大舾裝可視化虛擬裝配DAP技術應用

劉森峻， 翁戍生， 鮑雨暉， 張寶民， 鄭曉光， 楊利春， 臧大偉， 徐建軍， 高 飛

(大連船舶重工集團有限公司，遼寧 大連 116011)

0 引 言

大舾裝專業，是指管系、通風、電氣、外舾裝等舾裝專業。目前對于大舾裝專業，在國內船廠生產車間的船舶建造過程中，以二維圖紙、工藝文件等為施工信息載體[1]，施工人員通過識圖、閱讀文件的信息傳遞模式進行施工。各類舾裝件沒有統一的分段裝配規劃(Detailed Assembly Planning，DAP)，往往導致不必要的返工，生產場地、人力資源也不能得到充分利用。

在當前船舶建造企業智能制造技術轉型的背景下，國內部分總裝廠嘗試三維模型在生產車間的可視化[2-4]，船用柴油機領域亦有應用[5]，目的是期望施工人員通過觀察三維模型來優化施工工序、施工方式，降低廢返率。但目前基本停留在可視階段，作為核心元素的三維模型僅有示意作用，與裝配規劃、二維圖紙、工藝指南等缺乏信息交互。

以專用船舶三維設計軟件系統為搭載平臺，以三維模型為載體，將設計文件、二維圖紙、工藝文件及數據直觀便捷地呈現給生產制造部門，使車間能夠共享三維設計的成果，打破傳統的紙質圖文下發模式，建立從設計部門到制造現場之間完整的三維設計及工藝文件數據鏈，同時可為更先進的數字孿生技術在船舶制造領域的落地及應用[6]提供方向。

1 可視化虛擬裝配DAP技術

1.1 三維可視化系統架構

三維可視化系統包括設計管理模塊和可視化模塊，包含多種信息存儲和展示方式，如圖1所示。

圖1 三維可視化系統架構

設計管理模塊著重初始數據庫的維護和處理。初始數據庫包括三維模型和與其對應的設計圖紙、工藝文件、施工指南(圖文系統)及支撐數字化船舶信息模型的各種定義，例如船舶業務對象類型、屬性參數定義、關聯關系定義、度量系統定義等。裝配規劃包括裝配結構、船體裝配規劃、舾裝裝配規劃等。另外，該模塊還包含對人員數據庫中人員賬戶信息、角色信息、權限信息等的維護。

可視化模塊涵蓋是數據由設計向生產階段轉換的橋梁，主要包括初始數據的處理和關聯、可視化信息的配置和展示(即車間可視化系統)等。車間可視化主要指面向生產車間的細化到船體工位級的三維虛擬裝配的可視化，并能夠實現數據統計、數據反饋等多種功能。

1.2 大舾裝可視化虛擬裝配DAP設計流程

DAP一般指船體分段裝配組裝順序、組合模式等的說明，附在分段裝配圖中以指導現場施工。以大舾裝為研究對象的DAP，是依附分段裝配規劃、通過模擬動畫表現方式、向生產車間動態展示裝配過程的一種可視化技術。其數據來源為在第1.1節中所述的基礎數據庫和仿真數據庫，通過對既有三維模型進行整合、規則設定及數據關聯達到動態展示的目的。大舾裝可視化虛擬裝配DAP設計流程如圖2所示。

在三維可視化研究中，大舾裝裝配是以船體背景為基礎開展的。在當前設計模式下，應結合專用船舶三維設計軟件系統自身功能、各舾裝專業特點，針對舾裝裝配編碼進行單獨研究和制訂。舾裝裝配編碼原則為：船體分段裝配編碼舾裝件裝-配編碼-裝配順序編碼。該編碼將有效組織設計裝配流程，便于關聯舾裝件的查找和定位，形成的安裝信息編碼將直接指向生產施工階段和工位，方便生產組織管理。

圖2 大舾裝可視化虛擬裝配DAP設計流程

1.3 裝配信息的預處理及發布

1.3.1 裝配模型的輕量化

裝配模型是以船體裝配為單位的多專業模型集合，在發布至客戶端之前需要進行輕量化處理。輕量化包含5個逐步深入的特性：(1)可視化：模型可供客戶端查看，這是基本特性；(2)精簡化：模型為便于網上傳輸，必須遠遠小于原始大小，有時為滿足網頁瀏覽的需要，可能會采用流媒體方式或異步加載方式，使終端用戶感覺不到太多延遲；(3)中性化：各種三維模型或二維圖紙必須統一為一種或少數幾種格式，這樣可大幅簡化客戶端瀏覽和操作的復雜性，并使多種模型的組合查看成為可能，也可使用戶只關注模型和圖紙的使用，而不再關注是何種格式；(4)可操作性：可對三維模型和二維圖紙進行操作，但不改變原數據，例如尺寸的測量、剖切、隔離、標注等；(5)關聯性：模型和圖紙中的重要元素可被抽取，并和外部數據建立關聯，使模型或圖紙包含的元素活化可用。

