數(shù)字化變革
——船舶設(shè)計高質(zhì)量發(fā)展之路

胡可一 王 冰

（江南造船（集團）有限責(zé)任公司 上海 201913）

0 引 言

大型鋼質(zhì)船舶設(shè)計是一個典型的面向離散型、定制型產(chǎn)品的綜合性系統(tǒng)工程，是船體、輪機和電氣等十多個不同大專業(yè)設(shè)計的集合，每個大專業(yè)又可細分為許多子專業(yè)。以廣義的船體設(shè)計大專業(yè)為例，又包括總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、舾裝設(shè)計、內(nèi)裝設(shè)計與工藝工法等多個子專業(yè)。

傳統(tǒng)的船舶設(shè)計是根據(jù)運輸?shù)呢浳?、營運水域、港口設(shè)施，以及相關(guān)的法規(guī)、規(guī)范和設(shè)計任務(wù)書的具體功能要求，為某型船舶的建造和營運提供所需的全部技術(shù)文件。所有的技術(shù)文件、圖紙和計算報告等需得到船東或船級社的認可后，方可進行下一步面向建造的工藝設(shè)計工作。傳統(tǒng)的船舶設(shè)計和建造的工藝工法在前期雖有關(guān)聯(lián)，但本質(zhì)上是割裂的。以船廠自主設(shè)計份額最大的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，傳統(tǒng)船舶設(shè)計的交付物基本以二維圖紙為主。二維圖紙得到船東和船級社認可后，在此基礎(chǔ)上進行船體實尺放樣再生成二維的草圖和數(shù)據(jù)，用于現(xiàn)場建造；待船舶建造完成并交付時，最終的二維圖紙作為完工圖紙入庫收存并交付船東作為全生命周期的信息載體。20 世紀(jì)80年代末至90年代初，在整個工業(yè)界“甩圖板”的大潮中，船舶設(shè)計也采用了二維CAD 軟件（如AutoCAD）進行二維圖紙設(shè)計。在AutoCAD 的基礎(chǔ)上，通過高級語言和宏命令的二次開發(fā)也衍生出一些船舶設(shè)計專用軟件，其中以AutoSHIP 最為有名。

從20 世紀(jì)90年代中期開始，中國的主流船廠引進了以KCS（Kockums Computer System）為代表的準(zhǔn)三維設(shè)計（2.5D）；同時，多家基于工作站的三維軟件，如UG、Pro-Engineer、CADDS5、Intergraph（鷹圖）和CATIA 等，也試圖進入船舶設(shè)計領(lǐng)域。不過，由于船舶建造仍然以二維圖紙為主，因此相關(guān)各方（如設(shè)計院所、船廠、船東和船級社）之間設(shè)計信息的交換媒介仍然是二維圖紙。此外，由于上述三維軟件還無法從三維模型輸出建造所需的二維圖紙交付物，加之三維軟件所需的工作站硬件費用昂貴，并且由于三維曲面和實體定義的原因而導(dǎo)致運行效率低下，因此在90年代中期，三維軟件仍未能在船舶設(shè)計領(lǐng)域順利推進，而以二維圖紙為主要交付物的設(shè)計院所在推進三維設(shè)計的進程中則面臨更大挑戰(zhàn)。

相反，以KCS 和后續(xù)升級版本Tribon 為代表的準(zhǔn)三維設(shè)計（2.5D）的相對優(yōu)勢，使它們成為后續(xù)相當(dāng)長一段時期內(nèi)的船舶設(shè)計主流軟件。此外，也有一些相對小眾但頗有特色的船舶設(shè)計軟件，如西班牙SENER 公司開發(fā)的Foran 系統(tǒng)。較之于側(cè)重生產(chǎn)設(shè)計的Tribon，F(xiàn)oran 的基本設(shè)計模塊更加貼近實際船舶設(shè)計，特別是2003年重寫代碼的Foran 60 版。改寫后的Foran 60 和Tribon 都采用船舶設(shè)計常用的特征線來定義船體線型，用理論線來表示船體結(jié)構(gòu)件的對合位置，沿用傳統(tǒng)船舶設(shè)計的制圖慣例，而且在滿足分段結(jié)構(gòu)制作精度的前提下，能比三維實體模型更加高效。 Foran 現(xiàn)已被西門子公司收購并將被重新定位，從而使基本設(shè)計模塊和NX 系統(tǒng)組合成為船舶設(shè)計的全新解決方案。

2005年以后，工業(yè)軟件的幾大巨頭陸續(xù)推出新一代三維軟件系統(tǒng)，進一步強化了原有的三維核心功能，再加上普遍采用了購置成本大大低于UNIX 工作站的Windows NT 工作站，強大的軟件功能和相對低廉的硬件成本使新一代的三維CAD軟件再次得到迅速發(fā)展。同樣，這些軟件巨頭在進行行業(yè)布局的同時也沒有放棄向船舶設(shè)計這個小眾行業(yè)拓展。達索系統(tǒng)、西門子和鷹圖分別以新一代系統(tǒng)（3D EXP、NX 和Smart 3D）為基礎(chǔ)，推出了面向船舶設(shè)計的CAD 系統(tǒng)；被德國Schneider 公司收購的AVEVA 公司也推出新一代AVEVA Marine和AVEVA E3D 軟 件。Smart 3D 和AVEVA E3D 現(xiàn)已成為海工行業(yè)的新一代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

這些三維軟件無一不以三維數(shù)字樣船（3D digital mock-up, 3D DMU）為核心并貫穿到研發(fā)、仿真、分析、設(shè)計、制造、調(diào)試和交付的各個階段乃至全生命周期的數(shù)字孿生（Digital Twin）。對于船舶建造合同的執(zhí)行來說，2-To+1-On（To specification, To quality, On schedule）十分重要，而三維仿真分析、研發(fā)設(shè)計和基于實體三維模型的建造推演對首制船型（特別是高技術(shù)復(fù)雜船型）實現(xiàn)2-To+1-On 的作用是十分正面和積極的。三維數(shù)字樣船（3D DMU）的融入推動船舶設(shè)計發(fā)生了質(zhì)的變革，更加確切地說是從“二維圖紙階段性的離散交付”到“面向全設(shè)計流程的三維模型”的變革。

