Smart 3D船舶設計軟件開孔管理系統研發

肖 赟， 田榴敏， 張士超， 王德禹

（1.上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海200240；2.上海外高橋造船有限公司設計一部IT技術室，上海200137）

0 引 言

大型郵輪稱為世界造船“皇冠上的明珠”，設計建造國產大型郵輪已成為造船強國的重要標志之一。國內首艘大型郵輪設計建造采用Intergraph Smart 3D 三維設計軟件，Smart 3D（以下簡稱S3D）是鷹圖PP＆M的新一代三維工程設計解決方案，在船舶設計建造過程中覆蓋各個領域，提供了基礎的建模、出圖、生產信息輸出等功能，且有著先進的底層技術，支持用戶對其功能擴充，是一套全面的智能解決方案。郵輪的3D設計的獨特性和船廠自身設計生產條件對S3D 設計軟件產生一系列的特定需求，這些需求要通過二次開發予以實現，郵輪的開孔管理系統便是其一。

船舶生產設計過程中，船體結構舾裝開孔是船體專業與舾裝專業協同設計的重要組成部分，在協調開孔過程中各專業會形成大量的數據，而這些數據掌握在各專業手中，并未在S3D 設計軟件中統一管理，因此形成信息孤島，從而無法保證設計數據的準確性與及時性，給協同設計帶來滯后性。船體結構開孔是船舶設計建造過程中的基本操作，但對船舶的建造效率有著重要影響，結構預開孔率的提升，減少現場手工開孔，且將工序前移，減少船舶預舾裝時遇到的障礙。面對國內首艘大型郵輪的設計建造，由于大型郵輪結構和系統的復雜性，功能的特殊性，其開孔量較于一般船舶大大提升，開孔數據的管理顯得尤為重要。

本文通過對S3D 設計系統二次開發能力以及船舶跨專業協同設計的分析，研發出基于S3D 船舶設計軟件開孔管理系統，針對性強化3D 設計軟件在郵輪設計方面的功能和設計效率，以數字化、信息化為導向，滿足大型郵輪數字化設計的需要，提升大型郵輪的3D 生產設計技術水平，形成大型郵輪的自主建造和實現我國大型郵輪發展的戰略目標提供保障。

1 S3D設計系統二次開發

1.1 S3D設計系統二次開發架構

S3D 軟件系統二次開發功能系統也是基于Microsoft.NET技術構建，利用.NET FrameWork 劃分成兩層結構，客戶層和中間層，如圖1 所示。

圖1 S3D系統.NET FrameWork 開發框架圖

客戶層即表現層，主要功能為顯示數據和接受用戶傳輸的命令，在S3D系統中表現為菜單、工具箱、可視化工具以及對話框等。用戶可以熟練地在GUI 中對諸如SelectSet服務、圖像窗口以及包含定位器，標注工具，視角操作等在內的軟件支持構件進行交互操作。基于S3D的開孔管理系統為了實現以上操作，需要在客戶層進行定制開發，即系統必須在S3D 運行環境下工作。

中間層，即邏輯層，在該層內命令可以直接對模型對象進行操作，例如，艙壁、甲板、管子、電纜、主機等，這些對象均被劃分到了中間層。對象間存在相互聯系，關系定義了模型對象間的交互方式。S3D 關系管理系統（Relationship Management System）是一項專利技術，其作用是當交互對象中的一個發生變化時，關系會做出相應的反應確保相應的完整性以及數據的連續性。基于S3D的開孔管理系統需分析利用中間層提供的API接口，對交互對象進行邏輯處理，完成開孔管理工作。

數據訪問層，S3D 以SQL Server 和Oracle 大型關系型數據庫為數據平臺，為客戶層與數據層提供數據支持服務，中間層可通過調用該層接口對數據進行增刪查改的操作。

由此分析，在.NET環境下利用3 層架構構，將各層功能分離開，分別設計，互相解耦，，使設計更加便捷，并且易于分工合作［1-2］。

1.2 S3D設計系統二次開發工具及其語言

S3D二次開發框架由于采用.NET FrameWork 框架平臺，.NET 開發語言同樣是應用最廣泛的應用程序開發語言（如C＃、VB.NET等）。.NET FrameWork平臺，提供了大量的.NET 開發類庫接口，這就為使用.NET程序開發語言進行S3D 二次開發提供了不少便利。利用其提供的接口基類和實例化工具，用戶在Visual Studio.NET 開發環境按照不同的用戶需求，可以開發功能強大的應用程序并集成到系統中。

1.3 S3D設計系統二次開發API接口

S3D中基于.NET的API包括兩大類（見圖2），第1 類處于客戶層，所涉及到的dll 文件主要有：CommonClient DLL； SP3FrmDeHelper.dll；CustomFormDefinition Controls.dll.。第2 類處于中間層，所涉到的主要文件有：CommonMiddle.DLL；SystemsMiddle.DLL； Ref DataMiddle.DLL；CommonRouteMiddle.DLL； Grids Middle.DLL；SpaceMiddle.DLL； SupportMiddle.DLL；SmartPlantStructureMidde.DLL。

