基于3DE平臺的船舶模型數(shù)據(jù)分析

摘要：為避免因模型數(shù)據(jù)量過大造成數(shù)字化設(shè)計的系統(tǒng)性風(fēng)險，結(jié)合船舶設(shè)計特點(diǎn)，系統(tǒng)梳理了3DE平臺系統(tǒng)架構(gòu)具體組成。從設(shè)計流程入手指出模型數(shù)據(jù)存儲位置，以明確研究對象。為深入分析模型數(shù)據(jù)演變規(guī)律，結(jié)合二次開發(fā)建立了具體監(jiān)測方法，首先以典型艙段為對象獲取設(shè)計模型數(shù)據(jù)變化趨勢，為工程設(shè)計提供技術(shù)基礎(chǔ)。然后分析了數(shù)據(jù)量、參考零件數(shù)、打開耗時隨設(shè)計不斷推進(jìn)的變化，研究表明模型數(shù)據(jù)量管控關(guān)鍵在于全船的基礎(chǔ)庫設(shè)備和船體結(jié)構(gòu)設(shè)計數(shù)據(jù)。最后，詳細(xì)闡述了船舶數(shù)字化設(shè)計管控措施，可有效加快數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和提升設(shè)計效率。研究結(jié)果有利于設(shè)計人員深入管控船舶模型數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：3DE平臺；船舶；數(shù)據(jù)分析；二次開發(fā)

中圖分類號：U662.9""""""""""""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.003

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0016-06

Ship Model Data Analysis Based on 3DE Platform

Abstract：To avoid the systematic risk of digital design caused by excessive amount of model data， combined with the design characteristics of large ships， the specific composition of 3DE platform system architecture is systematically sorted out. Through the design process analysis， the storage location of model data is pointed out to clarify the research object. In order to further analyze the evolution law of model data， a specific monitoring method is established combined with secondary development. Firstly， the change trend of design model data is obtained by taking typical cabin as the object to provide technical basis for engineering design. Then， the changes of data volume， reference parts number and opening time with the continuous advancement of design are analyzed. The research shows that the key to the control of model data volume is the basic library equipment and hull structure design data of the whole ship. Finally， the control measures of digital design for large ships are elaborated， which can effectively accelerate data flow and improve the design efficiency. The research results help designers to control large ship model data.

Key words：3DE platform；ship；data analysis；secondary development

隨著數(shù)字化技術(shù)的快速發(fā)展，船舶行業(yè)通過先后引入CADDS5、FORAN、3DE平臺等軟件，取得了一系列技術(shù)成果，正在向以模型為主要技術(shù)責(zé)任載體的新模式轉(zhuǎn)變。船舶總體三維設(shè)計是對總體技術(shù)狀態(tài)的數(shù)字畫像，是艦船研制過程中的重要關(guān)鍵環(huán)節(jié)。模型正成為船舶設(shè)計的重要基礎(chǔ)資源，更是新一代技術(shù)賦能和創(chuàng)新突破的重要生產(chǎn)要素。模型以數(shù)據(jù)的形式在設(shè)計過程中流轉(zhuǎn)，并最終存儲在服務(wù)器中。在當(dāng)前船舶研制過程中，甲方在設(shè)計范圍、設(shè)計深度、建模精度等方面提出了更多和更高的要求，大幅增加了精細(xì)化設(shè)計模型體量。模型數(shù)據(jù)量過大一方面會降低服務(wù)器運(yùn)行效能；另一方面不利于設(shè)計過程中的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，從而影響設(shè)計效率，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)調(diào)取模型失敗的現(xiàn)象。

隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型正成為船舶行業(yè)的重要趨勢。船舶行業(yè)必將順應(yīng)新形勢和新變化，著力構(gòu)筑數(shù)字化設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)施，提升基于模型的設(shè)計效率和研制能力。面向船舶設(shè)計，模型數(shù)據(jù)量演變伴隨整個設(shè)計過程，模型數(shù)據(jù)量的管控措施決定其總體設(shè)計的優(yōu)劣和效率。通過單一的服務(wù)器硬件擴(kuò)容難以滿足效能提升，而涉及船舶設(shè)計模型數(shù)據(jù)分析和管控相關(guān)文獻(xiàn)未見報道，有必要充分掌握模型數(shù)據(jù)的存儲機(jī)制和演變規(guī)律，制定相應(yīng)措施以規(guī)避設(shè)計風(fēng)險，從而有條不紊的推進(jìn)船舶設(shè)計。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)存儲