1 船舶設(shè)計模式走向何方

現(xiàn)代船舶設(shè)計模式將走向何方？與傳統(tǒng)設(shè)計模式相比有什么不同？厘清“造怎樣的船（What to build）”與“怎樣造船（How to build）”的概念和2 個“一體化”是十分必要的。現(xiàn)代船舶設(shè)計為什么要解決“怎樣造船”？因為現(xiàn)代工業(yè)邊設(shè)計、邊建造的離散型制造過程中，需要融合設(shè)計、建造、管理為一體，把“分道作業(yè)、成組技術(shù)和以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向”的統(tǒng)籌優(yōu)化理念在船舶建造中實踐和應(yīng)用。船舶如何高效、高質(zhì)量地建造，造船作業(yè)任務(wù)如何根據(jù)自身造船設(shè)施以及人力資源的特點和負荷進行分解與組合以達到最佳，工藝工法應(yīng)如何推演等，均需要有直觀的基礎(chǔ)載體同數(shù)據(jù)源加以融合并實現(xiàn)2 個“一體化”。這個基礎(chǔ)載體就是船舶設(shè)計，并且該載體已經(jīng)從傳統(tǒng)二維圖紙逐步演變成三維模型或三維數(shù)字樣船（3D DMU）。

1.1 “造怎樣的船”和“怎樣造船”

“造怎樣的船（What to build）”與“怎樣造船（How to build）”，這2 個概念起源于20 世紀(jì)80年代中后期的日本造船界。船舶設(shè)計不僅要解決“造怎樣的船”的定義，還要解決“怎樣造船”的工藝工法。

“造怎樣的船”相對容易理解，與傳統(tǒng)的設(shè)計模式相似，主要是完成所造船舶的功能定義，以滿足船東所訂造船舶的功能和技術(shù)指標(biāo)，本文不再贅述。“造怎樣的船”對應(yīng)的就是船舶設(shè)計中的合同設(shè)計、基本設(shè)計與詳細設(shè)計。

“怎樣造船”是按照現(xiàn)代船舶建造的基本原理，對詳細設(shè)計圖紙上定義的造船作業(yè)任務(wù)按工序或區(qū)域進行分解和組合，并將建造相關(guān)的工藝工法融入分解后列入工藝技術(shù)文件中的設(shè)計過程。在20 世紀(jì)80年代的日本造船界，將定義“怎樣造船”的過程稱之為“生產(chǎn)設(shè)計”?！霸鯓釉齑钡囊c可以歸納為：

（1）“怎樣造船”的設(shè)計前提是按照功能/系統(tǒng)設(shè)計轉(zhuǎn)換到產(chǎn)品作業(yè)任務(wù)的分解和組合，按照劃分的各個區(qū)域進行“怎樣造船”的區(qū)域設(shè)計；

（2）“怎樣造船”的區(qū)域設(shè)計是以中間產(chǎn)品為導(dǎo)向，按照船舶建造的作業(yè)任務(wù)性質(zhì)分為殼、舾、涂這三大類，劃分成為不同的作業(yè)階段，并進行產(chǎn)品作業(yè)任務(wù)分解與組合，以細化描述“怎樣造船”的作業(yè)程序、工藝方法、尺寸精度以及生產(chǎn)資源的需求等設(shè)計過程；

（3）“怎樣造船”的設(shè)計是船廠對船舶建造計劃和工藝的策劃要求進行互動設(shè)計的工作過程。

當(dāng)時中國造船學(xué)習(xí)日本的生產(chǎn)設(shè)計模式主要是解決在“紙面上”進行模擬造船，解決“怎樣造船”的問題，把工藝工法從條文分解轉(zhuǎn)變?yōu)閳D解或圖紙上的注解。

1.2 2個“一體化”

2 個“一體化”是指“設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化”和“殼、舾、涂一體化”。中國的船舶設(shè)計模式源自上世紀(jì)八九十年代的日本造船界和之后的韓國造船界，歸納起來都繞不開面向建造2 個“一體化”的設(shè)計理念，這是長期以來日本和韓國船廠對設(shè)計和建造過程中經(jīng)驗的總結(jié)和深化。

“設(shè)計、生產(chǎn)、管理一體化”是指設(shè)計（船舶設(shè)計）、生產(chǎn)（施工作業(yè)）和管理（生產(chǎn)管理）均以建造計劃（工藝）為主導(dǎo)的互動設(shè)計理論?，F(xiàn)代船舶設(shè)計運用該理論旨在提高造船生產(chǎn)效率，同時更有效地降低造船成本。作為現(xiàn)代生產(chǎn)管理中的工程計劃管理，其建造計劃由3 個層次組成，分別是：建造方法、建造方針和建造策劃。

建造方法是指生產(chǎn)管理部門在了解待建船舶主尺度、主要結(jié)構(gòu)形式、主要設(shè)備及總體布置的基礎(chǔ)上，對該船進行粗略的分段劃分，確定建造的方法、施工原則和大節(jié)點安排，以便對建造周期有大致計劃。建造方針是在確定建造方法的基礎(chǔ)上，以船體為基礎(chǔ)、舾裝為中心，以現(xiàn)代造船工法和技術(shù)為指導(dǎo)，將工藝、計劃、成本、質(zhì)量與施工等各方面綜合平衡后所形成建造船舶整體優(yōu)化的建造方案。建造策劃是指將建造方針提出的各項具體內(nèi)容在設(shè)計、施工管理的方法上加以具體落實，從技術(shù)上指明作業(yè)的順序、方式、特殊的施工注意點和技術(shù)要求，以指導(dǎo)生產(chǎn)設(shè)計和施工管理的技術(shù)文件，是后續(xù)建造過程的指導(dǎo)性文件。