這些API的主要作用：

（1）允許用戶使用VB.net、C＃或任何.net語言編程，編寫交互式自動化環境和非交互式自動化定制，即文獻［3］中提到的Command 開發與Standalone 開發，Command開發面向客戶層開發，嵌入S3D，參與用戶交互。Standalone 開發面向中間層開發，獨立于S3D運行環境外。

圖2 S3D基于.NET的API接口

（2）允許用戶可以自定義規則，如命名規則／符號／IFC規則等，文獻［4-5］中通過優化IFC 規則，減少不必要的碰撞檢查，減輕主程序加載負擔。

上文指出基于S3D 的開孔管理系統需在客戶層與中間層中做開發，就確定了其開發方式為Command。通過對S3D 設計系統二次開發能力的分析，可知S3D 設計系統的二次開發可借助其開發框架，利用.NET開發語言（C＃、VB），開發出其API 支持范圍內的Command程序。

2 船舶跨專業協同設計

船舶生產設計是一項復雜且涉及多個領域的綜合性工作，其中包括了船體、輪機、電氣等專業設計，且各專業又包括設計、校隊、審核等不同的設計任務。各專業設計任務既是相互獨立，又是相互依賴，因此在設計過程中需加強各專業之間的協作，解決沖突，以縮短產品的設計周期，提高設計質量。

2.1 船舶跨專業協同設計

（1）船舶跨專業協同設計定義。船舶跨專業協同設計是指不同專業、不同身份的技術人員利用計算機在同一個項目內，各自負責相應的設計任務，且設計任務處在并行交互的狀態下進行，最終取得理想的產品方案的設計方法［6-7］。

（2）船舶跨專業協同設計關鍵點。根據船舶跨專業協同設計的定義，可以得知其包含4 個關鍵元素，即組織、人員、任務流程和最終方案。以這4 個關鍵元素為出發點，需解決以下關鍵點：① 人員與組織管理。船舶設計部門包含多個船體、輪機、電氣等多個專業科室，而專業科室又細分為多個專業小組。將不同專業、不同身份的人員組織起來，賦予相應的角色與權限統一管理。②設計流程管理。不同專業有各自的設計、校隊、審核流程，分析各專業流程，形成滿足各專業協同設計的流程，將其流程固化。各專業人員按照賦予的角色與權限進行任務操作，將任務推進，直至任務結束。③數據管理。協同設計過程中必會產生大量的數據，其中包括設計新建數據與設計變更數據，將數據及時歸檔，從而便于數據的保管與設計的可追溯性。

2.2 船舶跨專業開孔協同流程

船體專業與舾裝專業的開孔協同是一個不斷進行信息互換的過程，舾裝專業向船體專業提供開孔申請單，船體根據規范對船體結構預開孔，同時將不滿足規范要求或不合理的開孔請求反饋給舾裝專業，舾裝專業對開孔信息進行修改更新后，重新提交船體專業審核。這是不斷循環的過程，直至形成最終方案。文獻［8］中分析了AM軟件的開孔管理流程，文獻［9］中分析了基于國產自主軟件SPD 船舶設計和建造系統開發的開孔管理，參考不同設計軟件的設計思路，基于S3D的開孔管理系統以開孔申請單貫穿整個流程并將此流程固化到軟件中，形成基于S3D 的開孔管理系統的運轉邏輯，結果如圖3 所示。

圖3 開孔管理系統的運轉邏輯圖

3 開孔管理系統設計

3.1 開孔協同管理數據庫設計

根據船舶跨專業開孔協同流程分析的結果，需建立供船舶各專業使用的開孔專用數據庫，用來儲存開孔中間過程信息，信息主要包括開孔協同人員信息和開孔協同管理信息兩大類。開孔協同人員信息包括id、專業、角色等標識其身份的信息。開孔協同管理信息包括開孔聯系單標識、開孔位置標識、開孔聯系單狀態，開孔狀態及各類日期信息等。根據數據庫的設計范式［11］，在S3D采用的Microsoft SQL Server關系型數據庫中建立開孔專用數據庫，如圖4 所示。

3.2 開孔協同處理規則制定

為了規范開孔流程，確保開孔數據準確性與及時性，實現各專業信息共享，制定開孔協同處理規則：

圖4 開孔協同數據庫ER圖

（1）用戶登錄后，根據賬號信息檢測賬號類型，進行相關的業務流程，以滿足不同專業的業務，防止越權操作引起的設計失誤。如果是舾裝人員登錄，可進行創建開孔聯系單、待辦開孔聯系單和打開開孔聯系單；而船體專業可進行接收開孔聯系單、待辦開孔聯系單和打開開孔聯系單；打開的開孔聯系單只能是只讀狀態，不允許修改。

