船體生產(chǎn)設(shè)計異構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源

錢懷宇，蔡 璐，冷久平

（上海萃興信息科技有限公司，上海 200011）

0 引 言

生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源是實現(xiàn)數(shù)字化制造、智能制造的基礎(chǔ)，尤以船體生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源為重[1]。

近年來，隨著設(shè)計模式的不斷演進(jìn)和設(shè)計的不斷深入，船體生產(chǎn)設(shè)計的深度和廣度逐漸增加。當(dāng)前在市場上很難找到一種能解決船體生產(chǎn)設(shè)計中的全部問題的軟件，各相關(guān)企業(yè)為解決生產(chǎn)設(shè)計中存在的問題會引入多種軟件。同時，受傳統(tǒng)設(shè)計軟件可擴(kuò)展性差等因素的影響，還有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)沒有在設(shè)計軟件中進(jìn)行管理，由此形成多個信息孤島，給船體專業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源帶來較大的問題和挑戰(zhàn)。此外，船體生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)量巨大，更改頻繁，給船體生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)管理帶來一定的困難。不解決數(shù)據(jù)協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源問題，就無法保證設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性，也就無法實現(xiàn)數(shù)字化制造和智能制造。

1 我國造船行業(yè)船體生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)協(xié)同與數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的船舶工業(yè)已在海工、液化天然氣船和豪華郵船等多個領(lǐng)域取得長足進(jìn)步，進(jìn)入到了一個新的時期，并已成為世界造船大國。然而，我國船舶工業(yè)的人均產(chǎn)量只有韓國的1/13，日本的1/20，造船總體技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距。雖然國內(nèi)大多數(shù)船廠已實現(xiàn)船舶三維設(shè)計，但設(shè)計數(shù)據(jù)僅留存在設(shè)計部門，大量工藝信息依然通過紙質(zhì)圖樣進(jìn)行流轉(zhuǎn)，工作效率低下[2]。

目前國內(nèi)船廠的船體分段生產(chǎn)設(shè)計工作主要由分段建模、組立圖出圖，分段套料和分段數(shù)據(jù)后處理等3部分組成。設(shè)計人員需分別利用船舶生產(chǎn)設(shè)計軟件、輔助設(shè)計軟件、套料軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件等設(shè)計工具完成船體分段生產(chǎn)設(shè)計工作。

在建模出圖階段，設(shè)計人員以詳細(xì)設(shè)計的圖樣或技術(shù)文件為依據(jù)，在設(shè)計軟件內(nèi)按照分段進(jìn)行作業(yè)任務(wù)的分解與組合，將設(shè)計、生產(chǎn)、管理融為一體。結(jié)合施工條件進(jìn)行設(shè)計，為配套部門采購和生產(chǎn)管理部門制訂生產(chǎn)計劃提供信息，為生產(chǎn)現(xiàn)場人員提供施工圖樣和技術(shù)文件。這些施工圖樣和技術(shù)文件包含現(xiàn)場施工及管理的全部信息。

建模人員完成分段建模、生產(chǎn)信息添加和零件分離之后，由套料人員進(jìn)行套料。目前主要針對板材進(jìn)行套料。套料人員利用套料軟件進(jìn)行板材套料之后，進(jìn)行套料信息的添加、切割指令的生成和余料信息的匯總。建模、套料和材料管理通過多個軟件實現(xiàn)，最終以紙質(zhì)圖樣和相關(guān)切割指令為依據(jù)，安排現(xiàn)場人員施工。

在后處理階段，設(shè)計人員根據(jù)完整的分段模型和生產(chǎn)信息進(jìn)行分段型材套料、生成型材下料圖和生成各類曲形零件加工圖等工作。工藝信息全部以圖樣的形式下發(fā)至施工現(xiàn)場。

在傳統(tǒng)的造船模式下，這種通過紙質(zhì)圖樣、報表和文件傳遞加工制造信息的形式能滿足制造部門的需求，但隨著大量數(shù)字化制造設(shè)備的引入，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞方式面臨極大的挑戰(zhàn)。圖1為包含加工制造信息的施工圖樣。

