基于Smart3D的郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程

何益芃，竇培林，王炬成，張世超

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

豪華郵船是國際造船業(yè)公認的高技術(shù)、高附加值、高可靠性的船舶，因設(shè)計建造的難度及驚人的造價[1]而被譽為世界造船業(yè)皇冠上的明珠，在設(shè)計、建造、運營和管理等方面與普通船型相比差別較大。我國在豪華郵船設(shè)計建造領(lǐng)域處于起步階段，為實現(xiàn)郵船本土設(shè)計制造的夢想，勢必會遇到許多困難與挫折[2]。生產(chǎn)設(shè)計作為郵船數(shù)字化設(shè)計較重要的一環(huán)，其規(guī)范性和標(biāo)準(zhǔn)化對于郵船本土制造具有重要的意義，因此需要梳理形成一套郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程。

1 郵船生產(chǎn)設(shè)計

1.1 生產(chǎn)設(shè)計內(nèi)容

郵船生產(chǎn)設(shè)計以詳細設(shè)計階段的圖紙為基礎(chǔ)，結(jié)合船廠的實際施工條件及工藝水平，建立生產(chǎn)設(shè)計模型，并按照區(qū)域、階段和類型進行工作任務(wù)分解，為船廠生產(chǎn)部門提供施工圖紙及管理圖表[3]。按照具體工程類型劃分，主要分為船體和舾裝兩個結(jié)構(gòu)部分的生產(chǎn)設(shè)計，其中：郵船舾裝生產(chǎn)設(shè)計主要包含船裝、機裝和電裝等專業(yè)；郵船船體生產(chǎn)設(shè)計主要包含船體的型線放樣、結(jié)構(gòu)放樣、套料切割圖繪制和各種管理圖表繪制等。郵船生產(chǎn)設(shè)計將美學(xué)概念融入其中，美裝設(shè)計在郵船設(shè)計中占有較重要的位置[4]。

1.2 生產(chǎn)設(shè)計特點

郵船生產(chǎn)設(shè)計是一項系統(tǒng)且復(fù)雜的工程，工作量大，內(nèi)容及分類較多，特點如下：

(1)協(xié)同多。郵船設(shè)計涉及船舶、冶金、機械、電子、通信導(dǎo)航和化工等眾多產(chǎn)業(yè)，需要導(dǎo)航、水聲、光學(xué)、物理、電氣、液壓和傳動等技術(shù)支持[5]，需要數(shù)百至上千家船舶制造配套企業(yè)的密切配合，建造質(zhì)量必須滿足嚴格和頂級的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。即使是優(yōu)秀的船廠，基于成熟的設(shè)計方案，仍需要多方協(xié)同探討，最終設(shè)計1艘大型郵船至少需要100萬工時，建造至少需要1 000萬工時，耗時3 a以上。

(2)集成度高。信息集成對擁有龐大設(shè)計數(shù)據(jù)和設(shè)計圖紙文檔的郵船設(shè)計至關(guān)重要。郵船系統(tǒng)的高度復(fù)雜性需要設(shè)計與生產(chǎn)緊密結(jié)合，較好地融合基本設(shè)計、詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計。

1.3 Smart3D與生產(chǎn)設(shè)計

Smart3D是某大型郵船生產(chǎn)設(shè)計的重要備選軟件。與傳統(tǒng)的船舶三維設(shè)計軟件相比，Smart3D具有多方面的優(yōu)勢：借助計算機技術(shù)可有效實現(xiàn)高度集成的數(shù)據(jù)管理，多名不同專業(yè)設(shè)計人員可同時工作，形成協(xié)同設(shè)計；以規(guī)則驅(qū)動智能設(shè)計的功能可簡化設(shè)計過程，更加有效地使用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，提高設(shè)計效率，提升設(shè)計質(zhì)量[6]。

