船舶多專業數字化協同開孔技術與系統

劉永珍，張 欣，楊義干，雷洪濤，胡志賢

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

結構專業與舾裝專業間的協同開孔設計是船舶生產設計的重要組成部分，其質量對船舶的建造成本、建造周期和建造質量等有很大的影響，設計過程中會產生大量的圖樣、清單和報告，各類人員之間需不斷地進行信息交流。因此，需合理安排設計工作流程，明確各設計階段的開孔狀態，使結構開孔設計工作順利完成[1-3]。

本文以船舶管系專業與結構專業之間的開孔管理為研究對象，研究其開孔設計與管理方法，通過二次開發，構建開孔管理系統，從而將理論分析與實際應用相結合，將研究成果成功應用到實船設計中。該研究成果能實現以流程驅動管理設計模式的革新，通過采用批量開孔技術，有效提高設計質量和設計效率。

1 多專業開孔技術應用現狀

目前，通用的船舶開孔設計方式主要是：舾裝專業根據綜合平衡之后明確各專業間的干涉情況，向結構專業提供開孔圖和開孔清冊；結構專業以遞交的中間數據為依據進行結構開孔，同時實現船體結構在套料過程中的一次加工成型。設計過程中涉及到大量的信息交互和協同機制，存在諸多影響設計效率的因素[4]，主要表現在以下幾個方面：

1) 管理與設計未能實現有效融合。由于各專業間的結構開孔主要以2D 開孔圖或開孔清冊為依據，而船舶設計狀態不固化，導致設計更改頻繁，各專業間中間數據的成熟度狀態難以固化，設計人員的操作權限難以控制，開孔設計與管理相對獨立，難以通過固化設計流程驅動設計管理。

2) 開孔協同效率較低。結構專業與舾裝專業之間的信息交互是循環迭代的過程，且主要依據2D 圖樣或圖表協調，結構專業通過不斷確認或駁回舾裝專業的開孔申請來實現開孔設計。靜態的開孔數據不能表現出動態的設計變化，協同設計僅依靠線下溝通的方式難以保證多專業開孔協同設計的實時性、有效性和連續性。

3) 開孔定位和開孔識別未能實現自動化、批量化。由于船舶結構復雜，開孔數據量較大，如何利用已積累的開孔知識構建通用知識庫，實現開孔通用原則的共享和重用，有效減少人工計算開孔位置和識別開孔定義的工作量，是提升開孔設計效率的關鍵因素。

2 多專業協同開孔管理

對船舶多專業數字化協同開孔技術進行研究，主要實現三維開孔設計建模和設計狀態管理。二者通過共享數據庫中的單一設計數據，保證數據源的統一性。針對開孔設計的特點，結合協同設計中的設計管理方法[5]，通過創建并控制過程對象的工作狀態，將達到一定技術狀態的過程對象發放給下游用戶，建立工作狀態管理和控制規則，實現設計管理、權限管理和流程管理。研究發現，開孔設計與協同管理的過程對象主要有開孔輪廓和開孔申請單2 個。

2.1 開孔輪廓線權限管理

開孔輪廓線是由舾裝工程師在三維設計過程中創建的，主要用于輔助結構專業實現結構開孔。結構主辦在執行開孔操作時，可自動提取定義在開孔輪廓線中的尺寸和屬性等信息，實現對開孔的批量、快速創建。通過管理開孔輪廓線的工作狀態，可有效管控設計人員的操作權限，保證實際開孔的準確性。開孔輪廓線的工作狀態見圖1 和表1。

圖1 開孔輪廓線的工作狀態

由表1 可知：舾裝工程師只有在輪廓線處于In Work 狀態時才具有編輯修改的權限，在其他狀態下無權對開孔輪廓進行編輯；結構專業工程師只能查看輪廓線，在任何狀態下都無權對其進行編輯；開孔輪廓的工作狀態根據設計狀態的變化實現自動切換。

