基于模型的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)研究

王 昆 劉 兵 臧大偉 倪若杰 王 睿 吳曉軍 譚 振

（大連船舶重工集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 大連116005）

引 言

協(xié)同設(shè)計(jì)是指多個(gè)設(shè)計(jì)部門或?qū)I(yè)在同一項(xiàng)目中相互依托、相互支持、相互配合的一種協(xié)調(diào)工作模式，可以最大程度實(shí)現(xiàn)資源共享和優(yōu)化利用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和糾正設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而極大提高設(shè)計(jì)效率和縮短設(shè)計(jì)周期，目前已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。船舶的設(shè)計(jì)建造是一項(xiàng)十分復(fù)雜而又系統(tǒng)的龐大工程，其產(chǎn)品信息量大、專業(yè)集成度高、研發(fā)周期長(zhǎng)、研制環(huán)節(jié)多，往往需要多廠所、多部門、多團(tuán)隊(duì)共同參與研制［1］。由于船舶研制中各參研單位之間大多相對(duì)獨(dú)立封閉，為協(xié)調(diào)各參研單位，解決相互之間的溝通和信息交流等問題，參與船舶研制的各單位之間按協(xié)同設(shè)計(jì)模式進(jìn)行合作勢(shì)在必行。

作為船舶設(shè)計(jì)主體的總體所和船舶建造主體的總裝廠分別處在船舶研制過程的上下游，彼此間既相互依托，又相互獨(dú)立，存在業(yè)務(wù)競(jìng)爭(zhēng)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)等問題。同時(shí)總體所與總裝廠之間往往地域相距甚遠(yuǎn)，造成信息數(shù)據(jù)無法及時(shí)傳遞和溝通。這些因素都會(huì)影響廠所之間的協(xié)作關(guān)系和工作效率，延長(zhǎng)船舶研制周期。因此，如何重新定義總體所與總裝廠之間業(yè)務(wù)關(guān)系，實(shí)施雙方結(jié)構(gòu)調(diào)整與資源優(yōu)化，充分利用先進(jìn)數(shù)字化工程研制技術(shù)，建立船舶廠所異地協(xié)同研制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)船舶廠所之間異地協(xié)同設(shè)計(jì)，已成為現(xiàn)代船舶研制的必然趨勢(shì)。

1 基于模型的異地廠所協(xié)同設(shè)計(jì)模式研究

1.1 并行協(xié)同設(shè)計(jì)模式探索

傳統(tǒng)船舶設(shè)計(jì)過程是總體所完成設(shè)計(jì)、交付圖紙到總裝廠，總裝廠進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)計(jì)、完成建造，這是一個(gè)串行的過程。總體所的設(shè)計(jì)過程與總裝廠的相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于建造過程中的問題大多留到生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造過程中，通過技術(shù)協(xié)調(diào)和設(shè)計(jì)變更實(shí)現(xiàn)，造成船舶研制成本的提高和周期的延長(zhǎng)。而在基于三維模型的船舶異地廠所協(xié)同設(shè)計(jì)模式中，可以采用預(yù)發(fā)布技術(shù)，使這一串行設(shè)計(jì)方式并行化［2］。

并行設(shè)計(jì)是指在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段盡早考慮產(chǎn)品整個(gè)研制周期中各個(gè)因素的影響，全面評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)中的最優(yōu)化，最大限度消除隱患，因此涉及產(chǎn)品整個(gè)研制周期的各個(gè)不同部門的專家必須協(xié)同工作，在產(chǎn)品的各個(gè)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行討論，協(xié)調(diào)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)任務(wù)，同時(shí)，工藝、制造，質(zhì)量等后續(xù)部門也要參與產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案提出修改意見。

在總體所設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)設(shè)計(jì)的不同成熟度，將設(shè)計(jì)三維模型數(shù)據(jù)提前發(fā)布給總裝廠；或者在船舶施工設(shè)計(jì)階段，總裝廠生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員提前介入，在施工設(shè)計(jì)三維模型交付給總裝廠之前，由總裝廠設(shè)計(jì)人員根據(jù)建造過程的工藝工法要求對(duì)施工設(shè)計(jì)三維模型的可生產(chǎn)性進(jìn)行校核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和指出總體所施工設(shè)計(jì)的問題，從而將建造過程中的主要問題在施工設(shè)計(jì)過程中就加以解決，實(shí)現(xiàn)總體所與總裝廠在施工設(shè)計(jì)階段的并行協(xié)同設(shè)計(jì)模式。

