基于模型的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究

王 昆 劉 兵 臧大偉 倪若杰 王 睿 吳曉軍 譚 振

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 大連116005）

引 言

協(xié)同設(shè)計(jì)是指多個(gè)設(shè)計(jì)部門(mén)或?qū)I(yè)在同一項(xiàng)目中相互依托、相互支持、相互配合的一種協(xié)調(diào)工作模式，可以最大程度實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)化利用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而極大提高設(shè)計(jì)效率和縮短設(shè)計(jì)周期，目前已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。船舶的設(shè)計(jì)建造是一項(xiàng)十分復(fù)雜而又系統(tǒng)的龐大工程，其產(chǎn)品信息量大、專業(yè)集成度高、研發(fā)周期長(zhǎng)、研制環(huán)節(jié)多，往往需要多廠所、多部門(mén)、多團(tuán)隊(duì)共同參與研制［1］。由于船舶研制中各參研單位之間大多相對(duì)獨(dú)立封閉，為協(xié)調(diào)各參研單位，解決相互之間的溝通和信息交流等問(wèn)題，參與船舶研制的各單位之間按協(xié)同設(shè)計(jì)模式進(jìn)行合作勢(shì)在必行。

作為船舶設(shè)計(jì)主體的總體所和船舶建造主體的總裝廠分別處在船舶研制過(guò)程的上下游，彼此間既相互依托，又相互獨(dú)立，存在業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等問(wèn)題。同時(shí)總體所與總裝廠之間往往地域相距甚遠(yuǎn)，造成信息數(shù)據(jù)無(wú)法及時(shí)傳遞和溝通。這些因素都會(huì)影響廠所之間的協(xié)作關(guān)系和工作效率，延長(zhǎng)船舶研制周期。因此，如何重新定義總體所與總裝廠之間業(yè)務(wù)關(guān)系，實(shí)施雙方結(jié)構(gòu)調(diào)整與資源優(yōu)化，充分利用先進(jìn)數(shù)字化工程研制技術(shù)，建立船舶廠所異地協(xié)同研制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)船舶廠所之間異地協(xié)同設(shè)計(jì)，已成為現(xiàn)代船舶研制的必然趨勢(shì)。

1 基于模型的異地廠所協(xié)同設(shè)計(jì)模式研究

1.1 并行協(xié)同設(shè)計(jì)模式探索

傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)過(guò)程是總體所完成設(shè)計(jì)、交付圖紙到總裝廠，總裝廠進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)、完成建造，這是一個(gè)串行的過(guò)程?？傮w所的設(shè)計(jì)過(guò)程與總裝廠的相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于建造過(guò)程中的問(wèn)題大多留到生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造過(guò)程中，通過(guò)技術(shù)協(xié)調(diào)和設(shè)計(jì)變更實(shí)現(xiàn)，造成船舶研制成本的提高和周期的延長(zhǎng)。而在基于三維模型的船舶異地廠所協(xié)同設(shè)計(jì)模式中，可以采用預(yù)發(fā)布技術(shù)，使這一串行設(shè)計(jì)方式并行化［2］。

并行設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段盡早考慮產(chǎn)品整個(gè)研制周期中各個(gè)因素的影響，全面評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化，最大限度消除隱患，因此涉及產(chǎn)品整個(gè)研制周期的各個(gè)不同部門(mén)的專家必須協(xié)同工作，在產(chǎn)品的各個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行討論，協(xié)調(diào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)，同時(shí)，工藝、制造，質(zhì)量等后續(xù)部門(mén)也要參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案提出修改意見(jiàn)。

