基于三維協(xié)同設(shè)計(jì)的船舶總體施工設(shè)計(jì)流程優(yōu)化研究

（中國艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

在艦船的總體設(shè)計(jì)中充分利用有限的空間合理地布置各系統(tǒng)和設(shè)備，以期達(dá)到各系統(tǒng)和設(shè)備的最優(yōu)化組合，從而提高艦船的綜合作戰(zhàn)性能尤為重要。三維設(shè)計(jì)作為一種多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)工具，在船舶總體設(shè)計(jì)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，在三維立體環(huán)境下開展船體結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管路、電纜、附件等的建模及布置，基于可視化的平臺開展多專業(yè)綜合平衡，對于提高艦船總體設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少后期返工具有重要意義。船舶總體施工設(shè)計(jì)是在保證原理性、功能性的前提下，進(jìn)行設(shè)備及管路電纜的具體布置，同時(shí)兼顧工藝可生產(chǎn)性。然而，不同專業(yè)之間的接口關(guān)系非常復(fù)雜，往往存在大量的協(xié)調(diào)和迭代過程，而實(shí)際施工設(shè)計(jì)的供圖往往是分專業(yè)供圖，因此，如何合理規(guī)劃各專業(yè)的設(shè)計(jì)序列，對于提高施工設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率具有重要意義。目前對于船舶三維設(shè)計(jì)方面的研究大多集中在某專業(yè)的建庫、建模等方法的介紹，對于流程優(yōu)化的研究甚少，針對這一問題，本文結(jié)合具體產(chǎn)品應(yīng)用情況，基于矩陣式三維工作梳理和分析，提出了相對優(yōu)化的基于三維設(shè)計(jì)的船舶總體施工設(shè)計(jì)流程。

1 施工設(shè)計(jì)三維工作分析

施工設(shè)計(jì)三維工作內(nèi)容主要包括總體型面三維設(shè)計(jì)、船體結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)、設(shè)備建模、輪機(jī)附件庫構(gòu)建、管路布置、風(fēng)管布置、電纜敷設(shè)、開口設(shè)計(jì)、設(shè)備布置、基座設(shè)計(jì)、綜合平衡等工作。每項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容都與其他設(shè)計(jì)內(nèi)容之間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，比如設(shè)備布置影響開口需求，開口設(shè)計(jì)又是船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的其中一項(xiàng)輸入，船體結(jié)構(gòu)又對開口設(shè)計(jì)有一定的約束，總之，各項(xiàng)設(shè)計(jì)內(nèi)容之間不是簡單的單向流。

圖1 施工設(shè)計(jì)主要三維工作內(nèi)容框圖

基于三維環(huán)境完成的施工設(shè)計(jì)交付成果，占施工設(shè)計(jì)所有交付成果的75%以上。船體結(jié)構(gòu)圖、綜合布置圖、設(shè)備布置安裝圖、設(shè)備基座圖、原理線路圖等均來自三維設(shè)計(jì)成果的轉(zhuǎn)換。而且基于三維協(xié)同環(huán)境開展的施工設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)的基于二維環(huán)境的施工設(shè)計(jì)，在綜合布置合理性、工藝建造可行性、維護(hù)保障方便性等方面具有更明顯的優(yōu)勢，因此，三維設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為艦船總體施工設(shè)計(jì)的重中之重。

2 施工設(shè)計(jì)三維工作流程優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣

Steward引入DSM來分析信息流，它的行與列中的元素體現(xiàn)了各個(gè)設(shè)計(jì)活動間的相互影響關(guān)系，在分析具有復(fù)雜輸入輸出關(guān)系的任務(wù)序列上具有顯著效果。

如圖2所示，DSM是一個(gè)n×n階方陣，所有任務(wù)均以相同的順序排列在矩陣的最左邊和最上邊。若任務(wù)i的執(zhí)行需要j的輸入信息，則矩陣中的第i行第j列的元素為1，否則為空（或者零）。在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣中，對角線上的元素不描述任務(wù)間的關(guān)系，不需要處理。

