基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據承接方法

單小芬，朱 煜，朱明華，劉永珍

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

20世紀80年代以來，西方發達國家研究并應用了數字化并行協同研制技術。國內外的應用實踐都表明，數字化并行協同是飛機制造業發展的必由之路，該技術的廣泛應用不僅能大幅度縮短飛機研制周期，降低研制成本，提高產品質量，而且能從根本上改變現行的設計、制造、試驗、管理的模式和方法，是航空制造業生產方式的一種變革[1]。船舶產品研制與航空產品研制在產品復雜度、產品數量、涉及的專業和復雜系統集成等方面都有諸多相似之處。因此，航空制造業在數字化研制和并行協同方面的經驗可供船舶制造業借鑒。

隨著世界各造船強國數字化設計和制造技術的應用與發展，總體所和總裝廠（以下簡稱“廠所”）開展數字化協同設計并進行三維模型交付成為未來的發展方向[2-4]。歐美造船強國的船舶研制在方案設計、初步設計、技術設計、施工設計和生產設計等各設計階段均全面采用三維設計技術，使設計人員在三維環境下并行協同地開展相關設計工作，方便地進行以總段或分段為對象的區域綜合布置和區域設計，以及總體、船體、輪機、電氣、武器裝備綜合布置的優化調整和干涉檢查，直觀地判斷總段、分段或艙室綜合布置的合理性，有效解決施工設計與生產設計模型轉換和數據一致性等方面的問題。

國內總體所的設計數據未實現統一平臺下的直接傳遞和繼承，其與總裝廠之間主要依靠二維圖紙傳遞設計信息；總裝廠根據二維圖紙構建三維模型，結合船廠的生產特點形成二維圖紙或三維作業指導書，并將其下發給車間進行生產[5]。這種通過三維建模和二維出圖提供給總裝廠設計信息來開展生產設計工作的方式效率較低，難以滿足船舶研制的進度和質量要求。從總體設計到生產設計的設計周期管理，我國與國外先進造船國家相比還存在一定的差距，迫切需要在設計手段上實現突破，探索高效率、低成本的研制模式。

2015年以來，為更好地應用數字化技術促進船舶行業產業升級，國內各大船舶廠所紛紛基于3DEXP開展船舶數字化研制工程研究[6-11]，其中基于三維模型的廠所數字化協同設計的重點是三維模型的繼承和使用。本文通過開展基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據承接方法研究，為廠所的三維模型交付提供技術支撐，從而充分發揮三維模型完整性定義的優勢，縮短研發周期。

1 基于3DEXP的船舶數字化協同設計流程

國內的船舶設計普遍采用的模式為：總體所開展方案設計、深化方案設計、技術設計和施工設計（主要面向高新船舶），由總裝廠完成工藝設計和生產設計。本文首先根據船舶行業近幾年開展的廠所并行協同研究和型號應用，定義基于3DEXP的船舶數字化協同設計流程（見圖1）。

圖1 船舶數字化協同設計流程

在方案設計、深化方案設計和技術設計階段，主要以二維圖紙和技術文件為數據載體，采用技術研討和設計評審等方式進行廠所協同；在技術設計后期和施工設計已全面采用三維設計手段的情況下，以三維模型為依據，采用設計評審的方式進行廠所協同。三維模型作為總體所與總裝廠設計數據交換的載體，直接傳遞到總裝廠進行工藝設計和生產設計。

2 基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據交互方法

基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據交互方法有統一站點、數據包交互和站點間同步等3種，其功能和特性見圖2。

