全流程三維船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建

吉春正，李 晨，田正軍，趙 勇，沈 杰

（招商局郵輪研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)之后，機(jī)械工程前沿技術(shù)得到了迅速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)、虛擬仿真和并行工程等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)船舶全流程三維（3-Dimension，3D）一體化設(shè)計(jì)提供了可能。因此，國外先進(jìn)船企率先開始進(jìn)行了以協(xié)同設(shè)計(jì)、并行工程和敏捷制造為核心的一體化造船信息平臺(tái)研究，國內(nèi)研究人員也對(duì)此廣泛開展研究，嘗試構(gòu)建一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)。然而，受傳統(tǒng)開發(fā)流程和模式的影響，目前我國船舶設(shè)計(jì)的各階段仍存在信息孤島，完全實(shí)現(xiàn)基于3D模型的船舶并行協(xié)同設(shè)計(jì)存在諸多挑戰(zhàn)。為貫徹落實(shí)《中國制造2025》，加快推進(jìn)船舶總裝建造智能化轉(zhuǎn)型，工信部裝備司于2017年印發(fā)了關(guān)于文獻(xiàn)［1］的指導(dǎo)意見，2018年印發(fā)了關(guān)于文獻(xiàn)［2］的行動(dòng)計(jì)劃，提出推進(jìn)船舶全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，建設(shè)基于模型的數(shù)字化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)體系。本文在上海市工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展基金的支持下，對(duì)全流程三維數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，構(gòu)建船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)，規(guī)劃船舶設(shè)計(jì)流程，并在某系列客滾船項(xiàng)目（5型9艘）上進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證和完善。

1 3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)研究

為支持對(duì)產(chǎn)品全生命周期數(shù)據(jù)的訪問，產(chǎn)品信息模型需保證信息的一致性、完整性、可擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化，因此與傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)相比，3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一、設(shè)計(jì)并行協(xié)同、全程3D一體化設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)安全保護(hù)（見表1），以打通船舶設(shè)計(jì)各階段的信息孤島，實(shí)現(xiàn)異地、動(dòng)態(tài)、協(xié)同、并行地開展全流程3D一體化船舶設(shè)計(jì)。

表1 3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)核心特征

2 3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建

由于需提供基于互聯(lián)網(wǎng)訪問的信息平臺(tái)、基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫、對(duì)應(yīng)不同應(yīng)用要求的信息訪問工具、支持并行協(xié)同的實(shí)時(shí)消息傳遞和工作流管理，并保證產(chǎn)品信息的正確性、完整性和安全性，因此3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)應(yīng)至少包括“數(shù)據(jù)層”的數(shù)據(jù)、“業(yè)務(wù)支撐層”的接口、“業(yè)務(wù)應(yīng)用層”的軟件、“運(yùn)行管理與數(shù)據(jù)安全”的輔助、“基礎(chǔ)層”的網(wǎng)絡(luò)和“數(shù)據(jù)分析層”的數(shù)據(jù)分析。為使讀者了解全景，先展示最終構(gòu)建的3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)（見圖1），再分別簡(jiǎn)述各層的構(gòu)建過程。

圖1 3D一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)架構(gòu)示意

2.1 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層是整個(gè)船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)的核心，需滿足數(shù)據(jù)源統(tǒng)一、分布式應(yīng)用和集中式管理的要求。經(jīng)深入論證，選用AVEVA Marine系統(tǒng)作為業(yè)務(wù)應(yīng)用層的核心系統(tǒng)。該系統(tǒng)支持從1D到5D的全流程船舶設(shè)計(jì)（見表2），通過模型繼承或拓?fù)涞?，?shí)現(xiàn)1個(gè)3D數(shù)據(jù)模型貫穿始終。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行一些二次開發(fā)，并融合自有管理程序（如Doris設(shè)計(jì)管理系統(tǒng)），可構(gòu)成全流程3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)。

表2 業(yè)務(wù)應(yīng)用層AVEVA軟件1D到5D數(shù)據(jù)細(xì)化示意

2.2 業(yè)務(wù)支撐層

在業(yè)務(wù)支撐層面，關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)用和集中式管理。本文搭建的業(yè)務(wù)支撐層包含2部分：

1）集團(tuán)內(nèi)部全球各單位使用AVEVA Global模塊實(shí)現(xiàn)3D一體化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互；

2）集團(tuán)外部各單位使用XenDesktop虛擬桌面實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的安全性，并解決外協(xié)單位軟件許可不足的問題。

