船舶并行協同設計平臺功能構建及實現

蘇紹娟，劉寅東，宋慶闖，劉曉明

(1．大連海事大學交通運輸裝備與海洋工程學院，大連 116026;2．中國船舶工業集團公司第七○八研究所，上海 200011)

船舶并行協同設計平臺功能構建及實現

蘇紹娟1，劉寅東1，宋慶闖1，劉曉明2

(1．大連海事大學交通運輸裝備與海洋工程學院，大連 116026;2．中國船舶工業集團公司第七○八研究所，上海 200011)

隨著數字化、網絡化和三維化技術的發展，傳統的串行設計方式已無法滿足現代船舶的要求。在網絡環境中實現船舶并行協同設計方式已成為必然的選擇。采用在windchill平臺上利用java等開發技術對船舶并行協同設計的關鍵技術進行研究。搭建集成平臺功能體系結構，實現遠程處理機制，建立異構模型，進行組織結構管理、項目計劃制定、執行監督管理以及文檔管理。研究的主要目的是實現船舶設計的并發性、一致性和響應性，使船舶設計模式的功效得以最大化。

協同設計;異構模型;項目管理;文檔管理

0 引言

船舶并行協同設計成為21世紀公認的船舶設計方式，并行協同設計管理平臺實現以數字化設計技術為核心，通過多專業設計協作，利用可視化工具實現在網絡環境下對設計過程的實時監控的協作設計過程，從根本上改變船舶設計方式，可顯著提高設計質量和效率。主要表現為可實現船舶設計項目組織結構管理，項目計劃制定及執行監督管理，設計文檔存儲管理、文檔的版本管理，基于船舶設計生命周期的設計圖紙、文件審簽流程管理，并行設計系統中異構模型、信息共享技術管理等功能［1］。

目前，作為并行協同設計的軟件很多，但是對船舶設計的針對性不強。本文對在國內外企業得到廣泛應用的PDM軟件Windchill進行二次開發并與其他功能軟件集成，完成船舶并行協同設計平臺構建及功能實現［2］。

1 并行協同設計平臺功能體系結構

基于PDM的船舶協同設計管理系統主要包括以下體系結構：建立一個基于網絡的船舶協同設計組織結構;進行設計計劃的下達、執行跟蹤;實現電子設計文件集中管理并保證其受控(版本、訪問權限控制)和數據的有效性、一致性;通過三維設計工具、可視化工具以及有效的并發控制機制等手段，改善船舶總體、各專業之間的設計協調效率，保證設計過程中的協調性，減少設計返工;實現基于網絡的設計文件電子簽審流程，提高設計流程的效率與規范化;有效管理產品設計過程中產生的大量的技術文件和數據，保證設計數據的有效性、一致性，對產品數據和相關文檔進行有效組織和存取、版本控制以及維護產品數據之間的關聯關系，提高信息檢索效率。主要功能結構如圖1所示［3］。

圖1 并行協同設計功能體系結構Fig.1 Parallel collaborative design system structure

2 并行協同設計功能及實現

2.1 Web服務及遠程處理機制

基于Web服務及遠程處理機制的船舶并行協同設計系統主要是通過設置用戶權限來實現的。

隨著計算機由各自獨立的工作方式向互聯協作形式發展，基于異地的船舶并行協同設計成為未來船舶設計的發展趨勢，不同區域和部門的船舶設計企業用戶通過登錄模塊進入船舶并行協同設計系統。在進入系統時進行權限分層驗證。登錄模塊要求用戶輸入合法的用戶名和相應的密碼，同時根據用戶不同權限等級授予用戶不同的訪問權限，并防止非法用戶的登錄和入侵，保證PDM系統數據安全。

對于登錄界面，只有設計企業內部成員被授予了權限，才能通過登錄界面進入船舶設計技術研究所所內業務網頁，如圖2所示。

圖2 系統登陸界面Fig．2 System login interface

具有所內權限的工作人員再通過權限登錄到相應的專業工作科室。如某設計人員屬于民船部，則他只能登錄民船部，而不能登錄到軍船部或其他部門，這樣保證了各部門信息的獨立性。同樣，在每個部門的每個科室又設置了各自相應的權限。如點擊民船部的總體設計室，又將出現相應權限的登錄界面。這樣一層層遞歸保證了相應用戶權限的安全性，達到船舶設計的保密性。