與傳統(tǒng)的船型相比，郵船生產(chǎn)設(shè)計各專業(yè)間的聯(lián)系、干涉和復(fù)雜性較大。在以往的船舶設(shè)計中，詳細設(shè)計與生產(chǎn)設(shè)計分開進行，詳細設(shè)計圖紙上的設(shè)計數(shù)據(jù)無法直接被生產(chǎn)設(shè)計利用，生產(chǎn)設(shè)計必須重新建模，導(dǎo)致重復(fù)性工作、冗余數(shù)據(jù)產(chǎn)生和各種屬性信息丟失等現(xiàn)象，因此勢必會增加出錯率并影響設(shè)計人員的設(shè)計效率。Smart3D具有專門為詳細設(shè)計開發(fā)的模塊，使詳細設(shè)計與生產(chǎn)設(shè)計緊密結(jié)合形成一體化設(shè)計模式，設(shè)計數(shù)據(jù)可無縫傳輸，并通過可擴展標(biāo)示語言(Extensive Markup Language，XML)技術(shù)將規(guī)則數(shù)據(jù)寫入軟件，簡化設(shè)計過程，消除重復(fù)性工作，使需要大量人力的手工校驗工作自動化，縮短項目周期。

加強郵船生產(chǎn)設(shè)計流程的基本操作規(guī)范化和業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化，并將其數(shù)字化應(yīng)用，會在保證設(shè)計質(zhì)量的情況下大幅提升設(shè)計人員的設(shè)計效率。

2 郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程

數(shù)字化設(shè)計的核心之一就是基于三維設(shè)計工作流程驅(qū)動，因此標(biāo)準(zhǔn)流程是實現(xiàn)數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)計的一種有效手段[7]。標(biāo)準(zhǔn)是科學(xué)分析結(jié)果與實際經(jīng)驗的總結(jié)，并經(jīng)實踐檢驗積累而成，為各種活動或其結(jié)果提供規(guī)則和指南，其準(zhǔn)確性具有足夠的保證。標(biāo)準(zhǔn)化流程理清設(shè)計流程邏輯關(guān)系、基本設(shè)計參數(shù)形成與流動過程及節(jié)點流程輸入輸出物；考慮設(shè)計人員的經(jīng)驗和設(shè)計原則，力求流程中的所有數(shù)據(jù)均具有嚴謹?shù)膩碓春土飨?；理清總體設(shè)計體系、各系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)要求及各項設(shè)計工作間的協(xié)調(diào)關(guān)系，形成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的流程節(jié)拍。

2.1 數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程梳理

根據(jù)郵船生產(chǎn)設(shè)計內(nèi)容，結(jié)合郵船生產(chǎn)設(shè)計多學(xué)科和跨學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)工程特點，以Smart3D作為三維設(shè)計平臺，以某大型郵船生產(chǎn)設(shè)計為例，對郵船生產(chǎn)設(shè)計進行數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程梳理。

主要分為3個基本步驟：(1)對照相關(guān)規(guī)范、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計資料等，確定節(jié)點流程的設(shè)計輸出；(2)分析產(chǎn)生設(shè)計輸出所需要完成的設(shè)計工作內(nèi)容或系統(tǒng)功能設(shè)計模塊，依據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗和知識加以確定；(3)梳理完成設(shè)計工作所需要的設(shè)計輸入。舾裝專業(yè)單個節(jié)點流程梳理如表1所示，其中：IT(Information Technology)為信息技術(shù)。

表1 舾裝專業(yè)單個節(jié)點流程梳理

利用輸入和輸出關(guān)系，梳理各節(jié)點流程的設(shè)計輸入和設(shè)計輸出，形成單個節(jié)點流程，如圖1所示，其中：Bulkload工具以表格形式將數(shù)據(jù)快速導(dǎo)入Smart3D標(biāo)準(zhǔn)庫，并為后續(xù)建模提供必要屬性信息。

圖1 單個節(jié)點流程

2.2 數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程階段劃分

根據(jù)流程梳理的初步工作，郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程劃分為如下6個階段：

(1)設(shè)計準(zhǔn)備階段。生產(chǎn)設(shè)計啟動，由項目設(shè)計人員解讀項目規(guī)格書并進行消化；對整個項目設(shè)計進行詳盡策劃；編制生產(chǎn)設(shè)計目錄，編制設(shè)計建造慣例，簽訂相關(guān)技術(shù)協(xié)議。

