艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計研究*

陳 軍 張 濤

（海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033）

艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計研究*

陳 軍 張 濤

（海軍工程大學(xué)船舶與動力學(xué)院 武漢 430033）

針對傳統(tǒng)艦船動力裝置設(shè)計中存在的問題，文章在充分研究當(dāng)前國內(nèi)外數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出開展艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計研究，研究構(gòu)建了艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，主要包括底層平臺、集成管理環(huán)境、虛擬樣機(jī)及仿真支持環(huán)境、協(xié)同設(shè)計軟件支持環(huán)境及Web門戶等模塊，并對系統(tǒng)所涉及的硬件支撐平臺技術(shù)、現(xiàn)代設(shè)計工具／平臺支持技術(shù)、數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)支撐環(huán)境的研制、協(xié)同設(shè)計／應(yīng)用軟件平臺的研究與開發(fā)、數(shù)字化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。通過該文的研究，將從系統(tǒng)層次上為艦船動力裝置設(shè)計的數(shù)字化提供指導(dǎo)，同時也能為數(shù)字化造船技術(shù)的發(fā)展提供參考。

艦船動力裝置；數(shù)字化設(shè)計；數(shù)字化造船

Class NumberU664．1

1 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭對作戰(zhàn)平臺先進(jìn)性要求的不斷提高，動力裝置的復(fù)雜程度也不斷的增加，如柴燃聯(lián)合、柴柴并車、噴水推進(jìn)、綜合全電力推進(jìn)等新型動力裝置開始應(yīng)用或進(jìn)行預(yù)先研究，從總體看，這些新型裝置所需的技術(shù)在國內(nèi)尚處于初步應(yīng)用或探索的階段，因而所需要的投入也相應(yīng)增加，因此采取各種措施來提高動力裝置的效費(fèi)比以適應(yīng)未來戰(zhàn)爭所需的巨大科技投入是當(dāng)前迫切需要解決的問題。而提高動力裝置的效費(fèi)比涉及多個方面的因素，如設(shè)計、建造、維護(hù)、訓(xùn)練等，其中最直接、最重要的就是提高動力系統(tǒng)的設(shè)計水平和設(shè)計質(zhì)量［1］，以實現(xiàn)縮短設(shè)計建造時間、降低費(fèi)用，促進(jìn)艦船動力裝置綜合性能水平的提升。

1．1 設(shè)計過程缺乏現(xiàn)代設(shè)計理論方法的支持

艦船動力裝置的設(shè)計過程在多個任務(wù)環(huán)節(jié)（如方案設(shè)計）對設(shè)計者的經(jīng)驗依賴較大，缺乏現(xiàn)代設(shè)計理論及方法的支持，因此設(shè)計者的經(jīng)驗對設(shè)計質(zhì)量往往產(chǎn)生較大的影響，設(shè)計質(zhì)量往往受限于設(shè)計者的經(jīng)驗和個人偏好，從而成為制約設(shè)計質(zhì)量提高的因素。

1．2 設(shè)計過程缺乏現(xiàn)代設(shè)計工具的支持

隨著CAD／CAE技術(shù)的發(fā)展，動力裝置在設(shè)計的局部階段開始引入CAD／CAE技術(shù)，對設(shè)計過程起到了較好地支持作用。在虛擬現(xiàn)實、虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展下，各種全面支持制造業(yè)各領(lǐng)域的先進(jìn)工具不斷推出，在制造業(yè)的其他領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，而動力裝置設(shè)計過程還只是將處于計算機(jī)輔助工具應(yīng)用的初級階段，比如在施工設(shè)計中，通常需要在車間內(nèi)按照一定的比例建造機(jī)艙的模型，要求技術(shù)人員和工人能在這個模型中安裝或者拆卸同樣比例制成的每個設(shè)備、管路、電纜等模型，用以檢驗是否一切都合理，否則進(jìn)行修改，直到滿足要求為止。