“殼、舾、涂一體化”是指船舶設(shè)計由功能/系統(tǒng)設(shè)計進入到生產(chǎn)設(shè)計階段，劃分為殼（船體建造）、舾（舾裝）、涂（涂裝）這三大專業(yè)，并開始進行區(qū)域設(shè)計的同步協(xié)調(diào)設(shè)計理論。運用該理論進行船舶設(shè)計旨在推進舾裝作業(yè)前移，把船舶制造過程中殼、舾、涂作業(yè)間的矛盾或?qū)a(chǎn)生的各種問題消除在生產(chǎn)設(shè)計的“紙面造船”作業(yè)之中。

1.3 設(shè)計階段劃分的模糊化

傳統(tǒng)船舶設(shè)計階段的劃分不盡統(tǒng)一，通常有三階段、四階段和五階段之分。船舶設(shè)計的階段劃分也并非一成不變，可以根據(jù)具體船型的特點進行調(diào)整，但是基本的圖紙和技術(shù)文件內(nèi)容不變。以四階段為例（參見圖1），一般劃分為合同設(shè)計、基本設(shè)計、詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計這4個階段。不同的設(shè)計階段中，設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計輸入、設(shè)計深度以及參與人員等都不盡相同，充分體現(xiàn)了“二維圖紙階段性的離散交付”特征，“出圖”為各個階段的主要目標(biāo)。

圖1 船舶設(shè)計階段的劃分

此外，還有一種劃分是基于送審設(shè)計的定義。送審設(shè)計與合同設(shè)計、基本設(shè)計和詳細設(shè)計是并行的，其設(shè)計內(nèi)容包括合同設(shè)計的一部分、基本設(shè)計的全部圖紙以及詳細設(shè)計的部分圖紙。

該階段主要目的是完成合同約定的技術(shù)文件送審，并且最終確定船舶的技術(shù)指標(biāo)、功能和配套的主要設(shè)備，為開展下一步生產(chǎn)設(shè)計提供依據(jù)，同時規(guī)定詳細設(shè)計階段的設(shè)計內(nèi)容和關(guān)鍵圖紙的設(shè)計深度。

圖2 基于三維CAD 的船舶設(shè)計流程

現(xiàn)代船舶設(shè)計旨在以三維模型或三維數(shù)字樣船（3D DMU）為貫穿整個設(shè)計流程的“單一數(shù)據(jù)源”。在這種采用三維CAD 設(shè)計的模式下，盡管仍可與傳統(tǒng)設(shè)計一樣劃分出3 ～ 4 個設(shè)計階段，但跨設(shè)計階段的雙向數(shù)據(jù)流和交互大大增加，設(shè)計階段的劃分事實上已被模糊化。

1.4 新的設(shè)計變革需求

現(xiàn)代船舶設(shè)計的核心理念仍然是面向需求和生產(chǎn)的研發(fā)和設(shè)計，但是隨著現(xiàn)代數(shù)字化的不斷發(fā)展，船舶設(shè)計手段發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，由此便產(chǎn)生了新的設(shè)計變革需求。

目前國內(nèi)多數(shù)船廠的船舶設(shè)計仍以二維圖紙為主。通常在船型研發(fā)、基本設(shè)計和詳細設(shè)計階段采用二維圖紙，在圖紙上描述結(jié)構(gòu)分布、結(jié)構(gòu)形狀和結(jié)構(gòu)節(jié)點，然后在生產(chǎn)設(shè)計階段進行三維結(jié)構(gòu)建模，最后再生成二維施工圖。這樣從二維變?yōu)槿S、最后又變?yōu)槎S的設(shè)計模式，即前文所述的準(zhǔn)三維設(shè)計（2.5D），此時的三維模型只是生成二維交付物的工具。

從2D 升級到2.5D 的設(shè)計，雖然已經(jīng)引入了三維設(shè)計和分析方法，但本質(zhì)仍然是基于二維圖紙的設(shè)計，傳統(tǒng)二維設(shè)計模式的弊端仍然存在，其中之一就是信息/數(shù)據(jù)孤島。信息/數(shù)據(jù)孤島的產(chǎn)生是由于設(shè)計信息跨軟件平臺靠人工傳遞，容易引起設(shè)計端和生產(chǎn)端對二維圖上內(nèi)容的誤解，造成設(shè)計、生產(chǎn)的返工。隨著造船周期縮短而迫使效率不斷提升，這種信息/數(shù)據(jù)傳遞模式也會使設(shè)計和生產(chǎn)質(zhì)量差錯率增大。信息/數(shù)據(jù)孤島還體現(xiàn)在設(shè)計信息同造船設(shè)施和設(shè)備之間缺乏有效的銜接端口，無法直接獲取與識別，因而造成不必要的設(shè)施、設(shè)備管理或施工管理協(xié)調(diào)成本的升高。

2.5D 設(shè)計模式中的三維模型功能單一，從建造策劃、模擬仿真、智能制造、CAE 的數(shù)據(jù)傳輸、AR/VR 建造輔助、遠程調(diào)試、人機交互以及面向全生命周期應(yīng)用的數(shù)字孿生等方面來看，其顯然已經(jīng)不能滿足未來船舶建造高效化、數(shù)字化和智能化的發(fā)展趨勢。因此，新的設(shè)計流程變革（process innovation, PI）和數(shù)字化轉(zhuǎn)型已迫在眉睫，需要讓三維模型針對數(shù)字樣船和數(shù)字孿生的發(fā)展方向進行重新定位。