圖2 DSM表示

2.2 三維工作矩陣構(gòu)建

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣在描述和分析工作序列方面應(yīng)用非常廣泛，基于上述梳理的三維工作內(nèi)容及交付成果，構(gòu)建施工設(shè)計(jì)三維工作矩陣。橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)依次為上述梳理的設(shè)計(jì)內(nèi)容。橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)交叉位置表達(dá)行與列之間的輸入輸出關(guān)系。比如第i行第j列的為值aij，aij的取值為離散值（0，1）。如果j列的工作為i行工作開展的基礎(chǔ)，則aij取值為1，否則為0。該矩陣描述了每項(xiàng)工作內(nèi)容對其他工作內(nèi)容的影響關(guān)系，依次推出各項(xiàng)工作開展的先后順序。

圖3 三維工作矩陣

2.3 施工設(shè)計(jì)三維工作流程優(yōu)化

基于上述構(gòu)建的三維工作矩陣，結(jié)合以往產(chǎn)品的三維施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，梳理矩陣元素間的輸入輸出關(guān)系，優(yōu)化各項(xiàng)工作內(nèi)容的序列，進(jìn)而提出優(yōu)化的三維施工設(shè)計(jì)流程。具體優(yōu)化過程如下：

1）將施工設(shè)計(jì)三維工作活動根據(jù)不同的責(zé)任主體和不同的工作內(nèi)容進(jìn)行分解，形成施工設(shè)計(jì)三維工作活動集合A{a1,a2,...,an}，集合中的每個(gè)元素代表一項(xiàng)施工設(shè)計(jì)活動，無重復(fù)活動。

2）將施工設(shè)計(jì)三維工作活動集合A{a1,a2,...,an}轉(zhuǎn)換為一個(gè)n×n的矩陣，將設(shè)計(jì)活動元素排列在矩陣的第0行和第0列。

3）確定DSM中的元素，對角線上的元素一律為空或0，轉(zhuǎn)4）確定對角線以外的元素。

4）從第1個(gè)設(shè)計(jì)活動開始，判斷如果第i行設(shè)計(jì)活動需要依賴于第j列設(shè)計(jì)活動的輸出，則將行、列交叉處的矩陣元素aij置1，否則置0，依次確定矩陣中其他元素，具體流程如圖4所示。

圖4 矩陣元素賦值過程

5）除主對角線以外的其他元素以4）中確定的aij填充，最后形成施工設(shè)計(jì)三維工作矩陣，根據(jù)矩陣中的元素取值，對矩陣進(jìn)行下三角變換。

6）若某行除主對角線外其余元素全部為空或0，則表示該設(shè)計(jì)活動的執(zhí)行不需要依賴于其他任務(wù)提供輸入信息，該設(shè)計(jì)活動盡量提前開展，比如設(shè)備布置。

7）若某列除主對角線外其他元素全部為空或0，則其他任何設(shè)計(jì)活動的執(zhí)行都不需要該活動的輸出信息，該設(shè)計(jì)活動的優(yōu)先級較低，可以推后開展，比如出圖。

基于以上過程，提出優(yōu)化的施工設(shè)計(jì)三維工作流程如圖5所示。

3 結(jié)束語

1）從工作內(nèi)容、交付成果不同維度梳理和分解三維設(shè)計(jì)活動，對于在協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境中合理規(guī)劃各專業(yè)的設(shè)計(jì)序列，對于提高施工設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率具有重要意義。

圖5 施工設(shè)計(jì)三維工作流程

2）基于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣描述施工設(shè)計(jì)三維設(shè)計(jì)活動之間的輸入輸出關(guān)系，通過對設(shè)計(jì)活動序列的重組，優(yōu)化施工設(shè)計(jì)三維工作流程，對于減少返工量和提高質(zhì)量具有重要意義。

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