一體化設計模式在船舶與海洋工程設計中的應用1

曹先鋒，張園園，白 楊，孔國照，姜雨平

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

在傳統(tǒng)模式下，船舶與海洋工程設計可分為基本設計、詳細設計和生產(chǎn)設計。這3個設計階段的設計內(nèi)容以及需要實現(xiàn)的設計目標各不相同，需要由不同設計人員采用不同的設計工具或方法來完成。在此過程中，作業(yè)人員依照各自的設計需求分別建立獨立數(shù)據(jù)模型，各設計階段的技術信息無法通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進行有效傳遞。隨著計算機輔助設計技術的發(fā)展與技術管理方法的不斷提升，各種設計數(shù)據(jù)與模型之間的轉換日益標準化。通過整合不同設計階段的數(shù)據(jù)與模型，建立一套涵蓋3個設計階段技術需求的一體化設計模式成為可能。本文對一體化設計模式在船舶與海洋工程領域的應用進行介紹，并對一體化設計的主要挑戰(zhàn)以實施要點進行重點分析。

1 設計現(xiàn)狀

根據(jù)設計目標的不同，可將船舶與海洋工程設計分為基本設計、詳細設計和生產(chǎn)設計。這3個設計階段的工作內(nèi)容與輸出成果是相對獨立的，可由不同的設計人員采用不同的設計工具及手段完成。

1）基本設計

基本設計的主要內(nèi)容是對目標產(chǎn)品進行整體規(guī)劃性設計，使其基本性能指標在一定條約、規(guī)范、海區(qū)、貨品條件下滿足船東對項目的功能需求。基本設計的設計需求與技術指標主要通過設備清單、建造規(guī)格書與項目總布置圖等表述方法進行表述。

2）詳細設計

詳細設計對基本設計的成果進行展開和細化，確保產(chǎn)品的技術規(guī)格與性能滿足掛旗國、港口國和船級社的各項要求。詳細設計定義了各項設備參數(shù)，并繪制各個系統(tǒng)的原理圖對要求進行表述。詳細設計技術工作的內(nèi)容包括項目完成后的安全要求與詳細到各系統(tǒng)的功能要求。

3）生產(chǎn)設計

生產(chǎn)設計的主要任務是將前兩個設計階段的設計成果轉換成三維數(shù)據(jù)模型，根據(jù)三維模型制作圖紙與材料清單，并下發(fā)給施工單位進行施工。

1.1 傳統(tǒng)設計模式存在的問題

船舶與海洋工程設計復雜度高、持續(xù)時間長，傳統(tǒng)設計模式主要存在如下4點問題：

1）3個設計階段的工作目標主要針對本設計階段所要解決的技術問題，對其他設計階段所要解決的問題關注度不高。

2）每個設計階段的工作內(nèi)容需要不同專業(yè)的細致分工與周密配合，不同的專業(yè)在設計工作內(nèi)容上存在交叉，相互制約。

3）3個設計階段的專業(yè)劃分不盡相同，不同設計階段或不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)信息傳遞密度高、協(xié)調(diào)難度大。

4）參與設計的單位較多，主要包括工程發(fā)包方、工程承包方、專業(yè)設計單位、設備供應商、船檢等，各方之間的信息溝通存在時效性與準確度的誤差。

1.2 一體化設計模式實踐

隨著計算機輔助設計與互聯(lián)網(wǎng)通信技術的發(fā)展，有望解決傳統(tǒng)設計模式問題的一體化設計模式被引入船舶與海洋工程的設計工作中，并開始在較小范圍內(nèi)進行工程實踐。國內(nèi)某船廠承接的豪華客滾船項目在設計過程中聯(lián)合國外設計公司進行了船體專業(yè)與電氣專業(yè)的一體化設計探索，取得了良好的效果。但在實踐過程中也發(fā)現(xiàn)了許多問題，需要行業(yè)參與者共同解決。

1）設計標準體系建設不充分

設計標準文件是各階段設計工作開展的基礎與準則，在采用一體化設計模式進行設計時，需要有適用于一體化設計作業(yè)的標準體系文件。現(xiàn)有的設計標準文件大多依據(jù)傳統(tǒng)設計流程的需要進行編制，沒有考慮一體化設計模式中跨專業(yè)、跨階段的設計特點，并不能完全滿足一體化設計的需求。因此，必須在現(xiàn)有的設計標準體系的基礎上進行拓展與改造，補充和完善一體化設計工作需求的技術標準內(nèi)容，建立一套完整適用于一體化設計模式的設計標準體系。