圖1 包含加工制造信息的施工圖樣

1.1 當(dāng)前我國造船行業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源存在的問題

當(dāng)前，國內(nèi)多數(shù)船廠在數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源方面主要存在以下幾個問題。

1.1.1 工藝數(shù)據(jù)未完整建模和管理

英國AVEVA公司開發(fā)的Tribon M3軟件是國內(nèi)主流的生產(chǎn)設(shè)計軟件之一，由于開發(fā)較早，對模型工藝屬性的擴(kuò)展有限，致使一部分工藝信息無法作為模型的擴(kuò)展屬性進(jìn)行保存，這部分屬性數(shù)據(jù)大多通過圖樣和報表的形式進(jìn)行表達(dá)。每次更新圖樣或報表時，都要對相關(guān)工藝信息進(jìn)行重新賦值。雖然國內(nèi)各船廠基于該設(shè)計軟件進(jìn)行了二次開發(fā)，用于解決建模、出圖和工藝信息提取方面的問題，但受制于開發(fā)能力有限和數(shù)字化設(shè)備對此類數(shù)據(jù)的需求不足，此類軟件不能囊括各類工藝數(shù)據(jù)。即便包含大部分工藝數(shù)據(jù)，大多數(shù)數(shù)據(jù)還是以紙質(zhì)圖樣的形式存在，無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和結(jié)構(gòu)化，而數(shù)字化設(shè)備和智能設(shè)備恰恰需要這些結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

1.1.2 生產(chǎn)設(shè)計軟件種類繁多，數(shù)據(jù)協(xié)同能力差

隨著國內(nèi)船廠對生產(chǎn)設(shè)計深度的要求逐漸提高，為滿足生產(chǎn)設(shè)計各方面的要求，船廠先后引進(jìn)多種設(shè)計軟件，用于解決船體生產(chǎn)設(shè)計各方面的問題。然而，很少有方案能同時滿足各方面的需求。同時，各軟件相互獨立，彼此間的數(shù)據(jù)協(xié)同通過文件或數(shù)據(jù)接口傳遞，每次設(shè)計變更都需設(shè)計人員在多個軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同，耗時費力。船舶生產(chǎn)設(shè)計的特點就是設(shè)計周期短、設(shè)計更改頻繁，不僅會間接增加設(shè)計人員的工作量，而且容易引起設(shè)計數(shù)據(jù)間不協(xié)同，從而造成設(shè)計錯誤。

1.1.3 生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)保存在多數(shù)據(jù)庫中，未能形成單一數(shù)據(jù)源

為解決設(shè)計屬性無法擴(kuò)展和工藝數(shù)據(jù)不全面的問題，某些船廠利用第三方數(shù)據(jù)庫，將全部設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，在數(shù)據(jù)庫中對特定設(shè)計對象的屬性進(jìn)行擴(kuò)展。該方法雖能解決設(shè)計屬性無法擴(kuò)展的問題，但由于設(shè)計數(shù)據(jù)既存在于設(shè)計軟件中，又存在于第三方數(shù)據(jù)庫中，在更改設(shè)計時，設(shè)計人員首先需更新設(shè)計模型，再更新第三方數(shù)據(jù)庫。為提高更改效率，設(shè)計人員可跳過模型更改的環(huán)節(jié)，直接更改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，這樣容易造成設(shè)計軟件和第三方數(shù)據(jù)庫不同步，從而造成設(shè)計錯誤。

1.2 當(dāng)前造船行業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源面臨的挑戰(zhàn)

船廠當(dāng)前生成的圖樣和工藝數(shù)據(jù)雖能為傳統(tǒng)造船模式提供指導(dǎo)，但隨著造船模式的轉(zhuǎn)變、船型復(fù)雜程度的提高，大量的人工操作即將被機(jī)器取代。當(dāng)前數(shù)據(jù)協(xié)同和數(shù)據(jù)管理很難滿足數(shù)字化、智能化造船的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.2.1 大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，無法對數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行支撐