2 全三維的設(shè)計變革

三維工業(yè)設(shè)計軟件徹底改變了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計模式，極大提升了設(shè)計人員處理高精度和復(fù)雜任務(wù) 的能力。如今，多數(shù)工業(yè)產(chǎn)品（特別是大型裝備）的復(fù)雜程度和迭代頻率都是以前難以想象的。三維工業(yè)設(shè)計軟件的應(yīng)用實實在在地推動了生產(chǎn)力的進步，有效促進了工業(yè)產(chǎn)品不斷更新和迭代，其已成為當(dāng)今工業(yè)界不可或缺的創(chuàng)新利器。

2.1 船舶三維設(shè)計軟件

受到工業(yè)界三維設(shè)計軟件快速發(fā)展的驅(qū)動和影響，除了在船舶設(shè)計軟件堅守的AVEVA 以外，多家大牌三維設(shè)計軟件巨頭也嘗試重新進入或拓展其在船舶設(shè)計市場的份額，其中頗具代表性、應(yīng)用較廣且接受程度較高的軟件是NX+Foran、3D EXP 和Smart 3D 等。

NX 軟件是西門子（Siemens）公司提供的面向產(chǎn)品全生命周期的解決方案，提供了集成、全面的產(chǎn)品開發(fā)解決方案。NX 軟件的強大功能主要基于各個功能模塊實現(xiàn)（包括CAD、CAM 和CAE 模塊），各模塊分別完成產(chǎn)品設(shè)計制造中的不同任務(wù)，從而實現(xiàn)高效、科學(xué)的設(shè)計制造過程。目前，NX 軟件已經(jīng)升級并可支持進行下一代的設(shè)計、仿真和制造解決方案，支持實現(xiàn)數(shù)字孿生的價值。

Foran 是西班牙SENER 公司開發(fā)的一款功能強大的設(shè)計軟件，其囊括了船、機、電、涂裝和舾裝等各個專業(yè)，現(xiàn)已成為西門子NX 軟件下的組件。在船舶設(shè)計和建造中，從初始的概念設(shè)計、基本設(shè)計和送審設(shè)計階段，直到后期的詳細設(shè)計階段，F(xiàn)oran 可以應(yīng)用于所有船型的設(shè)計建造，同時可以根據(jù)不同用戶的特定需求進行個性化定制。

CATIA 是由法國達索系統(tǒng)（Dassault Systemes）公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM 一體化軟件，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子/電器和消費品行業(yè)。CATIA 作為達索公司產(chǎn)品全生命周期管理（product lifecycle management, PLM）協(xié)同解決方案的重要組成部分，可以通過三維模型幫助制造廠商設(shè)計未來產(chǎn)品，并支持從項目前期研發(fā)、設(shè)計、分析、模擬，到后期的組裝和維護在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計流程。CATIA 內(nèi)有多個設(shè)計模塊，可以提供風(fēng)格和外型設(shè)計、機械設(shè)計、設(shè)備與系統(tǒng)工程設(shè)計、數(shù)字樣機設(shè)計、機械加工設(shè)計、數(shù)值分析和模擬等，各個模塊都基于同一數(shù)據(jù)平臺，因此各個模塊之間存在真正的全相關(guān)性。CATIA最新的V6 版本也被稱為3D EXP。

Smart Plant 3D （即Smart 3D），是鷹圖（Intergraph）公司開發(fā)的軟件，其擁有自動化功能及規(guī)則驅(qū)動技術(shù)，可以顯著提高生產(chǎn)效率并有效提升設(shè)計和工程質(zhì)量，特別是能夠快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建和修改模型。目前Smart 3D 軟件可以提供制造企業(yè)所需的全部功能，并提供整個生命周期的更新和維護，同時也可以實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，提升產(chǎn)品的安全性、質(zhì)量和生產(chǎn)效率。除應(yīng)用于船舶行業(yè)，Smart 3D 已經(jīng)成為海洋工程行業(yè)（特別是模塊設(shè)計制造）的新一代工業(yè) 標(biāo)準(zhǔn)。

AVEVA Marine 是AVEVA 軟件的3 個核心模塊之一，也是目前在船廠應(yīng)用較廣的生產(chǎn)設(shè)計輔助軟件。早在1976年，AVEVA 就開發(fā)出全球首個三維工廠設(shè)計系統(tǒng)PDMS（plant design management system）。2004年，AVEVA 收購了著名的船舶設(shè)計解決方案Tribon，目前的AVEVA Marine 屬于Tribon 和PDMS 的整合升級產(chǎn)品。AVEVA Marine得益于高效面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫，在船舶行業(yè)形成了獨具優(yōu)勢的工業(yè)軟件平臺。被德國Schneider 公司收購的AVEVA 也推出了新一代的AVEVA Marine和AVEVA E3D。目前，AVEVA 已經(jīng)建立了一體化的工程信息管理平臺，并將制造企業(yè)整個生命周期所覆蓋的需求、設(shè)計、建造、交付、運營和改造的數(shù)據(jù)和信息全部連接起來，為整個生命周期提供決策支持，助力企業(yè)實現(xiàn)關(guān)聯(lián)數(shù)字孿生（connected digital twin）技術(shù)。AVEVA E3D 已經(jīng)成為海洋工程行業(yè)（特別是船體設(shè)計制造）的新一代工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

其他面向船舶設(shè)計領(lǐng)域的三維設(shè)計軟件還有CADMATIC 和NAPA。CADMATIC 是高度集成的三維船舶與海工設(shè)計專業(yè)軟件，包含了船體、輪機、管系、空冷/通風(fēng)、舾裝和電氣等專業(yè)，集三維設(shè)計、詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計于一體；NAPA 具備快速的3D 建模能力，可以用于船體曲面造型設(shè)計和型線設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上進行總布置設(shè)計、分艙和艙容計算、性能計算分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析等。這2款軟件雖不如前文所述的軟件可以提供產(chǎn)品的全流程工業(yè)設(shè)計，但是在船舶行業(yè)（特別是前期設(shè)計）也占據(jù)一席之地。