2）設計軟件功能不完善

一體化設計涉及的文件類型與數(shù)據(jù)種類非常復雜，包括建造規(guī)格書、二維原理圖、三維模型、施工圖紙與材料清單等，單一的設計軟件無法滿足這些要求。因此，在進行一體化設計時，選擇一款主流的、開放的平臺化設計軟件就顯得非常重要。想要成功推進一體化設計，選擇的設計軟件必須具備平臺化、開放度高等特點，以便后期按照一體化設計的需求進行功能升級與二次開發(fā)。

3）一體化設計實踐難點

作為各類船舶與海洋工程項目的承包方，國內(nèi)大部分船廠只具備生產(chǎn)設計的能力，而基本設計與詳細設計需要由其他設計單位完成。這樣的分工模式導致不同設計參與方可能采用不同的設計工具，工作內(nèi)容的相對獨立與設計工具的不一致會導致技術信息與模型數(shù)據(jù)在整個設計過程中交流傳遞不充分。此外，有些基本設計單位出于商業(yè)保密的需要，不愿向船廠提供相關的技術信息與模型數(shù)據(jù)，這些都會給一體化設計的推進帶來障礙。

國內(nèi)船廠普遍存在對一體化設計模式認識不足的情況，也是阻礙設計方法改進和設計模式升級的重要原因。一體化設計模式的應用并不是簡單的設計工作三維化，也不是數(shù)字化過程的簡單堆砌。一體化設計模式涉及管理模式轉變、標準體系建設、軟件開發(fā)升級等多個維度的技術設計能力提升。在一體化設計的策劃準備階段，應建立一個針對項目或設計能力的一體化設計成熟度模型，以此來公正地評估一個公司或一個項目在一體化設計中取得的成績，從而為決策者提供優(yōu)質的依據(jù)。

1.3 一體化設計的主要挑戰(zhàn)

各大船廠、軟件供應商及第三方機構逐漸認識到一體化設計模式的巨大潛力，并分別從設計模式、設計流程、設計標準、設計工具和評估方法等方面開始進行探索與實踐。一體化設計模式有望取代傳統(tǒng)設計流模式，但在實踐與推廣的過程中還有許多挑戰(zhàn)需要應對。

1）一體化設計工具選擇與異構數(shù)據(jù)轉換

當前，不同的工業(yè)設計軟件在圖形引擎能力、模擬運算能力、規(guī)則驅動特性等方面各有特長。若對一體化設計過程實施邏輯的規(guī)劃較為清晰，可選擇規(guī)則驅動特性好的設計軟件作為一體化設計功能開發(fā)平臺。有的軟件平臺開放性較好，有的軟件設計功能模塊的優(yōu)勢突出。一體化設計的各個階段對設計工具性能特點的需求見表1。

表1 各階段對設計工具性能特點的需求

面向單一設計需求的工業(yè)設計軟件的基本功能無法滿足完整的一體化設計要求，如何利用現(xiàn)有的工業(yè)軟件的數(shù)據(jù)接口標準，如何在不同軟件之間實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)的交流轉換是選擇設計工具時需要重點考慮的問題。此外，選用的工業(yè)設計軟件還應保證能與船級社的三維送審工具的數(shù)據(jù)接口兼容。

2）不同設計階段與設計專業(yè)的信息溝通問題

一體化設計模式的主要目的之一是解決不同設計階段與不同設計專業(yè)間信息溝通的時效性與準確性低下的問題。根據(jù)表述方式的不同，可將設計信息分為如下2類：（1）可用清單與表格、平面原理圖或三維模型進行表述的有一定邏輯性的結構性信息；（2）只能用文字來表述的非結構性信息。對于第一類信息，如何解決不同格式、不同類型的信息交互流轉問題成為評估一體化設計工具優(yōu)劣的一個非常重要的指標。對于第二類信息，需要選用一款工具軟件進行管理，使之能盡可能結構化，方便作業(yè)者的使用和管理。