當(dāng)前，國內(nèi)船廠大力引入數(shù)字化制造設(shè)備，期望借此提高制造質(zhì)量和效率。然而，原有的工藝類圖樣雖然包含有全面的工藝數(shù)據(jù)，但未形成數(shù)據(jù)流，無法直接驅(qū)動這類設(shè)備，無法直接對數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行支撐。

1.2.2 多數(shù)據(jù)孤島，無法形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源

多數(shù)國內(nèi)船廠的數(shù)據(jù)協(xié)同能力較差，在設(shè)計部門內(nèi)部就已形成數(shù)據(jù)孤島，無法形成數(shù)據(jù)流，既不能直接驅(qū)動數(shù)字化設(shè)備，又很難保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?？紤]到國內(nèi)船廠的生產(chǎn)設(shè)計周期普遍較短、設(shè)計變更頻繁，在當(dāng)前模式下統(tǒng)一數(shù)據(jù)源極為困難。

1.2.3 數(shù)據(jù)未形成雙向流動

雖然國內(nèi)一些船廠已能在設(shè)計部門內(nèi)部構(gòu)建統(tǒng)一、完整的數(shù)據(jù)源，但在船舶企業(yè)內(nèi)部各部門間的數(shù)據(jù)流通還不順暢。有些企業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)雖能通過數(shù)據(jù)流向下游傳遞，但現(xiàn)場生產(chǎn)制造部門的建造狀態(tài)不能形成數(shù)據(jù)流返回到設(shè)計部門，從而導(dǎo)致信息不對稱，影響企業(yè)的綜合效率。

2 基于船舶輔助設(shè)計系統(tǒng)提出的解決方案

依據(jù)國內(nèi)船廠的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和后端的數(shù)據(jù)需求，設(shè)計人員基于“單一入口，一次定義，多次完善”的設(shè)計理念，在單一設(shè)計軟件中完成全部的建模和出圖任務(wù)，同時利用船舶輔助設(shè)計系統(tǒng)幫助設(shè)計師高效、規(guī)范地完成船體各類工藝信息的維護(hù)。通過直連企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，利用版本管理等功能對非建模數(shù)據(jù)和擴(kuò)展屬性進(jìn)行管理，在保證單一數(shù)據(jù)源和設(shè)計效率的前提下，實現(xiàn)船體生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)的有效協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

2.1 優(yōu)化設(shè)計工具，提升工藝數(shù)據(jù)建模的完整性

利用設(shè)計工具自身的功能并輔助二次開發(fā)程序，實現(xiàn)船體相關(guān)專業(yè)設(shè)計、工藝數(shù)據(jù)的全面建模，從而解決多軟件、多數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)協(xié)同問題。

2.1.1 利用設(shè)計軟件自身數(shù)據(jù)庫，完成設(shè)計數(shù)據(jù)的維護(hù)

以裝配設(shè)計為例，通過開發(fā)裝配輔助設(shè)計程序，實現(xiàn)裝配節(jié)點的快速定義、裝配基面的自動定義及裝配數(shù)量和流向等信息的人工定義。裝配輔助設(shè)計內(nèi)嵌在設(shè)計軟件中，用戶無需考慮數(shù)據(jù)協(xié)同的問題，實時完成數(shù)據(jù)的協(xié)同和屬性的更新。圖2為裝配設(shè)計操作界面及效果。

圖2 裝配設(shè)計操作界面及效果

2.1.2 利用擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫，維護(hù)附加設(shè)計屬性

以焊接設(shè)計為例，通過開發(fā)焊接輔助設(shè)計程序，實現(xiàn)對焊腳高度、焊接姿態(tài)和焊接類型的定義，并根據(jù)一定的業(yè)務(wù)規(guī)則，快速統(tǒng)計焊材物量和預(yù)估焊接工時。最終將該設(shè)計結(jié)果保存在擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫中。該擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫起到的作用與設(shè)計軟件自身的數(shù)據(jù)庫相同，但僅保存設(shè)計軟件數(shù)據(jù)庫中未定義的屬性。同時，利用企業(yè)數(shù)據(jù)庫，僅保存設(shè)計軟件無法定義的屬性，保證這部分屬性的唯一性。此外，輔助設(shè)計軟件的入口依然在設(shè)計軟件端，設(shè)計人員無須在多個軟件端頻繁切換，輔助設(shè)計軟件依賴的數(shù)據(jù)也都實時從設(shè)計軟件端讀取，自然地解決數(shù)據(jù)協(xié)同的問題。表1為某分段典型焊接數(shù)據(jù)。