船舶設(shè)計數(shù)據(jù)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對設(shè)計工作的效率和質(zhì)量影響顯著。3DE平臺作為當(dāng)今一款主流通用設(shè)計軟件，技術(shù)特點(diǎn)鮮明，應(yīng)用較為廣泛。本文以其作為基礎(chǔ)工具，結(jié)合船舶設(shè)計特點(diǎn)，按照工程常規(guī)程序，開展建模工作，充分測試數(shù)據(jù)增長規(guī)律，探索與之相適應(yīng)的管控模式。

3DE平臺系統(tǒng)架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、邏輯層和應(yīng)用層組成，如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)層包含數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和FCS服務(wù)器，平臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器基于Oracle數(shù)據(jù)庫，存儲了對象屬性信息、關(guān)聯(lián)關(guān)系和模型裝配關(guān)系等數(shù)據(jù)。FCS服務(wù)器用于3DE平臺的文件存儲服務(wù)，以物理文件形式對模型、圖片、文檔等進(jìn)行管理和存儲，并提供訪問功能。邏輯層包含3Dpassport、3DSpace、FTS、許可服務(wù)器、3DDashboard和Apache服務(wù)器，3DPassport服務(wù)器為3DE平臺提供身份認(rèn)證和單點(diǎn)登錄（SSO）服務(wù)。3DSpace服務(wù)器是3DE平臺功能集成的主系統(tǒng)，主要用于創(chuàng)建和管理協(xié)作區(qū)，可進(jìn)行協(xié)作區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)的交互以及為其它服務(wù)提供業(yè)務(wù)接口。FTS服務(wù)器將大量的信息或數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和結(jié)構(gòu)化，以便于檢索操作，具備將數(shù)據(jù)進(jìn)行索引緩存的功能。同時作為平臺系統(tǒng)的搜索入口，提供平臺的搜索服務(wù)。許可服務(wù)器為用戶提供軟件許可。3DDashboard服務(wù)器將信息從多種來源引入一個可自定義的web頁面，通過配置不同的權(quán)限，可查看不同的看板。Apache服務(wù)器用于3DE平臺的負(fù)載均衡、集群化管理、服務(wù)與服務(wù)之間的通信交互，確保數(shù)據(jù)交互的穩(wěn)定性。應(yīng)用層包含一系列用戶工作站，用戶通過工作站訪問服務(wù)器集群從而實(shí)現(xiàn)對三維模型數(shù)據(jù)的讀寫操作訪問，操作訪問有C/S和B/S兩種數(shù)據(jù)訪問模式[3]，其中，C/S數(shù)據(jù)訪問模式作為用戶的常用模式，主要完成三維設(shè)計、建模仿真、虛擬驗(yàn)證、導(dǎo)入導(dǎo)出等數(shù)據(jù)創(chuàng)建工作；B/S數(shù)據(jù)訪問模式則基于Enovia實(shí)現(xiàn)組織創(chuàng)建、角色定義、項(xiàng)目管理、計劃管理、流程和變更管理、權(quán)限控制、版本管理等，并提供對同一數(shù)據(jù)源下的三維模型實(shí)施多人在線評審。

在船舶設(shè)計過程中，涉及總體、船體、舾裝、輪機(jī)、電氣等專業(yè)，除總體專業(yè)提前開展型面創(chuàng)建與光順外，各專業(yè)基本采用基礎(chǔ)資源配置，標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建并掛結(jié)構(gòu)樹，原理圖繪制，船體結(jié)構(gòu)建模，三維設(shè)備、舾裝件布置，三維管路、電纜綜合放樣的技術(shù)路線[4-12]。由于船舶總體設(shè)計周期長且復(fù)雜度高，導(dǎo)致設(shè)計不是一蹴而就，始終處于反復(fù)迭代的狀態(tài)，船、舾、機(jī)、電等專業(yè)并行展開，不斷對設(shè)計模型進(jìn)行新建、修改、刪除等操作。伴隨船舶總體設(shè)計的不斷推進(jìn)，大量的文檔數(shù)據(jù)、幾何模型、節(jié)點(diǎn)關(guān)系、屬性信息、索引鏈接等信息不斷產(chǎn)生。其中，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、節(jié)點(diǎn)關(guān)系、屬性信息和標(biāo)注信息存入數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，設(shè)計表、原理圖和幾何模型等存入FCS服務(wù)器中，如圖2所示。通常而言，幾何模型對數(shù)據(jù)量增長貢獻(xiàn)程度最高。3DE平臺采用參考＋實(shí)例的架構(gòu)方式，二者屬性信息相互獨(dú)立，即各專業(yè)設(shè)計使用基于庫的“引用”，使得設(shè)計模型數(shù)據(jù)量僅與參考模型數(shù)據(jù)量相關(guān)，跟引用的次數(shù)無關(guān)，從一定程度上有效限制了項(xiàng)目模型數(shù)據(jù)量。

