基于3DE平臺的船舶模型數據分析

摘要：為避免因模型數據量過大造成數字化設計的系統性風險，結合船舶設計特點，系統梳理了3DE平臺系統架構具體組成。從設計流程入手指出模型數據存儲位置，以明確研究對象。為深入分析模型數據演變規律，結合二次開發建立了具體監測方法，首先以典型艙段為對象獲取設計模型數據變化趨勢，為工程設計提供技術基礎。然后分析了數據量、參考零件數、打開耗時隨設計不斷推進的變化，研究表明模型數據量管控關鍵在于全船的基礎庫設備和船體結構設計數據。最后，詳細闡述了船舶數字化設計管控措施，可有效加快數據流轉和提升設計效率。研究結果有利于設計人員深入管控船舶模型數據。

關鍵詞：3DE平臺；船舶；數據分析；二次開發

中圖分類號：U662.9""""""""""""""" 文獻標志碼：A""""""""""""""""" doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2025.01.003

文章編號：1006-0316 （2025） 01-0016-06

Ship Model Data Analysis Based on 3DE Platform

Abstract：To avoid the systematic risk of digital design caused by excessive amount of model data， combined with the design characteristics of large ships， the specific composition of 3DE platform system architecture is systematically sorted out. Through the design process analysis， the storage location of model data is pointed out to clarify the research object. In order to further analyze the evolution law of model data， a specific monitoring method is established combined with secondary development. Firstly， the change trend of design model data is obtained by taking typical cabin as the object to provide technical basis for engineering design. Then， the changes of data volume， reference parts number and opening time with the continuous advancement of design are analyzed. The research shows that the key to the control of model data volume is the basic library equipment and hull structure design data of the whole ship. Finally， the control measures of digital design for large ships are elaborated， which can effectively accelerate data flow and improve the design efficiency. The research results help designers to control large ship model data.

Key words：3DE platform；ship；data analysis；secondary development

隨著數字化技術的快速發展，船舶行業通過先后引入CADDS5、FORAN、3DE平臺等軟件，取得了一系列技術成果，正在向以模型為主要技術責任載體的新模式轉變。船舶總體三維設計是對總體技術狀態的數字畫像，是艦船研制過程中的重要關鍵環節。模型正成為船舶設計的重要基礎資源，更是新一代技術賦能和創新突破的重要生產要素。模型以數據的形式在設計過程中流轉，并最終存儲在服務器中。在當前船舶研制過程中，甲方在設計范圍、設計深度、建模精度等方面提出了更多和更高的要求，大幅增加了精細化設計模型體量。模型數據量過大一方面會降低服務器運行效能；另一方面不利于設計過程中的數據流轉，從而影響設計效率，嚴重時甚至出現調取模型失敗的現象。

隨著新興技術的不斷發展，數字化轉型正成為船舶行業的重要趨勢。船舶行業必將順應新形勢和新變化，著力構筑數字化設計基礎設施，提升基于模型的設計效率和研制能力。面向船舶設計，模型數據量演變伴隨整個設計過程，模型數據量的管控措施決定其總體設計的優劣和效率。通過單一的服務器硬件擴容難以滿足效能提升，而涉及船舶設計模型數據分析和管控相關文獻未見報道，有必要充分掌握模型數據的存儲機制和演變規律，制定相應措施以規避設計風險，從而有條不紊的推進船舶設計。

1 系統架構及數據存儲

船舶設計數據規模大、結構復雜，對設計工作的效率和質量影響顯著。3DE平臺作為當今一款主流通用設計軟件，技術特點鮮明，應用較為廣泛。本文以其作為基礎工具，結合船舶設計特點，按照工程常規程序，開展建模工作，充分測試數據增長規律，探索與之相適應的管控模式。

