基于3DEXP的管系L2P關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)

李 吉，朱明華，楊義干，唐 能

（江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，上海 201913）

0 引 言

目前國(guó)內(nèi)船舶管系的詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)是分離的，船舶設(shè)計(jì)單位一般采用AUTO CAD等軟件設(shè)繪詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的原理圖，船舶建造單位一般采用Tribon等設(shè)計(jì)軟件建立生產(chǎn)設(shè)計(jì)三維模型。設(shè)計(jì)軟件的分離、獨(dú)立造成原理圖與三維模型之間無(wú)法創(chuàng)建有效的關(guān)聯(lián)關(guān)系。這種狀態(tài)造成以下問(wèn)題：

1) 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一。設(shè)計(jì)信息來(lái)自原理圖和三維模型這2個(gè)相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)源，由于沒(méi)有統(tǒng)一的基礎(chǔ)庫(kù)，2個(gè)數(shù)據(jù)源對(duì)同一對(duì)象的描述難以保持一致。

2) 人工信息轉(zhuǎn)換效率低。生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員在建立管路三維模型時(shí)需人工獲取原理圖中零件的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、材質(zhì)和規(guī)格等信息，需人工從三維部件庫(kù)中搜尋與這些信息匹配的對(duì)象進(jìn)行布置。整個(gè)過(guò)程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，尤其是對(duì)于大型船舶而言，其零件量高達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)，且種類繁多、規(guī)格各異，人工進(jìn)行信息識(shí)別轉(zhuǎn)化的效率較低且易出錯(cuò)。

3) 三維模型與原理圖校對(duì)困難。管路建模完成之后，生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員需校對(duì)三維模型與原理圖的一致性，確保三維模型中的零件選用與原理圖一致、管路三維模型的管路原理（流質(zhì)流向、主支管分流等）與原理圖一致。生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員打開(kāi)模型逐個(gè)零件、逐條管路校對(duì)，過(guò)程繁瑣，效率低下。

4) 設(shè)計(jì)更改難一致，變更不能追溯。由于設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)不一致，在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要以文件的形式傳遞更改信息，易出現(xiàn)更改不及時(shí)、漏更改等問(wèn)題，且更改過(guò)程不能被追溯。

三維體驗(yàn)平臺(tái)（3D Experience Platform, 3DEXP）為上述問(wèn)題提供了解決方案。3DEXP采用系統(tǒng)工程的模式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在功能上同時(shí)支持原理圖設(shè)繪和管路三維建模，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)統(tǒng)一。基于3DEXP可創(chuàng)建邏輯對(duì)象（系統(tǒng)原理圖）與三維對(duì)象（管路三維模型）之間的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)管路零件自動(dòng)篩選匹配和二維、三維智能校對(duì)。由驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維建模，使詳細(xì)設(shè)計(jì)信息與生產(chǎn)設(shè)計(jì)信息集成，形成單一數(shù)據(jù)源，保證設(shè)計(jì)更改的一致性和可追溯性。同時(shí)，軟件通過(guò)樹(shù)結(jié)構(gòu)管理原理圖和三維模型，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。

1 L2P設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

1.1 設(shè)計(jì)流程

基于3DEXP進(jìn)行管路邏輯到物理（Logical to Physical, L2P）關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的流程見(jiàn)圖1：首先完成L2P設(shè)計(jì)準(zhǔn)備，包括創(chuàng)建基礎(chǔ)庫(kù)（邏輯部件庫(kù)和三維部件庫(kù)）、配置工程資源和創(chuàng)建L2P樹(shù)結(jié)構(gòu)；然后繪制管路原理圖，完成管路原理布置、管路信息定義和管路原理檢查；接著運(yùn)用L2P功能布置設(shè)備模型、設(shè)計(jì)管路走向和布置閥件及管路附件；最后應(yīng)用智能檢查工具檢查三維模型與原理圖的一致性。

圖1 基于3DEXP進(jìn)行管路L2P關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的流程

1.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

1.2.1 部件建庫(kù)