(2)建庫階段。由專業(yè)設(shè)計人員與軟件人員共同協(xié)作進行公共配置，建立專業(yè)材料庫，對建模規(guī)則進行梳理。

(3)建模階段。專業(yè)設(shè)計人員基于建模規(guī)則，建立Smart3D材料標(biāo)準(zhǔn)庫，開始零部件和設(shè)備三維數(shù)字化建模；基于模型檢查規(guī)則，利用模型檢查工具進行模型專業(yè)檢查；若模型專業(yè)檢查不合格，則進行有針對性的修改；基于干涉檢查規(guī)則，利用干涉檢查工具進行模型干涉檢查，對于模型碰撞處與其他專業(yè)進行設(shè)計協(xié)調(diào)，并進行模型調(diào)整；調(diào)整完畢，進行模型平衡操作；對需要開孔的結(jié)構(gòu)模型進行開孔，提交相關(guān)開孔清單和設(shè)備加強清單；設(shè)計人員對模型進行出圖前平衡處理。

(4)出圖階段。設(shè)計人員進行出圖預(yù)處理，調(diào)取相關(guān)基座、零部件及支架等模型，按需要運行Smart3D出圖程序自動進行制作圖和安裝圖出圖，進行生產(chǎn)設(shè)計圖紙校審；圖紙完成，設(shè)計人員在管理系統(tǒng)中導(dǎo)出采購訂單要求(Purchase Order Requirements，POR)表格，填寫相應(yīng)的基座、排氣管支架和零部件的POR，上傳至管理系統(tǒng)；設(shè)計人員在管理系統(tǒng)中找到對應(yīng)區(qū)域的模型托盤號，拖入對應(yīng)的POR，進行POR和托盤的編制與校核；發(fā)放生產(chǎn)設(shè)計圖紙和托盤。

(5)現(xiàn)場配建階段。船廠生產(chǎn)部門根據(jù)POR信息進行設(shè)備等材料采購，在設(shè)備等材料進入船廠后，依據(jù)圖紙信息指導(dǎo)現(xiàn)場配建，進行修改意見處理。

(6)項目總結(jié)階段。上述各階段工作全部完成，將各階段所有資料歸檔，并對各階段設(shè)計工作進行修改和總結(jié)。

2.3 數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程文檔編制

梳理各項工作間的邏輯關(guān)系、數(shù)據(jù)條件、設(shè)計工時和具體內(nèi)容，為每個節(jié)點流程編制操作要領(lǐng)并配備流程圖，操作要領(lǐng)包括設(shè)計的主要范圍、主要內(nèi)容和注意事項等，形成設(shè)計人員在生產(chǎn)設(shè)計流程工作中的引導(dǎo)作用；針對流程中的系統(tǒng)功能模塊應(yīng)用，依據(jù)設(shè)計人員的經(jīng)驗知識，編制每個節(jié)點流程相關(guān)軟件功能的操作手冊，包括功能介紹、操作規(guī)范和注意事項等。這些文檔和流程節(jié)拍形成科學(xué)、實用和高效的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程表格。舾裝專業(yè)生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程(部分)如表2所示。

表2 舾裝專業(yè)生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程(部分)

3 郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程應(yīng)用

隨著船廠信息化的發(fā)展，郵船生產(chǎn)設(shè)計中的大量工藝說明、操作手冊和工程文件等圖檔雖經(jīng)掃描統(tǒng)一管理，但這些經(jīng)過整理的郵船數(shù)據(jù)均為靜態(tài)地和分散地保存于船廠內(nèi)部數(shù)據(jù)庫，相互之間缺乏一定的聯(lián)系，流動性較差無法得到高效使用。對于經(jīng)驗豐富的設(shè)計人員而言，這些郵船數(shù)據(jù)僅僅是儲存起來，但信息查找依然缺乏效率；對于經(jīng)驗不足的設(shè)計人員而言，這些郵船數(shù)據(jù)則是被隱藏起來。通過數(shù)字化手段，依據(jù)郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程，可將這些隱藏的郵船數(shù)據(jù)可視化。