3DE平臺系統架構由數據層、邏輯層和應用層組成，如圖1所示。其中，數據層包含數據庫服務器和FCS服務器，平臺數據庫服務器基于Oracle數據庫，存儲了對象屬性信息、關聯關系和模型裝配關系等數據。FCS服務器用于3DE平臺的文件存儲服務，以物理文件形式對模型、圖片、文檔等進行管理和存儲，并提供訪問功能。邏輯層包含3Dpassport、3DSpace、FTS、許可服務器、3DDashboard和Apache服務器，3DPassport服務器為3DE平臺提供身份認證和單點登錄（SSO）服務。3DSpace服務器是3DE平臺功能集成的主系統，主要用于創建和管理協作區，可進行協作區內數據的交互以及為其它服務提供業務接口。FTS服務器將大量的信息或數據進行組織和結構化，以便于檢索操作，具備將數據進行索引緩存的功能。同時作為平臺系統的搜索入口，提供平臺的搜索服務。許可服務器為用戶提供軟件許可。3DDashboard服務器將信息從多種來源引入一個可自定義的web頁面，通過配置不同的權限，可查看不同的看板。Apache服務器用于3DE平臺的負載均衡、集群化管理、服務與服務之間的通信交互，確保數據交互的穩定性。應用層包含一系列用戶工作站，用戶通過工作站訪問服務器集群從而實現對三維模型數據的讀寫操作訪問，操作訪問有C/S和B/S兩種數據訪問模式[3]，其中，C/S數據訪問模式作為用戶的常用模式，主要完成三維設計、建模仿真、虛擬驗證、導入導出等數據創建工作；B/S數據訪問模式則基于Enovia實現組織創建、角色定義、項目管理、計劃管理、流程和變更管理、權限控制、版本管理等，并提供對同一數據源下的三維模型實施多人在線評審。

在船舶設計過程中，涉及總體、船體、舾裝、輪機、電氣等專業，除總體專業提前開展型面創建與光順外，各專業基本采用基礎資源配置，標準件創建并掛結構樹，原理圖繪制，船體結構建模，三維設備、舾裝件布置，三維管路、電纜綜合放樣的技術路線[4-12]。由于船舶總體設計周期長且復雜度高，導致設計不是一蹴而就，始終處于反復迭代的狀態，船、舾、機、電等專業并行展開，不斷對設計模型進行新建、修改、刪除等操作。伴隨船舶總體設計的不斷推進，大量的文檔數據、幾何模型、節點關系、屬性信息、索引鏈接等信息不斷產生。其中，基礎數據、節點關系、屬性信息和標注信息存入數據庫服務器，設計表、原理圖和幾何模型等存入FCS服務器中，如圖2所示。通常而言，幾何模型對數據量增長貢獻程度最高。3DE平臺采用參考＋實例的架構方式，二者屬性信息相互獨立，即各專業設計使用基于庫的“引用”，使得設計模型數據量僅與參考模型數據量相關，跟引用的次數無關，從一定程度上有效限制了項目模型數據量。

2 模型數據量監測分析

船舶設計模型數據本身具有準確性、完整性、一致性、可擴展性等特點，而其產生存在目的性、創造性、迭代性、多樣性等。為了開展種類繁多、與日俱增的數據分析，以某船舶為例，選取設計前期的近半年設計模型數據變化為對象，開展一系列監測分析。

2.1 監測分析方法

在3DE平臺中，船舶設計模型基于結構樹進行組織和管理[13-15]，結構樹呈樹狀層次，其根節點表示船舶產品，下分各級節點分別表示總段、區域、專業、零部件等。整個產品結構樹不僅描述了船舶各系統和專業的詳細構成，也反映了全船結構、設備、管系和電纜等零部件的裝配關系。

主要監測模型數據量、打開耗時、引用參考零件數等指標。模型打開耗時從選擇結構樹節點打開模型操作起計時，到打開進度條運行結束來計算，涉及后臺遍歷、服務器搜索、依次打開、可視化呈現等處理，由于結束時間具有不確定性，利用函數PLMOpenService（）自動獲取進度條運行結束的時間點，通過二次開發封裝成模型打開計時器，只需輸入起始時間即可。同時，打開耗時受網絡帶寬、在線操作人數、客戶端配置、客戶端運行狀況等影響，采取對同一模型對象在空閑時段、相同配置的客戶端分別進行三次打開計時，然后求平均值，空閑時段一般在每晚十點至第二天早上八點之間。

模型數據量按模型文件占用存儲空間大小來表示，以吉字節（GB）為單位。為查詢模型數據量大小，在模型打開狀態下，點擊羅盤北象限進入Collaborative Lifecycle模塊，在工具

欄中依次選擇【Lifecycle】→【Duplicate】按鈕，系統自動彈出Duplicate對話框，對話框中顯示對應模型的數據量大小，完成后點選【Cancel】按鈕否則會造成數據備份。為獲取設計模型引用的參考零件數，通過程序開發，遍歷所屬全部結構樹節點，檢索出對應引用的參考模型，最后經查重統計出參考零件數。