圖2 基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據交互方法

通過對3種交互方法進行分析，可歸納出以下要點：

1) 統一站點和數據包交互/站點間同步是2種不同的應用邏輯；

2) 數據包交互與站點間同步的功能是遞進關系，站點間同步需要相對規范化和流程化的業務規則；

3) 從實施難度和成本的角度分析，這3種數據交互方法按由低到高的順序排列為數據包交互＜統一站點＜站點間同步；

4) 從業務和應用方法的靈活性角度分析，這3種數據交互方法按由低到高的順序排列為統一站點＜數據包交互/站點間同步。

因此，在廠所協同業務早期，數據交互的業務并不成熟、規范，需采用相對靈活、實施成本低的數據包交互方法來支撐整個廠所的協同應用；當廠所協同業務趨于成熟時，可按需向多站點技術過渡；最后建立廠所數據傳輸專線，實現統一站點的數據交互，確保數據源統一。

3 基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據承接

由于目前基于3DEXP的船舶數字化協同設計還處于起步階段，本文主要對數據包交互方法進行研究和應用驗證，其技術路線見圖3。

圖3 船舶數字化協同設計數據交互技術路線

總體所和總裝廠的設計均需符合廠所共同制定的協同設計規范。總體所的施工設計結果需按擴展屬性包、基礎資源庫和協同設計數據數據包導出和發放，總裝廠按擴展屬性包、基礎資源庫和協同設計數據的順序將其導入。在基礎資源庫導入之前，需定義總裝廠特有的擴展屬性，以滿足生產設計的需求。

3.1 船舶數字化協同設計數據承接環境構建

總裝廠在承接總體所的協同設計數據之前，需搭建數據承接環境，包括平臺服務器搭建及客戶端安裝、工程建立、人員/組織/角色配置、權限設置、擴展屬性定義和基礎資源庫配置等工作，其中影響協同設計數據順利承接的2個最關鍵因素是擴展類型和屬性協同及基礎資源庫協同。

3.1.1 擴展類型和屬性協同

基于MBD（Model Based Definition）技術和深入應用考慮，總體所的設計數據可能會得到類型和屬性方面的擴展。在基礎資源庫協同之前，需確保擴展數據的類型和屬性已協同，進而確保基礎資源庫的數模類型和屬性能完好地繼承。

在導出擴展的類型和屬性時，總體所需以admin_platform（平臺管理員）的角色登錄系統，在Specialize Data Model功能下找到并下載需導出的部署包；同時，以Owner（所有者）的角色登錄Native App，并進入Data Setup模塊，下載Deployment Extension Choice項的Business Rules。為確保總裝廠能順利繼承擴展類型和屬性，建議將導出的部署包和Business Rules等資源導入測試系統中進行測試。

擴展類型和屬性的導入方式類似于總體所擴展類型和屬性的導出方式。在Specialize Data Model功能下找到導入按鈕，并將總體所發來的數據包導入平臺中；在Data Setup模塊打開Business Logic for Object Typing，找到Deployment Extension Choice項，并將總體所發來的Business Rules關聯至該項。

對于安裝區域和安裝階段等總裝廠特有的屬性，總體所無需擴展，僅總裝廠擴展即可。

3.1.2 基礎資源庫協同

對于船舶設計而言，使用的設計模塊幾乎都需進行基礎資源庫配置，通過基礎資源庫和設計規則（Data Setup）的共同驅動來支撐船舶專用模塊的應用。3DEXP基礎資源庫分為數模資源和項目資源表2部分，表1為3DEXP基礎資源庫清單，其中項目資源表是每個項目開展設計工作的基礎，其配置管理直接決定著設計模型的一致性和單一數據源性[12]。

表1 3DEXP基礎資源庫清單

對于3DEXP基礎資源庫，需按數模資源和項目資源表的方式導出，導出要求和建議如下。

1) 角色：總體所需以Leader的角色登錄客戶端。

2) 數模導出：總體所需采用高級搜索的方式將各專業的數模資源通過Export功能導出，在導出對話框中選擇with all Representations和with whole Structure選項。建議在創建數模過程中通過Catalog進行管理，這樣在導出過程中可避免過多地搜索（Catalog在導出時可將其所有子級一并帶出）。

