船舶多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同開孔技術(shù)與系統(tǒng)

劉永珍，張 欣，楊義干，雷洪濤，胡志賢

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

結(jié)構(gòu)專業(yè)與舾裝專業(yè)間的協(xié)同開孔設(shè)計(jì)是船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要組成部分，其質(zhì)量對(duì)船舶的建造成本、建造周期和建造質(zhì)量等有很大的影響，設(shè)計(jì)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的圖樣、清單和報(bào)告，各類人員之間需不斷地進(jìn)行信息交流。因此，需合理安排設(shè)計(jì)工作流程，明確各設(shè)計(jì)階段的開孔狀態(tài)，使結(jié)構(gòu)開孔設(shè)計(jì)工作順利完成[1-3]。

本文以船舶管系專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的開孔管理為研究對(duì)象，研究其開孔設(shè)計(jì)與管理方法，通過二次開發(fā)，構(gòu)建開孔管理系統(tǒng)，從而將理論分析與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合，將研究成果成功應(yīng)用到實(shí)船設(shè)計(jì)中。該研究成果能實(shí)現(xiàn)以流程驅(qū)動(dòng)管理設(shè)計(jì)模式的革新，通過采用批量開孔技術(shù)，有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率。

1 多專業(yè)開孔技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，通用的船舶開孔設(shè)計(jì)方式主要是：舾裝專業(yè)根據(jù)綜合平衡之后明確各專業(yè)間的干涉情況，向結(jié)構(gòu)專業(yè)提供開孔圖和開孔清冊(cè)；結(jié)構(gòu)專業(yè)以遞交的中間數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)開孔，同時(shí)實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)在套料過程中的一次加工成型。設(shè)計(jì)過程中涉及到大量的信息交互和協(xié)同機(jī)制，存在諸多影響設(shè)計(jì)效率的因素[4]，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1) 管理與設(shè)計(jì)未能實(shí)現(xiàn)有效融合。由于各專業(yè)間的結(jié)構(gòu)開孔主要以2D 開孔圖或開孔清冊(cè)為依據(jù)，而船舶設(shè)計(jì)狀態(tài)不固化，導(dǎo)致設(shè)計(jì)更改頻繁，各專業(yè)間中間數(shù)據(jù)的成熟度狀態(tài)難以固化，設(shè)計(jì)人員的操作權(quán)限難以控制，開孔設(shè)計(jì)與管理相對(duì)獨(dú)立，難以通過固化設(shè)計(jì)流程驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)管理。

2) 開孔協(xié)同效率較低。結(jié)構(gòu)專業(yè)與舾裝專業(yè)之間的信息交互是循環(huán)迭代的過程，且主要依據(jù)2D 圖樣或圖表協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)專業(yè)通過不斷確認(rèn)或駁回舾裝專業(yè)的開孔申請(qǐng)來實(shí)現(xiàn)開孔設(shè)計(jì)。靜態(tài)的開孔數(shù)據(jù)不能表現(xiàn)出動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)變化，協(xié)同設(shè)計(jì)僅依靠線下溝通的方式難以保證多專業(yè)開孔協(xié)同設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)性、有效性和連續(xù)性。

3) 開孔定位和開孔識(shí)別未能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、批量化。由于船舶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開孔數(shù)據(jù)量較大，如何利用已積累的開孔知識(shí)構(gòu)建通用知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)開孔通用原則的共享和重用，有效減少人工計(jì)算開孔位置和識(shí)別開孔定義的工作量，是提升開孔設(shè)計(jì)效率的關(guān)鍵因素。

2 多專業(yè)協(xié)同開孔管理

對(duì)船舶多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同開孔技術(shù)進(jìn)行研究，主要實(shí)現(xiàn)三維開孔設(shè)計(jì)建模和設(shè)計(jì)狀態(tài)管理。二者通過共享數(shù)據(jù)庫中的單一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一性。針對(duì)開孔設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，結(jié)合協(xié)同設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)管理方法[5]，通過創(chuàng)建并控制過程對(duì)象的工作狀態(tài)，將達(dá)到一定技術(shù)狀態(tài)的過程對(duì)象發(fā)放給下游用戶，建立工作狀態(tài)管理和控制規(guī)則，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)管理、權(quán)限管理和流程管理。研究發(fā)現(xiàn)，開孔設(shè)計(jì)與協(xié)同管理的過程對(duì)象主要有開孔輪廓和開孔申請(qǐng)單2 個(gè)。

