基于三維協同設計的船舶總體施工設計流程優化研究

（中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

在艦船的總體設計中充分利用有限的空間合理地布置各系統和設備，以期達到各系統和設備的最優化組合，從而提高艦船的綜合作戰性能尤為重要。三維設計作為一種多專業協同設計工具，在船舶總體設計中得到了越來越廣泛的應用，在三維立體環境下開展船體結構、設備、管路、電纜、附件等的建模及布置，基于可視化的平臺開展多專業綜合平衡，對于提高艦船總體設計質量，減少后期返工具有重要意義。船舶總體施工設計是在保證原理性、功能性的前提下，進行設備及管路電纜的具體布置，同時兼顧工藝可生產性。然而，不同專業之間的接口關系非常復雜，往往存在大量的協調和迭代過程，而實際施工設計的供圖往往是分專業供圖，因此，如何合理規劃各專業的設計序列，對于提高施工設計質量和設計效率具有重要意義。目前對于船舶三維設計方面的研究大多集中在某專業的建庫、建模等方法的介紹，對于流程優化的研究甚少，針對這一問題，本文結合具體產品應用情況，基于矩陣式三維工作梳理和分析，提出了相對優化的基于三維設計的船舶總體施工設計流程。

1 施工設計三維工作分析

施工設計三維工作內容主要包括總體型面三維設計、船體結構三維設計、設備建模、輪機附件庫構建、管路布置、風管布置、電纜敷設、開口設計、設備布置、基座設計、綜合平衡等工作。每項設計內容都與其他設計內容之間存在復雜的耦合關系，比如設備布置影響開口需求，開口設計又是船體結構設計的其中一項輸入，船體結構又對開口設計有一定的約束，總之，各項設計內容之間不是簡單的單向流。

圖1 施工設計主要三維工作內容框圖

基于三維環境完成的施工設計交付成果，占施工設計所有交付成果的75%以上。船體結構圖、綜合布置圖、設備布置安裝圖、設備基座圖、原理線路圖等均來自三維設計成果的轉換。而且基于三維協同環境開展的施工設計相比傳統的基于二維環境的施工設計，在綜合布置合理性、工藝建造可行性、維護保障方便性等方面具有更明顯的優勢，因此，三維設計已經逐漸成為艦船總體施工設計的重中之重。

2 施工設計三維工作流程優化

2.1 設計結構矩陣

Steward引入DSM來分析信息流，它的行與列中的元素體現了各個設計活動間的相互影響關系，在分析具有復雜輸入輸出關系的任務序列上具有顯著效果。

如圖2所示，DSM是一個n×n階方陣，所有任務均以相同的順序排列在矩陣的最左邊和最上邊。若任務i的執行需要j的輸入信息，則矩陣中的第i行第j列的元素為1，否則為空（或者零）。在設計結構矩陣中，對角線上的元素不描述任務間的關系，不需要處理。

圖2 DSM表示

2.2 三維工作矩陣構建

設計結構矩陣在描述和分析工作序列方面應用非常廣泛，基于上述梳理的三維工作內容及交付成果，構建施工設計三維工作矩陣。橫坐標和縱坐標依次為上述梳理的設計內容。橫坐標和縱坐標交叉位置表達行與列之間的輸入輸出關系。比如第i行第j列的為值aij，aij的取值為離散值（0，1）。如果j列的工作為i行工作開展的基礎，則aij取值為1，否則為0。該矩陣描述了每項工作內容對其他工作內容的影響關系，依次推出各項工作開展的先后順序。

圖3 三維工作矩陣

2.3 施工設計三維工作流程優化

基于上述構建的三維工作矩陣，結合以往產品的三維施工設計經驗，梳理矩陣元素間的輸入輸出關系，優化各項工作內容的序列，進而提出優化的三維施工設計流程。具體優化過程如下：

1）將施工設計三維工作活動根據不同的責任主體和不同的工作內容進行分解，形成施工設計三維工作活動集合A{a1,a2,...,an}，集合中的每個元素代表一項施工設計活動，無重復活動。

2）將施工設計三維工作活動集合A{a1,a2,...,an}轉換為一個n×n的矩陣，將設計活動元素排列在矩陣的第0行和第0列。

3）確定DSM中的元素，對角線上的元素一律為空或0，轉4）確定對角線以外的元素。

4）從第1個設計活動開始，判斷如果第i行設計活動需要依賴于第j列設計活動的輸出，則將行、列交叉處的矩陣元素aij置1，否則置0，依次確定矩陣中其他元素，具體流程如圖4所示。

圖4 矩陣元素賦值過程

5）除主對角線以外的其他元素以4）中確定的aij填充，最后形成施工設計三維工作矩陣，根據矩陣中的元素取值，對矩陣進行下三角變換。

6）若某行除主對角線外其余元素全部為空或0，則表示該設計活動的執行不需要依賴于其他任務提供輸入信息，該設計活動盡量提前開展，比如設備布置。

7）若某列除主對角線外其他元素全部為空或0，則其他任何設計活動的執行都不需要該活動的輸出信息，該設計活動的優先級較低，可以推后開展，比如出圖。

基于以上過程，提出優化的施工設計三維工作流程如圖5所示。

3 結束語

1）從工作內容、交付成果不同維度梳理和分解三維設計活動，對于在協同設計環境中合理規劃各專業的設計序列，對于提高施工設計質量和設計效率具有重要意義。

圖5 施工設計三維工作流程

2）基于設計結構矩陣描述施工設計三維設計活動之間的輸入輸出關系，通過對設計活動序列的重組，優化施工設計三維工作流程，對于減少返工量和提高質量具有重要意義。

[1]STEWARD D V. Design structure system: a method for managing the design of complex system[J].IEEE Transactions on Engineering Management,1981,EM-28(3):71-74.

[2]陳寧.FORAN在船舶數字化設計全流程中應用技術研究[J].造船技術,2009,4(290):34-38.

[3]繆素菲,劉娟,劉敬喜.基于TEAMCENTER與SIEMENSNX的船舶協同設計流程[A].第九屆武漢地區船舶與海洋工程研究生學術論壇論文集[C].2016,04,23.

[4]盧旭,何剛.數據驅動的艦船總體設計流程管理及建模技術研究[A].2014年MIS/S&A學術交流會議論文集[C].2014,06,01.

[5]李明,孫東生,陳慈慧,龔英強.船舶并行協同設計管理研究[J].船舶工程,2005,27(6):84-86.

[6]王能健.Internet環境下基于Agent的船舶協同設計關鍵技術研究[D].哈爾濱工程大學,2003.

[7]王能建,賀澤,邱長華.協同設計及其在船舶設計中的應用[J].船舶工程,2004,26(4):16-18.