1．3 信息化水平較低

動力裝置的設(shè)計過程牽涉到大量的數(shù)據(jù)、圖紙、文件、計算書，傳統(tǒng)的設(shè)計過程雖然局部已經(jīng)脫離了紙質(zhì)圖紙，但在審批等過程主要還是依靠紙質(zhì)圖紙的方式；設(shè)計過程的信息管理混亂，特別是涉及到的部門較多，各部門各自負(fù)責(zé)自身的相關(guān)資料數(shù)據(jù)，缺乏從全局的角度對資料的管理，造成查閱檢索困難；信息管理權(quán)限混亂，而設(shè)計信息多為涉密內(nèi)容，因此造成較大的安全隱患。

1．4 缺乏網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計的支持

動力裝置的設(shè)計過程涉及到多個階段、多個部門，而傳統(tǒng)的設(shè)計過程中的各部門之間相關(guān)問題的協(xié)調(diào)解決主要還是依靠專家會等形式解決，這種方式不僅費(fèi)用較高，而且容易造成效率低下。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)能夠為動力裝置的設(shè)計過程提供較好的支持，因此采用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和并行設(shè)計技術(shù)將能較好地解決設(shè)計過程中各階段、各部門之間的協(xié)同問題。

1．5 設(shè)計的范疇過于狹隘

傳統(tǒng)動力裝置的設(shè)計過程限定在狹義的設(shè)計階段，而隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)代設(shè)計的概念已經(jīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)的設(shè)計范疇，在現(xiàn)代工具的支持下，設(shè)計的范疇可以延伸到制造階段、使用階段和維護(hù)階段，從而在設(shè)計階段實現(xiàn)對動力裝置生命周期各個階段的支持。

可見，動力裝置設(shè)計的理念、理論支持、工具、方法、手段已經(jīng)受到現(xiàn)代科技飛速發(fā)展的挑戰(zhàn)，當(dāng)前數(shù)字化技術(shù)等現(xiàn)代化技術(shù)在制造業(yè)其他領(lǐng)域已經(jīng)引起巨大的變革，而動力裝置的設(shè)計在設(shè)計理念、工具、方法和手段上滯后于現(xiàn)代科技的發(fā)展水平。本文針對當(dāng)前動力裝置設(shè)計中存在的問題，在充分吸收當(dāng)前國內(nèi)外數(shù)字化造船先進(jìn)理念和技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計的總體框架和關(guān)鍵技術(shù)，為艦船動力裝置設(shè)計水平的提高提供科學(xué)支撐，同時也為國內(nèi)數(shù)字化造船的發(fā)展提供一定的參考。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2．1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

世界造船中心在20世紀(jì)50年代開始從歐洲轉(zhuǎn)向日本，70年代轉(zhuǎn)向韓國。日本用10年的時間超過歐洲發(fā)展成為世界第一造船大國，而韓國在1999年超過日本成為世界第一造船大國。從軍船制造的角度來看，美國一直是軍船制造最強(qiáng)大的國家。在美國、日本、韓國的先進(jìn)造船企業(yè)中，長期以來一直致力于先進(jìn)設(shè)計、制造、管理理念在生產(chǎn)管理實踐中的廣泛應(yīng)用和推廣工作［2～6］。綜合分析相關(guān)文獻(xiàn)，國外造船行業(yè)的發(fā)展的主要特點(diǎn)如下：

1）設(shè)計理念與方法不斷突破創(chuàng)新

隨著現(xiàn)代設(shè)計理念方法和計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，國外造船界積極吸收制造業(yè)其他領(lǐng)域的先進(jìn)設(shè)計思想和理念，研究適合船舶制造領(lǐng)域的設(shè)計理論及方法，如：數(shù)字化設(shè)計（Digital Design）、計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacture System）、并行設(shè)計（Concurrent Engineering）等，這些先進(jìn)設(shè)計理念和方法的應(yīng)用對推動船舶制造業(yè)的發(fā)展起到了重要的作用。比較有代表性的有［7～11］：日本從20世紀(jì)80年代開始實施CIMS技術(shù)，目前大型船廠技術(shù)已實用化，在使用CIMS技術(shù)使用后，節(jié)省人工約50%，縮短工期20%；自20世紀(jì)90年代中后期開始，韓國造船業(yè)重點(diǎn)加強(qiáng)“軟件”投入，通過研究應(yīng)用CIMS技術(shù)，全面實施現(xiàn)代造船體制，取得了顯著成果，如韓國大宇船廠于1991年實施CIMS后，年造船縮短約500萬工時，船舶建造周期縮短3．5個月；法國DCN作為歐洲最大的軍船供應(yīng)商，全部采用艦船數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了各船廠間的數(shù)據(jù)共享和產(chǎn)品全壽命周期管理，提供了一整套產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計制造解決方案，極大地提高了設(shè)計效率；美國紐波特紐斯造船廠和通用動力公司在“海狼”級、“弗吉尼亞”級核潛艇項目的研制過程中，全面采用數(shù)字化設(shè)計技術(shù)，使核潛艇的成本大幅降低，有效地提高了該型號的綜合性能。