（2）開孔聯系單的流程狀態包括未提交、已提交、設計審核、舾裝審核、船體審核、完結6 種狀態，此流程串行進行。

（3）開孔聯系單的生命周期包括Working、InReview、Reject、Approval、done 狀態，其中只有是Working狀態時，3D模型對象才能夠被修改。

（4）船體專業針對開孔對象只有兩種操作：開孔與補孔。

3.3 開孔快速定位與模型關聯

文獻［3］中分析了S3D.NET 提供的Business Object基本類，其包括了Plate、Pipeline、Profile、Line3D等S3D常見的船舶設計對象，并提供相應的訪問和修改對象的方法，應用程序可通過繼承該類擴展模型對象和開發接口。

舾裝專業提出的開孔請求需要在3D 模型中反映出來，可通過在S3D 中打開HoleManagement 模塊，調出開孔范圍內的船舶3D 模型，點擊需要開孔的船體模型及穿過船體構件的舾裝模型，經過布爾運算生成Hole Trace 預開孔線對象，Hole Trace 對象繼承于BusinessObject，不僅包含開孔的必要的幾何信息，而且還包含了開孔的拓撲結構和OID 信息，OID 是模型對象的唯一標識。以Hole Trace 對象為導向，通過S3D提供的Repository Browser可以查看Hole Trace對象的現有關系及實現接口，如圖5 所示。通過這些關系開發接口，將Hole Trace 對象與開孔申請單關聯，并將Hole Trace對象和拓補模型OID信息記錄到開孔管理系統中，來實現開孔信息流的記錄。當發生設計新增與設計變更時，根據記錄的信息可以幫助用戶快速定位開孔位置，調出相應模型審核，進行開孔／補孔操作。Hole Trace 在船體構件上開孔，會在船體構件對象節點下產生Cut 對象，同理再利用Repository Browser 查看Hole Trace 對象的關系，根據當前Hole Trace 是否關聯到Cut對象來區分已開孔和未開孔。

圖5 HoleTrace對象關系圖

3.4 工程實例

基于以上的研究內容，研發出基于S3D 船舶設計軟件開孔管理系統，并于郵船生產設計過程中應用。主要界面如下：

（1）設計業務界面，如圖6 所示。其主要功能包括：①根據登錄賬號類型及權限，顯示相應的業務畫面；②開孔聯系單的建立、接收、發布與開孔，并更改開孔聯系單的流程狀態。

圖6 舾裝設計用戶界面

（2）校核業務界面，如圖7 所示。其主要功能包括：①開孔聯系單的分類；② 各專業對開孔聯系單的審核過程，并更改開孔聯系單狀態；③ 通過開孔聯系單記錄的信息快速調入相關模型（按分段、專業、開孔聯系單調入模型）。

依據郵輪的業務現狀和各專業后端的數據需求，分析船舶跨專業協同設計流程和S3D 設計系統二次開發能力，基于S3D 二次開發架構，結合S3D 軟件提供的API接口，研發出基于S3D船舶設計軟件開孔管理系統。該系統通過直連大型關系型數據庫，對開孔生命周期進行管理，實現船體生產設計數據的有效協同和數據統一。加強各專業協同設計能力，以流程驅動開孔申請單，在流程節點中對開孔申請單生命周期，確保了開孔準確性、流程可控、歷史可追溯，提高了結構預開孔的開孔率，更好地輔助郵輪設計。

圖7 校審業務界面

3.5 基于S3D二次開發建議

（1）系統分析。分析理解系統的基本需求，確定其框架，確定開發方式。Command 開發、Standalone 開發或是自定義規則開發。

（2）系統設計。主要任務是系統的總體設計，如畫面、規則、數據庫設計等。

（3）熟悉S3D 中模型對象的數據結構與數據對象描述，如類、接口、屬性、關聯等，利用MetaDataBrowser 查看模型對象的實現接口，如圖8所示。

圖8 S3D對象描述圖

（4）利用RepositoryBrowser 查看模型對象的關聯關系，可以幫助用戶迅速找到對象的實現接口。

4 結 語

S3D是一套優秀的三維建模及可視化解決方案，基于S3D的開孔管理系統是獲得S3D 三維設計優勢的同時提高其設計效率，使其更加用戶化與專業化。目前三維設計技術正在推動造船工業的設計手段、運行模式、管理方式等各方面的變革，S3D應用的深度與廣度將對郵輪綜合建造水平的高低起到決定性的作用。隨著我國大型郵輪的自主建造和國內船舶制造業產業升級，用戶的郵輪設計建造需求會不斷增長，對S3D軟件進行二次開發是非常必要的，且隨著郵輪旅游市場不斷增長，S3D 作為國內首艘大型郵輪設計軟件將會面臨更廣的應用，其二次開發也將面臨更多的需求與挑戰，通過二次開發項目的實施以滿足大型郵輪數字化設計的需要，也為大型郵輪國產化奠定技術基礎。