2.2 模型數據演變規律

為提前掌握設計模型數據變化規律，選擇典型艙段進行三維設計，涉及總體型面、船體、設備、舾裝、輪機、電氣等專業。通過對典型艙段設計全程連續跟蹤監測，由于模型數據量和參考零件數對打開耗時影響較大，定義單位數據量耗時和單位參考零件數據量為評價指標，單位分別為s/GB、s/個，分析相關變化規律如圖3所示。在典型艙段的設計過程中，各專業模型單位數據量和單位參考零件數耗時均呈線性增長趨勢。相對其它專業模型，船體結構SDD單位數據量耗時顯著增加，其單位參考零件數耗時更長。

以圖4所示球扁鋼端切標準件模型為例，建模參數共計26個，其中18個用于前端總體設計，8個服務于后端制造。可見船體結構建模要素、表達細節和幾何特征多，對數據量貢獻更大。而3DE平臺向結構專業提供了結構基礎設計模塊（Structure Function Design）和詳細設計模塊（Structure Detail Design），分別支持板殼結構和三維實體兩種方式建模，而板殼結構數據量遠遠低于實體結構。可在設計前期采用板殼建模以響應技術狀態頻繁迭代，待技術狀態固化后轉換生成三維實體結構，從而充分發揮平臺效能。伴隨項目的持續推進，模型數據量不斷增加，打開耗時會越來越長，建模效率降低。原因在于各系統、專業建模范圍更廣，粒度更細，使得結構樹節點增多，模型數據量增大，導致遍歷搜索、依次打開模型等操作時間加長，打開耗時隨之增加。對于船舶設計的體量而言，模型數據量持續增加可能導致最終無法打開模型，難以滿足設計需求。通過典型艙段各專業測試和二次開發程序部署測試，解決并驗證了船體結構構件批量建模、開口、修改、檢查等可靠性和實施效率，形成了設備建庫、支吊架設計等模型輕量化技術方案，實踐、摸索、驗證了3DE平臺對船舶全流程精細化設計的適用性，為基于模型的船舶設計推廣應用奠定了堅實的技術基礎。

通常而言，提升建模效率主要有增加硬件資源和管控模型數據量兩種途徑。硬件資源涉及網絡帶寬、服務器配置、客戶端顯卡和內存等，目前服務器和客戶端等硬件配置已接近頂配。同時受資源使用情況、多人并發、線路衰耗、信號衰減等多因素影響，通過系統硬件擴容提升建模效率的途徑比較有限。因此，在滿足設計需求的前提下，通過管控模型數據量是提升建模效率的必須途徑。迫切需要制定合適的劃分原則，有效控制結構樹層級，實現產品結構樹扁平化，通過區段選取相應模型，盡量避免設計出現系統性風險。

結合船舶設計情況，開展設計時搭建按總段劃分的結構樹，其中，設計總段對應包含設備、船體屬具、表面覆蓋、絕緣、管路、通風和電纜通道等專業。為分析各專業模型的數據量對打開模型的影響，由于總體要素、表面覆蓋、絕緣和電纜通道等節點數據極小，設計初期各專業設計未全面展開，從設計中期連續監測了結構、基座、設備、管路和通風等專業的模型數據量、零件數以及對應打開耗時，如圖5所示。從圖5來看，設備和結構SDD的單位參考零件數據量較大，表明設備和結構專業模型在全船數據量中占比較高。前期各專業模型單位數據量耗時分布較為發散，尤其在第7周，由于部分管路和通風所屬濾器和閥組以附件形式納入，導致打開耗時較高，之后將兩者納入設備專業。進入8周后，各專業模型單位零件數據量和單位數據量耗時基本趨于穩定。

從上述模型數據分析來看，數據量管控重點在于控制全船的設備和結構數據，前期管系的數據規模較小。但隨項目的不斷推進，專業范圍趨于全面覆蓋，設計深度更細致、設計水平更精準，管路系統最終會完成儀器儀表、管支架、安裝緊固件等精細建模，從而大幅增加數據量，其中，設備、閥附件的數據量主要受基礎庫模型數據的影響，需在基礎庫模型表達細節與設計效率間之間尋求平衡。盡管當前數據分析對象還未涉及全船，已經凸顯數據規模大，打開耗時長，必須建立合適的分區分類措施才能完成全船設計工作。