2）設(shè)計工具不斷強(qiáng)化

現(xiàn)代設(shè)計制造方法需要相應(yīng)的設(shè)計工具的支持，國外造船強(qiáng)國十分重視設(shè)計工具的開發(fā)和應(yīng)用［12～13］。在專業(yè)船舶設(shè)計軟件方面，具有代表性的有瑞典的Tribon、美國的CADDSS、西班牙的Foran等，這些船舶專業(yè)軟件在國外的造船企業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用；在通用軟件方面，如CAD／CAE／CAM軟件CATIA和 UG等、CAE軟件 Ansys和Nastran等，這些軟件有針對船舶設(shè)計的模塊或者能夠在船舶設(shè)計中的某個階段得到應(yīng)用，因此也被廣泛地應(yīng)用到船舶設(shè)計中。這些設(shè)計工具的開發(fā)和使用為更新設(shè)計理念、提高設(shè)計質(zhì)量提供了強(qiáng)大的支持。

3）信息化程度不斷提升

船舶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及各行各業(yè)配套企業(yè)達(dá)上千家之多，零、部件達(dá)數(shù)百萬件以上，生產(chǎn)組織機(jī)構(gòu)龐大，協(xié)調(diào)困難，很難達(dá)到計劃的精確管理。先進(jìn)造船國家一直非常重視船舶領(lǐng)域的信息化建設(shè)，歐盟已明確將造船業(yè)列為“最適宜于信息技術(shù)應(yīng)用的理想領(lǐng)域”，并積極開展信息技術(shù)的推廣應(yīng)用，效果顯著；日本、韓國等的先進(jìn)船廠也已在其生產(chǎn)、經(jīng)營、管理中廣泛應(yīng)用信息技術(shù)，大大提高了造船效率。比較有代表性的有［14～15］：韓國八所大學(xué)及專業(yè)公司于2002年共同成立聯(lián)合研究協(xié)會，致力研究將船舶生產(chǎn)信息和數(shù)字化技術(shù)相結(jié)合有效改進(jìn)造船生產(chǎn)過程，通過該系統(tǒng)將造船與信息技術(shù)融合一體；日本造船協(xié)會及七大造船集團(tuán)于1998年進(jìn)行船舶企業(yè)的信息化研究，嘗試通過網(wǎng)絡(luò)將七大造船集團(tuán)的CIMS連接起來，通過信息共享推進(jìn)企業(yè)間的協(xié)同合作，為實現(xiàn)虛擬造船奠定一定的基礎(chǔ)；歐盟于1999年開始通過建立企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)信息化系統(tǒng)，推動造船虛擬企業(yè)的建立；全美六大造船公司于2000年開始研究采用能夠交互的一致性定義的設(shè)計、建造過程控制方法，初步建立基于信息技術(shù)的虛擬造船企業(yè)。

4）管理手段的現(xiàn)代化

現(xiàn)代設(shè)計方法的采用、現(xiàn)代設(shè)計工具的支持以及信息化的全面實施對船舶企業(yè)的管理提出了更高的要求，國外先進(jìn)造船企業(yè)及軍方十分重視船舶設(shè)計、建造過程的管理上的改革，主要包括采辦過程的改革、企業(yè)業(yè)務(wù)流程重組、組織管理機(jī)構(gòu)調(diào)整、管理模式轉(zhuǎn)變、生產(chǎn)組織管理及質(zhì)量管理等方面［16～17］。美國海軍部門是最早支持基于仿真的設(shè)計（SBA，Simulation Based Design）思想與采辦相結(jié)合的部門，對美國國防部高級研究項目署（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）提出的基于仿真的設(shè)計給予了大力支持，并要求在未來艦艇制造中大量采用建模仿真技術(shù)。當(dāng)前美國海軍項目中部分應(yīng)用SBA思想的有：LPD-17運(yùn)輸艦、DD21驅(qū)逐艦、先進(jìn)兩棲戰(zhàn)車。另外美國的ASE（Advanced Shipbuilding Enterprise，先進(jìn)造船企業(yè)）項目對船廠的人力資源管理、機(jī)構(gòu)改革等方面分別進(jìn)行了特定的項目研究，取得了明顯效果。

