船舶與海洋工程一體化設計標準體系建設

曹先鋒，張園園，白 楊，孔國照，姜雨平

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

相較于傳統(tǒng)設計模式，近年來得到廣泛實踐的船舶與海洋工程一體化設計模式具有明顯優(yōu)勢。傳統(tǒng)設計模式將船舶與海洋工程產(chǎn)品的設計工作流程劃分為基本設計、詳細設計、生產(chǎn)設計等3個階段，各個設計階段的工作內(nèi)容互相獨立，邏輯連續(xù)性較差，工作界面清晰，責任主體區(qū)分明顯，設計內(nèi)容的復雜程度隨著設計過程的推進呈現(xiàn)幾何增長的趨勢。這些特點往往導致后期修改過程冗長、復雜、效率不高。一體化設計通過采用計算機仿真、互聯(lián)網(wǎng)實時通信、標準化數(shù)據(jù)庫等技術將3個設計階段的工作內(nèi)容進行統(tǒng)籌融合，實現(xiàn)邏輯排序、時間并行、協(xié)同作業(yè)，將上游設計階段的數(shù)據(jù)與信息無縫傳遞到下游設計階段中去。一體化設計可實現(xiàn)不同專業(yè)間的復合交叉作業(yè)，方便各個設計參與者進行無障礙溝通，真正打破不同設計專業(yè)、參與單位之間的阻隔與障礙。雖然國內(nèi)一些具有技術前瞻性的研究所與船廠對一體化設計模式的運用進行過不同程度的探索，但目前一體化設計模式在國內(nèi)船舶與海工企業(yè)中并未得到廣泛應用。一體化設計模式目前未能實現(xiàn)良好推進的原因主要有2點：1）當前的設計軟件尚不能完全滿足一體化設計的應用需求，設計軟件供應商對一體化設計要求的理解不夠充分，軟件的功能只能在局部設計范圍內(nèi)滿足一體化設計的要求；2）行業(yè)自身對一體化設計的原理與內(nèi)涵認識不足，沒有建立適用一體化設計工作所需的標準體系，各個推進單位大多處在自主研究階段，技術方法與標準體系無法實現(xiàn)迭代提升。

1 一體化設計運用及發(fā)展現(xiàn)狀

船舶與海洋工程產(chǎn)品一體化設計模式的應用與推進離不開以下3項基礎性工作：1）針對一體化設計模式理論進行深入研究；2）完善一體化設計模式軟件工具的開發(fā)與優(yōu)化；3）完善一體化設計模式的標準體系建設。由于開展一體化設計工作所需的軟件工具主要依靠各類軟件供應商提供，軟件開發(fā)過程遠離一體化設計工程實踐的需求，缺少一體化設計工作的經(jīng)驗儲備，這就導致各類設計軟件不能很好地滿足一體化設計工作的技術需求。技術標準體系是保證技術設計工作成果可靠且有效的評價依據(jù)，也是達成設計目標、實現(xiàn)產(chǎn)品價值的根本保障。從標準體系的建設入手，著力推進與提升一體化設計工作，可視為切實轉變設計工作模式、提升設計工作水平的正確方向。

1.1 一體化設計標準現(xiàn)狀

目前，船舶與海洋工程設計與建造過程采用的標準文件可分為國家標準、行業(yè)標準、地方標準和企業(yè)標準。在傳統(tǒng)的船舶與海洋工程設計過程中，基本設計、詳細設計和生產(chǎn)設計的輸入、輸出數(shù)據(jù)除受船級社、掛旗國及有關規(guī)范、規(guī)則與公約的約束外，還應符合我國船舶行業(yè)標準和企業(yè)標準的要求。由于這些標準的內(nèi)容大多按照3個設計階段的分工需求進行編制，因此僅適用于傳統(tǒng)的設計管理模式。一體化設計模式具有以下3個主要特點：1）支持設計工作跨設計階段無縫銜接；2）具備跨專業(yè)間協(xié)調設計能力；3）能夠實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)共享的實時協(xié)同作業(yè)下的分布設計。與傳統(tǒng)設計標準相比，一體化設計標準既有內(nèi)容一致的部分，也有差異顯著、可擴展的部分。因此，可利用現(xiàn)有設計標準輔助一體化設計標準的構建與完善，但當前標準文件并不能完全適用于一體化設計模式的實施和開展。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展與積累，我國制定了大量船舶與海洋工程領域的國家標準與行業(yè)標準，各個企業(yè)圍繞自身的產(chǎn)品特點與管理需求也制定了諸多詳細的企業(yè)標準及生產(chǎn)設計標準。這些標準在內(nèi)容上基本反映了我國當前船舶與海洋工程設計標準的現(xiàn)狀。

