基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接方法

單小芬，朱 煜，朱明華，劉永珍

（江南造船（集團）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

20世紀(jì)80年代以來，西方發(fā)達國家研究并應(yīng)用了數(shù)字化并行協(xié)同研制技術(shù)。國內(nèi)外的應(yīng)用實踐都表明，數(shù)字化并行協(xié)同是飛機制造業(yè)發(fā)展的必由之路，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用不僅能大幅度縮短飛機研制周期，降低研制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且能從根本上改變現(xiàn)行的設(shè)計、制造、試驗、管理的模式和方法，是航空制造業(yè)生產(chǎn)方式的一種變革[1]。船舶產(chǎn)品研制與航空產(chǎn)品研制在產(chǎn)品復(fù)雜度、產(chǎn)品數(shù)量、涉及的專業(yè)和復(fù)雜系統(tǒng)集成等方面都有諸多相似之處。因此，航空制造業(yè)在數(shù)字化研制和并行協(xié)同方面的經(jīng)驗可供船舶制造業(yè)借鑒。

隨著世界各造船強國數(shù)字化設(shè)計和制造技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，總體所和總裝廠（以下簡稱“廠所”）開展數(shù)字化協(xié)同設(shè)計并進行三維模型交付成為未來的發(fā)展方向[2-4]。歐美造船強國的船舶研制在方案設(shè)計、初步設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計等各設(shè)計階段均全面采用三維設(shè)計技術(shù)，使設(shè)計人員在三維環(huán)境下并行協(xié)同地開展相關(guān)設(shè)計工作，方便地進行以總段或分段為對象的區(qū)域綜合布置和區(qū)域設(shè)計，以及總體、船體、輪機、電氣、武器裝備綜合布置的優(yōu)化調(diào)整和干涉檢查，直觀地判斷總段、分段或艙室綜合布置的合理性，有效解決施工設(shè)計與生產(chǎn)設(shè)計模型轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)一致性等方面的問題。

國內(nèi)總體所的設(shè)計數(shù)據(jù)未實現(xiàn)統(tǒng)一平臺下的直接傳遞和繼承，其與總裝廠之間主要依靠二維圖紙傳遞設(shè)計信息；總裝廠根據(jù)二維圖紙構(gòu)建三維模型，結(jié)合船廠的生產(chǎn)特點形成二維圖紙或三維作業(yè)指導(dǎo)書，并將其下發(fā)給車間進行生產(chǎn)[5]。這種通過三維建模和二維出圖提供給總裝廠設(shè)計信息來開展生產(chǎn)設(shè)計工作的方式效率較低，難以滿足船舶研制的進度和質(zhì)量要求。從總體設(shè)計到生產(chǎn)設(shè)計的設(shè)計周期管理，我國與國外先進造船國家相比還存在一定的差距，迫切需要在設(shè)計手段上實現(xiàn)突破，探索高效率、低成本的研制模式。

2015年以來，為更好地應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)促進船舶行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，國內(nèi)各大船舶廠所紛紛基于3DEXP開展船舶數(shù)字化研制工程研究[6-11]，其中基于三維模型的廠所數(shù)字化協(xié)同設(shè)計的重點是三維模型的繼承和使用。本文通過開展基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接方法研究，為廠所的三維模型交付提供技術(shù)支撐，從而充分發(fā)揮三維模型完整性定義的優(yōu)勢，縮短研發(fā)周期。

1 基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程

國內(nèi)的船舶設(shè)計普遍采用的模式為：總體所開展方案設(shè)計、深化方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和施工設(shè)計（主要面向高新船舶），由總裝廠完成工藝設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計。本文首先根據(jù)船舶行業(yè)近幾年開展的廠所并行協(xié)同研究和型號應(yīng)用，定義基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程（見圖1）。