2.2 三維數(shù)字樣船

三維數(shù)字樣船（3D DMU）的本質(zhì)上是裝配模型（assembly models）。裝配模型是工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)（product development process）的核心要素，當(dāng)前的工業(yè)產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計大多依賴于3D DMU 來評估、修改和優(yōu)化設(shè)計方案，此類方式已廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天和海事行業(yè)。

3D DMU 通常用于虛擬檢查部件，如：總體布局檢查、干涉檢查、空間分配/評估、裝配工藝設(shè)計、維護/任務(wù)系統(tǒng)設(shè)計、運動仿真、沉浸式模擬和附加外部數(shù)據(jù)（如有限元加載等）的可視化，并且需要通過三維工業(yè)軟件來實現(xiàn)。隨著大型工業(yè)軟件進入船舶設(shè)計領(lǐng)域，3D DMU 的理念也在船舶行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，如圖3 所示。

圖3 船舶設(shè)計中的數(shù)字樣船（3D DMU）

2.3 基于3D DMU的設(shè)計流程革新

（1）基于3D DMU 的設(shè)計技術(shù)

3D DMU 完成后可對整個船舶或部分進行計算機模擬。數(shù)字樣船具備和實船相似的設(shè)計功能，可輸出建造所需的數(shù)據(jù)和加工指令（包含型線設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、舾裝設(shè)計、輪機和電氣系統(tǒng)設(shè)計等），還可進行各個子系統(tǒng)和模塊的集成設(shè)計、裝配和單元可視化設(shè)計、管系和組件的干涉檢查、功能模擬檢測、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置等設(shè)計功能，可以為建造策劃、生產(chǎn)管理、工法仿真以及計劃排產(chǎn)管理等決策過程提供支持。

（2）基于3D DMU 的制造技術(shù)

基于3D DMU 生成的數(shù)字船體零件交付物包含了船體零件制造所需的所有信息，可以直接被現(xiàn)場的切割和加工設(shè)備識別并用于加工制造?；诖思夹g(shù)生成的設(shè)備、管系等制造和安裝的三維圖紙能夠直觀地表達出各種工藝信息，用于現(xiàn)場的作業(yè)指導(dǎo)。

3D DMU 的出現(xiàn)為船舶設(shè)計提供了一個新的數(shù)字化信息流，其能貫穿至船舶設(shè)計整個過程乃至船舶的全生命周期?，F(xiàn)代船舶設(shè)計由原來的分階段圖紙交付物正逐步變?yōu)橐匀S模型或三維數(shù)字樣船（3D DMU）為貫穿整個設(shè)計流程的“單一數(shù)據(jù)源”，以3D DMU 為驅(qū)動力的設(shè)計流程變革和重新定位正在到來。

2.4 基于3D DMU的科技型造船企業(yè)

船舶的數(shù)字化流程革新能夠有效提升科技競爭力、提升建造效率、適應(yīng)船型的多樣化和復(fù)雜化、高效建造高附加值船舶，擴大市場份額。

隨著環(huán)境問題越來越嚴峻，同時對能源枯竭的憂慮也愈發(fā)加深，未來對船舶排放和能耗會有更高的要求，造船企業(yè)需要拓寬經(jīng)營方向，向低碳化、智能化和數(shù)字化船型進行拓展。

3D DMU 的應(yīng)用將使造船企業(yè)在低碳和智能船型建造上具備優(yōu)勢。3D DMU 可以實現(xiàn)卓越設(shè)計，提供多方案的選擇和評估，在先進船型的研發(fā)和設(shè)計方面，基本設(shè)計階段就可以進行先進的仿真分析和功能集成分析，確保設(shè)計結(jié)果能夠滿足低碳、智能等相關(guān)需求和規(guī)范。

3D DMU 的應(yīng)用將使造船企業(yè)有效緩解人工和材料的成本上升。基于3D DMU 的流程設(shè)計可以提升設(shè)計效率，捕獲和重用知識工程，進行模塊化設(shè)計； 基于3D DMU 的流程設(shè)計也可以降低成本，在設(shè)計的過程中可以進行設(shè)計重用，便于進行變更影響性分析，減少返工?；?D DMU 的現(xiàn)場生產(chǎn)能夠提升建造效率，降低建造成本，優(yōu)化資源配置，降低倉儲和運輸成本。

3 單一數(shù)據(jù)源的挑戰(zhàn)

3D DMU 的出現(xiàn)，使“單一數(shù)據(jù)源”概念越來越受到運用三維設(shè)計軟件的組織或企業(yè)的重視，令3D DMU 成為貫穿船舶設(shè)計整個過程乃至船舶全生命周期的“單一數(shù)據(jù)源”設(shè)計流程革新成功的關(guān)鍵。

3.1 單一數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)是企業(yè)營運和管理的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)廣泛存在于設(shè)計、生產(chǎn)、管理和配套等各個不同的環(huán)節(jié)和系統(tǒng)之中。如果想要實現(xiàn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，就必須將各個獨立的系統(tǒng)和數(shù)據(jù)匯總并整合，形成可信賴的單一數(shù)據(jù)源（single source of truth，SSOT），如 圖4所示。

圖4 單一數(shù)據(jù)源（SSOT）

數(shù)據(jù)存在于整個組織的各個系統(tǒng)中，這些數(shù)據(jù)一般都是獨立存儲在數(shù)據(jù)筒倉（與其他系統(tǒng)相隔離），這對于希望采用數(shù)據(jù)驅(qū)動（data-driven decision）決策的組織來說是巨大的挑戰(zhàn)，因為組織中并非所有的成員都使用相同的數(shù)據(jù)或工具進行操作。

單一數(shù)據(jù)源可以將同一組織內(nèi)不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理和整合，形成可信賴的單一數(shù)據(jù)來源；單一數(shù)據(jù)源不是一種系統(tǒng)、工具或策略，而是一種數(shù)據(jù)的存儲和管理的狀態(tài)；單一數(shù)據(jù)源即在來自不同信息源的同一屬性信息中，作為唯一的可信賴的數(shù)據(jù)存在；單一數(shù)據(jù)源的作用是確保組織中的每個成員都基于相同的數(shù)據(jù)進行業(yè)務(wù)決策。