在總體所設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同成熟度，將設(shè)計(jì)三維模型數(shù)據(jù)提前發(fā)布給總裝廠；或者在船舶施工設(shè)計(jì)階段，總裝廠生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員提前介入，在施工設(shè)計(jì)三維模型交付給總裝廠之前，由總裝廠設(shè)計(jì)人員根據(jù)建造過(guò)程的工藝工法要求對(duì)施工設(shè)計(jì)三維模型的可生產(chǎn)性進(jìn)行校核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和指出總體所施工設(shè)計(jì)的問(wèn)題，從而將建造過(guò)程中的主要問(wèn)題在施工設(shè)計(jì)過(guò)程中就加以解決，實(shí)現(xiàn)總體所與總裝廠在施工設(shè)計(jì)階段的并行協(xié)同設(shè)計(jì)模式。

1.2 建立廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

傳統(tǒng)船舶研制過(guò)程的設(shè)計(jì)協(xié)同往往是靠人與人之間的聯(lián)系獲得信息，并以紙質(zhì)文檔或光盤(pán)為介質(zhì)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。通過(guò)建立符合保密標(biāo)準(zhǔn)的廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）將三維模型數(shù)據(jù)有效管理起來(lái)，引入生命周期、工作流、消息通知、電子郵件和在線互動(dòng)可視化協(xié)調(diào)系統(tǒng)等功能。使用直通網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全傳遞軟件作為廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)信息的交流平臺(tái)，可以使模型特性信息傳遞更具有實(shí)時(shí)性，極大地提高協(xié)同設(shè)計(jì)效率，節(jié)約流轉(zhuǎn)成本。

1.3 統(tǒng)一編碼、標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)資源庫(kù)

編碼和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是廠所協(xié)同設(shè)計(jì)的前提，為保證廠所協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息的一致性，總體所和總裝廠在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要協(xié)商約定，形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)編碼，在界面分工、數(shù)據(jù)傳遞、IPT團(tuán)隊(duì)管理、基礎(chǔ)環(huán)境相關(guān)方面統(tǒng)一管理和技術(shù)約定標(biāo)準(zhǔn)。

基于三維模型的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是統(tǒng)一基礎(chǔ)資源庫(kù)。廠所雙方根據(jù)約定，建立統(tǒng)一的雙方都能認(rèn)可的船、機(jī)、電、舾等各專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)資源庫(kù)。統(tǒng)一的基礎(chǔ)模型庫(kù)和產(chǎn)品模型，可以減少總裝廠重復(fù)建模的工作量，排除因總裝廠重復(fù)建模導(dǎo)致的廠所模型不一致的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 組建廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)

IPT集成產(chǎn)品協(xié)同團(tuán)隊(duì)（Integrated Product Team）是廠所協(xié)同設(shè)計(jì)的基本組織形式，在傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中，總體所和總裝廠按照各自單位管理職能由高到低分別構(gòu)建金字塔狀的組織結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是各部門(mén)職能清晰，流程有序，便于管理，但缺點(diǎn)是廠所之間以及各部門(mén)之間協(xié)調(diào)困難，難以溝通。在組建船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)時(shí)需要廠所雙方打破單位組織限制，按照設(shè)計(jì)產(chǎn)品劃分，由多專業(yè)跨部門(mén)的專家和技術(shù)人員組成一種能夠高效開(kāi)展產(chǎn)品設(shè)計(jì)的矩陣式動(dòng)態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

2 基于模型的異地廠所協(xié)同設(shè)計(jì)模式探索

大連船舶重工集團(tuán)為適應(yīng)數(shù)字化制造在船舶建造的應(yīng)用，在基于廠所協(xié)同設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓思路，創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式，與某總體所合作開(kāi)展了廠所協(xié)同設(shè)計(jì)的技術(shù)路線探索。首次基于3DE體驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展廠所協(xié)同，確定基于同一平臺(tái)的廠所協(xié)同機(jī)制，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的廠所協(xié)同研制模式。在技術(shù)上突破廠所協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)編碼命名規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)一，初步驗(yàn)證面向建造的三維模型交付路線的可行性，實(shí)現(xiàn)模型特性信息的一致性和互通性，避免相關(guān)沖突的同時(shí)減少?gòu)S所雙方不必要的重復(fù)勞動(dòng)。