2.2 人員組織結構管理

建立船舶并行協同設計項目第一步就是有效的人員結構管理。項目人員組織結構打破原來按照職能劃分的方式，建立矩陣型組織或單純的項目型組織，從各個專業職能部門中抽取不同專業的人才組建項目組，具有交叉職能的特性。在PDM系統中，通過組織管理模塊由項目負責人組建項目團隊。

本文研究以一個中等規模的設計單位(船舶設計技術研究所)完成指定的船舶設計活動為依托背景。如圖3所示，它由總體設計室、輪機設計室、電氣設計室等各專業設計科室組成，而每個科室又由若干設計組組成，如船體設計室由總體組、結構組和舾裝組組成。每個設計組由若干設計人員組成。就某個設計項目而言，可由一名總設計師負責，下設副總設計師，再下設若干專業設計組，每組設組長、副組長及組員若干。同時根據設計文檔的性質為每個成員設置不同的角色。PDM系統是按照用戶——角色——權限模式保證設計文檔安全有序地進行，具體見2.5.3。

圖3 組織結構(室－組)Fig.3 Organizational structure(room-group)

2.3 并行設計系統中異構模型、信息共享技術

船舶設計會產生各種各樣的文檔形式，需要相應格式的應用軟件。如計算書、論證報告、說明書等需要 office軟件，船舶設計計劃制定需要 MS Project軟件，2D以及3D圖紙需要使用專業或通用的CAD軟件工具，如船舶總體設計使用的Tribon M3和AutoCAD等具有一定的代表性。船舶并行協同設計平臺應具有與主流船舶CAD工具進行針對性集成的功能，使通過各種CAD軟件設計的船舶產品數據在協同設計管理平臺中可集中進行管理。通過將Windchill與相關專業應用軟件進行集成，實現對office，Solidworks，CADDS5，Tribon，AutoCAD，MS Project及可視化工具等異構平臺模型和信息的共享。本文以集成三維設計工具Solidworks為例進行開發［4－5］。Windchill與 office 和 AutoCAD 的集成過程與三維集成類似又相對簡單，這里不進行單獨的論述。Windchill與MS Project的集成系統在2.4節中詳細闡述。

通過Windchill中間件Workgroup Manager整合三維設計工具實現船舶設計產品模型結構管理。把三維模型的設計工作納入到項目中進行管理，并建立三維模型的電子化審簽工作流程管理機制，使設計完成的三維模型發布數據到Windchill中，通過整合可視化工具Productview自動將三維模型的可視化結果關聯到產品目錄中，進行基于Windchill的三維模型設計流程的客戶化定制。

以Solidworks和Windchill構建逆向工程的異地協同設計平臺為例進行研究，其他三維軟件進行類似的開發設計。

Windchill PDMLink提供了Workgroup Manager for SolidWorks中間件，通過此中間件工程師能在SolidWorks工作環境直接與Windchill系統進行交換。SolidWorks通過與安裝在SolidWorks端的Windchill PDMLink插件進行交換，而Windchill PDMLink插件將通過RMI(Remote Method Invocation，遠程方法調用)協議與Windchill PDMLink服務器交互。在構建集成平臺的過程中，依據船舶設計的特點對Windchill開箱即用的功能進行了一些定制開發，使其易用性得到了增強。

通過Workgroup Manager for SolidWorks中間件的安裝及配置，在SolidWorks菜單欄會增加windchill菜單條，如圖4所示。

圖4 Solidworks與Windchill集成界面Fig.4 Integrated interface about Solidworks and Windchill

2.4 項目計劃制定及執行監督管理

研究基于PDM平臺的項目管理過程控制，將流程建模與控制項目進度有機結合起來。這樣，可以從項目管理的角度分析船舶設計流程建模的合理性，同時使用流程模型指導項目管理的過程控制［6］。

2.4.1 項目計劃的制定

Windchill ProjectLink為擴展產品開發團隊中的所有成員提供了綜合項目協作和項目管理環境。但是在計劃制定這方面，欠缺了在前期計劃制定的優化功能，而MS-Project是一款專業成熟計劃制定軟件，可有效實現計劃的優化。與此同時，Windchill ProjectLink也提供了項目計劃運作和團隊協作功能，可以對Microsoft Project的計劃編制起到補充作用。

Windchill ProjectLink與Microsoft Project是雙向集成，在Windchill管理的項目協作任務的基礎上，能讓用戶加載Microsoft Project的項目計劃，安排初始的項目計劃，并自動根據項目目前的進展情況重新生成 Microsoft Project計劃［7］。