5）全面支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計

船舶設(shè)計過程分多階段進(jìn)行，方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計；涉及到多個專業(yè)，總體、結(jié)構(gòu)、輪機(jī)、電氣等；需要多方參與，船東、設(shè)計所、船級社、船廠、設(shè)備廠等。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，國外先進(jìn)造船企業(yè)充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建時間上的多階段、結(jié)構(gòu)上的多專業(yè)、空間上的多部門網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計平臺［18］，如美國的國家造船研究項目實現(xiàn)了主要船廠的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作等。

2．2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國造船工業(yè)從20世紀(jì)70年代開始采用CAD技術(shù)使造船生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量有了較大地提高；80年代后期，船舶工業(yè)統(tǒng)一組織開發(fā)了CASIS、CADIS和 MIS等造船造機(jī)系統(tǒng)，有力促進(jìn)了船舶企業(yè)的信息化進(jìn)程；90年代中后期，中國造船企業(yè)根據(jù)自身的條件，相繼引進(jìn)了具有先進(jìn)建摸技術(shù)的國外三維CAD／CAM系統(tǒng)，如瑞典的TRIBON，美國的CADDSS、法國的CATIA等，并對引進(jìn)的軟件進(jìn)行了大量消化吸收工作；進(jìn)入21世紀(jì)之后，各骨干船廠及研究所在引進(jìn)國外先進(jìn)設(shè)計軟件的同時，積極進(jìn)行與船廠實際相結(jié)合的二次開發(fā)工作，同時積極進(jìn)行自主開發(fā)的研究［19～21］。滬東中華造船集團(tuán)把“數(shù)字造船、綠色造船”作為企業(yè)發(fā)展的基本方針，在多年CAD／CAM／CIM開發(fā)應(yīng)用及引進(jìn)瑞典Tribon系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以自我研發(fā)為主，建立了企業(yè)信息化系統(tǒng)，正在繼續(xù)開發(fā)后續(xù)模塊HDSCMIS；滬東中華造船集團(tuán)于2005年開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的船舶產(chǎn)品設(shè)計（Shipping Product Design，SPD）系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于OpenGL開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的三維CAD圖形平臺，已在國內(nèi)數(shù)十余家船廠應(yīng)用；外高橋造船自2004年引進(jìn)韓國HANA公司的ADES系統(tǒng)和CIMS系統(tǒng)以來，完成了集成技術(shù)和系統(tǒng)平臺研究；江南造船于1995年引進(jìn)Tribon軟件后，現(xiàn)已徹底實現(xiàn)從二維繪圖模式到三維設(shè)計的轉(zhuǎn)變，到2006年為止，Tribon軟件各個模塊主要應(yīng)用于船體、舾裝的設(shè)計，完成了CADDS5到Tribon模型數(shù)據(jù)的部分轉(zhuǎn)換研究；廣船國際已在使用一套由前國家經(jīng)貿(mào)委支持開發(fā)的GSI-SCIMS一期系統(tǒng)，目前正在實施以SPDM為核心的GSI-SCIMS二期系統(tǒng)。另外中船重工集團(tuán)七院、海軍工程大學(xué)也針對船舶現(xiàn)代化設(shè)計、制造進(jìn)行了大量的研究，如708所開展的船舶CAE信息鏈研究等。