2.1 建立廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)，統(tǒng)一協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

廠所協(xié)同首先要打破廠所之間單位組織限制，開(kāi)展了基于三維模型的廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)，聯(lián)合組成廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)，包含設(shè)計(jì)、工藝、信息化人員，覆蓋總體、船體、機(jī)械、電氣、舾裝、IT技術(shù)等全專業(yè)（參見(jiàn)圖1），邁出了探索基于三維模型的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)模式的第一步。

圖1 IPT團(tuán)隊(duì)組織構(gòu)架

根據(jù)廠所各自現(xiàn)有的資源情況，經(jīng)過(guò)雙方協(xié)商，在廠所協(xié)同設(shè)計(jì)界面分工、數(shù)據(jù)傳遞、IPT團(tuán)隊(duì)管理、基礎(chǔ)環(huán)境相關(guān)的管理和技術(shù)約定等方面的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一。

經(jīng)過(guò)近一年的測(cè)試和研究，廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)完成了標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)資源庫(kù)的統(tǒng)一、各專業(yè)面向建造的建模、三維模型直接交付、三維工藝設(shè)計(jì)等工作，有效提升了產(chǎn)品研發(fā)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.2 借助三維設(shè)計(jì)軟件規(guī)劃裝配層次，統(tǒng)一設(shè)計(jì)編碼命名規(guī)則

根據(jù)三維設(shè)計(jì)軟件的架構(gòu)特點(diǎn)，將裝配的層次規(guī)劃為結(jié)構(gòu)樹(shù)形式，主要分為4級(jí)。裝配的根節(jié)點(diǎn)、總體專業(yè)代號(hào)與總段劃分代號(hào)、節(jié)點(diǎn)類型、專業(yè)代號(hào)等如圖2所示。由于總體所與總裝廠設(shè)計(jì)與建造范疇存在一定差異，在模型編碼中，需要融合設(shè)計(jì)與建造雙方信息，統(tǒng)一完善編碼規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)雙贏管理。在廠所協(xié)同設(shè)計(jì)中，按照專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行如圖2所示分類編碼。

圖2 協(xié)同產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹(shù)

2.3 依托三維設(shè)計(jì)軟件建立符合廠所協(xié)同需求的模型庫(kù)管理文件

模型庫(kù)管理文件作為三維設(shè)計(jì)軟件中保證模型唯一性、正確性和規(guī)范性方法之一，是用于模型進(jìn)行庫(kù)管理的一種重要的特殊數(shù)據(jù)形式，主要用于對(duì)各類庫(kù)模型進(jìn)行分類存放、可視化管理、組織、維護(hù)與使用。在廠所協(xié)同設(shè)計(jì)中，將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、通用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、特殊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等船舶領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)零件按照專業(yè)分類建模，形成標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)庫(kù)及對(duì)應(yīng)的調(diào)用管理文件，避免了重復(fù)建模、錯(cuò)誤建模等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量地設(shè)計(jì)和布置目標(biāo)。

依托PDM開(kāi)發(fā)公共資源庫(kù)管理系統(tǒng)，將基礎(chǔ)資源系列化、流程化、平臺(tái)化管理，實(shí)現(xiàn)管理過(guò)程規(guī)范化、透明化、精細(xì)化，有助于產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)，提高未來(lái)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量［3］。

2.4 實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)

總裝廠基于總體所提供的三維模型繼續(xù)進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造后處理等工作，不需要再重復(fù)建模，有效縮短了設(shè)計(jì)周期，提升了研發(fā)效率?；?D體驗(yàn)平臺(tái)，總裝廠把收到的EBOM模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成對(duì)應(yīng)的MBOM。EBOM模型是僅包含厚度和材質(zhì)信息的幾何模型，并不包含坡口、余量等生產(chǎn)信息，在生成MBOM之后，可以對(duì)生產(chǎn)信息進(jìn)行添加。