表1 開孔輪廓線的工作狀態

2.2 開孔申請單設計管理

開孔申請單為設計管理的對象，主要用來實現對開孔設計狀態的管理。開孔申請單可用來記錄每個開孔輪廓全生命周期內的設計操作行為，快速實現對設計狀態的跟蹤和管理。開孔申請單主要有創建、接收、審核、關閉、拒絕和廢棄等6種狀態。當舾裝工程師創建開孔申請單時，有權直接廢棄申請單；當申請單被結構工程師接收并執行審核操作時，其狀態隨之自動切換；得到開孔結果之后，申請單生命周期結束，其所能實現的狀態切換見圖2。

圖2 開孔申請單生命周期內的狀態切換

2.3 協同消息推送

開孔設計和管理執行過程中伴隨著消息的及時推送，當設計狀態發生改變時，會以OA（Office Automation）郵件的方式推送消息，主要推送的節點有：

1) 舾裝工程師批量提交申請單，通過郵件的形式將分段號下的所有申請單分別推送給舾裝主辦和結構主辦。

2) 結構主辦批量分派任務，按審批人對申請單進行分類，并將其推送給指定的結構工程師審批。

3) 結構工程師批量審批，在執行此項操作時，根據審批指令的不同，推送給不同人員不同的內容。當結構工程師執行駁回或拒絕開孔操作時，舾裝工程師、舾裝主辦和結構主辦將收到對應的消息；當結構工程師審批通過時，只有舾裝工程師收到相應的消息。

3 批量化自動開孔

對于船舶行業的開孔設計和施工，目前已形成行業通用標準和企業內部設計規范，設計人員依據開孔原則逐一對開孔類型和開孔參數進行設計。基于設計知識的共享和重用特點，不僅可實現開孔輪廓的自動計算，而且可實現船體批量開孔。

3.1 開孔輪廓自動計算技術

開孔輪廓作為輔助結構專業實現開孔的對象，其位置、尺寸和形狀直接決定結構開孔的質量和精度。因此，開孔輪廓自動計算技術是需研究的關鍵技術之一。將基于知識工程的開孔輪廓自動計算技術融入已有的開孔設計規則和經驗知識中，通過二次開發，實現開孔輪廓的自動化和批量化創建。在開孔輪廓自動創建過程中，計算內容主要包括開孔輪廓定位、輪廓尺寸計算和輪廓形狀計算等3 部分。

3.1.1 開孔輪廓定位

利用幾何特征拓撲關系計算舾裝部件和船體結構件的干涉狀況，并記錄干涉點的位置坐標。根據船體和舾裝三維模型的幾何特征布爾運算，利用設計規則，通過設置干涉值獲取正確的干涉信息。對幾何特征布爾運算結果進行分析，船體和舾裝模型主要有完全貫通、部分貫通和表面接觸等3種干涉狀況，根據實際開孔經驗，只有完全貫通和部分貫通的業務場景才需要結構開孔。

3.1.2 輪廓尺寸計算

明確開孔輪廓的位置之后，根據與船體相干涉的舾裝部件，利用專業的開孔設計經驗計算并匹配開孔輪廓的類型，同時計算開孔輪廓的尺寸。以管子專業為例：若與船體干涉的部件是通艙件，則首先需提取通艙件的最大外輪廓尺寸，利用通艙件開孔工藝數據計算出開孔輪廓的尺寸；若與船體干涉的不是通艙件，則需根據船舶開孔設計規范，針對不同的情況計算出不同的開孔輪廓尺寸。圖3 為船體結構和管系模型，船體和管子發生干涉的是管段，根據開孔設計規范：若不存在船體筋，則依據最小部件開孔原則選擇貫穿件，即采用右邊的法蘭計算開孔的尺寸；若存在船體筋，則需采用左邊的法蘭開孔，且安裝方向為從右到左。找到需貫穿的部件之后，根據開孔原則計算開孔的尺寸，即法蘭開孔的尺寸是根據法蘭尺寸和單邊5mm 原則計算的。所有的貫穿部件都有開孔原則，且隨船型不一致會存在一定的差異，在配置開孔原則時，按工程來配置開孔的基本參數。