2.2.1 AVEVA Global模塊一體化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互

AVEVA Global模塊通過中心端（Hub）與衛(wèi)星端（Satellite）連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和模型更新，使用戶能打破時(shí)間和空間限制，從全球任意一個(gè)可接入網(wǎng)絡(luò)的地點(diǎn)進(jìn)行并行協(xié)同設(shè)計(jì)（見表3）。

表3 AVEVA Global模塊核心特征

2.2.2 XenDesktop虛擬桌面協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互

為營造安全的研發(fā)環(huán)境，防止泄密，提高圖形工作站和正版化軟件的利用率，集團(tuán)外部各單位使用XenDesktop虛擬桌面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)并行協(xié)同。

2.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的關(guān)鍵，包括系統(tǒng)、配置、工程、通信和管理等5層數(shù)據(jù)庫。為保證數(shù)據(jù)同源，在數(shù)據(jù)庫建設(shè)方面的核心工作是推進(jìn)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)。本文建立一套完整的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系，見表4。

表4 各數(shù)據(jù)庫簡(jiǎn)介及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系文件

需注意：配置數(shù)據(jù)庫只能由中心端配置，若要更新，考慮到傳輸數(shù)據(jù)量巨大，建議采用FTP（File Transfer Protocol）定期傳輸更新；工程數(shù)據(jù)庫可通過Global實(shí)時(shí)更新，且讀寫權(quán)限方便轉(zhuǎn)移。

2.4 基礎(chǔ)層

平臺(tái)基礎(chǔ)層是指實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.5 數(shù)據(jù)分析層

數(shù)據(jù)分析層是指通過二次開發(fā)軟件對(duì)3D模型數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和分析，以滿足設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和管理需求。

2.6 運(yùn)行管理與數(shù)據(jù)安全

為配合3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)的運(yùn)行，起草《復(fù)雜項(xiàng)目集中式技術(shù)管理流程》，對(duì)內(nèi)外設(shè)計(jì)資源進(jìn)行集成管理，并明確3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)的運(yùn)行管理機(jī)制；同時(shí)，從管理、物理、系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用等5個(gè)方面制定安全保障機(jī)制（見表5），確保數(shù)據(jù)安全。

表5 安全保障機(jī)制

3 實(shí)船應(yīng)用

搭建完成該全流程3D一體化船舶平臺(tái)之后，在某系列客滾船（5型9艘）上對(duì)其進(jìn)行實(shí)船應(yīng)用。

1）經(jīng)過首型船測(cè)試，在第二型船上實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)3D一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方式為：3D模型一次定義→拆分繼承→交互設(shè)計(jì)→細(xì)化工藝→生產(chǎn)設(shè)計(jì)圖紙（見圖2）。

圖2 結(jié)構(gòu)3D一體化設(shè)計(jì)流程

2）經(jīng)過第二型船的測(cè)試，在第三型船上實(shí)現(xiàn)電氣3D一體化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方式為：1D標(biāo)準(zhǔn)庫定義→2D原理／布置設(shè)計(jì)→2D／3D模型轉(zhuǎn)換與交互→（2個(gè)階段）3D模型細(xì)化與交互→工藝設(shè)計(jì)→生產(chǎn)設(shè)計(jì)出圖（見圖3）。其他大舾裝（舾裝、管裝和通風(fēng)等）并未采用1D→2D→3D的真正3D一體化模式，而是利用各設(shè)計(jì)階段的大舾裝數(shù)據(jù)庫共源的特點(diǎn)，提前進(jìn)行3D建模和瓶頸空間協(xié)調(diào)，簡(jiǎn)要實(shí)現(xiàn)方式為：一次定義→重復(fù)使用→

圖3 電氣3D一體化設(shè)計(jì)流程

不斷細(xì)化。

3）與設(shè)備廠商內(nèi)裝并行設(shè)計(jì)。通過開放應(yīng)用接口，使設(shè)備廠商能直接在平臺(tái)上建模，或?qū)胪ㄓ酶袷降脑O(shè)備文件（STP或IGS格式），參與一體化協(xié)同設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語

本文對(duì)全流程3D船舶設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，介紹了3D一體化船舶設(shè)計(jì)平臺(tái)的基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)支撐層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)分析層和輔助模塊（運(yùn)行管理和數(shù)據(jù)安全）的構(gòu)建過程，以及該平臺(tái)在實(shí)船上的應(yīng)用。目前該平臺(tái)已完全實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)全流程中各設(shè)計(jì)單位的3D一體化船舶設(shè)計(jì)，導(dǎo)出3D輕量化模型供客戶審核，生成2D圖紙送船級(jí)社審核。目前正在推進(jìn)3D模型送審測(cè)試，以進(jìn)一步拓展平臺(tái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)全流程3D數(shù)字化船舶設(shè)計(jì)。