在制定計劃的時候，只需在MS-Project中設置任務的工期與任務的前驅與后驅，不需要設定任務的開始與結束的時間。這樣可以利用Project自動生成關鍵路徑。關于最終的實行時間，在計劃優化完成之后，直接賦予任務的開始時間，就可以自動生成任務各個環節的工作具體時間。

計劃在執行過程中，許多任務是可以并行執行的，但是在有限的資源下，當關鍵任務與非關鍵任務可以并行執行時，要優先將資源分給關鍵任務，因為此時應遵守的原則是：向關鍵路徑要時間，向非關鍵路徑要資源。比如在計劃中，可以看到“總布置圖——校對”與“型線圖——標檢”都是需要資源“總體組員B”來完成。通過甘特圖可以看到，“總布置圖——校對”是位于關鍵路徑上的任務，因此總體組員B應該優先完成“總布置圖——校對”這項任務，因為只有縮短了位于關鍵路徑上的任務時間，才能有效地縮短項目工期，達成按時完成計劃的目的。

圖5 計劃圖示例Fig.5 Plan diagram

2.4.2 項目計劃的執行

項目計劃的執行，是通過工作流來實現的。工作流制定過程如下：

船舶設計建造過程中的文檔需要經歷設計、校對、審核、標檢、審定5個階段才能歸檔［8］，工作流的名稱為船舶文檔審簽流程。

其中人員的分配與確定，是在計劃制定時已確定好的，根據計劃來分配相關的執行人員，這樣才能保證計劃的嚴肅性和任務的統一性。在計劃制定好后，可以通過計劃列表，查看到在整個項目中分配給自己具體任務的匯總，在個人的工作列表中，可以查看到當前急需完成的工作任務。如在船舶液貨船形變模擬裝置中的“總布置圖”這個任務，設計者—總體組員A、校對者—總體組員B、審核者—總體組員C、標檢者—總體組員D、審定者—總體組員E，遵循計劃表惟一性的原則，建立總布置圖的審簽小組。

圖6 船舶文檔審簽流程Fig.6 Document workflow

2.4.3 項目的跟蹤與控制

在項目執行過程中，項目負責人可實時更新自己的工作進度，之后實現信息共享。利用Windchill Projectlink將本地的工作內容實時上傳，方便有需要的相關人員進行查詢或者審計工作。在項目的實施過程中，可通過Windchill Projectlink中的時間軸或將Windchill-Projectlink中的計劃導出至MS-Project中，利用甘特圖實時監測項目的完成進度。

圖7 在MS-Project中查看進度Fig.7 View progress in MS-Project

2.5 文檔管理

船舶設計過程中會產生大量的文檔，必須保證設計文檔動態有效準確地管理，便于文檔的有效實施和日后的查詢工作。主要包括確定設計文檔的存儲和訪問安全性控制，版本管理等方面［9］。

2.5.1 文檔存儲管理

船舶設計文檔眾多而且類型復雜。需要對文檔結構進行有效的組織管理。本文在Windchill系統中，通過以下數據存儲方案存儲船舶設計文檔：

1)建立文件柜。按照年份建立文件柜，方便文檔統一管理，如圖8中建立了2011、2010和2009年的文檔資料。

2)建立一級子目錄。按照研發的項目劃分一級子目錄，在船舶設計企業以每艘船舶的設計為一級子目錄，如船舶液貨艙形變模擬裝置。

3)建立二級子目錄。按照船體設計文件、輪機設計文件、電氣設計文件等來劃分二級子目錄。

4)建立三級子目錄。按照總體、結構、舾裝、3D圖紙等科室來劃分。

設計文檔的存儲結構如圖8所示。

圖8 設計文檔的存儲結構Fig.8 Design document storage structure

2.5.2 設計文檔版本管理

船舶設計過程中產生大量的技術文件和數據，設計人員相互之間進行協同工作的必要條件是保證協作數據的有效性、一致性，所以制訂一套完善的文檔版本管理體系是很重要的。

對于處于審核狀態以下的文檔，在修改過程中版本信息從A．1變成A．2，A．3等。對已經達到審定狀態的文檔進行修改，除版本信息由原來的A變成了B外，其他描述屬性和所附文件都一樣，可以重新更換所附文件，完成了該文檔修改的工作。這樣修改完成的文檔對象還需要執行審核審批流程，文檔版本的變化如圖9所示。