2 模型數(shù)據(jù)量監(jiān)測分析

船舶設(shè)計模型數(shù)據(jù)本身具有準(zhǔn)確性、完整性、一致性、可擴(kuò)展性等特點(diǎn)，而其產(chǎn)生存在目的性、創(chuàng)造性、迭代性、多樣性等。為了開展種類繁多、與日俱增的數(shù)據(jù)分析，以某船舶為例，選取設(shè)計前期的近半年設(shè)計模型數(shù)據(jù)變化為對象，開展一系列監(jiān)測分析。

2.1 監(jiān)測分析方法

在3DE平臺中，船舶設(shè)計模型基于結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行組織和管理[13-15]，結(jié)構(gòu)樹呈樹狀層次，其根節(jié)點(diǎn)表示船舶產(chǎn)品，下分各級節(jié)點(diǎn)分別表示總段、區(qū)域、專業(yè)、零部件等。整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹不僅描述了船舶各系統(tǒng)和專業(yè)的詳細(xì)構(gòu)成，也反映了全船結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管系和電纜等零部件的裝配關(guān)系。

主要監(jiān)測模型數(shù)據(jù)量、打開耗時、引用參考零件數(shù)等指標(biāo)。模型打開耗時從選擇結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)打開模型操作起計時，到打開進(jìn)度條運(yùn)行結(jié)束來計算，涉及后臺遍歷、服務(wù)器搜索、依次打開、可視化呈現(xiàn)等處理，由于結(jié)束時間具有不確定性，利用函數(shù)PLMOpenService（）自動獲取進(jìn)度條運(yùn)行結(jié)束的時間點(diǎn)，通過二次開發(fā)封裝成模型打開計時器，只需輸入起始時間即可。同時，打開耗時受網(wǎng)絡(luò)帶寬、在線操作人數(shù)、客戶端配置、客戶端運(yùn)行狀況等影響，采取對同一模型對象在空閑時段、相同配置的客戶端分別進(jìn)行三次打開計時，然后求平均值，空閑時段一般在每晚十點(diǎn)至第二天早上八點(diǎn)之間。

模型數(shù)據(jù)量按模型文件占用存儲空間大小來表示，以吉字節(jié)（GB）為單位。為查詢模型數(shù)據(jù)量大小，在模型打開狀態(tài)下，點(diǎn)擊羅盤北象限進(jìn)入Collaborative Lifecycle模塊，在工具

欄中依次選擇【Lifecycle】→【Duplicate】按鈕，系統(tǒng)自動彈出Duplicate對話框，對話框中顯示對應(yīng)模型的數(shù)據(jù)量大小，完成后點(diǎn)選【Cancel】按鈕否則會造成數(shù)據(jù)備份。為獲取設(shè)計模型引用的參考零件數(shù)，通過程序開發(fā)，遍歷所屬全部結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)，檢索出對應(yīng)引用的參考模型，最后經(jīng)查重統(tǒng)計出參考零件數(shù)。

2.2 模型數(shù)據(jù)演變規(guī)律

為提前掌握設(shè)計模型數(shù)據(jù)變化規(guī)律，選擇典型艙段進(jìn)行三維設(shè)計，涉及總體型面、船體、設(shè)備、舾裝、輪機(jī)、電氣等專業(yè)。通過對典型艙段設(shè)計全程連續(xù)跟蹤監(jiān)測，由于模型數(shù)據(jù)量和參考零件數(shù)對打開耗時影響較大，定義單位數(shù)據(jù)量耗時和單位參考零件數(shù)據(jù)量為評價指標(biāo)，單位分別為s/GB、s/個，分析相關(guān)變化規(guī)律如圖3所示。在典型艙段的設(shè)計過程中，各專業(yè)模型單位數(shù)據(jù)量和單位參考零件數(shù)耗時均呈線性增長趨勢。相對其它專業(yè)模型，船體結(jié)構(gòu)SDD單位數(shù)據(jù)量耗時顯著增加，其單位參考零件數(shù)耗時更長。