管路系統(tǒng)由設(shè)備、管材、閥件和管路附件等零部件組成，在進(jìn)行管路L2P設(shè)計(jì)之前，需創(chuàng)建邏輯部件庫(kù)和三維部件庫(kù)。邏輯部件庫(kù)是指用 3DEXP中的邏輯對(duì)象表示設(shè)備、管路部件等；三維部件庫(kù)是指用3DEXP中的三維對(duì)象表示設(shè)備、管路部件等。

1.2.1.1 邏輯部件庫(kù)

邏輯部件庫(kù)包含邏輯設(shè)備庫(kù)、邏輯管材庫(kù)、邏輯閥件庫(kù)、邏輯儀表庫(kù)和邏輯管附件庫(kù)。邏輯對(duì)象按零部件實(shí)現(xiàn)的功能創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)同一功能的零部件創(chuàng)建一個(gè)邏輯對(duì)象。邏輯部件庫(kù)中的邏輯對(duì)象與實(shí)物對(duì)象是一對(duì)多的關(guān)系，一個(gè)邏輯對(duì)象代表一類部件。例如，一個(gè)邏輯止回閥代表所有標(biāo)準(zhǔn)、所有規(guī)格具有防止管路中介質(zhì)倒流功能的閥件。邏輯對(duì)象由圖形符號(hào)、連接點(diǎn)和對(duì)象屬性組成，其中：圖形符號(hào)采用船舶行業(yè)原理圖通用符號(hào)；連接點(diǎn)定義邏輯對(duì)象與管路的連接信息，如流質(zhì)的流向等；對(duì)象屬性定義對(duì)象的類型、流質(zhì)等信息。邏輯部件庫(kù)和邏輯部件見(jiàn)圖2。

圖2 邏輯部件庫(kù)和邏輯部件

1.2.1.2 三維部件庫(kù)

三維部件庫(kù)包含三維設(shè)備庫(kù)、三維管材庫(kù)、三維閥件庫(kù)、三維管附件庫(kù)和三維儀表庫(kù)。三維對(duì)象按零部件實(shí)物創(chuàng)建，一個(gè)實(shí)物對(duì)應(yīng)一個(gè)三維模型。三維部件庫(kù)中的三維對(duì)象與實(shí)物對(duì)象是一對(duì)一的關(guān)系，一個(gè)三維對(duì)象對(duì)應(yīng)一個(gè)實(shí)物對(duì)象。例如，一個(gè)三維止回閥表示一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GBT 588、通徑為DN65、材質(zhì)為青銅的止回閥。三維管路零部件不僅具有幾何模型信息，而且包含管路屬性信息，如公稱通徑、壓力級(jí)別和流入流出等信息[2]。在3DEXP平臺(tái)上，三維對(duì)象由三維幾何體、連接點(diǎn)和對(duì)象屬性組成，其中：三維幾何體描述實(shí)物對(duì)象的幾何外形；連接點(diǎn)定義三維對(duì)象與管路連接信息，如連接方式是焊接還是墊片密封、連接方向；對(duì)象屬性定義三維對(duì)象的類型、子類型、標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、通徑、材質(zhì)和規(guī)格型號(hào)等。三維部件庫(kù)和三維部件見(jiàn)圖3。

圖3 三維部件庫(kù)和三維部件

1.2.2 工程資源配置工程資源配置（見(jiàn)圖4）是指將設(shè)計(jì)需用到的資源組合到一起，便于設(shè)計(jì)人員調(diào)用。設(shè)計(jì)資源包括：

圖4 工程資源配置

1) 各類模型的組成元素，如邏輯部件庫(kù)、三維部件庫(kù)；

2) 設(shè)計(jì)過(guò)程中需使用的各種設(shè)計(jì)規(guī)則，如零部件件號(hào)自動(dòng)命名規(guī)格、管子斷管規(guī)則和最小直管段長(zhǎng)度設(shè)定等；

3) 二次開(kāi)發(fā)工具、三維模型與原理圖一致性檢查工具等；

4) 設(shè)計(jì)過(guò)程中需應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，如二維圖紙大小、原理圖圖框和字體標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)等。