輕量化模型必須與裝配結構樹對應，通過專用輸出接口將帶有裝配數據的輕量化模型轉換成指定格式，再通過自動發布程序發布至可視化平臺。

1.3.2 裝配信息的自動發布

完整的裝配信息包括裝配模型、裝配結構(裝配樹)、圖紙、文件。需要將上述數據分別存放至服務器指定位置(工作區)，隨后通過自動發布程序監控服務器的數據變化并提交發布至可視化系統。工作區結構如圖3所示。

自動發布程序會檢查工作區各種數據的變化情況，一旦數據有變化，會自動觸發數據發布工作，并建立處理隊列。對于不同的數據，會調用不同的處理模塊。例如，對于模型及XML數據，會直接提交至處理工作區；對于文本類數據，會調用帶全文檢索功能的模塊，抽取其中的船舶對象編號，并建立關聯關系；對于圖形類數據，會檢索其中的數據信息，同樣抽取船舶對象編號，建立關聯關系，并將圖形類文件轉變成中性格式，和三維模型一樣，便于傳輸和瀏覽。發布過程如圖4所示。

圖3 服務器提交和處理工作區結構

圖4 自動發布流程

2 應用實例

2.1 創建裝配樹

以某超大型油船(Very Large Crude Carrier，VLCC)兩個典型分段——機艙二平臺1426分段及貨油艙底部2215分段為例進行研究，這兩個分段集中鐵舾、管舾、電氣等各類舾裝件，同時分段裝配包含小組立、大組立兩個階段，部分舾裝件需要根據不同安裝階段劃分成多個托盤表，可完整體現船體、舾裝、工藝一體化的船舶設計理念。首先結合所選分段船體DAP，研究并制訂各類舾裝件的安裝工序及裝配方案；隨后在專用船舶三維設計軟件系統中創建裝配樹，為便于直觀顯示船體裝配和舾裝件的對應關系及滿足可視化各階段的實施需求，確定以舾裝裝配結構為主體，將船體裝配結構嵌入其中；最后對模型輕量化輸出并發布。

2.2 可視化虛擬裝配DAP展示

經輕量化處理的三維模型進入可視化平臺，現場施工人員由網頁端登錄訪問。大舾裝可視化虛擬裝配DAP技術可在系統內以模擬動畫的形式展示，如圖5所示。

圖5 虛擬裝配DAP展示界面

圖5左側為裝配結構及操作界面，與右側當前裝配構件對應并突出顯示。展示進度可直觀顯示和控制，支持暫停、步進、回溯、拖拉進度條等操作，也可調節展示速度。

在展示過程中，對圖形窗口的操作與大部分三維建模軟件相似，可任意旋轉、放大及縮小視角，也可對任意構件聚焦、剖切、隔離、透明化等，方便多角度觀察裝配模擬過程，如圖6所示。另外還支持在視圖中直接進行尺寸測量，以便直觀地掌握施工信息。

圖6 模型操作示例

2.3 信息的讀取和反饋

經過處理進入可視化模塊中的所有數據，包括圖紙、文件、模型等，均通過預先設定的編碼規則智能關聯在一起。在查找到某個裝配件時，可檢索該裝配件的裝配關系、屬性、關聯圖紙和文件等信息，如圖7所示。

圖7 裝配件與屬性信息的關聯

這些信息以彈出頁面方式顯示，其中的圖紙和文件信息可直接在Web瀏覽器上查看。經預處理的圖紙和文件具備超鏈接功能，被點取后會跳轉至零部件內容頁面鏈接。圖紙和文件還具有定位功能，通過件號或裝配號檢索到圖紙和文件時，打開后會自動定位至該件號或裝配號所在頁碼并突出顯示，如圖8所示。

另外，圖形窗口可開啟總覽頁面，可匯總顯示裝配件、組立階段等的所有相關信息，便于生產車間人員隨時快速查看圖紙、模型、加工要求等，如圖9所示。

生產車間如對某處模型或圖紙有意見或疑問，可在圖形窗口直接進行標記注釋，標記支持云線、文字、引線等圖形及顏色變更。標記保存后會自動反饋至設計部門，以消息提醒的方式推送給相關設計人員，并可實時查看，如圖10所示。

圖8 裝配件在圖紙和文件中的定位顯示

圖9 信息總覽頁面

圖10 現場標記示例

3 結 論

大舾裝可視化虛擬裝配DAP的實現使生產車間可統籌規劃建造方案和場地布置。裝配展示技術將加速生產部門的技術革新進程，逐步提高預舾裝率及施工合理性，并使施工作業人員對舾裝件與分段裝配的安裝配合關系、安裝內容有更為直觀的認知和理解，有助于降低返工率，減少施工成本，最終提高生產效率。

二維圖紙和工藝文件通過預設的編碼規則與三維模型及裝配過程緊密連接在一起，形成一套完整準確的可視化輸出模式，使生產現場實現無紙化施工。

基于三維裝配展示并集成生產信息的可視化技術應用，打破設計與生產之間的信息壁壘，改變傳統的設計部門與生產部門之間的信息傳遞方式。生產需要的各類圖紙和文件不再是獨立的離散信息源，而是與三維模型進行動態集成，使生產車間可實時查看任意目標的裝配過程及其他所有生產相關信息，為智能化、數字化造船的進一步發展打下基礎。