圖3 船體結構和管系模型

3.1.3 輪廓形狀計算

在計算干涉狀況和開孔輪廓的尺寸時，除了獲取船體結構和舾裝部件干涉情況和開孔輪廓的尺寸以外，還需分析周圍的船體結構和其他的開孔輪廓，依據分析的結果和已有的設計規范對開孔輪廓形式進行重新計算，從而匹配符合要求的通艙件輪廓類型和尺寸。圖4 為開孔輪廓線自動更改示意，可根據開孔原則分別計算2 根管子的初始開孔輪廓，但因孔間距不滿足船舶開孔工藝的要求，系統會根據設計原則自動合并2 個開孔輪廓，形成新的開孔輪廓線。

圖4 開孔輪廓線自動更改示意

3.2 船體批量開孔技術

船體批量開孔技術可實現船體結構批量化自動開孔創建。在批量創建開孔時，結構專業根據舾裝專業提交的開孔輪廓，計算并分析是否滿足開孔要求。根據設計經驗規則，若存在輪廓線間距太小、梁上開孔和輪廓尺寸太小等情況，船體設計人員可依據實際建造情況給出拒絕開孔或現場開孔的提示。另外，根據設計要求或建造需求，存在現場開孔而模型不開孔的情況，比如管徑小于50mm 時需現場開孔，系統會自動實現現場開孔輸出處理，而不在模型中直接開孔。通過計算，符合開孔要求的輪廓執行批量開孔，不符合開孔要求的輪廓執行拒絕處理。

4 功能實現和應用實踐

基于三維體驗平臺，通過二次開發，對多專業協同開孔技術和批量化自動開孔技術與平臺進行功能集成，得到可交互的船舶多專業數字化協同開孔設計系統，主要包括CATIA 端的開孔設計操作和ENOVIA端的設計管理2 部分。

4.1 開孔創建系統功能實現

以管系專業與結構專業之間的開孔設計為例：目前管系設計人員可在三維體驗平臺CATIA 端實現的操作功能主要包括開孔輪廓批量創建、開孔輪廓修改、開孔輪廓檢查、開孔申請單創建、補孔申請單創建和開孔圖或開孔清冊批量輸出等；結構專業人員可在平臺設計端實現的操作功能主要包括開孔審核、開孔批量創建和開孔日志查詢等。

圖5 為管系專業批量創建開孔輪廓線功能界面。通過開發功能，可批量創建開孔輪廓，并可對輪廓線進行屬性和形狀編輯；在此基礎上，根據上述開孔設計管理流程，以開孔申請單的方式向結構專業遞交開孔申請。結構專業根據遞交的開孔申請執行開孔審核和開孔操作，在發現遞交的開孔不合理和不允許開孔時，可通過界面化操作進行拒絕或駁回。管系專業設計人員收到駁回通知之后進行開孔調整，并重新提交開孔申請。

圖5 管系專業批量創建開孔輪廓線功能界面

4.2 開孔管理系統功能實現

開孔管理功能主要在三維體驗平臺ENOVIA 端實現，基于該管理系統，設計人員的操作權限和開孔工作狀態會受到嚴格管控。隨著開孔流程的推進，開孔申請單的狀態和輪廓線的狀態發生改變，同時伴隨相應的郵件消息。例如，舾裝專業遞交開孔申請之后生成開孔申請單，相應的消息被推送至結構主辦，結構主辦通過管理系統查看并安排本專業的設計人員執行開孔審核工作，系統功能界面見圖6。通過對開孔申請單的狀態和生命周期進行管理，可有效實現對開孔設計過程的管理、記錄和跟蹤。

圖6 結構主辦分配開孔審核任務功能界面

5 結 語

本文針對傳統開孔方法存在的效率低下、協同程度不高和開孔質量難以控制等問題，提出了數字化協同開孔設計管理方法，主要包括：提出了協同開孔過程對象的技術狀態控制方法，并詳細定義了設計流程；研究并突破了開孔輪廓自動計算、批量計算和幾何拓撲等算法?；谠撛O計管理方法開發了數字化協同開孔系統，并在實船上進行了應用驗證。應用驗證結果表明，該系統能極大地提高設計人員操作的便捷性，大幅縮短船舶多專業開孔設計周期。該數字化協同開孔技術與系統在未來的船舶設計中具有較高的應用推廣價值。