3) 項目資源表導出：總體所可采用數模導出的方法導出項目資源表，其數據結構下的第一層數據會附帶導出。對于數據量較大的Resource Set，可使用Tools下的批處理工具（Export 3D XML）導出。

總裝廠收到總體所提供的基礎資源數據之后，需先導入各專業的數模資源，再導入項目資源表。

對于數模資源，由于數據量較大，建議采用Tools下的批處理工具（Import 3D XML）導入；選擇需導入的文件，指定導入文件的路徑（見圖4），并采用As Reference的方式導入數據；導入完成之后，通過檢查Report來查看導入狀態。數據導入完成之后，應基于上游提供的數據清單，在系統中檢查數據的完整性。

對于項目資源表，其導入方式與數模數據相同。項目資源表中關聯的數據主要包括CAT Catalog、Excel、CAT Material、Part、Physical Product和XML等。這些數據通過與Catalog關聯或直接選用至Resource Set中組成資源的數據層。總裝廠需以Owner的角色登錄系統，并在Data setup模塊將Resource Set關聯至合作區。

圖4 3DEXP數模資源批量導入功能

3.2 船舶數字化協同設計數據承接

船舶數字化協同設計模型數據導出、發放和承接是協同設計數據流轉過程中最重要的環節。在并行工程環境下，總裝廠完成船舶數字化協同設計數據承接環境構建之后，總體所可根據船舶產品的成熟度，導出、預先發放協同數據給總裝廠，方便后者提前開展工作，最大程度地發揮并行工程的效果。

3.2.1 協同設計數據導出和發放

總體所在導出和發放船舶數字化協同設計數據之前，需完成以下檢查工作。

1) 關聯關系檢查：在設計數據導出之前，其更新狀態需保持最新，即數模中無更新。因此，需在導出設計數據之前對其更新狀態和關聯關系進行檢查。通過Link工具檢查設計數據內部的鏈接狀態，所有的鏈接狀態需保證完整，即鏈接為綠色。建議結合業務規范，通過二次開發實現模型關聯關系自動檢查。

2) 屬性完整性檢查：數據導出至總裝廠之后，需確認擴展的數據類型和屬性是否已定義完整。屬性的完整性檢查需通過開發實現。

總體所以Leader的角色登錄系統，方可導出船舶數字化協同設計數據。數據的傳輸和接收由專人負責，且應采取相應措施保證數據傳輸各環節的安全性。

3.2.2 協同設計數據導入

總裝廠收到總體所發放的協同設計數據之后，可在船舶數字化協同設計數據承接環境中導入設計數據，建議采用As Reference的方式導入。由于數模量龐大，設計數據同樣需采用批處理工具導入，導入方式與基礎資源庫的導入方式相同。

協同設計數據導入成功之后，總裝廠可直接基于總體所的協同設計模型開展后續的生產設計和工藝設計工作，以最大程度地利用總體所提供的三維模型，縮短生產設計和工藝設計周期。

4 結 語

本文分析了基于3DEXP的船舶數字化協同設計流程，研究確定了基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據交互方法，同時對基于3DEXP的船舶數字化協同設計數據承接環境構建和數據承接方法進行了闡述。本文的研究為廠所的三維模型交付奠定了基礎，從而確保船舶設計上游數據與下游數據的一致性，消除雙數據源之間的不協調問題，提高設計質量；同時，總裝廠可基于總體所提供的船舶數字化協同數據，直接開展后續的設計生產，縮短設計和建造周期。

由于目前基于3DEXP的船舶數字化協同設計還處于起步階段，廠所要完全基于三維模型交付，還需突破產品完整性定義、深入并行協同、基礎庫協同、數據高效交互、工程變更和數據管理等關鍵技術。未來將在已有研究成果的基礎上，針對船舶數字化協同存在的問題和需求，充分結合工程實際，進一步提升船舶設計制造的數字化協同能力。