3 數字化設計管控措施

從設計模型數據量分析來看，有必要規避船舶數據量過大帶來的風險，為此，在設計過程中建立相應管理措施，具體如下：

（1）結合船舶具體產品特點，根據實際規模、交付形式、后端建造等需求，構建數字化設計方案，確定項目推進模式和專業分工，形成以頂層文件為核心，以建庫建模約定、標準作業程序和質量控制約定為支撐的頂層文件體系，建立完整的數字化協同設計工作流程，為項目實施提供頂層指導；

（2）加強項目組織管理，對設計人員設置合適的設計權限，確保只有授權人員才能訪問和修改相應專業模型數據。設計過程實施服務器定期數據備份，防止設計數據丟失。對于刪除、誤操作等產生的數據信息，由專人負責清理，保持模型數據的整潔性。

（3）為有效指導設計人員規范操作，項目組應指定經驗豐富的設計師編寫和錄制標準作業流程，確保整個項目遵循一致的建模標準和規范，提高設計效率并減少出錯率。對完成的設計任務進行質量審核，檢查設計模型的完整性和準確性。

（4）通過對不同層級結構樹操作效率監測來看，結構樹打開耗時受零件數影響較大，而層級過多的結構樹理論上相當于把模型切分得更碎，必然帶來零件數量的增加。設計過程的結構樹應充分考慮正向設計的快速迭代，結構樹層級多不利于系統快速迭代，需對設計結構樹進行扁平化處理。扁平化的結構樹能夠明顯減少數據關聯及引用上下文的層級，從而提高模型數據的使用效率。

4 結論

（1）隨著船舶行業數字化轉型的深入，基于模型的船舶設計技術正成為大勢所趨。有必要根據產品數據規模，構建合理的平臺系統架構，提高服務器使用效能。

（2）經典型艙段設計模型數據量監測分析，在設計過程中，模型數據量和打開耗時呈不斷增長趨勢。在硬件配置確定的條件下，構建有效劃分的船舶結構樹是提高設計效率的有效途徑。

（3）結合船舶產品特點，有必要形成一套與之匹配的設計要求、規范和流程，建立模型數據量定期監測和管控機制，化解數據量大等問題造成的技術風險，有效加快數據流轉和提升設計效率，從而穩步推進基于模型的船舶正向三維設計。

參考文獻：

[1]邵開文，馬運義. 艦船技術與設計概論[M]. 北京：國防工業出版社，2005：1-20.

[2]徐青. 艦船總體設計流程分析[J]. 中國艦船研究，2012，7（5）：1-7.

[3]王充，金敏捷，鄒夢瑤，等. 基于CATIA V6的船舶模型數據協同管理技術研究及應用[C]. 數字化造船學術交流會議論文集，2018：113-116.

[4]盧永進，林銳. CATIA V6船舶三維設計實例[M]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2016：74-157.

[5]盧永進，朱進，李濤濤. 基于CATIA V6的船舶結構建庫方法[J]. 中國艦船研究，2016，11（6）：35-39.

[6]盧永進，吳波，林銳，等. CATIA V6三維設計輪機建庫關鍵技術[J]. 機械，2016，43（8）：23-26.

[7]盧永進，宋一淇，林銳，等. 基于CATIAV6的船舶管路三維設計研究[J]. 艦船科學技術，2016，38（12）：83-86.

[8]倪海參，汪學鋒. 從CATIA到TRIBON的板架結構數據轉換方法[J]. 中國艦船研究，2012，7（5）：66-70.

[9]楊文博，韓華偉. CATIA二次開發技術在海洋工程管路設計中的應用[J]. 船舶標準化工程師，2016（6）：25-28.

[10]馬帥. TRIBON軟件在船舶管路設計中的應用[J]. 廣東造船，2009（1）：83-84.

[11]盧永進，吳波，李濤濤. 基于CATIA V6的船舶風管數據分析[J]. 中國艦船研究，2017，12（2）：57-62.

[12]盧永進，吳盛，汪敏. 基于CATIA V6的船舶電氣設計研究[J]. 船電技術，2016，36（9）：34-36.

[13]史肖飛，官曉東，張志剛. 基于模塊的民用渦槳支線飛機裝配結構樹研究[J]. 飛機設計，2019，39（4）：52-55.

[14]屈衛剛. 跨產品結構樹的產品工裝數據組織與關聯設計方法[J]. 航空制造技術，2017（9）：71-74，78.

[15]李雁，單小芬，曾芬芬，等. 船舶鐵舾產品結構樹構建方法研究及應用[C]. 2019年數字化造船學術交流會議論文集，2019：119-122.