大舾裝可視化虛擬裝配DAP技術(shù)應(yīng)用

劉森峻， 翁戍生， 鮑雨暉， 張寶民， 鄭曉光， 楊利春， 臧大偉， 徐建軍， 高 飛

(大連船舶重工集團(tuán)有限公司，遼寧 大連 116011)

0 引 言

大舾裝專業(yè)，是指管系、通風(fēng)、電氣、外舾裝等舾裝專業(yè)。目前對(duì)于大舾裝專業(yè)，在國(guó)內(nèi)船廠生產(chǎn)車間的船舶建造過程中，以二維圖紙、工藝文件等為施工信息載體[1]，施工人員通過識(shí)圖、閱讀文件的信息傳遞模式進(jìn)行施工。各類舾裝件沒有統(tǒng)一的分段裝配規(guī)劃(Detailed Assembly Planning，DAP)，往往導(dǎo)致不必要的返工，生產(chǎn)場(chǎng)地、人力資源也不能得到充分利用。

在當(dāng)前船舶建造企業(yè)智能制造技術(shù)轉(zhuǎn)型的背景下，國(guó)內(nèi)部分總裝廠嘗試三維模型在生產(chǎn)車間的可視化[2-4]，船用柴油機(jī)領(lǐng)域亦有應(yīng)用[5]，目的是期望施工人員通過觀察三維模型來優(yōu)化施工工序、施工方式，降低廢返率。但目前基本停留在可視階段，作為核心元素的三維模型僅有示意作用，與裝配規(guī)劃、二維圖紙、工藝指南等缺乏信息交互。

以專用船舶三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)為搭載平臺(tái)，以三維模型為載體，將設(shè)計(jì)文件、二維圖紙、工藝文件及數(shù)據(jù)直觀便捷地呈現(xiàn)給生產(chǎn)制造部門，使車間能夠共享三維設(shè)計(jì)的成果，打破傳統(tǒng)的紙質(zhì)圖文下發(fā)模式，建立從設(shè)計(jì)部門到制造現(xiàn)場(chǎng)之間完整的三維設(shè)計(jì)及工藝文件數(shù)據(jù)鏈，同時(shí)可為更先進(jìn)的數(shù)字孿生技術(shù)在船舶制造領(lǐng)域的落地及應(yīng)用[6]提供方向。

1 可視化虛擬裝配DAP技術(shù)

1.1 三維可視化系統(tǒng)架構(gòu)

三維可視化系統(tǒng)包括設(shè)計(jì)管理模塊和可視化模塊，包含多種信息存儲(chǔ)和展示方式，如圖1所示。

圖1 三維可視化系統(tǒng)架構(gòu)

設(shè)計(jì)管理模塊著重初始數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)和處理。初始數(shù)據(jù)庫(kù)包括三維模型和與其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙、工藝文件、施工指南(圖文系統(tǒng))及支撐數(shù)字化船舶信息模型的各種定義，例如船舶業(yè)務(wù)對(duì)象類型、屬性參數(shù)定義、關(guān)聯(lián)關(guān)系定義、度量系統(tǒng)定義等。裝配規(guī)劃包括裝配結(jié)構(gòu)、船體裝配規(guī)劃、舾裝裝配規(guī)劃等。另外，該模塊還包含對(duì)人員數(shù)據(jù)庫(kù)中人員賬戶信息、角色信息、權(quán)限信息等的維護(hù)。

可視化模塊涵蓋是數(shù)據(jù)由設(shè)計(jì)向生產(chǎn)階段轉(zhuǎn)換的橋梁，主要包括初始數(shù)據(jù)的處理和關(guān)聯(lián)、可視化信息的配置和展示(即車間可視化系統(tǒng))等。車間可視化主要指面向生產(chǎn)車間的細(xì)化到船體工位級(jí)的三維虛擬裝配的可視化，并能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)反饋等多種功能。

1.2 大舾裝可視化虛擬裝配DAP設(shè)計(jì)流程

DAP一般指船體分段裝配組裝順序、組合模式等的說明，附在分段裝配圖中以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。以大舾裝為研究對(duì)象的DAP，是依附分段裝配規(guī)劃、通過模擬動(dòng)畫表現(xiàn)方式、向生產(chǎn)車間動(dòng)態(tài)展示裝配過程的一種可視化技術(shù)。其數(shù)據(jù)來源為在第1.1節(jié)中所述的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)和仿真數(shù)據(jù)庫(kù)，通過對(duì)既有三維模型進(jìn)行整合、規(guī)則設(shè)定及數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)達(dá)到動(dòng)態(tài)展示的目的。大舾裝可視化虛擬裝配DAP設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