雖然我國較早提出了船舶與海洋工程一體化設計的概念，但受制于設計軟件功能的欠缺、理論研究工作的不完善、標準制定更新工作進展緩慢、行業(yè)推廣進度遲緩等因素，目前一體化設計工作的應用與發(fā)展仍停留在初步階段，各個單位也只是針對個別項目或局部專業(yè)進行應用探索。

一體化設計標準文件的內(nèi)容與架構應體現(xiàn)設計作業(yè)過程與工作內(nèi)容的需要?，F(xiàn)行的各類設計標準基本只適用于傳統(tǒng)設計模式，我國缺乏適用于一體化設計模式的標準體系。

1.2 一體化設計標準的功能與邏輯劃分

船舶與海洋工程一體化設計標準體系在一體化設計過程中具有重要作用。設計標準文件是復雜設計工作順利開展的統(tǒng)一準則，可有效降低設計差錯率，提高設計質量，提升設計管理效率。設計工作過程中的標準化水平體現(xiàn)了一個企業(yè)、一個行業(yè)乃至一個國家的科學技術管理水平。船舶與海洋工程一體化設計標準不但要具備標準技術體系文件的基礎功能，還要結合一體化設計跨階段、跨專業(yè)、共享、協(xié)同的特點，促進不同設計階段之間、不同設計專業(yè)之間、不同設計作業(yè)人員之間的信息交流與實時交互。

一體化設計標準體系文件可大致分為如下3類：1）適用于全專業(yè)全階段的模型標準庫；2）適用于不同設計階段與專業(yè)的統(tǒng)一參考模型；3）適用于不同平臺和設計軟件的格式轉換標準。

1.2.1 功能劃分

設計周期是管理設計工作、控制設計節(jié)奏、評價設計成果的重要指標，船舶與海工項目的設計規(guī)劃往往根據(jù)設計周期與工作內(nèi)容的時間先后逐項制定。從時間維度來考慮問題，利于安排工作，便于編制計劃，但無法清晰有效地揭示設計過程的邏輯聯(lián)系。通過改換認知視角，從邏輯維度或知識維度來考慮，可將設計過程分為需求提出、功能整理、邏輯實現(xiàn)與虛擬實現(xiàn)等4個設計階段。這些設計階段同樣適用于船舶與海洋工程的設計過程，需求提出對應基本設計階段，功能整理對應送審設計前期的大量設計準備工作，邏輯實現(xiàn)對應各類結構圖與原理圖的設繪與送審工作，虛擬實現(xiàn)對應利用三維軟件來構建虛擬模型。

由于4個設計階段對模型標準的要求不同，如果將其分開建設，那么就不能將上游設計的信息無縫傳遞到下游階段。因此，4個設計階段用到的各種模型標準均要基于統(tǒng)一的要求來構建。只有通過這種方式得到的模型標準才能適用于全部設計階段，并能實現(xiàn)設計工作的相互關聯(lián)。

1.2.2 邏輯劃分

標準體系建設的一大要點是為一體化設計過程提供適用于不同設計階段與設計專業(yè)的通用參考標準。通用參考標準包含2類應用方向：物理參考和邏輯參考。

物理參考標準包括各種空間坐標系與位置信息，這些空間坐標系在構建時要結合不同設計階段與設計專業(yè)的需求。各設計階段與設計專業(yè)的空間坐標系既相對獨立，又相互關聯(lián)，可將工程設計所要求的空間位置在不同的設計階段進行傳遞，也能很方便地進行統(tǒng)一修改。

邏輯參考標準在空間位置中加入功能與邏輯屬性，如重量控制、危險區(qū)域定義、防火等級要求等。邏輯參考標準包含一個空間或一個區(qū)域的邏輯功能需求，可將當前的設計思想順利傳遞給下道設計工作。