2.1 開孔輪廓線權(quán)限管理

開孔輪廓線是由舾裝工程師在三維設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)建的，主要用于輔助結(jié)構(gòu)專業(yè)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)開孔。結(jié)構(gòu)主辦在執(zhí)行開孔操作時(shí)，可自動(dòng)提取定義在開孔輪廓線中的尺寸和屬性等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)開孔的批量、快速創(chuàng)建。通過管理開孔輪廓線的工作狀態(tài)，可有效管控設(shè)計(jì)人員的操作權(quán)限，保證實(shí)際開孔的準(zhǔn)確性。開孔輪廓線的工作狀態(tài)見圖1 和表1。

圖1 開孔輪廓線的工作狀態(tài)

由表1 可知：舾裝工程師只有在輪廓線處于In Work 狀態(tài)時(shí)才具有編輯修改的權(quán)限，在其他狀態(tài)下無權(quán)對(duì)開孔輪廓進(jìn)行編輯；結(jié)構(gòu)專業(yè)工程師只能查看輪廓線，在任何狀態(tài)下都無權(quán)對(duì)其進(jìn)行編輯；開孔輪廓的工作狀態(tài)根據(jù)設(shè)計(jì)狀態(tài)的變化實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。

表1 開孔輪廓線的工作狀態(tài)

2.2 開孔申請(qǐng)單設(shè)計(jì)管理

開孔申請(qǐng)單為設(shè)計(jì)管理的對(duì)象，主要用來實(shí)現(xiàn)對(duì)開孔設(shè)計(jì)狀態(tài)的管理。開孔申請(qǐng)單可用來記錄每個(gè)開孔輪廓全生命周期內(nèi)的設(shè)計(jì)操作行為，快速實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)狀態(tài)的跟蹤和管理。開孔申請(qǐng)單主要有創(chuàng)建、接收、審核、關(guān)閉、拒絕和廢棄等6種狀態(tài)。當(dāng)舾裝工程師創(chuàng)建開孔申請(qǐng)單時(shí)，有權(quán)直接廢棄申請(qǐng)單；當(dāng)申請(qǐng)單被結(jié)構(gòu)工程師接收并執(zhí)行審核操作時(shí)，其狀態(tài)隨之自動(dòng)切換；得到開孔結(jié)果之后，申請(qǐng)單生命周期結(jié)束，其所能實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)切換見圖2。

圖2 開孔申請(qǐng)單生命周期內(nèi)的狀態(tài)切換

2.3 協(xié)同消息推送

開孔設(shè)計(jì)和管理執(zhí)行過程中伴隨著消息的及時(shí)推送，當(dāng)設(shè)計(jì)狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，會(huì)以O(shè)A（Office Automation）郵件的方式推送消息，主要推送的節(jié)點(diǎn)有：

1) 舾裝工程師批量提交申請(qǐng)單，通過郵件的形式將分段號(hào)下的所有申請(qǐng)單分別推送給舾裝主辦和結(jié)構(gòu)主辦。

2) 結(jié)構(gòu)主辦批量分派任務(wù)，按審批人對(duì)申請(qǐng)單進(jìn)行分類，并將其推送給指定的結(jié)構(gòu)工程師審批。

3) 結(jié)構(gòu)工程師批量審批，在執(zhí)行此項(xiàng)操作時(shí)，根據(jù)審批指令的不同，推送給不同人員不同的內(nèi)容。當(dāng)結(jié)構(gòu)工程師執(zhí)行駁回或拒絕開孔操作時(shí)，舾裝工程師、舾裝主辦和結(jié)構(gòu)主辦將收到對(duì)應(yīng)的消息；當(dāng)結(jié)構(gòu)工程師審批通過時(shí)，只有舾裝工程師收到相應(yīng)的消息。

3 批量化自動(dòng)開孔

對(duì)于船舶行業(yè)的開孔設(shè)計(jì)和施工，目前已形成行業(yè)通用標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)規(guī)范，設(shè)計(jì)人員依據(jù)開孔原則逐一對(duì)開孔類型和開孔參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谠O(shè)計(jì)知識(shí)的共享和重用特點(diǎn)，不僅可實(shí)現(xiàn)開孔輪廓的自動(dòng)計(jì)算，而且可實(shí)現(xiàn)船體批量開孔。

3.1 開孔輪廓自動(dòng)計(jì)算技術(shù)