3.2 船舶設(shè)計中的單一數(shù)據(jù)源的挑戰(zhàn)

對造船企業(yè)而言，取得可信的單一數(shù)據(jù)源的難度主要源于以下5 個方面：

（1）三維模型仍基于二維圖紙

目前的三維建模仍需以二維圖紙為基礎(chǔ)，基本設(shè)計階段的關(guān)鍵圖紙（如總布置圖、舯橫剖面圖或機艙布置圖等）并不能在三維軟件中直接開展設(shè)計。對于年長的設(shè)計師而言，其雖具備了進行三維直接設(shè)計的能力，但是由于長期從事二維圖紙的繪制，對三維設(shè)計軟件的操作不熟練，故無法有效開展三維設(shè)計；年輕的設(shè)計師雖能較快地熟練操作三維軟件，但因缺少船舶設(shè)計的經(jīng)驗，故也無法直接通過軟件來進行船舶總布置設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)設(shè)計。

（2）三維模型無法固化

在基本設(shè)計和詳細設(shè)計階段，三維模型往往不能夠固化下來，仍需根據(jù)有限元分析的結(jié)果進行修改，而且這些有限元分析軟件都是定制的軟件，一般不能與三維模型的源文件兼容，需要進行中間格式的轉(zhuǎn)換。這種中間格式的轉(zhuǎn)換和模型輕量化會導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)丟失。

（3）三維送審設(shè)計

由于船舶產(chǎn)品的復(fù)雜度較高、外購設(shè)備的數(shù)量較多且涉及多家企業(yè)，而各個企業(yè)的三維CAD 系統(tǒng)也可能不同，因此造成船舶模型中的各個組件往往由多個異構(gòu)CAD 模型組成。然而，異構(gòu)CAD 的模型裝配和干涉檢查的難度比較高，這個挑戰(zhàn)在送審階段往往表現(xiàn)得最為突出。與此同時，此階段船級社的意見在經(jīng)過認可后也需要修改到三維模型中，而這些修改往往都由設(shè)計人員手工操作完成。

（4）三維模型修改

按照目前船廠的設(shè)計和生產(chǎn)模式，在船舶建造的過程中往往會因為資源配置、工藝更改、設(shè)計變更等因素產(chǎn)生設(shè)計更改，這些更改都需要在三維模型中進行同步更新，而這些更新將消耗大量的人力，而且模型更改速度也會影響生產(chǎn)現(xiàn)場的技術(shù)響應(yīng)速度，從而對生產(chǎn)周期產(chǎn)生不利影響。

（5）后期維護

隨著船舶的交付，三維模型的歸屬和后續(xù)維護及更新成為一個問題。船廠的任務(wù)在船舶交付后就完成了，三維模型在船舶運營后的維護不在船廠工作范圍內(nèi)，而對船東或營運公司而言，三維模型的后續(xù)維護目前除了增加成本外，尚無其他用途。當(dāng)然，數(shù)字孿生是極有可能的發(fā)展方向，但是就目前而言，數(shù)字孿生的技術(shù)還不夠成熟。

2019年6月29日，中國東海保障中心的大型航標(biāo)船“海巡160”在江南造船成功交付（見圖5）。

圖5 應(yīng)用“數(shù)字樣船”實現(xiàn)了無紙化建造

這是全球首艘基于“單一數(shù)據(jù)源”理念并采用3D EXP 平臺，實現(xiàn)全船“無紙化”設(shè)計和建造的大型鋼制船舶，標(biāo)志著船舶設(shè)計和建造進入了新的階段。

3.3 三維送審中單一數(shù)據(jù)源的挑戰(zhàn)

船級社作為船舶設(shè)計的重要參與方，如何在送審設(shè)計中保持可信賴的單一數(shù)據(jù)源，是船廠和船級社面臨的重大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）不同船廠的設(shè)計軟件不同

不同船廠應(yīng)用的設(shè)計軟件不同，目前應(yīng)用較廣的是CATIA、AVEVA 和NAPA 等，這些軟件建立的三維模型數(shù)據(jù)類型不同，而且往往無法互相兼容。

（2）船廠和船級社軟件的兼容性

不同船級社的軟件也不同，而在船廠設(shè)計和建造的船往往需要對應(yīng)多個船級社，因此船廠輸出的數(shù)字模型需要滿足多個船級社軟件的兼容性需求。2021年成立的OCX 聯(lián)盟，成員包括所有主要的船級社、重要的CAD 供應(yīng)商以及個別設(shè)計公司和船廠。該聯(lián)盟正在致力推廣OCX 格式的三維模型以取代傳統(tǒng)的二維結(jié)構(gòu)圖紙。

（3）數(shù)據(jù)傳遞中的準(zhǔn)確性

不同軟件導(dǎo)出的文件信息在導(dǎo)入導(dǎo)出和格式轉(zhuǎn)換過程中可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞或缺失。

（4）模型的輕量化

送審模型往往不需要制造和工藝的信息，而且對數(shù)據(jù)上傳和下載的速度有要求，因此在三維送審過程中要應(yīng)用輕量化的模型。

（5）不同來源的數(shù)字模型的準(zhǔn)確性

船舶中涉及到的外來設(shè)備和系統(tǒng)很多，因此外來的數(shù)字模型也比較多樣。如何在保持信息準(zhǔn)確的前提下與三維模型進行匹配，這是一大挑戰(zhàn)。