2 一體化設計標準方案

為推進船舶與海洋工程一體化設計方法在實際工作中的運用，本文制定一套適用于船舶與海洋工程的一體化設計標準建設方案，該方案可分步實施并持續(xù)優(yōu)化。

2.1 一體化設計標準方案要點

我國《推進船舶總裝建造智能化轉型行動計劃（2019—2021年）》明確提出，要推進全三維數(shù)字化設計，推進基于模型的數(shù)字化設計體系建設，推進船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理信息化，推進三維數(shù)字化交付，研究初步設計、詳細設計與生產(chǎn)設計的協(xié)同設計，提出基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫的三維模型初步設計和詳細設計方法、三維模型送審模式及三維審圖方法，推出送、退審三維模型數(shù)據(jù)規(guī)范及數(shù)據(jù)接口標準，實現(xiàn)基于三維模型的初步設計與詳細設計，掌握面向生產(chǎn)設計的分段生成、典型船體結構詳細設計與生產(chǎn)設計的模型協(xié)同、管系和電氣原理設計與生產(chǎn)設計協(xié)同等關鍵技術，形成詳細設計與生產(chǎn)設計模型數(shù)據(jù)無縫對接，實現(xiàn)船舶詳細設計與生產(chǎn)設計業(yè)務與系統(tǒng)的集成協(xié)同。

根據(jù)上述要求，本文結合實際項目設計出一套船舶與海洋工程一體化設計標準建設方案，目標是覆蓋從應標方案到施工圖紙設計的全工作流程。如圖1所示，設計階段、專業(yè)特點與工作內(nèi)容的差異導致了協(xié)調的方向是多維度的，需要將各個階段、各個專業(yè)、各個方面的設計信息無縫地進行交換。

圖1 一體化設計協(xié)調象限圖

2.1.1 一體化設計標準編制原則

船舶與海洋工程一體化設計標準體系建設需要統(tǒng)一各設計階段、設計專業(yè)與設計方面的設計準則，通過分布式、共享式設計減少重復設計工時，在初步設計、詳細設計與生產(chǎn)設計階段使用可復用三維模型，并將設計模型的數(shù)據(jù)信息采用同一種類型的數(shù)據(jù)庫進行存儲。

一體化設計工作具有如下3點工作原則：

1）一次定義、重復使用、不斷細化。

2）平行設計、協(xié)同迭代、流程控制。

3）原理驅動、標準集成、規(guī)則轉換。

一體化設計標準編制應適配于一體化設計工作，應在滿足工作原則的基礎之上實現(xiàn)一體化設計標準跨階段、跨專業(yè)使用。

2.1.2 一體化設計標準編制方法

一體化設計標準按用途可分為共用標準、跨階段標準、跨專業(yè)標準等3類；按實現(xiàn)的技術可分為編碼類、表單類、模型類、文字類等4類。從設計標準的使用目的來看，不同的設計目標需要使用不同的方法進行編制。

標準編制的優(yōu)先級順序為共用標準→跨階段標準→跨專業(yè)標準。共用標準是跨階段與跨專業(yè)使用的基礎準則，必須優(yōu)先制訂?？珉A段傳遞設計信息是一體化設計的主要目的之一，因此跨階段標準要優(yōu)先于跨專業(yè)標準來制訂。在標準類別上，除常規(guī)的文字類與編碼類的標準外，特別針對表單類與模型類的對象制訂了專門的標準。在一體化設計過程中，往往需要采用表單來表述設備與系統(tǒng)的特性，因此需要制訂面向基本設計與詳細設計的表單類標準。三維模型是用于傳遞基本設計、詳細設計與生產(chǎn)設計的主要載體，因此要制訂針對模型的設計標準。表單類標準與模型類標準在設計標準體系中屬于底層驅動型文件，關系到設計成果的質量與效率，具有較高的優(yōu)先級。

2.2 一體化設計主要標準

根據(jù)一體化設計工作對技術標準文件的需求，現(xiàn)有的部分設計標準可在未來的一體化設計工作中繼續(xù)沿用，但也有一些標準文件要重新制定。一體化設計是基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的三維模型建立的，在用文字與表格表述的同時，還需要配合數(shù)據(jù)庫、表單類，符號類與三維模型共同表述。