把每個(gè)零件所應(yīng)該具有的生產(chǎn)信息添加完整后，繼續(xù)進(jìn)行生成零件XML文件的工作。XML文件是一種通用的文本格式文件，通過(guò)固定的數(shù)據(jù)格式描述了零件所包含的各種信息，例如板材零件的板厚、材質(zhì)、質(zhì)量、方位、外形輪廓、開(kāi)孔、劃線、坡口、余量等信息，型材零件則是規(guī)格、材質(zhì)、長(zhǎng)度、端切、逆直線、坡口、和余量等信息。部分三維設(shè)計(jì)軟件本身并不包含套料模塊，XML文件可以作為輸出數(shù)據(jù)源供其他套料軟件直接使用或經(jīng)二次開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)換成其它格式文件供相應(yīng)套料軟件使用。

3 MBD技術(shù)在廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

MBD（Model Based Definition）技術(shù)也稱為三維定義技術(shù)，是以集成的三維數(shù)字化模型為核心來(lái)傳遞產(chǎn)品定義信息的方法，是三維設(shè)計(jì)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是三維模型取代二維工程圖作為加工制造的唯一數(shù)據(jù)源的核心技術(shù)。MBD技術(shù)已在航空航天領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用，極大提升了航空航天產(chǎn)品研制水平，但由于船舶協(xié)同研制較為復(fù)雜等特點(diǎn)，MBD技術(shù)在船舶研制領(lǐng)域還處于探索和試驗(yàn)階段［4］。

隨著未來(lái)MBD技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化工程技術(shù)在船舶協(xié)同研制中的深入應(yīng)用，MBD技術(shù)勢(shì)必將會(huì)在船舶研制過(guò)程中廣泛使用，設(shè)計(jì)模式也必將升級(jí)為基于MBD技術(shù)的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)模式，以產(chǎn)品數(shù)字化定義（MBD）的單一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，建設(shè)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和基礎(chǔ)資源庫(kù)，使船舶所有的設(shè)計(jì)、建模、工藝、制造、檢驗(yàn)過(guò)程具有統(tǒng)一編碼的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)船舶總體研制過(guò)程中的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和管理，推動(dòng)船舶研制模式的數(shù)字化變革。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著船舶行業(yè)信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成為當(dāng)前船舶企業(yè)設(shè)計(jì)制造新的發(fā)展方向。和現(xiàn)有協(xié)同模式相比，新模式以三維模型交付的形式打通施工設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)流，總體所和船舶總裝廠基于同一套數(shù)字樣船開(kāi)展協(xié)同設(shè)計(jì)，采用精細(xì)化的前端設(shè)計(jì)后，雖然在設(shè)計(jì)端增加了大量的建模和協(xié)調(diào)工作量，但從整個(gè)工程研制角度看可以帶來(lái)更多的后期效益，避免重復(fù)建模的同時(shí)，大幅減少后期因?qū)嶋H工程設(shè)計(jì)考慮不周和工藝變化帶來(lái)的工程變更，從而縮短研制周期，減少產(chǎn)品報(bào)廢率，節(jié)約制造成本。本模式推進(jìn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)在船舶行業(yè)的全面應(yīng)用，滿足智能制造的需求和發(fā)展趨勢(shì)，可有效提高我國(guó)船舶企業(yè)設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文提出的協(xié)同設(shè)計(jì)模式側(cè)重于廠所異地協(xié)同的研究，但是由于該模式以單一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，從始至終研制人員都是面對(duì)同一個(gè)模型進(jìn)行數(shù)字樣船的設(shè)計(jì)和完善，最終交付的制造數(shù)據(jù)和數(shù)字樣船數(shù)據(jù)也是同一份，因此本文提出的協(xié)同設(shè)計(jì)三維技術(shù)平臺(tái)同樣可以解決基于并行工程的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程中需要兼顧的空間干涉、規(guī)范限制、施工成本、工藝實(shí)現(xiàn)等方面的問(wèn)題。