（6）三維模型檢查

送審意見反饋船廠并被船廠接受后，如何檢查修改模型也是一大挑戰(zhàn)。

目前可行的三維送審模式見圖6。

圖6 目前可行的三維送審模式

4 船舶設(shè)計的數(shù)字化變革

船舶設(shè)計的數(shù)字化變革需要基于全新的設(shè)計平臺，該平臺必須要以“單一數(shù)據(jù)源”為核心，并能夠?qū)崿F(xiàn)基于3D DMU 的船舶設(shè)計全流程，包含從基本設(shè)計、詳細設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)計這3 個階段以及物資采購所需要的全部設(shè)計功能?；?D DMU 的船舶3D 設(shè)計是對2.5D 設(shè)計的全面升級和優(yōu)化，是對船舶設(shè)計流程的全新變革。

下文以本公司所使用的基于達索公司開發(fā)的三維體驗設(shè)計平臺（3D EXP）為例，簡要說明現(xiàn)代船舶設(shè)計的數(shù)字化變革。

4.1 三維體驗設(shè)計平臺

三維體驗設(shè)計平臺（以下稱3D EXP）是基于單一數(shù)據(jù)源（3D 模型）的系統(tǒng)架構(gòu)。首先，企業(yè)的產(chǎn)品都是基于模型來創(chuàng)建（定義），也就是三維建模；然后，基于同一個模型進行仿真設(shè)計，同時根據(jù)仿真的結(jié)果驅(qū)動三維設(shè)計變更（仿真驅(qū)動設(shè)計）；再基于3D DMU 開發(fā)系統(tǒng)工程、基于模型制造運營，并且基于模型進行后續(xù)維護。

3D EXP 平臺繼承了產(chǎn)品的全生命周期理念，提供了單一數(shù)據(jù)源、全數(shù)字化和全方位的整體企業(yè)環(huán)境，同時提供全面而完整的生命周期管理，在未來可有效控制復(fù)雜、現(xiàn)代化、先進的船舶以及軍艦與豪華郵輪的設(shè)計與管理過程。這將提高船舶整個產(chǎn)品生命周期的自動化，提高效率和準(zhǔn)確性，縮短交付時間。

3D EXP 中的某型船數(shù)字模型如圖7 所示。

圖7 3D EXP 中的某型船數(shù)字模型

4.2 創(chuàng)新的三維直接建模“3D Direct”

3D EXP 平臺憑借其強大的幾何構(gòu)型和曲面處理能力，可以使船舶設(shè)計人員采用“3D Direct”的方式直接進行船舶的總布置設(shè)計、機艙布置設(shè)計和橫剖面設(shè)計，利用幾何進行外形和幾何設(shè)計，如圖8 所示。

圖8 “3D Direct”直接建模

“3D Direct”的設(shè)計方式能夠有效激發(fā)設(shè)計人員的創(chuàng)作靈感，不拘泥于傳統(tǒng)的圖紙或者設(shè)計模式，充分發(fā)揮設(shè)計人員的主觀創(chuàng)作性，可以在船舶有限的空間布置中開創(chuàng)新的設(shè)計形式或布置形式。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計形式，“3D Direct”的設(shè)計方式更能提升設(shè)計效率。傳統(tǒng)的設(shè)計方式往往建立在二維圖紙的繪制之上，而“3D Direct”可以使設(shè)計人員跳過二維圖紙繪制環(huán)節(jié)，直接基于設(shè)計草圖進行結(jié)構(gòu)校核，提升設(shè)計效率。

3D EXP 強大的曲面處理能力，有助于設(shè)計者設(shè)計出復(fù)雜美觀的曲面結(jié)構(gòu)，并在合同設(shè)計階段快速進行技術(shù)方案的直觀展示，滿足快速市場響應(yīng)的需求。圖9為利用3D EXP所展示的某型公務(wù)船效果圖。

4.3 基于3D EXP的設(shè)計流程

基于3D EXP的設(shè)計流程是以三維模型為主線，各個設(shè)計階段的邊界已經(jīng)模糊化了。為了便于理解，下面仍通過基本設(shè)計、詳細設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計這3 個階段，簡單介紹基于3D EXP 的設(shè)計流程。

4.3.1 基本設(shè)計

基本設(shè)計階段，用點、線、面等幾何要素建立船體的外形以及概念設(shè)計的初始模型，定義甲板、主要艙壁、首尾區(qū)域和貨艙區(qū)、上建等主要區(qū)域，并布置縱向和橫向的型材；此外，還需要根據(jù)規(guī)范的要求進行必要的結(jié)構(gòu)計算、分段劃分、重心統(tǒng)計等。基本設(shè)計階段，主要的結(jié)構(gòu)和設(shè)備已經(jīng)在3D DMU 中體現(xiàn)，但是主要的船體結(jié)構(gòu)仍然需要進行有限元結(jié)構(gòu)分析，因此需要在3D DMU 的基礎(chǔ)上輸出包含主要船體結(jié)構(gòu)的3D Hull DMU。

3D Hull DMU 的主要作用是：

（1）輸出輕量化的模型用于進行結(jié)構(gòu)分析、校核和送審；

（2）輸出輕量化的模型進行模擬仿真分析；

（3）輸出輕量化的模型進行生產(chǎn)流程管理。

3D Hull DMU 在基本設(shè)計階段需要提交船東和船級社進行審核，并將相關(guān)的意見修改到3D Hull DMU 中，最終的3D Hull DMU 在取得認可后修改至3D DMU 中。在基本設(shè)計階段，3D DMU 與3D Hull DMU 交互且涉及到多個專業(yè)，為了保證交互信息的準(zhǔn)確性，需要對模型的輸入信息和修改權(quán)限設(shè)定相應(yīng)的管理規(guī)則，確保2 個模型保持準(zhǔn)確和 一致。

基于3D DMU 的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如下頁圖10 所示。

圖10 基于3D DMU 的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

4.3.2 詳細設(shè)計

詳細設(shè)計一般在基本設(shè)計送審結(jié)束后啟動，也可以并行啟動。該流程在基本設(shè)計的基礎(chǔ)上增加所需的細節(jié)，按有關(guān)規(guī)范的規(guī)定和船東的要求，以鋼材訂貨、施工計劃推動船舶建造過程中的構(gòu)件裝配和焊接要求等工藝細節(jié)處理，這些設(shè)計內(nèi)容一直持續(xù)到船舶完成并準(zhǔn)備下水為止。