圖1 船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程

在方案設(shè)計、深化方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計階段，主要以二維圖紙和技術(shù)文件為數(shù)據(jù)載體，采用技術(shù)研討和設(shè)計評審等方式進行廠所協(xié)同；在技術(shù)設(shè)計后期和施工設(shè)計已全面采用三維設(shè)計手段的情況下，以三維模型為依據(jù)，采用設(shè)計評審的方式進行廠所協(xié)同。三維模型作為總體所與總裝廠設(shè)計數(shù)據(jù)交換的載體，直接傳遞到總裝廠進行工藝設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計。

2 基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)交互方法

基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)交互方法有統(tǒng)一站點、數(shù)據(jù)包交互和站點間同步等3種，其功能和特性見圖2。

圖2 基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)交互方法

通過對3種交互方法進行分析，可歸納出以下要點：

1) 統(tǒng)一站點和數(shù)據(jù)包交互/站點間同步是2種不同的應(yīng)用邏輯；

2) 數(shù)據(jù)包交互與站點間同步的功能是遞進關(guān)系，站點間同步需要相對規(guī)范化和流程化的業(yè)務(wù)規(guī)則；

3) 從實施難度和成本的角度分析，這3種數(shù)據(jù)交互方法按由低到高的順序排列為數(shù)據(jù)包交互＜統(tǒng)一站點＜站點間同步；

4) 從業(yè)務(wù)和應(yīng)用方法的靈活性角度分析，這3種數(shù)據(jù)交互方法按由低到高的順序排列為統(tǒng)一站點＜數(shù)據(jù)包交互/站點間同步。

因此，在廠所協(xié)同業(yè)務(wù)早期，數(shù)據(jù)交互的業(yè)務(wù)并不成熟、規(guī)范，需采用相對靈活、實施成本低的數(shù)據(jù)包交互方法來支撐整個廠所的協(xié)同應(yīng)用；當(dāng)廠所協(xié)同業(yè)務(wù)趨于成熟時，可按需向多站點技術(shù)過渡；最后建立廠所數(shù)據(jù)傳輸專線，實現(xiàn)統(tǒng)一站點的數(shù)據(jù)交互，確保數(shù)據(jù)源統(tǒng)一。

3 基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接

由于目前基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計還處于起步階段，本文主要對數(shù)據(jù)包交互方法進行研究和應(yīng)用驗證，其技術(shù)路線見圖3。

圖3 船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)交互技術(shù)路線

總體所和總裝廠的設(shè)計均需符合廠所共同制定的協(xié)同設(shè)計規(guī)范。總體所的施工設(shè)計結(jié)果需按擴展屬性包、基礎(chǔ)資源庫和協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包導(dǎo)出和發(fā)放，總裝廠按擴展屬性包、基礎(chǔ)資源庫和協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)的順序?qū)⑵鋵?dǎo)入。在基礎(chǔ)資源庫導(dǎo)入之前，需定義總裝廠特有的擴展屬性，以滿足生產(chǎn)設(shè)計的需求。

3.1 船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接環(huán)境構(gòu)建

總裝廠在承接總體所的協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)之前，需搭建數(shù)據(jù)承接環(huán)境，包括平臺服務(wù)器搭建及客戶端安裝、工程建立、人員/組織/角色配置、權(quán)限設(shè)置、擴展屬性定義和基礎(chǔ)資源庫配置等工作，其中影響協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)順利承接的2個最關(guān)鍵因素是擴展類型和屬性協(xié)同及基礎(chǔ)資源庫協(xié)同。

3.1.1 擴展類型和屬性協(xié)同

基于MBD（Model Based Definition）技術(shù)和深入應(yīng)用考慮，總體所的設(shè)計數(shù)據(jù)可能會得到類型和屬性方面的擴展。在基礎(chǔ)資源庫協(xié)同之前，需確保擴展數(shù)據(jù)的類型和屬性已協(xié)同，進而確保基礎(chǔ)資源庫的數(shù)模類型和屬性能完好地繼承。

