基于PDM的艦船三維設計并行協同設計系統研究

李華

1.武漢理工大學 交通學院 武漢 430063;2.中國船舶重工集團公司 北京 100861

目前，國際上艦船設計技術正在出現革命性的變化，其中并行協同設計技術連同計算機輔助(CAX)系統與數據庫緊密結合起來的艦船設計過程將越來越充分地顯示其優越性。

基于PDM的艦船三維設計并行協同設計系統是以PDM系統作為支撐平臺[1-2]，在網絡環境下，應用并行協同設計技術和計算機輔助技術使不同專業的設計人員并行協同地完成同一產品的設計。

它改變了傳統的設計流程，使傳統的艦船設計研制階段之間的差別進一步模糊，用戶更多地參與設計過程以及早期審批設計；使許多傳統的分階段設計工作能夠平行地進行, 最大限度地提高艦船設計質量，大大縮短了艦船設計所需要的時間，提高了企業競爭力。

1 意義及目標

以三維設計為依托為不同專業的設計人員在進行三維設計時提供一個并行設計協同設計系統，能夠按照系統功能定義自頂向下分解設計任務，船體、電裝、舾裝設計人員可以在此環境下分別并行地進行分段或區域的設計。各專業設計人員在同一時間、同一設計空間中，在計算機網絡的不同界面上設計同一產品。該系統可以進行并發數據訪問的控制，滿足并行設計過程協作的要求。系統的目標為：

1) 提供一個信息共享的艦船三維設計并行協同設計平臺，整合三維設計工具(CADDS5)和可視化工具(Visualizer，ProductView)。盡早發現并消除艦船設計過程中各專業之間出現的沖突，提高艦船設計質量和協作效率。

2) 建立一個集中的電子設計數據管理庫，實現對三維設計數據的集中存儲和基于角色的數據訪問控制體系。加強電子數據的安全性，有效管理和控制艦船設計過程中產生的大量技術文件和數據，保證圖紙和模型數據的一致性、有效性。

3) 對艦船三維設計數據和相關文檔進行有效組織和存取，保證電子數據的版本有效性，維護產品數據之間的關聯關系，提高信息檢索效率。

4) 建立三維模型的電子化審簽工作流程管理機制，提高艦船設計流程的自動化與規范化，提高工作效率，有效管理設計簽審歷史記錄。

5) 為各級領導提供一個有效的可視化平臺，實時地并行監控艦船設計過程，及時、準確地了解艦船設計質量和進度，獲得實時產品數據和管理信息，盡早發現艦船設計過程中出現的問題。

2 體系架構及系統功能實現

艦船三維設計并行協同設計系統體系架構見圖1。

圖1 艦船三維設計并行協同設計系統體系架

2.1 并行協同

艦船設計是一個多專業、多系統、大規模的協同工作過程，周期長、過程復雜，因此三維設計過程中需要各個專業進行頻繁的設計協調，進行設計的空間干涉檢查、可裝配性分析等。通過三維設計工具(CADDS5)和可視化工具(Visualizer，ProductView)的整合，并將可視化工具集成到Optegra系統中，設計人員能夠隨意利用可視化工具查看部件/裝配，進行參考或干涉檢查，因而能夠及時發現設計過程中可能出現的沖突，提高設計質量和協作效率。而且，當設計人員對設計內容進行更新時，相關的其他專業設計人員能夠自動獲得通知，并能夠及時獲得最新版本的設計數據進行新的協調，保證設計的正確性以及在建造過程中一次成功。

設計人員能夠根據管理指令快速、及時地獲得正確的信息，作為完成其工作任務的依據，并把設計結果提交給系統，為后續流程的參與人員及時提供共享信息。

2.1.1 數據存儲管理

在并行協同設計系統Optegra中主要涉及CAMU 產品結構 (裝配)和CADDS5 3D 模型(部件)兩種數據類型。

在Optegra系統中，邏輯上是采用項目來組織數據的，部件/裝配都存儲在項目中。項目只有一個級別，名稱必須唯一。

由于艦船分型號和階段進行設計，設計過程則按照專業進行組織，可將某個艦船型號某個階段的某個專業映射為Optegra中的一個項目，該專業設計者設計的部件/裝配都存儲在該項目中。此外，根據需要創建一個公共項目，用以存放標準部件、通用部件，所有專業的設計人員都可以瀏覽和查看公共項目中的模型。

Optegra中的項目可按艦船型號+階段代碼+專業代碼的規則命名。

物理上部件/裝配的名稱、編號、屬性、版本等信息是存儲在Oracle數據庫中的，部件/裝配本身則存儲在存儲池中。當部件/裝配被檢入Optegra Vault時，系統會根據各存儲池的空間資源情況，自動地做一平衡選擇，將部件/裝配存入適當的存儲池中，終端用戶不需要關心后臺部件/裝配是如何在存儲池中存儲的。

2.1.2 訪問控制

訪問控制主要是通過一系列的定義來控制某個用戶對某個部件/裝配的讀寫權限，即確定一個特定的用戶在一個特定的項目內是否能夠訪問處于某個特定狀態的某個特定對象。為了保證某個用戶能訪問某個部件/裝配，必須同時滿足以下三個條件：用戶必須屬于部件/裝配所在項目；用戶的命令列表中必須包含相應的讀、寫命令；用戶的讀、寫權限代碼必須大于部件/裝配在當前狀態下的權限代碼。