從總體上來看，我國造船業(yè)與國外先進(jìn)造船企業(yè)還是存在著較大的差距，我國專家曾經(jīng)以國際通用的68個要素、340項標(biāo)準(zhǔn)評估我國骨干船廠，發(fā)現(xiàn)我國與世界先進(jìn)水平的綜合差距為15年，其中組織與管理體制的差距為18年，信息技術(shù)應(yīng)用方面的差距為19年［23］。對于動力裝置設(shè)計而言，所面臨的問題是相同的，即動力裝置作為艦船的重要分系統(tǒng)，同時自身又包含眾多分系統(tǒng)，其設(shè)計水平和艦船整體的設(shè)計水平是相輔相成的，相互之間是一個共同提高的過程，因此開展艦船動力裝置的數(shù)字化設(shè)計及其關(guān)鍵技術(shù)研究，不僅能夠為動力裝置設(shè)計水平的提高奠定一定的基礎(chǔ)，同時也能為艦船總體設(shè)計的數(shù)字化提供一定的參考。

3 數(shù)字化設(shè)計總體框架研究

艦船動力裝置設(shè)計是一項非常龐大而又復(fù)雜的系統(tǒng)工程，是多個專業(yè)子系統(tǒng)綜合和協(xié)調(diào)的結(jié)果，具有多階段、周期長、多專業(yè)、多部門、系統(tǒng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。為了有效縮短設(shè)計周期、提高設(shè)計質(zhì)量、加快設(shè)計進(jìn)程、降低研制成本，突破傳統(tǒng)設(shè)計手段和方法的限制，有效的方法是建立以數(shù)字化為核心的現(xiàn)代艦船動力裝置設(shè)計模式，該模式以網(wǎng)絡(luò)為平臺，以Web技術(shù)為支撐，以并行理念為核心，以虛擬樣機(jī)和仿真技術(shù)為基礎(chǔ)，以信息化技術(shù)為手段，實現(xiàn)對艦船動力裝置生命周期各個階段的支持。通過深入分析研究現(xiàn)代設(shè)計理論、理念、工具和技術(shù)手段，針對艦船動力裝置生命周期的特點(diǎn)，本文研究建立了如圖1所示的艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架，該系統(tǒng)在一個開放的、分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，廣泛采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬樣機(jī)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)多團(tuán)隊、多領(lǐng)域、多專業(yè)信息系統(tǒng)之間的交互與協(xié)作，以支持并行、協(xié)同的艦船數(shù)字化設(shè)計。系統(tǒng)共分為五個部分：底層平臺、集成管理環(huán)境、虛擬樣機(jī)及仿真支持環(huán)境、協(xié)同設(shè)計軟件支持環(huán)境及Web門戶。

圖1 艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)架

3．1 數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)底層平臺

艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計支撐平臺為一個支持多個時間上分離、空間上分布，而工作又相互依賴的多專業(yè)、多部門成員之間協(xié)同工作的網(wǎng)絡(luò)、通信、數(shù)據(jù)庫與計算機(jī)平臺系統(tǒng)。主要包括：計算機(jī)和基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)和保密系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和即時通訊服務(wù)器。艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計底層平臺開發(fā)是艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計工作順利開展的前提和保證。

3．2 集成控制管理環(huán)境

當(dāng)前由于缺乏科學(xué)的數(shù)據(jù)管理手段，動力裝置在設(shè)計過程中由CAD產(chǎn)生的電子文檔無法作為設(shè)計依據(jù)，數(shù)據(jù)的技術(shù)狀態(tài)得不到很好控制，各種數(shù)據(jù)又急劇膨脹，無法實現(xiàn)實時、動態(tài)的過程管理與質(zhì)量控制，經(jīng)常出現(xiàn)數(shù)據(jù)文件傳遞滯后、信息一致性和數(shù)據(jù)的安全性無法保證、文件檢索和管理困難等問題。艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計數(shù)據(jù)集成控制管理環(huán)境管理所有與艦船動力裝置設(shè)計過程相關(guān)的信息和所有相關(guān)過程（包括過程定義和管理），對分布于各類系統(tǒng)和介質(zhì)中的有關(guān)動力裝置設(shè)備及部件數(shù)據(jù)信息和應(yīng)用實行集成管理，保證信息的完整性、規(guī)范化以及研制管理制度科學(xué)化，實現(xiàn)動力裝置設(shè)計數(shù)據(jù)的高度集中、協(xié)調(diào)、共享，實現(xiàn)各專業(yè)設(shè)計人員的并行協(xié)同工作。同時，集成控制和管理模塊還為時間上分離的各個階段以及空間上分離的各個部分提供協(xié)同工作交流的平臺。艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計集成控制管理化境主要包括：需求分析管理、文檔管理、流程管理、項目管理、權(quán)限管理、產(chǎn)品可視化配置管理及協(xié)同工具等，是艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計的核心。