在導(dǎo)出擴展的類型和屬性時，總體所需以admin_platform（平臺管理員）的角色登錄系統(tǒng)，在Specialize Data Model功能下找到并下載需導(dǎo)出的部署包；同時，以O(shè)wner（所有者）的角色登錄Native App，并進入Data Setup模塊，下載Deployment Extension Choice項的Business Rules。為確?？傃b廠能順利繼承擴展類型和屬性，建議將導(dǎo)出的部署包和Business Rules等資源導(dǎo)入測試系統(tǒng)中進行測試。

擴展類型和屬性的導(dǎo)入方式類似于總體所擴展類型和屬性的導(dǎo)出方式。在Specialize Data Model功能下找到導(dǎo)入按鈕，并將總體所發(fā)來的數(shù)據(jù)包導(dǎo)入平臺中；在Data Setup模塊打開Business Logic for Object Typing，找到Deployment Extension Choice項，并將總體所發(fā)來的Business Rules關(guān)聯(lián)至該項。

對于安裝區(qū)域和安裝階段等總裝廠特有的屬性，總體所無需擴展，僅總裝廠擴展即可。

3.1.2 基礎(chǔ)資源庫協(xié)同

對于船舶設(shè)計而言，使用的設(shè)計模塊幾乎都需進行基礎(chǔ)資源庫配置，通過基礎(chǔ)資源庫和設(shè)計規(guī)則（Data Setup）的共同驅(qū)動來支撐船舶專用模塊的應(yīng)用。3DEXP基礎(chǔ)資源庫分為數(shù)模資源和項目資源表2部分，表1為3DEXP基礎(chǔ)資源庫清單，其中項目資源表是每個項目開展設(shè)計工作的基礎(chǔ)，其配置管理直接決定著設(shè)計模型的一致性和單一數(shù)據(jù)源性[12]。

表1 3DEXP基礎(chǔ)資源庫清單

對于3DEXP基礎(chǔ)資源庫，需按數(shù)模資源和項目資源表的方式導(dǎo)出，導(dǎo)出要求和建議如下。

1) 角色：總體所需以Leader的角色登錄客戶端。

2) 數(shù)模導(dǎo)出：總體所需采用高級搜索的方式將各專業(yè)的數(shù)模資源通過Export功能導(dǎo)出，在導(dǎo)出對話框中選擇with all Representations和with whole Structure選項。建議在創(chuàng)建數(shù)模過程中通過Catalog進行管理，這樣在導(dǎo)出過程中可避免過多地搜索（Catalog在導(dǎo)出時可將其所有子級一并帶出）。

3) 項目資源表導(dǎo)出：總體所可采用數(shù)模導(dǎo)出的方法導(dǎo)出項目資源表，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下的第一層數(shù)據(jù)會附帶導(dǎo)出。對于數(shù)據(jù)量較大的Resource Set，可使用Tools下的批處理工具（Export 3D XML）導(dǎo)出。

總裝廠收到總體所提供的基礎(chǔ)資源數(shù)據(jù)之后，需先導(dǎo)入各專業(yè)的數(shù)模資源，再導(dǎo)入項目資源表。

對于數(shù)模資源，由于數(shù)據(jù)量較大，建議采用Tools下的批處理工具（Import 3D XML）導(dǎo)入；選擇需導(dǎo)入的文件，指定導(dǎo)入文件的路徑（見圖4），并采用As Reference的方式導(dǎo)入數(shù)據(jù)；導(dǎo)入完成之后，通過檢查Report來查看導(dǎo)入狀態(tài)。數(shù)據(jù)導(dǎo)入完成之后，應(yīng)基于上游提供的數(shù)據(jù)清單，在系統(tǒng)中檢查數(shù)據(jù)的完整性。

對于項目資源表，其導(dǎo)入方式與數(shù)模數(shù)據(jù)相同。項目資源表中關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)主要包括CAT Catalog、Excel、CAT Material、Part、Physical Product和XML等。這些數(shù)據(jù)通過與Catalog關(guān)聯(lián)或直接選用至Resource Set中組成資源的數(shù)據(jù)層?？傃b廠需以O(shè)wner的角色登錄系統(tǒng)，并在Data setup模塊將Resource Set關(guān)聯(lián)至合作區(qū)。