在三維可視化研究中，大舾裝裝配是以船體背景為基礎(chǔ)開展的。在當(dāng)前設(shè)計(jì)模式下，應(yīng)結(jié)合專用船舶三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)自身功能、各舾裝專業(yè)特點(diǎn)，針對(duì)舾裝裝配編碼進(jìn)行單獨(dú)研究和制訂。舾裝裝配編碼原則為：船體分段裝配編碼舾裝件裝-配編碼-裝配順序編碼。該編碼將有效組織設(shè)計(jì)裝配流程，便于關(guān)聯(lián)舾裝件的查找和定位，形成的安裝信息編碼將直接指向生產(chǎn)施工階段和工位，方便生產(chǎn)組織管理。

圖2 大舾裝可視化虛擬裝配DAP設(shè)計(jì)流程

1.3 裝配信息的預(yù)處理及發(fā)布

1.3.1 裝配模型的輕量化

裝配模型是以船體裝配為單位的多專業(yè)模型集合，在發(fā)布至客戶端之前需要進(jìn)行輕量化處理。輕量化包含5個(gè)逐步深入的特性：(1)可視化：模型可供客戶端查看，這是基本特性；(2)精簡(jiǎn)化：模型為便于網(wǎng)上傳輸，必須遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原始大小，有時(shí)為滿足網(wǎng)頁(yè)瀏覽的需要，可能會(huì)采用流媒體方式或異步加載方式，使終端用戶感覺不到太多延遲；(3)中性化：各種三維模型或二維圖紙必須統(tǒng)一為一種或少數(shù)幾種格式，這樣可大幅簡(jiǎn)化客戶端瀏覽和操作的復(fù)雜性，并使多種模型的組合查看成為可能，也可使用戶只關(guān)注模型和圖紙的使用，而不再關(guān)注是何種格式；(4)可操作性：可對(duì)三維模型和二維圖紙進(jìn)行操作，但不改變?cè)瓟?shù)據(jù)，例如尺寸的測(cè)量、剖切、隔離、標(biāo)注等；(5)關(guān)聯(lián)性：模型和圖紙中的重要元素可被抽取，并和外部數(shù)據(jù)建立關(guān)聯(lián)，使模型或圖紙包含的元素活化可用。

輕量化模型必須與裝配結(jié)構(gòu)樹對(duì)應(yīng)，通過專用輸出接口將帶有裝配數(shù)據(jù)的輕量化模型轉(zhuǎn)換成指定格式，再通過自動(dòng)發(fā)布程序發(fā)布至可視化平臺(tái)。

1.3.2 裝配信息的自動(dòng)發(fā)布

完整的裝配信息包括裝配模型、裝配結(jié)構(gòu)(裝配樹)、圖紙、文件。需要將上述數(shù)據(jù)分別存放至服務(wù)器指定位置(工作區(qū))，隨后通過自動(dòng)發(fā)布程序監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)變化并提交發(fā)布至可視化系統(tǒng)。工作區(qū)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

自動(dòng)發(fā)布程序會(huì)檢查工作區(qū)各種數(shù)據(jù)的變化情況，一旦數(shù)據(jù)有變化，會(huì)自動(dòng)觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)布工作，并建立處理隊(duì)列。對(duì)于不同的數(shù)據(jù)，會(huì)調(diào)用不同的處理模塊。例如，對(duì)于模型及XML數(shù)據(jù)，會(huì)直接提交至處理工作區(qū)；對(duì)于文本類數(shù)據(jù)，會(huì)調(diào)用帶全文檢索功能的模塊，抽取其中的船舶對(duì)象編號(hào)，并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系；對(duì)于圖形類數(shù)據(jù)，會(huì)檢索其中的數(shù)據(jù)信息，同樣抽取船舶對(duì)象編號(hào)，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，并將圖形類文件轉(zhuǎn)變成中性格式，和三維模型一樣，便于傳輸和瀏覽。發(fā)布過程如圖4所示。

圖3 服務(wù)器提交和處理工作區(qū)結(jié)構(gòu)

圖4 自動(dòng)發(fā)布流程

2 應(yīng)用實(shí)例

2.1 創(chuàng)建裝配樹

以某超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)兩個(gè)典型分段——機(jī)艙二平臺(tái)1426分段及貨油艙底部2215分段為例進(jìn)行研究，這兩個(gè)分段集中鐵舾、管舾、電氣等各類舾裝件，同時(shí)分段裝配包含小組立、大組立兩個(gè)階段，部分舾裝件需要根據(jù)不同安裝階段劃分成多個(gè)托盤表，可完整體現(xiàn)船體、舾裝、工藝一體化的船舶設(shè)計(jì)理念。首先結(jié)合所選分段船體DAP，研究并制訂各類舾裝件的安裝工序及裝配方案；隨后在專用船舶三維設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)中創(chuàng)建裝配樹，為便于直觀顯示船體裝配和舾裝件的對(duì)應(yīng)關(guān)系及滿足可視化各階段的實(shí)施需求，確定以舾裝裝配結(jié)構(gòu)為主體，將船體裝配結(jié)構(gòu)嵌入其中；最后對(duì)模型輕量化輸出并發(fā)布。