3．3 數(shù)字化設(shè)計虛擬樣機(jī)及仿真支持環(huán)境

艦船動力裝置設(shè)計包括主動力裝置設(shè)計、機(jī)艙設(shè)計、管路設(shè)計、動力裝置自動化設(shè)計、電站及自動化系統(tǒng)設(shè)計、輔助系統(tǒng)設(shè)計等多個方面的工作。如何有效地提高設(shè)計水平、設(shè)計質(zhì)量、設(shè)計效率，在設(shè)計過程中對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行實時有效的評估與控制，在動力裝置設(shè)計過程中顯得尤為重要。而虛擬樣機(jī)及仿真技術(shù)對解決這類問題提供了有效的手段。艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計虛擬樣機(jī)及仿真技術(shù)是以計算機(jī)技術(shù)、仿真技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支持，對艦船動力裝置設(shè)計全過程進(jìn)行仿真支持，實現(xiàn)艦船動力裝置三維CAD設(shè)計結(jié)果在虛擬系統(tǒng)中的動態(tài)再現(xiàn)和漫游性檢查，發(fā)現(xiàn)總體布局的不合理性，并進(jìn)行修正；通過系統(tǒng)仿真的手段對動力裝置的匹配性能、穩(wěn)態(tài)動態(tài)性能及設(shè)備或部件的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行仿真分析，為設(shè)計提供依據(jù)；虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互性、沉浸感、自主性，使設(shè)計者能夠方便、直觀地對設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行瀏覽與展示，提供了進(jìn)行布置合理性檢查、虛擬安裝、設(shè)計方案的驗證等，多種有效的設(shè)計手段和評估手段，增加設(shè)計的可靠性，通過虛擬樣機(jī)、性能仿真及虛擬現(xiàn)實的方式對總體設(shè)計方案進(jìn)行評估、優(yōu)化，用以驗證設(shè)計的正確性和可行性，保證設(shè)計結(jié)果在開始生產(chǎn)建造前的合理性檢驗。虛擬樣機(jī)及仿真環(huán)境是艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的支撐手段。

3．4 數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計軟件環(huán)境

數(shù)字化協(xié)同設(shè)計軟件環(huán)境的建立是依據(jù)并行設(shè)計理念，采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的方式，全面利用虛擬樣機(jī)及仿真技術(shù)，采用基于計算機(jī)軟件平臺，實現(xiàn)對方案論證、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計、制造、使用、維修等各個階段提供支持。協(xié)同設(shè)計軟件環(huán)境的特點(diǎn)是“集成”與“并行”。所謂“集成”是指在信息集成的基礎(chǔ)上，對設(shè)計過程進(jìn)行優(yōu)化和重組，實現(xiàn)過程的集成；所謂“并行”是指在同一時刻內(nèi)可進(jìn)行更多的設(shè)計活動，設(shè)計過程并行開展，有效地消除了由于串行過程而引起的部門分割、人員分散及信息交換障礙，在提供設(shè)計質(zhì)量的同時，大大減少整個設(shè)計過程的時間。

3．5 數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)Web門戶

艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)Web門戶為艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計平臺中所涉及到的船東、設(shè)計所、船廠、設(shè)備制造商等提供交互界面，其中所呈現(xiàn)的內(nèi)容和信息組織形式與艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計內(nèi)容密切相關(guān)。各部門通過網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)信息的共享、工作過程的交互等內(nèi)容。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

4．1 硬件支撐平臺技術(shù)