表1 某分段典型焊接數(shù)據(jù)

此外，以材料管理為例，通過開發(fā)材料管理軟件，實現(xiàn)對板材、型材和余料的管理，并建立可共享的擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)、物資和現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

綜上，利用設(shè)計軟件端的改造與開發(fā)，結(jié)合擴(kuò)展的中間數(shù)據(jù)庫和企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)的完整表達(dá)和管理。

2.2 梳理業(yè)務(wù)對象，形成設(shè)計端統(tǒng)一數(shù)據(jù)源

與焊接數(shù)據(jù)和涂裝數(shù)據(jù)不同，船體結(jié)構(gòu)的大部分屬性已在設(shè)計軟件端進(jìn)行管理，僅有一小部分屬性無法管理。對于這部分屬性，可通過外部數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)展。從設(shè)計軟件端的信息定義入口，對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行定義。同時，結(jié)合文本加密和數(shù)據(jù)庫加密等技術(shù)，避免設(shè)計人員直接更改相關(guān)屬性。由此，保證單一設(shè)計數(shù)據(jù)僅在一處定義和存儲，這樣既可減少設(shè)計人員更新屬性時的重復(fù)操作次數(shù)，減少數(shù)據(jù)間的協(xié)同，又可避免因數(shù)據(jù)多源而產(chǎn)生沖突，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

2.3 設(shè)計數(shù)據(jù)校驗，管理設(shè)計數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在設(shè)計工作結(jié)束之后，需對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行必要的檢查和審核，只有校驗通過的數(shù)據(jù)才能下發(fā)至企業(yè)級數(shù)據(jù)庫。例如，零件需校驗是否套料及是否定義裝配、同名零件是否完全相同和需加工的零件是否已填寫正確的加工代碼等。此外，由于模型和零件在Tribon M3系統(tǒng)中分屬于2個數(shù)據(jù)庫，設(shè)計人員還需校驗建模零件和下料零件的工藝信息是否相同、建模零件是否有對應(yīng)的下料零件和下料零件是否有對應(yīng)的建模零件等[3]。

經(jīng)過一系列檢查，只有通過校驗的數(shù)據(jù)才能順利地發(fā)布到下游產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management,PDM）或產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）[4]系統(tǒng)中，實現(xiàn)對數(shù)字化制造的支撐。圖3為典型數(shù)據(jù)提交流程。

圖3 典型數(shù)據(jù)提交流程

3 結(jié) 語

綜上所述，通過優(yōu)化設(shè)計工具，增強(qiáng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)同，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，能有效解決數(shù)據(jù)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)協(xié)同、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和操作效率方面的問題。通過上述分析和比較可知，該方法可高效地解決船體專業(yè)在數(shù)據(jù)協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源方面遇到的問題，從而在盡量減少設(shè)計人員工作強(qiáng)度的前提下保證設(shè)計數(shù)據(jù)流的正確創(chuàng)建。

數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源是一個看似簡單，實則復(fù)雜而重要的環(huán)節(jié)，隨著各企業(yè)對數(shù)據(jù)流的重視及數(shù)字化制造、智能制造概念的廣泛傳播，造船企業(yè)對這方面的研究逐漸深入。對于船體專業(yè)來說，通過智能化設(shè)備實現(xiàn)局部自動化加工、半自動焊接、自動焊接和焊接管控已成為可能。數(shù)字化、智能化制造可提高產(chǎn)品制造的效率和質(zhì)量，而實現(xiàn)這些最基本的前提是數(shù)據(jù)，梳理業(yè)務(wù)，拓展船舶數(shù)據(jù)管理，形成數(shù)據(jù)中心具有重要意義。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

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