圖9 文檔的版本變化示意圖Fig.9 Version changes

2.5.3 設計文檔的權限管理

設計文檔的權限管理分為靜態管理和動態管理。船舶文檔大致有3種：私有文檔、共享文檔和歸檔文檔，如圖8所示。私有數據指PDM系統中用戶個人(設計人員)工作區中的文檔，是用戶個人私有數據;這個時候通常只有設計人員對該文檔有讀取、修改權限，而其他人員沒有訪問權限。共享文檔指在PDM共享數據倉庫中的文檔數據，這些數據或者是處于審簽流程中的數據，或者是需要在一定范圍內共享非正式數據。該階段的文檔數據的權限管理屬于動態的權限管理，如圖10所示。歸檔數據指在PDM歸檔數據倉庫中的數據，屬于正式發放的數據文檔，通常這個時候項目負責人具有瀏覽、查詢、下載、打印、復制等權限，而該項目其他參與人員有瀏覽的權限［10］。

圖10 文檔生命周期中權限的動態管理Fig．10 Rignt dynamic management in document life cycle

3 結語

并行協同設計是目前計算機和設計領域的研究熱點，現代的船舶設計不僅僅是一個設計計算、圖形處理的過程，而逐步發展成為一個基于網絡技術，支持異地和異構的跨領域、多學科的并行協作的設計過程，該過程能達到提高設計效率縮短設計周期的目的。本文針對船舶并行協同設計的若干關鍵技術進行研究，在協同設計集成平臺上實現船舶設計的組織結構管理、文檔管理及設計項目計劃制定與執行監督控制管理等技術。但是船舶設計過程本身很復雜，從實用性角度考慮本文提到的這些功能方面的研究還有待于進一步完善。

［1］劉寅東，蘇紹娟．船舶并行協同設計環境及關鍵技術［J］．大連海事大學學報，2011，37(1)：25－31．

［2］PTC Corporation．Windchill Customizer's 6.0［EB/OL］．http：∥www．ptc．com．

［3］SU Shao-juan，LIU Yin-dong．Research on management of ship concurrent collaborative design based on PDM［A］．International Conference on Computer Science and Software Engineering，2008，19 －22．

［4］蘇紹娟，劉寅東，劉曉明．基于集成平臺的船舶三維協同設計流程研究［J］．武漢理工大學學報(交通科學與工程版)，2011，35(2)：353－356．

［5］SU Shao-juan，LIU Yin-dong，LIU Xiao-ming．Ship 3D collaboratedesign integration system research［A］．International Conference on Computational Intelligence and Security，2010 ．601 －605．

［6］李紅梅，俞瑞堃．船舶項目設計計劃管理研究［J］．船舶工程，2010，32(s1)：82－84．

［7］丁建迅．基于MS project的項目管理軟件客戶化定制及運用［D］．濟南：山東大學，2006．

［8］袁華，趙耀，嚴俊基．基于工作流技術的船舶產品設計過程管理系統［J］．船海工程，2001，(S2)：122－126．

［9］宋晶晶．基于 PDM的船舶并行協同設計研究［D］．大連：大連海事大學，2008．

［10］沈磊，張媛，蔣平．基于RBAC的權限管理在Web中的設計與實現［J］．計算機時代，2010，(10)：49－51．

Construction and implement of function about ship concurrent collaborative design platform

SU Shao-juan1，LIU Yin-dong1，SONG Qing-chuang1，LIU Xiao-ming2
(1．Transportation Equipments and Ocean Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2．The 708 Research Institute of CSSC，Shanghai 200011，China)

The traditional serial design approach has been unable to meet the requirements of modern ship design with the development of digital，networked and three-dimension technologies．Achievement concurrent collaborative design in network environment has become an inevitable choice．Key technologies about ship concurrent collaboration design were researched through applying development technologies such as java in windchill platform．These key technologies include function construction to build the integrated platform，the establishment of heterogeneous model，remote handling mechanism，organization structure，project planning management and supervision，document management．The main purpose of the study is to achieve concurrency，consistency and responsiveness of ship design so that the effectiveness of design to maximize．

ship concurrent collaboration design;heterogeneous model;project management;document management

U662.9

A

1672－7649(2012)07－0126－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.029

2011－10－26;

2012－04－23

遼寧省科學技術計劃重點項目資助(2009216009);中央高校基本科研業務專項基金項目資助(2011QN092)

蘇紹娟(1979－)，女，博士，講師，主要研究方向為船舶數字化設計及制造。