為了適應(yīng)艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計過程信息量大、傳遞處理速度快、數(shù)據(jù)庫復(fù)雜、各設(shè)計階段模型建立修改顯示響應(yīng)速度快、安全保密要求高等特點(diǎn)，需要基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、各類工作站、各類服務(wù)器等計算機(jī)硬件平臺的支持，因此需要建設(shè)具有高性能工作站、高速網(wǎng)絡(luò)、綜合通信接口、大型計算機(jī)、可視化和虛擬現(xiàn)實設(shè)備等數(shù)字化設(shè)計硬件支持環(huán)境。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用于連接單位和各部門，實現(xiàn)協(xié)同工作、信息共享、遠(yuǎn)程協(xié)助，且各單位和各部門之間采用廣域網(wǎng)和部門內(nèi)部之間局域網(wǎng)，圖形或計算工作站以及服務(wù)器用于支持虛擬樣機(jī)建模、各類仿真分析、數(shù)值計算及可視化環(huán)境建模等。圖2為數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的硬件支撐平臺的結(jié)構(gòu)圖。在建設(shè)硬件設(shè)備環(huán)境的過程中，應(yīng)注重整體的規(guī)劃和選型工作，確保各單位能夠在該硬件環(huán)境中能夠安全、穩(wěn)定、暢通的進(jìn)行各種信息交互和協(xié)同工作。

圖2 艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)硬件支撐平臺

4．2 現(xiàn)代設(shè)計工具／平臺支持技術(shù)

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種先進(jìn)的設(shè)計工具／平臺相繼出現(xiàn)，為艦船動力裝置的設(shè)計提供了支撐的軟件平臺。如各種CAX軟件、VR軟件、仿真軟件、QFD軟件等。虛擬樣機(jī)技術(shù)是近年來在產(chǎn)品開發(fā)的CAX和DFX等技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究和應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，使產(chǎn)品的開發(fā)由傳統(tǒng)的“設(shè)計－樣機(jī)制造－試驗分析”模式走向了“設(shè)計－虛擬樣機(jī)－樣機(jī)仿真”新模式，這對于設(shè)計創(chuàng)新，改進(jìn)設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，具有重要的意義；仿真作為一種技術(shù)手段為艦船動力裝置的設(shè)計提供了強(qiáng)有力的支持，如動力裝置的性能分析、系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)與動態(tài)特性分析、控制參數(shù)與控制規(guī)律的研究以及艦船的機(jī)動性能、適航性能分析等。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)和仿真技術(shù)能夠?qū)⒃O(shè)計的觸角延伸到傳統(tǒng)設(shè)計無法到達(dá)的領(lǐng)域乃至到動力生命周期的各個階段，為各個階段提供更為直觀、合理的判據(jù)，提高設(shè)計的質(zhì)量。

4．3 數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)支撐環(huán)境的研制

艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)面向空間上分布的各個部門（使用方、設(shè)計所、船廠等）、時間上分布的各個階段（需求分析階段、方案設(shè)計階段、技術(shù)設(shè)計階段、施工設(shè)計階段、生產(chǎn)制造階段、試驗試航階段、使用維護(hù)階段等），是時間上并行、空間上協(xié)同的設(shè)計系統(tǒng)，因此，需要一個系統(tǒng)支撐環(huán)境實現(xiàn)空間上異地分布的各部門之間的協(xié)同、時間上分散的艦船動力裝置生命周期各個階段的并行，這部分內(nèi)容也是動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的核心功能模塊。傳統(tǒng)的基于局域網(wǎng)的協(xié)同設(shè)計環(huán)境在應(yīng)用的廣度和滿足動力裝置設(shè)計的現(xiàn)實需求方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，而現(xiàn)代Web技術(shù)的發(fā)展將為艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)支撐環(huán)境的開發(fā)提供實現(xiàn)的平臺。

4．4 協(xié)同設(shè)計／應(yīng)用軟件平臺的研究與開發(fā)

目前對動力裝置的各個系統(tǒng)和生命周期的各個階段尚缺少專門的設(shè)計／應(yīng)用軟件，因此不可避免帶來的問題是對設(shè)計者經(jīng)驗的過分依賴，對設(shè)計質(zhì)量產(chǎn)生較大的影響。艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)需要針對動力裝置各個分系統(tǒng)、各個階段的設(shè)計／應(yīng)用軟件，如針對各個分系統(tǒng)的設(shè)計軟件，包括主動力裝置設(shè)計軟件、軸系設(shè)計軟件、機(jī)艙設(shè)計軟件、管路設(shè)計軟件、電站設(shè)計軟件、自動化系統(tǒng)設(shè)計軟件及輔助系統(tǒng)設(shè)計軟件；針對各個階段的應(yīng)用軟件，如需求分析軟件、方案論證軟件、技術(shù)設(shè)計軟件、施工設(shè)計軟件、生產(chǎn)制造支持管理軟件、使用管理軟件及維修支持軟件；動力裝置各性能指標(biāo)計算軟件，包括航速性計算軟件、動力性能計算軟件、生命力計算軟件等。而且這些軟件需要在分布式環(huán)境下實現(xiàn)協(xié)同工作，因此需要做好統(tǒng)一的頂層規(guī)劃，為各類設(shè)計軟件制定統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，以便實現(xiàn)與系統(tǒng)支撐環(huán)境的集成。