2.2 可視化虛擬裝配DAP展示

經(jīng)輕量化處理的三維模型進(jìn)入可視化平臺(tái)，現(xiàn)場(chǎng)施工人員由網(wǎng)頁(yè)端登錄訪問。大舾裝可視化虛擬裝配DAP技術(shù)可在系統(tǒng)內(nèi)以模擬動(dòng)畫的形式展示，如圖5所示。

圖5 虛擬裝配DAP展示界面

圖5左側(cè)為裝配結(jié)構(gòu)及操作界面，與右側(cè)當(dāng)前裝配構(gòu)件對(duì)應(yīng)并突出顯示。展示進(jìn)度可直觀顯示和控制，支持暫停、步進(jìn)、回溯、拖拉進(jìn)度條等操作，也可調(diào)節(jié)展示速度。

在展示過程中，對(duì)圖形窗口的操作與大部分三維建模軟件相似，可任意旋轉(zhuǎn)、放大及縮小視角，也可對(duì)任意構(gòu)件聚焦、剖切、隔離、透明化等，方便多角度觀察裝配模擬過程，如圖6所示。另外還支持在視圖中直接進(jìn)行尺寸測(cè)量，以便直觀地掌握施工信息。

圖6 模型操作示例

2.3 信息的讀取和反饋

經(jīng)過處理進(jìn)入可視化模塊中的所有數(shù)據(jù)，包括圖紙、文件、模型等，均通過預(yù)先設(shè)定的編碼規(guī)則智能關(guān)聯(lián)在一起。在查找到某個(gè)裝配件時(shí)，可檢索該裝配件的裝配關(guān)系、屬性、關(guān)聯(lián)圖紙和文件等信息，如圖7所示。

圖7 裝配件與屬性信息的關(guān)聯(lián)

這些信息以彈出頁(yè)面方式顯示，其中的圖紙和文件信息可直接在Web瀏覽器上查看。經(jīng)預(yù)處理的圖紙和文件具備超鏈接功能，被點(diǎn)取后會(huì)跳轉(zhuǎn)至零部件內(nèi)容頁(yè)面鏈接。圖紙和文件還具有定位功能，通過件號(hào)或裝配號(hào)檢索到圖紙和文件時(shí)，打開后會(huì)自動(dòng)定位至該件號(hào)或裝配號(hào)所在頁(yè)碼并突出顯示，如圖8所示。

另外，圖形窗口可開啟總覽頁(yè)面，可匯總顯示裝配件、組立階段等的所有相關(guān)信息，便于生產(chǎn)車間人員隨時(shí)快速查看圖紙、模型、加工要求等，如圖9所示。

生產(chǎn)車間如對(duì)某處模型或圖紙有意見或疑問，可在圖形窗口直接進(jìn)行標(biāo)記注釋，標(biāo)記支持云線、文字、引線等圖形及顏色變更。標(biāo)記保存后會(huì)自動(dòng)反饋至設(shè)計(jì)部門，以消息提醒的方式推送給相關(guān)設(shè)計(jì)人員，并可實(shí)時(shí)查看，如圖10所示。

圖8 裝配件在圖紙和文件中的定位顯示

圖9 信息總覽頁(yè)面

圖10 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)記示例

3 結(jié) 論

大舾裝可視化虛擬裝配DAP的實(shí)現(xiàn)使生產(chǎn)車間可統(tǒng)籌規(guī)劃建造方案和場(chǎng)地布置。裝配展示技術(shù)將加速生產(chǎn)部門的技術(shù)革新進(jìn)程，逐步提高預(yù)舾裝率及施工合理性，并使施工作業(yè)人員對(duì)舾裝件與分段裝配的安裝配合關(guān)系、安裝內(nèi)容有更為直觀的認(rèn)知和理解，有助于降低返工率，減少施工成本，最終提高生產(chǎn)效率。

二維圖紙和工藝文件通過預(yù)設(shè)的編碼規(guī)則與三維模型及裝配過程緊密連接在一起，形成一套完整準(zhǔn)確的可視化輸出模式，使生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無紙化施工。

基于三維裝配展示并集成生產(chǎn)信息的可視化技術(shù)應(yīng)用，打破設(shè)計(jì)與生產(chǎn)之間的信息壁壘，改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)部門與生產(chǎn)部門之間的信息傳遞方式。生產(chǎn)需要的各類圖紙和文件不再是獨(dú)立的離散信息源，而是與三維模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)集成，使生產(chǎn)車間可實(shí)時(shí)查看任意目標(biāo)的裝配過程及其他所有生產(chǎn)相關(guān)信息，為智能化、數(shù)字化造船的進(jìn)一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。