3）一體化設計工作中的標準化問題

一體化設計模式可跨越設計階段的分隔，并能將各專業(yè)的技術特征融合在一起。與傳統(tǒng)的設計模式相比，一體化設計模式在管理方法、軟件工具和設計理念上有著本質差異。一體化設計方法以設計軟件為平臺，圍繞統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)庫展開設計工作，對多層次、實時交互的數(shù)據(jù)流進行設計管理。因此，在進行設計時要遵循信息數(shù)據(jù)管理工作的技術特點。一體化設計任務具有如下實施要求：在充分考慮計算機技術與技術管理特點的基礎之上，分專業(yè)、分階段進行設計流程標準化工作。設計過程中用到的各個設計對象均要進行標準化，如系統(tǒng)、設備符號、一維表格、二維平面原理圖和三維數(shù)據(jù)模型等。

2 一體化設計方案與實踐

目前，一體化設計方法在船舶與海洋工程領域的應用還處于探索與積累階段。相較于傳統(tǒng)設計模式，一體化設計模式更加依賴計算機工具及數(shù)據(jù)管理軟件。在一體化設計的策劃階段，應結合設計團隊的技術管理水平、設計軟件及硬件的基礎條件來制訂滿足項目需求的實施方案。

作為一種全新的設計模式，一體化設計模式尚不成熟，還需要進行長期的探索與總結。因此，有必要規(guī)劃一體化設計方法的執(zhí)行路線，并根據(jù)路線圖的邏輯架構對設計工作進行細化分解，最后確定分步實施的策略與成果評定標準。某船舶產(chǎn)品一體化設計的執(zhí)行路線圖見圖1，各設計專業(yè)雖然分道并行，但輸入、輸出數(shù)據(jù)互相關聯(lián)，前后工作步驟互相影響，需要周密策劃設計執(zhí)行過程。

圖1 某船舶產(chǎn)品一體化設計的執(zhí)行路線圖

2.1 一體化設計實施要點

一體化設計模式可解決設計工作中跨階段、跨專業(yè)信息溝通傳遞時效性不佳、準確率不高的問題。通過使用計算機技術、互聯(lián)網(wǎng)技術等工具，讓設計人員能即時得到所需的設計信息，進而提高設計效率，減少因錯誤溝通帶來的設計失誤。這一過程需要建設3個方面的參考模型，首先是適用于各個設計階段的統(tǒng)一的標準部件庫，其次是同專業(yè)跨設計階段使用的參考模型，第三部分是在同一設計階段內(nèi)跨專業(yè)協(xié)作設計使用的參考模型。該過程需要建設3個方面的參考模型：1）適用于各個設計階段的統(tǒng)一的標準部件庫；2）同專業(yè)跨設計階段使用的參考模型；3）同一設計階段內(nèi)跨專業(yè)協(xié)作設計使用的參考模型。

2.1.1 一體化設計標準模型庫

在多專業(yè)協(xié)同設計作業(yè)的過程中，高質量的標準模型庫（部件庫）對于提升數(shù)據(jù)交流的速度與準確性具有非常重要的意義。標準模型庫作為一體化設計工作中的核心數(shù)據(jù)資源，其應用范圍應能覆蓋完整的設計流程，同時也要覆蓋不同設計專業(yè)的特異化需求。一體化設計標準模型庫的邏輯架構見圖2，該數(shù)據(jù)庫包含多個模型數(shù)據(jù)類別，有適用于基本設計需求的表格類模型（1D數(shù)據(jù)），有適用于詳細設計需求的符號類模型（2D數(shù)據(jù)），也有適用于生產(chǎn)設計需求的三維設計模型（3D數(shù)據(jù)）。不同類型的數(shù)據(jù)互相配合，互相關聯(lián)，共同促進統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型在不同設計方向上的應用。

圖2 一體化設計標準模型庫數(shù)據(jù)邏輯架構

2.1.2 統(tǒng)一不同設計階段的模型需求

同一技術專業(yè)在不同設計階段需要的參考模型內(nèi)容不同。在基本設計階段與詳細設計階段，統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型需要清晰表達用戶對產(chǎn)品功能的需求、對系統(tǒng)功能的描述、對規(guī)范要求的符合程度等信息，此時設備的外型、位置和質量等信息為從屬信息。但是在生產(chǎn)設計階段，設備的外型、位置與重量信息就成了主要信息。為保障各專業(yè)跨階段設計成果交流的方便性，一體化設計模型數(shù)據(jù)必須包含不同專業(yè)在不同設計階段的參考模型。

2.1.3 統(tǒng)一跨專業(yè)的模型需求

在同一設計階段中，傳統(tǒng)設計模式在完成分專業(yè)設計與跨專業(yè)協(xié)調(diào)后，依次進行專業(yè)間綜合平衡和專業(yè)評審工作，以保障最后設計結果的完整性和正確性。傳統(tǒng)設計模式在執(zhí)行過程中，各個專業(yè)雖然使用同一套坐標基準，但卻不在一個統(tǒng)一的模型參考下進行設計，由此帶來的誤差與技術沖突需要采用跨專業(yè)的統(tǒng)一參考模型來消除。