4．5 數(shù)字化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

因此，艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一就是對龐大的設(shè)計、制造、管理、使用等信息的采集、管理和有效的利用，建立起動力裝置性能、結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等工程數(shù)據(jù)庫及資源數(shù)據(jù)庫，將離散在設(shè)計、建造、使用管理部門的大量有用信息收集起來，將隱性知識轉(zhuǎn)化為顯性知識，對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集分類、審查、配置、變更管理和提供安全保證等。目前，由于缺乏統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)、編碼標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計所與總裝廠之間、總體所與設(shè)備所之間，設(shè)備所與設(shè)備制造廠之間，甚至是同一單位的不同部門之間，產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)和圖紙數(shù)據(jù)的交換和傳遞存在很大的障礙。因此，必須在各單位為適應(yīng)本單位數(shù)字化設(shè)計建造需要而編制的代碼、符號、接口、格式數(shù)字化定義等各種標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，集中梳理、制定一批行業(yè)級的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)以標(biāo)準(zhǔn)化的手段統(tǒng)一基本信息單元、數(shù)字化模型、接口要求。確保各方之間在代碼、符號、接口格式、數(shù)字化定義等方面的統(tǒng)一和產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)、圖紙數(shù)據(jù)等的高效傳遞和共享。同時，船舶行業(yè)協(xié)會和集團(tuán)公司應(yīng)積極參與國際合作，參與有關(guān)國際組織船舶行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定完善工作，從中吸取有益的經(jīng)驗，促進(jìn)艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定。

5 結(jié)語

本文在深入分析艦船動力裝置傳統(tǒng)設(shè)計方法存在的問題的基礎(chǔ)上，針對艦船動力裝置設(shè)計的任務(wù)和特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外數(shù)字化造船技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，對艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計框架及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究，該框架針對艦船動力裝置數(shù)字化設(shè)計具有較好的適用性和較強(qiáng)前瞻性，能夠為動力裝置設(shè)計的數(shù)字化工作的開展提供系統(tǒng)的指導(dǎo)，同時考慮到動力裝置作為艦船的重要子系統(tǒng)及其自身的復(fù)雜性，本文的研究成果也能為艦船總體數(shù)字化設(shè)計提供一定的參考，因此具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的應(yīng)用前景。

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Research on Digital Design of the Marine Power Plant

CHEN Jun ZHANG Tao
（Naval Architecture and Power Eng．College，Naval Univ．of Engineering，Wuhan 430033）

Based on the analysis of the problems in the traditional design process of the marine power plant and the development of the digital shipbuilding technology both here and abroad，research on digital design of the marine power plant was proposed in the paper．Firstly，the architecture of the digital design system of the marine power plant was studied which include supporting platform，the integrated management environment，the virtual prototyping and simulation environment，the collaborative design software and the web portal and other module．Furthermore，the related key technology which include the hardware support platform technology，the modern design tool／platform technology，the supporting platform for the digital design system，the development of the collaborative design software and the standards and the criterion for the digital design system were studied．In general，the research in the paper would provide instruction in system hierarchy for the digitalization of the design of the marine power plant，which could be used as a reference for the development of the digital shipbuilding technology．

marine power plant，digital design，digital shipbuilding

U664．1

2012年6月1日，

2012年7月10日

陳軍，男，博士研究生，講師，研究方向：計算機(jī)圖形學(xué)、動力裝置設(shè)計工作。張濤，男，碩士，講師，研究方向：計算機(jī)圖形學(xué)、虛擬現(xiàn)實研究。