以圖4所示球扁鋼端切標(biāo)準(zhǔn)件模型為例，建模參數(shù)共計26個，其中18個用于前端總體設(shè)計，8個服務(wù)于后端制造?？梢姶w結(jié)構(gòu)建模要素、表達(dá)細(xì)節(jié)和幾何特征多，對數(shù)據(jù)量貢獻(xiàn)更大。而3DE平臺向結(jié)構(gòu)專業(yè)提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)設(shè)計模塊（Structure Function Design）和詳細(xì)設(shè)計模塊（Structure Detail Design），分別支持板殼結(jié)構(gòu)和三維實(shí)體兩種方式建模，而板殼結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于實(shí)體結(jié)構(gòu)?？稍谠O(shè)計前期采用板殼建模以響應(yīng)技術(shù)狀態(tài)頻繁迭代，待技術(shù)狀態(tài)固化后轉(zhuǎn)換生成三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，從而充分發(fā)揮平臺效能。伴隨項(xiàng)目的持續(xù)推進(jìn)，模型數(shù)據(jù)量不斷增加，打開耗時會越來越長，建模效率降低。原因在于各系統(tǒng)、專業(yè)建模范圍更廣，粒度更細(xì)，使得結(jié)構(gòu)樹節(jié)點(diǎn)增多，模型數(shù)據(jù)量增大，導(dǎo)致遍歷搜索、依次打開模型等操作時間加長，打開耗時隨之增加。對于船舶設(shè)計的體量而言，模型數(shù)據(jù)量持續(xù)增加可能導(dǎo)致最終無法打開模型，難以滿足設(shè)計需求。通過典型艙段各專業(yè)測試和二次開發(fā)程序部署測試，解決并驗(yàn)證了船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件批量建模、開口、修改、檢查等可靠性和實(shí)施效率，形成了設(shè)備建庫、支吊架設(shè)計等模型輕量化技術(shù)方案，實(shí)踐、摸索、驗(yàn)證了3DE平臺對船舶全流程精細(xì)化設(shè)計的適用性，為基于模型的船舶設(shè)計推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

通常而言，提升建模效率主要有增加硬件資源和管控模型數(shù)據(jù)量兩種途徑。硬件資源涉及網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)器配置、客戶端顯卡和內(nèi)存等，目前服務(wù)器和客戶端等硬件配置已接近頂配。同時受資源使用情況、多人并發(fā)、線路衰耗、信號衰減等多因素影響，通過系統(tǒng)硬件擴(kuò)容提升建模效率的途徑比較有限。因此，在滿足設(shè)計需求的前提下，通過管控模型數(shù)據(jù)量是提升建模效率的必須途徑。迫切需要制定合適的劃分原則，有效控制結(jié)構(gòu)樹層級，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹扁平化，通過區(qū)段選取相應(yīng)模型，盡量避免設(shè)計出現(xiàn)系統(tǒng)性風(fēng)險。

結(jié)合船舶設(shè)計情況，開展設(shè)計時搭建按總段劃分的結(jié)構(gòu)樹，其中，設(shè)計總段對應(yīng)包含設(shè)備、船體屬具、表面覆蓋、絕緣、管路、通風(fēng)和電纜通道等專業(yè)。為分析各專業(yè)模型的數(shù)據(jù)量對打開模型的影響，由于總體要素、表面覆蓋、絕緣和電纜通道等節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)極小，設(shè)計初期各專業(yè)設(shè)計未全面展開，從設(shè)計中期連續(xù)監(jiān)測了結(jié)構(gòu)、基座、設(shè)備、管路和通風(fēng)等專業(yè)的模型數(shù)據(jù)量、零件數(shù)以及對應(yīng)打開耗時，如圖5所示。從圖5來看，設(shè)備和結(jié)構(gòu)SDD的單位參考零件數(shù)據(jù)量較大，表明設(shè)備和結(jié)構(gòu)專業(yè)模型在全船數(shù)據(jù)量中占比較高。前期各專業(yè)模型單位數(shù)據(jù)量耗時分布較為發(fā)散，尤其在第7周，由于部分管路和通風(fēng)所屬濾器和閥組以附件形式納入，導(dǎo)致打開耗時較高，之后將兩者納入設(shè)備專業(yè)。進(jìn)入8周后，各專業(yè)模型單位零件數(shù)據(jù)量和單位數(shù)據(jù)量耗時基本趨于穩(wěn)定。