1.2 建立廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)

傳統(tǒng)船舶研制過程的設(shè)計(jì)協(xié)同往往是靠人與人之間的聯(lián)系獲得信息，并以紙質(zhì)文檔或光盤為介質(zhì)進(jìn)行信息數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。通過建立符合保密標(biāo)準(zhǔn)的廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）將三維模型數(shù)據(jù)有效管理起來，引入生命周期、工作流、消息通知、電子郵件和在線互動(dòng)可視化協(xié)調(diào)系統(tǒng)等功能。使用直通網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全傳遞軟件作為廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)信息的交流平臺(tái)，可以使模型特性信息傳遞更具有實(shí)時(shí)性，極大地提高協(xié)同設(shè)計(jì)效率，節(jié)約流轉(zhuǎn)成本。

1.3 統(tǒng)一編碼、標(biāo)準(zhǔn)及基礎(chǔ)資源庫(kù)

編碼和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是廠所協(xié)同設(shè)計(jì)的前提，為保證廠所協(xié)同設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)信息的一致性，總體所和總裝廠在設(shè)計(jì)過程中需要協(xié)商約定，形成統(tǒng)一的設(shè)計(jì)編碼，在界面分工、數(shù)據(jù)傳遞、IPT團(tuán)隊(duì)管理、基礎(chǔ)環(huán)境相關(guān)方面統(tǒng)一管理和技術(shù)約定標(biāo)準(zhǔn)。

基于三維模型的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是統(tǒng)一基礎(chǔ)資源庫(kù)。廠所雙方根據(jù)約定，建立統(tǒng)一的雙方都能認(rèn)可的船、機(jī)、電、舾等各專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)資源庫(kù)。統(tǒng)一的基礎(chǔ)模型庫(kù)和產(chǎn)品模型，可以減少總裝廠重復(fù)建模的工作量，排除因總裝廠重復(fù)建模導(dǎo)致的廠所模型不一致的風(fēng)險(xiǎn)。

1.4 組建廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)

IPT集成產(chǎn)品協(xié)同團(tuán)隊(duì)（Integrated Product Team）是廠所協(xié)同設(shè)計(jì)的基本組織形式，在傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)過程中，總體所和總裝廠按照各自單位管理職能由高到低分別構(gòu)建金字塔狀的組織結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是各部門職能清晰，流程有序，便于管理，但缺點(diǎn)是廠所之間以及各部門之間協(xié)調(diào)困難，難以溝通。在組建船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)時(shí)需要廠所雙方打破單位組織限制，按照設(shè)計(jì)產(chǎn)品劃分，由多專業(yè)跨部門的專家和技術(shù)人員組成一種能夠高效開展產(chǎn)品設(shè)計(jì)的矩陣式動(dòng)態(tài)協(xié)同設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

2 基于模型的異地廠所協(xié)同設(shè)計(jì)模式探索

大連船舶重工集團(tuán)為適應(yīng)數(shù)字化制造在船舶建造的應(yīng)用，在基于廠所協(xié)同設(shè)計(jì)研究的基礎(chǔ)上，開拓思路，創(chuàng)新設(shè)計(jì)模式，與某總體所合作開展了廠所協(xié)同設(shè)計(jì)的技術(shù)路線探索。首次基于3DE體驗(yàn)平臺(tái)開展廠所協(xié)同，確定基于同一平臺(tái)的廠所協(xié)同機(jī)制，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的廠所協(xié)同研制模式。在技術(shù)上突破廠所協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)編碼命名規(guī)則進(jìn)行統(tǒng)一，初步驗(yàn)證面向建造的三維模型交付路線的可行性，實(shí)現(xiàn)模型特性信息的一致性和互通性，避免相關(guān)沖突的同時(shí)減少?gòu)S所雙方不必要的重復(fù)勞動(dòng)。