資源集就是將各類資源組織在一起，實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)功能。例如三維設(shè)計(jì)資源集，將三維建模需使用的部件和設(shè)計(jì)規(guī)則等組織在一起。資源組合成資源集之后，通過(guò)3DEXP 中的DATASETUP功能將資源集與設(shè)計(jì)工程綁定，使設(shè)計(jì)員在該工程下設(shè)計(jì)時(shí)能方便地調(diào)用指定的資源。在進(jìn)行L2P關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)，需在工程項(xiàng)下配置以下3種資源集：

1) 管系三維建模資源集，管系三維建模需使用的設(shè)計(jì)資源，如三維部件庫(kù)、三維管材庫(kù)、管路三維走向規(guī)則和零部件批量布置規(guī)則等；

2) 管系原理圖資源集，說(shuō)明管系設(shè)計(jì)需使用的設(shè)計(jì)資源，如邏輯部件庫(kù)和邏輯部件添加規(guī)則；3) 原理圖資源集，組織原理圖的圖框資源，如紙張大小和圖框版式等。

1.2.3 結(jié)構(gòu)樹(shù)搭建

結(jié)構(gòu)樹(shù)是在3DEXP環(huán)境中使用樹(shù)結(jié)構(gòu)的形式將工程數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化形式組織起來(lái)的表達(dá)方式。3DEXP使用RFLP（Request，F(xiàn)unction，Logical，Physical）的樹(shù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原理圖與三維模型的關(guān)聯(lián)。在L（Logical）節(jié)點(diǎn)下構(gòu)建原理圖結(jié)構(gòu)樹(shù)；在 P（Physical）節(jié)點(diǎn)下構(gòu)建三維模型結(jié)構(gòu)樹(shù)。一個(gè)原理圖對(duì)應(yīng)一個(gè)邏輯總節(jié)點(diǎn)，一個(gè)管路系統(tǒng)的三維模型對(duì)應(yīng)一個(gè)物理總節(jié)點(diǎn)，使用“Implement Relation”進(jìn)行關(guān)聯(lián)。總節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)完成之后，原理圖設(shè)計(jì)人員在邏輯總節(jié)點(diǎn)下添加邏輯對(duì)象，創(chuàng)建管路原理圖；生產(chǎn)設(shè)計(jì)人員在物理總節(jié)點(diǎn)下采用L2P的方法放置三維模型，創(chuàng)建該系統(tǒng)的三維模型。圖5為RFLP結(jié)構(gòu)樹(shù)。

2 原理圖設(shè)計(jì)

2.1 邏輯管路走向

管路原理設(shè)計(jì)主要完成管路系統(tǒng)走向的設(shè)計(jì)，根據(jù)管路系統(tǒng)的功能需求確定該系統(tǒng)需使用的設(shè)備（設(shè)備類型、設(shè)備規(guī)格等）、流質(zhì)在管路中的流向和實(shí)現(xiàn)管路功能需使用的閥件等要素。設(shè)計(jì)人員首先從邏輯設(shè)備庫(kù)中調(diào)用邏輯設(shè)備進(jìn)行布置，然后使用邏輯管線對(duì)設(shè)備進(jìn)行連接，接著在管路上布置閥件和儀表，最后調(diào)整各邏輯部件在圖面上的位置，并在圖面上添加必要的文字說(shuō)明，初步完成管路系統(tǒng)走向圖見(jiàn)圖6。

圖6 管系原理圖

2.2 邏輯對(duì)象信息定義

管路系統(tǒng)走向設(shè)計(jì)完成之后，需確定各邏輯對(duì)象具體的參數(shù)信息和邏輯部件與三維部件的關(guān)系。

2.2.1 邏輯設(shè)備

邏輯設(shè)備需定義設(shè)備的功率、規(guī)格、型號(hào)、廠商和連接管路端口的通徑信息等，以及流質(zhì)的流向信息。為使程序能在L2P過(guò)程中自動(dòng)將設(shè)備的三維模型布置到正確的空間位置，還必須指定邏輯設(shè)備對(duì)應(yīng)的三維設(shè)備的模型名稱和設(shè)備在船上的空間位置。