開孔輪廓作為輔助結(jié)構(gòu)專業(yè)實(shí)現(xiàn)開孔的對(duì)象，其位置、尺寸和形狀直接決定結(jié)構(gòu)開孔的質(zhì)量和精度。因此，開孔輪廓自動(dòng)計(jì)算技術(shù)是需研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。將基于知識(shí)工程的開孔輪廓自動(dòng)計(jì)算技術(shù)融入已有的開孔設(shè)計(jì)規(guī)則和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)中，通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)開孔輪廓的自動(dòng)化和批量化創(chuàng)建。在開孔輪廓自動(dòng)創(chuàng)建過程中，計(jì)算內(nèi)容主要包括開孔輪廓定位、輪廓尺寸計(jì)算和輪廓形狀計(jì)算等3 部分。

3.1.1 開孔輪廓定位

利用幾何特征拓?fù)潢P(guān)系計(jì)算舾裝部件和船體結(jié)構(gòu)件的干涉狀況，并記錄干涉點(diǎn)的位置坐標(biāo)。根據(jù)船體和舾裝三維模型的幾何特征布爾運(yùn)算，利用設(shè)計(jì)規(guī)則，通過設(shè)置干涉值獲取正確的干涉信息。對(duì)幾何特征布爾運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析，船體和舾裝模型主要有完全貫通、部分貫通和表面接觸等3種干涉狀況，根據(jù)實(shí)際開孔經(jīng)驗(yàn)，只有完全貫通和部分貫通的業(yè)務(wù)場(chǎng)景才需要結(jié)構(gòu)開孔。

3.1.2 輪廓尺寸計(jì)算

明確開孔輪廓的位置之后，根據(jù)與船體相干涉的舾裝部件，利用專業(yè)的開孔設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算并匹配開孔輪廓的類型，同時(shí)計(jì)算開孔輪廓的尺寸。以管子專業(yè)為例：若與船體干涉的部件是通艙件，則首先需提取通艙件的最大外輪廓尺寸，利用通艙件開孔工藝數(shù)據(jù)計(jì)算出開孔輪廓的尺寸；若與船體干涉的不是通艙件，則需根據(jù)船舶開孔設(shè)計(jì)規(guī)范，針對(duì)不同的情況計(jì)算出不同的開孔輪廓尺寸。圖3 為船體結(jié)構(gòu)和管系模型，船體和管子發(fā)生干涉的是管段，根據(jù)開孔設(shè)計(jì)規(guī)范：若不存在船體筋，則依據(jù)最小部件開孔原則選擇貫穿件，即采用右邊的法蘭計(jì)算開孔的尺寸；若存在船體筋，則需采用左邊的法蘭開孔，且安裝方向?yàn)閺挠业阶蟆Ｕ业叫柝灤┑牟考?，根?jù)開孔原則計(jì)算開孔的尺寸，即法蘭開孔的尺寸是根據(jù)法蘭尺寸和單邊5mm 原則計(jì)算的。所有的貫穿部件都有開孔原則，且隨船型不一致會(huì)存在一定的差異，在配置開孔原則時(shí)，按工程來配置開孔的基本參數(shù)。

圖3 船體結(jié)構(gòu)和管系模型

3.1.3 輪廓形狀計(jì)算

在計(jì)算干涉狀況和開孔輪廓的尺寸時(shí)，除了獲取船體結(jié)構(gòu)和舾裝部件干涉情況和開孔輪廓的尺寸以外，還需分析周圍的船體結(jié)構(gòu)和其他的開孔輪廓，依據(jù)分析的結(jié)果和已有的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)開孔輪廓形式進(jìn)行重新計(jì)算，從而匹配符合要求的通艙件輪廓類型和尺寸。圖4 為開孔輪廓線自動(dòng)更改示意，可根據(jù)開孔原則分別計(jì)算2 根管子的初始開孔輪廓，但因孔間距不滿足船舶開孔工藝的要求，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)原則自動(dòng)合并2 個(gè)開孔輪廓，形成新的開孔輪廓線。

圖4 開孔輪廓線自動(dòng)更改示意

3.2 船體批量開孔技術(shù)

船體批量開孔技術(shù)可實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)批量化自動(dòng)開孔創(chuàng)建。在批量創(chuàng)建開孔時(shí)，結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)舾裝專業(yè)提交的開孔輪廓，計(jì)算并分析是否滿足開孔要求。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，若存在輪廓線間距太小、梁上開孔和輪廓尺寸太小等情況，船體設(shè)計(jì)人員可依據(jù)實(shí)際建造情況給出拒絕開孔或現(xiàn)場(chǎng)開孔的提示。另外，根據(jù)設(shè)計(jì)要求或建造需求，存在現(xiàn)場(chǎng)開孔而模型不開孔的情況，比如管徑小于50mm 時(shí)需現(xiàn)場(chǎng)開孔，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)開孔輸出處理，而不在模型中直接開孔。通過計(jì)算，符合開孔要求的輪廓執(zhí)行批量開孔，不符合開孔要求的輪廓執(zhí)行拒絕處理。