圖4 3DEXP數(shù)模資源批量導(dǎo)入功能

3.2 船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接

船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出、發(fā)放和承接是協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過程中最重要的環(huán)節(jié)。在并行工程環(huán)境下，總裝廠完成船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接環(huán)境構(gòu)建之后，總體所可根據(jù)船舶產(chǎn)品的成熟度，導(dǎo)出、預(yù)先發(fā)放協(xié)同數(shù)據(jù)給總裝廠，方便后者提前開展工作，最大程度地發(fā)揮并行工程的效果。

3.2.1 協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)出和發(fā)放

總體所在導(dǎo)出和發(fā)放船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)之前，需完成以下檢查工作。

1) 關(guān)聯(lián)關(guān)系檢查：在設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)出之前，其更新狀態(tài)需保持最新，即數(shù)模中無更新。因此，需在導(dǎo)出設(shè)計數(shù)據(jù)之前對其更新狀態(tài)和關(guān)聯(lián)關(guān)系進行檢查。通過Link工具檢查設(shè)計數(shù)據(jù)內(nèi)部的鏈接狀態(tài)，所有的鏈接狀態(tài)需保證完整，即鏈接為綠色。建議結(jié)合業(yè)務(wù)規(guī)范，通過二次開發(fā)實現(xiàn)模型關(guān)聯(lián)關(guān)系自動檢查。

2) 屬性完整性檢查：數(shù)據(jù)導(dǎo)出至總裝廠之后，需確認(rèn)擴展的數(shù)據(jù)類型和屬性是否已定義完整。屬性的完整性檢查需通過開發(fā)實現(xiàn)。

總體所以Leader的角色登錄系統(tǒng)，方可導(dǎo)出船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳輸和接收由專人負責(zé)，且應(yīng)采取相應(yīng)措施保證數(shù)據(jù)傳輸各環(huán)節(jié)的安全性。

3.2.2 協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入

總裝廠收到總體所發(fā)放的協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)之后，可在船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接環(huán)境中導(dǎo)入設(shè)計數(shù)據(jù)，建議采用As Reference的方式導(dǎo)入。由于數(shù)模量龐大，設(shè)計數(shù)據(jù)同樣需采用批處理工具導(dǎo)入，導(dǎo)入方式與基礎(chǔ)資源庫的導(dǎo)入方式相同。

協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)導(dǎo)入成功之后，總裝廠可直接基于總體所的協(xié)同設(shè)計模型開展后續(xù)的生產(chǎn)設(shè)計和工藝設(shè)計工作，以最大程度地利用總體所提供的三維模型，縮短生產(chǎn)設(shè)計和工藝設(shè)計周期。

4 結(jié) 語

本文分析了基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計流程，研究確定了基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)交互方法，同時對基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計數(shù)據(jù)承接環(huán)境構(gòu)建和數(shù)據(jù)承接方法進行了闡述。本文的研究為廠所的三維模型交付奠定了基礎(chǔ)，從而確保船舶設(shè)計上游數(shù)據(jù)與下游數(shù)據(jù)的一致性，消除雙數(shù)據(jù)源之間的不協(xié)調(diào)問題，提高設(shè)計質(zhì)量；同時，總裝廠可基于總體所提供的船舶數(shù)字化協(xié)同數(shù)據(jù)，直接開展后續(xù)的設(shè)計生產(chǎn)，縮短設(shè)計和建造周期。

由于目前基于3DEXP的船舶數(shù)字化協(xié)同設(shè)計還處于起步階段，廠所要完全基于三維模型交付，還需突破產(chǎn)品完整性定義、深入并行協(xié)同、基礎(chǔ)庫協(xié)同、數(shù)據(jù)高效交互、工程變更和數(shù)據(jù)管理等關(guān)鍵技術(shù)。未來將在已有研究成果的基礎(chǔ)上，針對船舶數(shù)字化協(xié)同存在的問題和需求，充分結(jié)合工程實際，進一步提升船舶設(shè)計制造的數(shù)字化協(xié)同能力。