套先进的软件体系和友好的用户界面；用户可在FORAN环境中无障碍地使用中文；其二次开发环境非常便于掌握；
3. FORAN覆盖了造船领域所有的专业，包括总体设计、船体结构、管路及HVAC、舾装、设备、电气、住舱设计等；同时，FORAN可以满足初始设计、送审设计和详细生产设计的全部需求。
4. 全3D的船舶产品模型建立在Oracle数据库基础上，数据管理自始至终由Oracle完成，确保了数据模型的统一，同时也为与其他应用系统交换数据提供了方便的条件；同时，FORAN可以支持分布式数据存储和管理，支持并行工程，可以满足异地协同设计的要求，不同专业的设计人员可以随时了解其他专业的设计进程、协调设计；
5. 全船的3D产品模型保证了设计的一致性和数据的精确度，同时可随时进行干涉检查，可在极大程度上避免设计错误、提高下料精度、减少切割和焊接的余量。这样可以大量节约设计和生产的时间，节约原材料，为模块化生产、分段制造、壳舾涂一体化等提供了坚实的技术基础；
图2. FORAN舾装管路设计
6. 在全船的设计中应用了Topological（拓扑化）技术，实现了船体结构、舾装、管路、HVAC、电气、住舱等各种组件及其相互关系的相对位置定义，在某一足见修改时，系统可以根据约束条件对相关组件自动修改，解除了设计师修改设计时的顾虑，极大地提高了设计质量和设计效率；
7. FORAN的“实时漫游检查”功能可以允许设计师随时通过漫游方式检查全船外观、各个零部件，对船上人员的活动、维修维护、烟雾流向、灯光效果等进行仿真，并随时修改；
8. FORAN软件将设计和生产紧密联系在一起，所有的设计可以随时根据需要进行套料、管段制造和安装，并直接生成小票图、材料清单（BOM）、自动产生数控路径和程序；每一分段或模块可计算出重量和重心，为指导生产提供依据；
9. FORAN提供了完整的、可定制的生产策略（建造方针）功能，针对一个项目可以制定出若干种不同的生产策略，生产组织和管理人员可根据船厂特点方便地定义分段、模块、中间产品及其生产流程，进行生产规划和准备；
10. FORAN软件的PDM功能包括了船厂级的文档管理、工作流管理、版本管理、船东变更管理等；
11. FORAN软件提供了一系列接口，用于与各种软件系统实现数据交换，其中包括常用的IGES、DXF、DWG、STEP、XML等；其Oracle数据库完全向用户开放，可以根据需要提取数据，实现与其他应用系统（PDM、ERP、物流管理等）的集成。
图3. 俄罗斯Severnoya建造的舰艇
3. 应用FORAN软件的成功案例
FORAN软件在全球各地的应用中，以其上述先进的设计理念和功能特点，为船厂建立现代造船模式、提高质量、降低成本发挥了积极的作用。西班牙IZAR造船公司利用FORAN完成了众多舰船的设计建造，包括了航空母舰在内的各种水面和水下舰艇，以及138,000立方米的液化天然气船Íñigo Tapias等；俄罗斯Severnoya造船厂利用FORAN为中国海军建造了驱逐舰等。
以下通过一个小型造船厂Astilleros Zamakona的实例，说明应用FORAN所带来的效益。
3.1. 船厂简介
1914年成立的Astilleros Zamakona船厂位于西班牙北部，成立初主要建造蒸汽船和帆船。船厂位于比斯开湾的Santurce，距离毕尔巴鄂市10公里。1928年，船厂建造了第一条铆接船。船厂有300人（包括雇员和外包人员）。1978年，Zamakona开始对建造系统进行现代化改革，1994年船厂进行了一次大规模的设备更新。
过去十年中，Zamakona交付了大约80条各种类型的船舶，包括拖轮、海洋供应船、渔船、渡船、挖泥船、泥舱船、巡逻艇、引航艇等。
图4. Astilleros Zamakona造船厂鸟瞰
图5. Astilleros Zamakona 40 m 冷冻拖网渔船
为了压缩船舶建造周期，Zamakona船厂布置时考虑到了较大的材料流以及工作机构。船厂有三个建造平台，分别是120X20米、80X14米以及80X11米。装配码头有110米长，10米吃水。两台15吨的动臂起重机为建造平台工作，一台8吨的动臂起重机则在装配码头作业。建造平台上移动的起重机能起吊最多60吨重的分段。船厂有一个1300平方的钢料场地、2100平方的分段预装配区域以及3300平方的分段预舾装区域。该船厂拥有数控氧气切割机、卷板机、型材弯曲机以及管子弯曲机各一台。Zamakona的内部设计团队有15人。
3.2. 以前使用的方法
在实现三维产品建模以前，Zamakona一般都用传统的、不借助计算机的画图技术来进行设计。入级图纸通过外包，室内进行1:1的放样。能够传递给车间的信息非常少，特别缺乏机械和舾装专业的信息。船体结构预先焊接，管系和空调管道则只能在船体结构建造完成后由建造师决定。
3.3. 使用三维建模产品以后
1993年，为了在质量以及交船洲其方面能同其他西班牙以及欧洲船厂竞争，Zamakona船厂决定实施CAD/CAM/CIM系统。经过评估以后，选择了FORAM。刚开始实施时，只选用了线性优化以及船体结构模块，1995年实施了另外两个机械和舾装模块。
船厂的设计所有8台FORAN工作站及两台AutoCAD工作站。由于所有成员必须从原有的1:1手工放样转变为现代化的3D造船模式，这种转变过程中必然需要培训，并转换设计思想。
每个模块的培训包括四个星期。在应用该系统以后的第一条船（海洋工程供应船）的设计过程中，两位Zamakona的设计人员在SENER公司借助工程技术支持（Technical Assistance）工作了两个月。接下来的设计在船厂进行，而且没有出现差错。由于设计人员已经习惯了三维设计模式，后续的机械和舾装模块就不再需要这种直接的技术支持。
升级到三维产品建模以后获得了以下提高：
· 节省35%的材料成本
· 节省35%的人力成本
· 建造周期缩短25%
· 节省30%的设计人员开支
· 建造产品质量提高
· 如今每年交船10条，而1980年时一年交船4条。
之所以有这样显著的提高，是由于给生产提交了更多更好的信息、生产过程中所发现的设计错误明显减少（低于3%）以及因而在材料和人力上开支的降低、更准确的材料预估、设计工时的减少、分段预装配、更早得出材料清单、能为数控切割机以及弯管机提供数控信息以及提供给计划部门信息。
4. 总结
国内造船行业正在快速发展，生产能力的逐步提高，对设计质量、交船周期、建造成本等提出了越来越高的要求。FORAN软件先进的理念和完善的功能，正是协助造船企业建立健全现代造船模式有力的工具。
目前大力倡导的转模，是要建立以中间产品为导向的区域作业。随着转模的不断深入，生产设计要按中间产品出图，组织生产要以中间产品进行区域定置作业，而且还提出了中间产品成品化，要求其质量与尺寸精度严格控制。这些从提高中间产品的质量、尺寸精度与提高生产效率的转模要求，也是推进船舶先进制造技术体系中应用其核心技术与基础技术的要求。
FORAN软件可以在全3D集成环境下进行船舶产品的数字化设计和建造，集中体现了总体设计和生产设计一体化的思想，同时提供了良好的数据库管理系统和多种数据接口，可以为国内造船企业的数字化、信息化架设中起到重要的作用。
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