4 功能實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用實(shí)踐

基于三維體驗(yàn)平臺(tái)，通過二次開發(fā)，對(duì)多專業(yè)協(xié)同開孔技術(shù)和批量化自動(dòng)開孔技術(shù)與平臺(tái)進(jìn)行功能集成，得到可交互的船舶多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同開孔設(shè)計(jì)系統(tǒng)，主要包括CATIA 端的開孔設(shè)計(jì)操作和ENOVIA端的設(shè)計(jì)管理2 部分。

4.1 開孔創(chuàng)建系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

以管系專業(yè)與結(jié)構(gòu)專業(yè)之間的開孔設(shè)計(jì)為例：目前管系設(shè)計(jì)人員可在三維體驗(yàn)平臺(tái)CATIA 端實(shí)現(xiàn)的操作功能主要包括開孔輪廓批量創(chuàng)建、開孔輪廓修改、開孔輪廓檢查、開孔申請(qǐng)單創(chuàng)建、補(bǔ)孔申請(qǐng)單創(chuàng)建和開孔圖或開孔清冊(cè)批量輸出等；結(jié)構(gòu)專業(yè)人員可在平臺(tái)設(shè)計(jì)端實(shí)現(xiàn)的操作功能主要包括開孔審核、開孔批量創(chuàng)建和開孔日志查詢等。

圖5 為管系專業(yè)批量創(chuàng)建開孔輪廓線功能界面。通過開發(fā)功能，可批量創(chuàng)建開孔輪廓，并可對(duì)輪廓線進(jìn)行屬性和形狀編輯；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)上述開孔設(shè)計(jì)管理流程，以開孔申請(qǐng)單的方式向結(jié)構(gòu)專業(yè)遞交開孔申請(qǐng)。結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)遞交的開孔申請(qǐng)執(zhí)行開孔審核和開孔操作，在發(fā)現(xiàn)遞交的開孔不合理和不允許開孔時(shí)，可通過界面化操作進(jìn)行拒絕或駁回。管系專業(yè)設(shè)計(jì)人員收到駁回通知之后進(jìn)行開孔調(diào)整，并重新提交開孔申請(qǐng)。

圖5 管系專業(yè)批量創(chuàng)建開孔輪廓線功能界面

4.2 開孔管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

開孔管理功能主要在三維體驗(yàn)平臺(tái)ENOVIA 端實(shí)現(xiàn)，基于該管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)人員的操作權(quán)限和開孔工作狀態(tài)會(huì)受到嚴(yán)格管控。隨著開孔流程的推進(jìn)，開孔申請(qǐng)單的狀態(tài)和輪廓線的狀態(tài)發(fā)生改變，同時(shí)伴隨相應(yīng)的郵件消息。例如，舾裝專業(yè)遞交開孔申請(qǐng)之后生成開孔申請(qǐng)單，相應(yīng)的消息被推送至結(jié)構(gòu)主辦，結(jié)構(gòu)主辦通過管理系統(tǒng)查看并安排本專業(yè)的設(shè)計(jì)人員執(zhí)行開孔審核工作，系統(tǒng)功能界面見圖6。通過對(duì)開孔申請(qǐng)單的狀態(tài)和生命周期進(jìn)行管理，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)開孔設(shè)計(jì)過程的管理、記錄和跟蹤。

圖6 結(jié)構(gòu)主辦分配開孔審核任務(wù)功能界面

5 結(jié) 語

本文針對(duì)傳統(tǒng)開孔方法存在的效率低下、協(xié)同程度不高和開孔質(zhì)量難以控制等問題，提出了數(shù)字化協(xié)同開孔設(shè)計(jì)管理方法，主要包括：提出了協(xié)同開孔過程對(duì)象的技術(shù)狀態(tài)控制方法，并詳細(xì)定義了設(shè)計(jì)流程；研究并突破了開孔輪廓自動(dòng)計(jì)算、批量計(jì)算和幾何拓?fù)涞人惴??；谠撛O(shè)計(jì)管理方法開發(fā)了數(shù)字化協(xié)同開孔系統(tǒng)，并在實(shí)船上進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。應(yīng)用驗(yàn)證結(jié)果表明，該系統(tǒng)能極大地提高設(shè)計(jì)人員操作的便捷性，大幅縮短船舶多專業(yè)開孔設(shè)計(jì)周期。該數(shù)字化協(xié)同開孔技術(shù)與系統(tǒng)在未來的船舶設(shè)計(jì)中具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。