2.1 建立廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)，統(tǒng)一協(xié)同設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

廠所協(xié)同首先要打破廠所之間單位組織限制，開展了基于三維模型的廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)，聯(lián)合組成廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)，包含設(shè)計(jì)、工藝、信息化人員，覆蓋總體、船體、機(jī)械、電氣、舾裝、IT技術(shù)等全專業(yè)（參見圖1），邁出了探索基于三維模型的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)模式的第一步。

圖1 IPT團(tuán)隊(duì)組織構(gòu)架

根據(jù)廠所各自現(xiàn)有的資源情況，經(jīng)過雙方協(xié)商，在廠所協(xié)同設(shè)計(jì)界面分工、數(shù)據(jù)傳遞、IPT團(tuán)隊(duì)管理、基礎(chǔ)環(huán)境相關(guān)的管理和技術(shù)約定等方面的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一。

經(jīng)過近一年的測(cè)試和研究，廠所協(xié)同設(shè)計(jì)IPT團(tuán)隊(duì)完成了標(biāo)準(zhǔn)和基礎(chǔ)資源庫(kù)的統(tǒng)一、各專業(yè)面向建造的建模、三維模型直接交付、三維工藝設(shè)計(jì)等工作，有效提升了產(chǎn)品研發(fā)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.2 借助三維設(shè)計(jì)軟件規(guī)劃裝配層次，統(tǒng)一設(shè)計(jì)編碼命名規(guī)則

根據(jù)三維設(shè)計(jì)軟件的架構(gòu)特點(diǎn)，將裝配的層次規(guī)劃為結(jié)構(gòu)樹形式，主要分為4級(jí)。裝配的根節(jié)點(diǎn)、總體專業(yè)代號(hào)與總段劃分代號(hào)、節(jié)點(diǎn)類型、專業(yè)代號(hào)等如圖2所示。由于總體所與總裝廠設(shè)計(jì)與建造范疇存在一定差異，在模型編碼中，需要融合設(shè)計(jì)與建造雙方信息，統(tǒng)一完善編碼規(guī)則，以實(shí)現(xiàn)雙贏管理。在廠所協(xié)同設(shè)計(jì)中，按照專業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行如圖2所示分類編碼。

圖2 協(xié)同產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹

2.3 依托三維設(shè)計(jì)軟件建立符合廠所協(xié)同需求的模型庫(kù)管理文件

模型庫(kù)管理文件作為三維設(shè)計(jì)軟件中保證模型唯一性、正確性和規(guī)范性方法之一，是用于模型進(jìn)行庫(kù)管理的一種重要的特殊數(shù)據(jù)形式，主要用于對(duì)各類庫(kù)模型進(jìn)行分類存放、可視化管理、組織、維護(hù)與使用。在廠所協(xié)同設(shè)計(jì)中，將國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、通用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、特殊行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等船舶領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)零件按照專業(yè)分類建模，形成標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)庫(kù)及對(duì)應(yīng)的調(diào)用管理文件，避免了重復(fù)建模、錯(cuò)誤建模等問題，實(shí)現(xiàn)快速、高質(zhì)量地設(shè)計(jì)和布置目標(biāo)。

依托PDM開發(fā)公共資源庫(kù)管理系統(tǒng)，將基礎(chǔ)資源系列化、流程化、平臺(tái)化管理，實(shí)現(xiàn)管理過程規(guī)范化、透明化、精細(xì)化，有助于產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)，提高未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量［3］。

2.4 實(shí)現(xiàn)三維工藝設(shè)計(jì)

總裝廠基于總體所提供的三維模型繼續(xù)進(jìn)行三維工藝設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造后處理等工作，不需要再重復(fù)建模，有效縮短了設(shè)計(jì)周期，提升了研發(fā)效率。基于3D體驗(yàn)平臺(tái)，總裝廠把收到的EBOM模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換生成對(duì)應(yīng)的MBOM。EBOM模型是僅包含厚度和材質(zhì)信息的幾何模型，并不包含坡口、余量等生產(chǎn)信息，在生成MBOM之后，可以對(duì)生產(chǎn)信息進(jìn)行添加。