2.2.1 一體化設計標準部件庫

標準部件庫是一體化設計標準體系中的核心要素，標準部件庫的分類與內(nèi)容見表 1，主要包括原材料、通用標準件、標準舾裝件、設備類、自制件、其他等六大分類。

表1 標準部件庫分類與內(nèi)容

對于單獨零部件，部件庫包括適用于初步設計階段的表單類數(shù)據(jù)、適用于詳細設計階段的符號類數(shù)據(jù)，以及適用于生產(chǎn)設計階段的三維模型數(shù)據(jù)。一體化設計是基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的三維模型建立的，不同設計階段對三維模型的內(nèi)容和細節(jié)的要求不同。如圖2所示，初步設計階段一般只需要部件的重量信息與外形尺寸；詳細設計階段對模型細節(jié)的要求開始明顯增加，需要模型的詳細布置數(shù)據(jù)、聯(lián)接點的數(shù)量與類別等信息；生產(chǎn)設計階段不僅需要詳細的聯(lián)接點的位置和方向等信息，還需要維修空間、隔熱、干涉檢查等參數(shù)信息。

圖2 一體化部件的3種表達方式

為更好地使用部件庫的功能，本文提出名為系統(tǒng)規(guī)格書的調用方法，該系統(tǒng)規(guī)格書的內(nèi)容與船舶建造規(guī)格書中的系統(tǒng)描述一一對應。在一體化設計平臺中，可通過系統(tǒng)規(guī)格書對部件庫中各類標準部件進行調用，進而提高設計效率、減少差錯率。

2.2.2 主要標準

1）多專業(yè)跨階段通用設計模型標準

多專業(yè)跨階段通用設計模型標準是基于船舶與海工產(chǎn)品外殼型線與分艙結構的，可在多專業(yè)跨階段使用的建模基準。多專業(yè)跨階段通用設計模型標準對模型提出如下3點要求：1）模型為抽象的三維模型，有外形，也有定位基準；2）可滿足應標方案設計、送審模型設計、生產(chǎn)施工設計、工藝設計的全過程需求；3）可與具體的三維模型相連接。

2）單專業(yè)跨階段通用參照模型標準

單專業(yè)跨階段通用參照模型標準既能在單專業(yè)內(nèi)部使用，又能滿足單專業(yè)在不同設計階段對通用參照模型體系的要求；既能承載本專業(yè)不同階段的設計信息，又能根據(jù)不同設計階段進行及時轉換，滿足“一次定義，不斷細化，重復使用”的要求。

3）標準部件庫

標準部件庫可在原理圖與三維實體模型間進行轉換，將原理圖與三維實體模型一一對應。

4）跨設計階段編碼標準體系

跨設計階段編碼標準體系是指滿足規(guī)格書編寫、需求分類整理、原理圖、設備管理、三維模型、出圖全過程需求的編碼標準體系。

5）機電通風原理圖符號設計屬性標準

機電通風原理圖符號設計屬性標準基于現(xiàn)有國家原理圖符號標準，面向可以從邏輯原理圖向三維實體模型自動轉換的機電通風原理圖符號設計屬性標準。

6）基于單一需求的模型分類標準

協(xié)同設計在需求提出、功能分類、原理設計、三維模型的全過程會用到不同的設計模型，不同的模型需求不同。為滿足上述要求，基于單一需求的模型分類標準建立了不同模型的分類說明與屬性歸類等情況。

7）面向制造的任務包輕量化模型標準

面向制造的任務包輕量化模型標準是指面向制造過程的，可提供各類數(shù)據(jù)需求并可收集過程數(shù)據(jù)的輕量化模型標準。

3 結論

一體化設計標準體系的建設對于一體化設計方法的應用和推廣具有重要意義。本文根據(jù)具體的應用需求，結合現(xiàn)有標準體系，構建一體化設計標準體系文件。此外，對不同設計階段、設計專業(yè)與設計參與方適用的標準體系的構建方法和要素進行了詳細的闡述與說明。應首先建設適用于不同設計階段與設計參與方的部件庫標準，再建設適用于不同設計階段與設計專業(yè)的技術標準。由于標準內(nèi)容較多，實現(xiàn)方法具有多樣性，本文所述的一體化標準文件仍在持續(xù)修改和完善中，本文提出的一體化標準構建思路與方法可為其他船舶與海工項目的一體化設計及標準建設工作提供有益參考。