2.2.2 邏輯管線

邏輯管線需定義管材的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、材質(zhì)、通徑和規(guī)格，并指定對(duì)應(yīng)三維管材的資源集，以便程序在資源集中通過(guò)指定的信息找到三維管材。

2.2.3 邏輯閥件和邏輯管附件

邏輯閥件和邏輯管附件需定義部件的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)、材質(zhì)、型號(hào)和規(guī)格，并指定零部件對(duì)應(yīng)的三維模型的資源集，以便程序在指定的資源集中通過(guò)部件類型和通徑條件篩選出合適的部件，當(dāng)滿足條件的部件的數(shù)量大于1個(gè)時(shí)，由詳細(xì)設(shè)計(jì)人員具體指定使用哪個(gè)部件。圖7為邏輯閥件的屬性。

圖7 邏輯閥件的屬性

2.3 原理圖檢查

原理圖是邏輯部件相互關(guān)聯(lián)的一個(gè)整體，根據(jù)邏輯部件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可進(jìn)行原理圖檢查。原理圖檢查主要檢查以下3方面的內(nèi)容：

1) 原理圖的連通性。程序根據(jù)邏輯對(duì)象之間的連接關(guān)系判斷整個(gè)管路是否完整連通。

2) 流向檢查。程序根據(jù)邏輯部件上定義的流質(zhì)的流向判讀邏輯部件的方向是否正確。

3) 邏輯部件匹配性檢查。程序根據(jù)邏輯部件的通徑值判斷其是否與管路的管材匹配。運(yùn)行原理圖檢查工具，根據(jù)軟件提示進(jìn)行模型修正。

3 管路三維建模

管路三維建模是用三維模型表達(dá)管路系統(tǒng)的過(guò)程，設(shè)計(jì)人員根據(jù)系統(tǒng)原理圖在三維協(xié)同環(huán)境中布置設(shè)備模型、連接設(shè)備間的管線、放置管線上的閥件及其他管路附件，完成管路系統(tǒng)的三維建模。在L2P設(shè)計(jì)環(huán)境中，三維建模在P節(jié)點(diǎn)下進(jìn)行，根據(jù)邏輯部件與三維模型之間的關(guān)系布置各類三維部件。

3.1 設(shè)備布置

系統(tǒng)原理圖中已定義邏輯設(shè)備的規(guī)格參數(shù)、設(shè)備對(duì)應(yīng)的三維模型和設(shè)備布置的空間位置。在L2P環(huán)境下，使用“Logical to Physial”命令指定三維設(shè)備在Physical結(jié)構(gòu)樹(shù)中的父節(jié)點(diǎn)。程序在三維設(shè)備庫(kù)中調(diào)用邏輯設(shè)備對(duì)應(yīng)的三維模型，放置在指定空間的幾何中心上。設(shè)備通過(guò)驅(qū)動(dòng)放置完成之后，程序創(chuàng)建邏輯設(shè)備與三維設(shè)備之間的實(shí)現(xiàn)關(guān)系，表明該邏輯設(shè)備在三維模型中已存在對(duì)應(yīng)的模型。最后，設(shè)計(jì)人員使用羅盤等工具調(diào)整設(shè)備的位置和姿態(tài)，將其布置到位。圖8為L(zhǎng)2P布置設(shè)備。

圖8 L2P布置設(shè)備

3.2 管路布置

設(shè)備布置完成之后進(jìn)行管路放樣。系統(tǒng)原理圖中已定義管材的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格和材質(zhì)。在L2P環(huán)境下，在原理圖中點(diǎn)選需布置的管線，程序自動(dòng)獲取管線的通徑值，在管路系統(tǒng)的三維建模資源集中搜索符合該通徑值的管材。若資源集中只有1種管材匹配，設(shè)計(jì)人員可直接使用該管材進(jìn)行管路布置；若資源集中符合條件的管材多于1個(gè)，程序提供滿足條件的管材列表，設(shè)計(jì)人員根據(jù)其他信息選擇正確的管材進(jìn)行管路布置。