2.2 實船項目的一體化設計實踐

2.2.1 使用AVEVA Marine軟件建立標準部件庫

標準部件庫是實現(xiàn)一體化設計過程中各專業(yè)協(xié)調(diào)作業(yè)、設計流程連續(xù)深化、輸入輸出數(shù)據(jù)無縫交換的基礎邏輯要素，標準部件庫數(shù)據(jù)的完整性與成熟度決定了一體化設計工作的效率與質量。

結合項目實際需求，在AVEVA Marine標準部件庫的基礎上重新對數(shù)據(jù)進行整理升級，特別是對舾裝專業(yè)二維原理圖中用到的各類符號和設備模型重新進行整理，實現(xiàn)了舾裝專業(yè)標準數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化與升級，提升了后續(xù)設計過程中調(diào)整與修改的便利性。標準部件庫分類與內(nèi)容見表2。

表2 標準部件庫分類與內(nèi)容

2.2.2 引用曲面對象（Reference Surface Object，2.2.2 RSO）模型

船舶與海洋工程的總體布置與技術規(guī)格說明是后續(xù)各個專業(yè)深入展開設計工作的基本依據(jù)與指導原則。一體化設計所依托的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型的復雜程度隨著設計范圍的不斷擴展而逐漸增加，但在整個設計流程中統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型應始終清晰完整地反映產(chǎn)品的總體布置要求與技術規(guī)格特征，目前軟件提供的RSO模型功能可較好地滿足這一技術需求。

如圖3所示，RSO模型是一組虛擬的船體總布置特征描述模型，該模型數(shù)據(jù)中沒有實際的板厚和材質等信息，但包含結構邊界的定位和分艙信息。結構專業(yè)組在進行有限元分析時，以RSO模型為基準面進行分區(qū)域大板架建模。舾裝專業(yè)以RSO模型為參考，完成舾裝設備綜合布放、原理計算、原理圖功能模擬等工作。

圖3 RSO模型示意圖

2.2.3 結構專業(yè)一體化設計

結構專業(yè)的一體化設計主要通過3個主要步驟實現(xiàn)：1）構件的詳細設計與三維建模；2）結構強度分析校核與三維送審；3）按照審圖意見修改整體結構模型，將大模型按照分段劃分要求進行切分、出圖。第一階段的工作內(nèi)容與常規(guī)設計模式存在較大差異，常規(guī)設計模式中結構專業(yè)的詳細設計只需要繪制二維布置圖，不對結構進行三維建模；而一體化設計模式中結構專業(yè)的詳細設計以 RSO為參考面進行大板架建模，依據(jù)此模型輸出結構尺寸數(shù)據(jù)供限元分析、構件尺寸迭代優(yōu)化等使用。

船級社以三維模型數(shù)據(jù)為基礎進行圖紙有效性審查工作，較傳統(tǒng)的結構圖送審方式可顯著縮短審查周期。待結構設計方案退審后，將大區(qū)域模型進行分段切分，詳細設計階段所使用的模型可直接轉換為生產(chǎn)設計模型，負責生產(chǎn)設計的技術人員無須再次建立結構三維模型，只要在分段模型的基礎上按照圖紙要求進行完善細化即可。結構一體化設計工序流向示意圖見圖4，結構一體化設計得到的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型實現(xiàn)了設計區(qū)域結構模型的完善與切分，為后續(xù)生產(chǎn)設計的制圖工作帶來極大便利。

圖4 結構一體化設計工序流向示意圖

3 結論

本文對一體化設計模式在船舶與海洋工程領域的應用進行介紹，并對一體化設計的主要挑戰(zhàn)以實施要點進行重點分析。一體化設計模式保證了設計過程中技術信息的無縫傳遞，減少不同設計階段的重復建模工作，正確傳遞不同設計階段和不同專業(yè)間的設計信息，進而提高設計效率，減少設計錯誤發(fā)生的概率。然而，目前的設計軟件仍需要進行大量的二次開發(fā)才能滿足一體化設計的適用性需求。如何更好地實現(xiàn)一體化設計模式在整個船舶與海洋工程設計工作中的應用，還需要長期的實踐與探索。