該階段以3D Hull DMU 中劃分的分段為基本單位，開展分段內(nèi)的型材端部結(jié)構(gòu)形式、肘板偏裝、型材貫穿孔、補板、止漏孔、流水孔、角隅孔、板過度斜、板架邊界等結(jié)構(gòu)細節(jié)的設(shè)計。詳細設(shè)計階段的設(shè)計交付物包括多種格式的設(shè)計圖紙（二維PDF、三維PDF、DXF 等）、制造物料清單和三維模型等。

4.3.3 生產(chǎn)設(shè)計

生產(chǎn)設(shè)計階段需結(jié)合船廠的具體工藝條件和設(shè)施能力，根據(jù)工程進度對施工過程中的工藝進行設(shè)計。通常來說，船體生產(chǎn)設(shè)計內(nèi)容主要是將各分段根據(jù)建造工藝進行拆解，分段建造是將拆解的零件根據(jù)建造工藝進行組合形成分段，是由總到分再到總的過程。這個過程中需將工藝分解至各零件，包括加工余量、裝配余量、焊接坡口、焊接收縮和裝焊工序等?；?D DMU 的生產(chǎn)設(shè)計流程主要分為：搭建裝配工藝樹、定義建造精度和定義焊接 信息。

生產(chǎn)設(shè)計完成后，以3D DMU 為單一數(shù)據(jù)源生成作業(yè)指令，指導(dǎo)后續(xù)的生產(chǎn)，更新并輸出“As Built”模型或者2D 圖紙來指導(dǎo)后續(xù)的分段和總段生產(chǎn)。

4.4 基于3D EXP的工藝設(shè)計

基于3D EXP 的現(xiàn)代化制造模式：基于此技術(shù)生成的船體零件設(shè)計交付物包含了船體零件制造所需的所有信息，并且可直接被切割機識別用于加工制造；此外，基于此技術(shù)生成的管子制造及安裝三維設(shè)計交付物可更加直觀地表達各項工藝信息，不僅提高工作效率，更大大減少了圖紙打印量。

此流程涵蓋船體專業(yè)在3D EXP 的整體設(shè)計流程，其內(nèi)容包含適用于CAD/CAE 分析的簡化模型和結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建方法，針對3D EXP 船體平面零件制造端、曲面零件制造端的工藝設(shè)計，主要涉及曲板展開、支柱胎架、二次劃線和樣板工藝設(shè)計，確保滿足制造生產(chǎn)需求，形成船舶制造端完整的解決方案?；?D EXP 平臺開展工藝仿真，采用虛擬樣船取代物理樣船，通過構(gòu)建虛擬工作場景及工作環(huán)境，綜合“人-機-環(huán)”系統(tǒng)問題，優(yōu)化精準(zhǔn)工藝設(shè)計流程，實現(xiàn)對工藝過程的可視化仿真及評價，在此基礎(chǔ)上對設(shè)計過程進行動態(tài)優(yōu)化，減少施工階段修改與返工，提高設(shè)計生產(chǎn)效率。

基于3D EXP 平臺和3D DMU 的數(shù)據(jù)平臺開展工藝設(shè)計，能夠?qū)⒐に囋O(shè)計很好地納入到生產(chǎn)設(shè)計過程中，形成生產(chǎn)設(shè)計過程的關(guān)鍵驗證環(huán)節(jié)和完整的工藝設(shè)計流程，能夠不斷強化工藝設(shè)計在生產(chǎn)設(shè)計過程中的作用，為后續(xù)設(shè)計、生產(chǎn)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

5 結(jié) 語

基于單一數(shù)據(jù)源的三維設(shè)計突破了傳統(tǒng)的船舶設(shè)計模式，推動了基于3D DMU 的全新設(shè)計理念，奠定了船舶數(shù)字孿生技術(shù)的基礎(chǔ)，對船舶設(shè)計的未來發(fā)展產(chǎn)生了積極的推動作用?；趩我粩?shù)據(jù)源的三維設(shè)計可以滿足船舶全生命周期中相關(guān)方的各種需求，從而形成全生命周期全生態(tài)系統(tǒng)一體化的船舶行業(yè)協(xié)同平臺。基于單一數(shù)據(jù)源的三維設(shè)計實現(xiàn)了從基于文件的管理模式向基于數(shù)據(jù)庫的管理模式的轉(zhuǎn)變，這一轉(zhuǎn)變能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的設(shè)計工具與管理平臺的充分融合。

此外，從高質(zhì)量、可持續(xù)發(fā)展的角度來看，船舶設(shè)計的流程變革和軟件的升級除了三維數(shù)字模型以外，還需要更多突破。例如：統(tǒng)一的代碼和數(shù)據(jù)庫、跨接數(shù)據(jù)筒倉；船級社規(guī)范計算程序植入CAD 軟件；計算流體力學(xué)變成內(nèi)嵌式的數(shù)字水池；有限元分析變成內(nèi)嵌式的結(jié)構(gòu)設(shè)計計算工具；有限元分析變成建造過程中即時模擬計算工具；供應(yīng)鏈、供應(yīng)商和材料設(shè)備數(shù)據(jù)的無縫銜接；工藝標(biāo)準(zhǔn)、檢驗標(biāo)準(zhǔn)和質(zhì)量數(shù)據(jù)的納入；計劃和知識管理，船東和船級社的門戶等。雖然在船舶設(shè)計流程乃至船舶的整個生命周期，實現(xiàn)“單一數(shù)據(jù)源”仍然有相當(dāng)長的路要走，但設(shè)計流程中的“單一數(shù)據(jù)源”并非船舶行業(yè)的終極目標(biāo)，涵蓋三維設(shè)計、智能制造和供應(yīng)鏈的整體數(shù)字化變革才是船舶行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。