通過對訪問控制機制的制定，Optegra系統本身可以提供一定的安全保護機制。主要依靠操作系統的權限和口令、Optegra系統的口令、用戶在Optegra系統中的權限角色以及歷史數據庫的訪問權限機制，來層層控制對數據的訪問。

2.1.3 狀態控制

Optegra系統為存儲在項目中的每個部件/裝配都會設置一個狀態，針對產品設計的情況，在每個項目中可預先定義三個狀態：設計中、已發布、已發放。

部件/裝配在Optegra系統中的狀態從設計中狀態升級到已發布狀態時，通過觸發器機制作用。部件/裝配將被發布到Windchill系統中形成相應對象，然后在Windchill中對相應對象執行審簽流程。當相應對象在Windchill中執行完審簽流程并達到已發布狀態后，系統自動將部件/裝配的狀態從已發布狀態升級到已發放狀態，從而保證Optegra系統中的部件/裝配和Windchill系統中的相應對象最終狀態的一致性。

2.1.4 版本管理

部件/裝配的版本演化模型如下：每個部件/裝配的版本是由大版本和小版本組成的，對于CADDS5格式的數據對象，Optegra僅支持數字格式的大版本。當部件/裝配第一次存儲到Optegra Vault時，將生成該對象的初始版本。初始大版本取決于用戶在存儲界面中輸入的版本號，如果用戶不輸入，則初始大版本缺省為1。后續大版本將以初始大版本為基數，逐漸向上遞增。部件/裝配在Optegra中的狀態尚未達到已發放狀態，只記錄小版本的歷史。小版本的變化過程是通過修改者把部件/裝配從Optegra Vault檢出到本地，修改完成后再檢入到Optegra Vault實現的。小版本的變化過程為1.1→1.2→1.3→1.4 。當部件/裝配在Optegra中的狀態達到已發放狀態后，對修改者把部件/裝配從Optegra Vault檢出到本地，修改完成后再檢入到Optegra Vault時，將實現大版本之間的變化，例如從1.1版變成2.1版。一個完整的部件/裝配版本演變過程為1.1→1.2→1.3||2.1→2.2→2.3||3.1→3.2→3.3。版本的變化不會造成部件/裝配存儲在數據庫中的編號改變。

2.2 并行監控

通過Optegra與圖形服務器的集成，可實現對設計過程的實時、并行監控。圖形服務器專門用來存儲Optegra Vault中部件/裝配的可視化圖，采用了B/S 結構。需要查看可視化圖的用戶，只需通過IE瀏覽器即可訪問圖形服務器，并借助可視化工具(Visualizer或ProductView)查看轉換后的部件/裝配對象。每當設計人員將設計結果檢入Optegra Vault，則激活一觸發器，實時地將部件轉換成可視化工具(Visualizer或ProductView)可識別的格式，并將轉換結果存儲在圖形服務器上；并且當裝配中的某個組件發生變化，并重新發布到圖形服務器后，該裝配的可視化圖將自動更新。在圖形服務器中保存的是每個大版本下的最新小版本。

各級領導在桌面上通過IE瀏覽器就可以實時地并行監控設計過程，及時、準確地了解艦船設計質量和進度，獲得實時艦船設計數據和管理信息，從而能盡早發現艦船設計過程中出現的問題。

2.3 與項目管理系統——Windchill的集成

Windchill系統是通過生命周期與工作流程的緊密集成有效地展開項目工作的。項目的生命周期可以劃分為若干個階段，例如：編制、審簽、發放等。

通過Optegra Vault與Windchill緊密地集成，建立Optegra與Windchill中的對象、存儲組織、版本等嚴格的映射關系來保證艦船設計過程中協作數據的有效性、一致性。設計完成的三維模型和裝配通過Optegra Gateway發布數據到Windchill中，生成部件和產品結構，根據部件編碼，將該部件作為交付物關聯到項目計劃工作項中，納入到Windchill的相應項目中進行管理。發布過程中系統后臺會通過定制的監聽機制檢查該部件是否按照計劃節點中規定的命名方式進行命名和編碼，如果不是則拒絕發往Windchill并提供相應錯誤日志文件；如果命名符合規定，則依據名稱和編號自動將此部件同計劃節點相關聯，并將計劃節點中指定的審簽流程賦予該部件作為其審簽流程。

部件采用電子審簽流程，可以大大提高工作效率和可控性，能夠從宏觀上掌控部件工作流程審簽的平均時間以及審簽過程中的時間瓶頸(從流程歷史記錄中可以查看流程在審簽過程中任何一個環節的停留時間，從而掌握流程審簽的時間瓶頸)?？梢猿浞掷庙椖抗芾硖峁┑倪@種功能，建立三維模型的電子化審簽工作流程管理機制，提高設計流程的自動化與規范化，提高工作效率，有效管理設計審簽歷史記錄。

3 結束語

當前，艦船設計企業所面臨的客觀環境和條件與過去相比有很大的不同，現有的設計手段和管理流程面對很多困難，將基于PDM的艦船三維設計并行協同設計系統應用于艦船設計領域，無疑將會極大地提高艦船企業的總體效益和整體管理水平。這不僅對我國龐大的船舶行業及各種制造行業有積極的影響，尤其是對于加速我國制造行業信息化的發展進程、提高產品開發與技術管理能力具有重要的意義。

[1] 李 明，孫東生，陳慈慧，龔英弢. 船舶并行協同設計管理研究[J]. 船舶工程，2005(6):114.

[2] 李俊華，朱英富，應文燁，王宇澄.產品數據管理在造船企業中的作用及實施方法探討[J]. 船海工程，2003(1):39.