3.1 計劃派工系統(tǒng)設(shè)計

某船廠以數(shù)字化手段對某大型郵船生產(chǎn)設(shè)計計劃進行編制，開發(fā)設(shè)計計劃派工系統(tǒng)。該系統(tǒng)以數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程定義為基礎(chǔ)，在各設(shè)計階段為設(shè)計人員分發(fā)設(shè)計任務(wù)包，包含業(yè)務(wù)流程指引和軟件操作引領(lǐng)。設(shè)計人員通過任務(wù)包，閱讀當(dāng)前節(jié)點流程的輸入輸出標(biāo)準(zhǔn)、業(yè)務(wù)流程、操作手冊和操作要領(lǐng)等數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程文檔，例如在三維建模階段，設(shè)計人員可快速檢索所需要的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)。設(shè)計計劃派工系統(tǒng)任務(wù)查看界面如圖2所示。

圖2 設(shè)計計劃派工系統(tǒng)任務(wù)查看界面

該系統(tǒng)主要包括3類使用角色：計劃管理人員、設(shè)計人員、生產(chǎn)管理人員。計劃管理人員使用該系統(tǒng)進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)定義、設(shè)計計劃編制及設(shè)計計劃調(diào)整，編制設(shè)計任務(wù)包，并下發(fā)至設(shè)計人員；設(shè)計人員使用該系統(tǒng)接收設(shè)計任務(wù)包，并開展設(shè)計工作，在用戶界面反饋設(shè)計任務(wù)進度狀態(tài)，搜索相關(guān)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)文檔；生產(chǎn)管理人員使用該系統(tǒng)可達到人員合理分配最優(yōu)，并查看整個生產(chǎn)設(shè)計項目進度，依據(jù)項目進度分析進行決策。

在實際應(yīng)用中，設(shè)計計劃派工系統(tǒng)結(jié)合郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程，將設(shè)計任務(wù)逐級分解，使郵船生產(chǎn)設(shè)計過程達到規(guī)范化和制度化，通過具體的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)工作流程實現(xiàn)設(shè)計任務(wù)的協(xié)同和流轉(zhuǎn)，加強過程數(shù)據(jù)的管理及各專業(yè)間設(shè)計與分析工作的關(guān)聯(lián)性和協(xié)調(diào)性，減少設(shè)計過程中的大量協(xié)調(diào)會和討論會。設(shè)計人員可快速準(zhǔn)確獲取相關(guān)郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)并開展設(shè)計工作，實現(xiàn)郵船生產(chǎn)設(shè)計的可見性、可控性和規(guī)范性，將郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理，大幅提升設(shè)計效率。

3.2 質(zhì)量管理設(shè)計

由于船舶產(chǎn)品的特殊性，時常會出現(xiàn)邊設(shè)計、邊施工和邊修改的情況，目的是縮短工期，但代價是大量的設(shè)計變更、昂貴的建設(shè)返工和無奈的生產(chǎn)改造。船廠應(yīng)用數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程對生產(chǎn)設(shè)計流程各階段有關(guān)的設(shè)計工作內(nèi)容進行明確清晰的定義，對節(jié)點流程輸入輸出確定嚴格的標(biāo)準(zhǔn)以規(guī)范設(shè)計人員操作，對關(guān)鍵節(jié)點流程設(shè)置設(shè)計質(zhì)量檢查以嚴控設(shè)計質(zhì)量管理，可減少設(shè)計返工率，確保設(shè)計人員一次性做好設(shè)計工作，在提升設(shè)計質(zhì)量的同時提高設(shè)計效率。

4 結(jié) 語

基于Smart3D的郵船生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程整合各專業(yè)流程數(shù)據(jù)及設(shè)計人員的經(jīng)驗和知識，梳理形成各專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程及數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)流程文檔，使整個郵船生產(chǎn)設(shè)計流程更加明晰，建立郵船數(shù)字化設(shè)計的基礎(chǔ)定義，為后續(xù)基于Smart3D的大型郵船數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)計順利開展提供指導(dǎo)方向。