從上述模型數(shù)據(jù)分析來看，數(shù)據(jù)量管控重點(diǎn)在于控制全船的設(shè)備和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，前期管系的數(shù)據(jù)規(guī)模較小。但隨項(xiàng)目的不斷推進(jìn)，專業(yè)范圍趨于全面覆蓋，設(shè)計深度更細(xì)致、設(shè)計水平更精準(zhǔn)，管路系統(tǒng)最終會完成儀器儀表、管支架、安裝緊固件等精細(xì)建模，從而大幅增加數(shù)據(jù)量，其中，設(shè)備、閥附件的數(shù)據(jù)量主要受基礎(chǔ)庫模型數(shù)據(jù)的影響，需在基礎(chǔ)庫模型表達(dá)細(xì)節(jié)與設(shè)計效率間之間尋求平衡。盡管當(dāng)前數(shù)據(jù)分析對象還未涉及全船，已經(jīng)凸顯數(shù)據(jù)規(guī)模大，打開耗時長，必須建立合適的分區(qū)分類措施才能完成全船設(shè)計工作。

3 數(shù)字化設(shè)計管控措施

從設(shè)計模型數(shù)據(jù)量分析來看，有必要規(guī)避船舶數(shù)據(jù)量過大帶來的風(fēng)險，為此，在設(shè)計過程中建立相應(yīng)管理措施，具體如下：

（1）結(jié)合船舶具體產(chǎn)品特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際規(guī)模、交付形式、后端建造等需求，構(gòu)建數(shù)字化設(shè)計方案，確定項(xiàng)目推進(jìn)模式和專業(yè)分工，形成以頂層文件為核心，以建庫建模約定、標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)程序和質(zhì)量控制約定為支撐的頂層文件體系，建立完整的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計工作流程，為項(xiàng)目實(shí)施提供頂層指導(dǎo)；

（2）加強(qiáng)項(xiàng)目組織管理，對設(shè)計人員設(shè)置合適的設(shè)計權(quán)限，確保只有授權(quán)人員才能訪問和修改相應(yīng)專業(yè)模型數(shù)據(jù)。設(shè)計過程實(shí)施服務(wù)器定期數(shù)據(jù)備份，防止設(shè)計數(shù)據(jù)丟失。對于刪除、誤操作等產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，由專人負(fù)責(zé)清理，保持模型數(shù)據(jù)的整潔性。

（3）為有效指導(dǎo)設(shè)計人員規(guī)范操作，項(xiàng)目組應(yīng)指定經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計師編寫和錄制標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程，確保整個項(xiàng)目遵循一致的建模標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，提高設(shè)計效率并減少出錯率。對完成的設(shè)計任務(wù)進(jìn)行質(zhì)量審核，檢查設(shè)計模型的完整性和準(zhǔn)確性。

（4）通過對不同層級結(jié)構(gòu)樹操作效率監(jiān)測來看，結(jié)構(gòu)樹打開耗時受零件數(shù)影響較大，而層級過多的結(jié)構(gòu)樹理論上相當(dāng)于把模型切分得更碎，必然帶來零件數(shù)量的增加。設(shè)計過程的結(jié)構(gòu)樹應(yīng)充分考慮正向設(shè)計的快速迭代，結(jié)構(gòu)樹層級多不利于系統(tǒng)快速迭代，需對設(shè)計結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行扁平化處理。扁平化的結(jié)構(gòu)樹能夠明顯減少數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)及引用上下文的層級，從而提高模型數(shù)據(jù)的使用效率。

4 結(jié)論

（1）隨著船舶行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的深入，基于模型的船舶設(shè)計技術(shù)正成為大勢所趨。有必要根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)規(guī)模，構(gòu)建合理的平臺系統(tǒng)架構(gòu)，提高服務(wù)器使用效能。

（2）經(jīng)典型艙段設(shè)計模型數(shù)據(jù)量監(jiān)測分析，在設(shè)計過程中，模型數(shù)據(jù)量和打開耗時呈不斷增長趨勢。在硬件配置確定的條件下，構(gòu)建有效劃分的船舶結(jié)構(gòu)樹是提高設(shè)計效率的有效途徑。

（3）結(jié)合船舶產(chǎn)品特點(diǎn)，有必要形成一套與之匹配的設(shè)計要求、規(guī)范和流程，建立模型數(shù)據(jù)量定期監(jiān)測和管控機(jī)制，化解數(shù)據(jù)量大等問題造成的技術(shù)風(fēng)險，有效加快數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和提升設(shè)計效率，從而穩(wěn)步推進(jìn)基于模型的船舶正向三維設(shè)計。

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