3.3 閥件和管路附件布置

完成管路布置之后進(jìn)行管路附件布置。系統(tǒng)原理圖中已定義每個(gè)邏輯管路附件對(duì)應(yīng)的三維模型。在L2P環(huán)境下，設(shè)計(jì)人員通過(guò)三維建模APP中的放置部件命令，用鼠標(biāo)點(diǎn)選確定閥件在管路上的位置，在原理圖上點(diǎn)選需布置的閥件，程序根據(jù)邏輯閥件與三維模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系獲取相應(yīng)的三維模型，布置在鼠標(biāo)點(diǎn)選的位置。程序創(chuàng)建邏輯閥件與三維閥件的實(shí)現(xiàn)關(guān)系，記錄該邏輯閥件已被布置，在后續(xù)布置閥件過(guò)程中，已布置的閥件將不能被選中。在整個(gè)過(guò)程中，生產(chǎn)設(shè)計(jì)建模人員不必在部件庫(kù)中查找正確的部件，只需明確閥件的布置位置即可。應(yīng)用L2P生成的管路三維模型見(jiàn)圖9。

圖9 應(yīng)用L2P生成的管路三維模型

3.4 二維、三維一致性檢查

使用L2P驅(qū)動(dòng)完成管路三維模型之后，原理圖與系統(tǒng)三維模型之間有關(guān)聯(lián)關(guān)系，原理圖中的零部件與三維模型中的零部件之間也存在關(guān)聯(lián)關(guān)系。基于邏輯對(duì)象與三維對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)檢查二維、三維一致性。二維、三維一致性檢查的主要內(nèi)容有：

1) 三維模型是否符合管路原理。檢查三維模型的流質(zhì)流向是否與原理圖一致、主支管分布是否正確和閥件順序是否一致等。

2) 設(shè)備是否布置在指定的空間內(nèi)。檢查三維設(shè)備的空間位置是否在原理圖中指定的空間位置。

3) 閥件是否與原理圖一致。檢查三維模型中的閥件數(shù)量是否與原理圖一致，檢查各閥件是否與原理圖中定義的一致。

4) 管路附件是否與原理圖要求一致。原理圖中沒(méi)有法蘭、彎頭、三通和異徑等管路附件，但對(duì)這些部件的選用有要求。例如，原理圖中使用壁厚為5mm的管子，相應(yīng)的彎頭、三通和異徑等管路附件的壁厚必須為5mm。程序檢查管路附件是否按原理圖中的要求選用。

智能化的檢查工具可分選項(xiàng)檢查，檢查結(jié)果直接在模型上顯示。圖9為L(zhǎng)2P生成的管路三維模型。

4 結(jié) 語(yǔ)

L2P關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)模式和設(shè)計(jì)思路上的一種創(chuàng)新。在三維體驗(yàn)平臺(tái)中，統(tǒng)一管理二維、三維數(shù)據(jù)模型，根據(jù)二者間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，運(yùn)用L2P，直接用二維部件驅(qū)動(dòng)生成三維模型，成效非常顯著：

1) 二維、三維基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)，提升設(shè)計(jì)的規(guī)范性；

2) 二維、三維之間存在緊密而有效的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和智能檢查, 減少人工干預(yù)，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量；

3) 詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)信息集成，形成單一數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、重復(fù)利用和一致性傳遞；

4) 設(shè)計(jì)變更在平臺(tái)內(nèi)傳遞，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)更改一致性和可追溯性；

5) 原理圖和三維模型通過(guò)結(jié)構(gòu)樹(shù)管理，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。

目前小區(qū)域和階段的應(yīng)用能證明該技術(shù)方案和設(shè)計(jì)流程的可行性和準(zhǔn)確性，接下來(lái)將繼續(xù)探索研究，逐漸改變現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方式，逐步實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的現(xiàn)代智能設(shè)計(jì)模式。