把每個(gè)零件所應(yīng)該具有的生產(chǎn)信息添加完整后，繼續(xù)進(jìn)行生成零件XML文件的工作。XML文件是一種通用的文本格式文件，通過固定的數(shù)據(jù)格式描述了零件所包含的各種信息，例如板材零件的板厚、材質(zhì)、質(zhì)量、方位、外形輪廓、開孔、劃線、坡口、余量等信息，型材零件則是規(guī)格、材質(zhì)、長(zhǎng)度、端切、逆直線、坡口、和余量等信息。部分三維設(shè)計(jì)軟件本身并不包含套料模塊，XML文件可以作為輸出數(shù)據(jù)源供其他套料軟件直接使用或經(jīng)二次開發(fā)轉(zhuǎn)換成其它格式文件供相應(yīng)套料軟件使用。

3 MBD技術(shù)在廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

MBD（Model Based Definition）技術(shù)也稱為三維定義技術(shù)，是以集成的三維數(shù)字化模型為核心來傳遞產(chǎn)品定義信息的方法，是三維設(shè)計(jì)發(fā)展的必經(jīng)之路，也是三維模型取代二維工程圖作為加工制造的唯一數(shù)據(jù)源的核心技術(shù)。MBD技術(shù)已在航空航天領(lǐng)域得到較好的應(yīng)用，極大提升了航空航天產(chǎn)品研制水平，但由于船舶協(xié)同研制較為復(fù)雜等特點(diǎn)，MBD技術(shù)在船舶研制領(lǐng)域還處于探索和試驗(yàn)階段［4］。

隨著未來MBD技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化工程技術(shù)在船舶協(xié)同研制中的深入應(yīng)用，MBD技術(shù)勢(shì)必將會(huì)在船舶研制過程中廣泛使用，設(shè)計(jì)模式也必將升級(jí)為基于MBD技術(shù)的船舶廠所異地協(xié)同設(shè)計(jì)模式，以產(chǎn)品數(shù)字化定義（MBD）的單一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，建設(shè)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和基礎(chǔ)資源庫(kù)，使船舶所有的設(shè)計(jì)、建模、工藝、制造、檢驗(yàn)過程具有統(tǒng)一編碼的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)船舶總體研制過程中的數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和管理，推動(dòng)船舶研制模式的數(shù)字化變革。

4 結(jié) 語

隨著船舶行業(yè)信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成為當(dāng)前船舶企業(yè)設(shè)計(jì)制造新的發(fā)展方向。和現(xiàn)有協(xié)同模式相比，新模式以三維模型交付的形式打通施工設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)流，總體所和船舶總裝廠基于同一套數(shù)字樣船開展協(xié)同設(shè)計(jì)，采用精細(xì)化的前端設(shè)計(jì)后，雖然在設(shè)計(jì)端增加了大量的建模和協(xié)調(diào)工作量，但從整個(gè)工程研制角度看可以帶來更多的后期效益，避免重復(fù)建模的同時(shí)，大幅減少后期因?qū)嶋H工程設(shè)計(jì)考慮不周和工藝變化帶來的工程變更，從而縮短研制周期，減少產(chǎn)品報(bào)廢率，節(jié)約制造成本。本模式推進(jìn)了數(shù)字化設(shè)計(jì)在船舶行業(yè)的全面應(yīng)用，滿足智能制造的需求和發(fā)展趨勢(shì)，可有效提高我國(guó)船舶企業(yè)設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文提出的協(xié)同設(shè)計(jì)模式側(cè)重于廠所異地協(xié)同的研究，但是由于該模式以單一數(shù)據(jù)源為基礎(chǔ)，從始至終研制人員都是面對(duì)同一個(gè)模型進(jìn)行數(shù)字樣船的設(shè)計(jì)和完善，最終交付的制造數(shù)據(jù)和數(shù)字樣船數(shù)據(jù)也是同一份，因此本文提出的協(xié)同設(shè)計(jì)三維技術(shù)平臺(tái)同樣可以解決基于并行工程的多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中需要兼顧的空間干涉、規(guī)范限制、施工成本、工藝實(shí)現(xiàn)等方面的問題。