舰船动力装置数字化设计研究*

陈 军 张 涛

（海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033）

舰船动力装置数字化设计研究*

陈 军 张 涛

（海军工程大学船舶与动力学院 武汉 430033）

针对传统舰船动力装置设计中存在的问题，文章在充分研究当前国内外数字化造船技术发展现状的基础上，提出开展舰船动力装置数字化设计研究，研究构建了舰船动力装置数字化设计系统的体系结构，主要包括底层平台、集成管理环境、虚拟样机及仿真支持环境、协同设计软件支持环境及Web门户等模块，并对系统所涉及的硬件支撑平台技术、现代设计工具／平台支持技术、数字化设计系统支撑环境的研制、协同设计／应用软件平台的研究与开发、数字化设计标准和规范等关键技术进行了深入研究。通过该文的研究，将从系统层次上为舰船动力装置设计的数字化提供指导，同时也能为数字化造船技术的发展提供参考。

舰船动力装置；数字化设计；数字化造船

Class NumberU664．1

1 引言

随着现代战争对作战平台先进性要求的不断提高，动力装置的复杂程度也不断的增加，如柴燃联合、柴柴并车、喷水推进、综合全电力推进等新型动力装置开始应用或进行预先研究，从总体看，这些新型装置所需的技术在国内尚处于初步应用或探索的阶段，因而所需要的投入也相应增加，因此采取各种措施来提高动力装置的效费比以适应未来战争所需的巨大科技投入是当前迫切需要解决的问题。而提高动力装置的效费比涉及多个方面的因素，如设计、建造、维护、训练等，其中最直接、最重要的就是提高动力系统的设计水平和设计质量［1］，以实现缩短设计建造时间、降低费用，促进舰船动力装置综合性能水平的提升。

1．1 设计过程缺乏现代设计理论方法的支持

舰船动力装置的设计过程在多个任务环节（如方案设计）对设计者的经验依赖较大，缺乏现代设计理论及方法的支持，因此设计者的经验对设计质量往往产生较大的影响，设计质量往往受限于设计者的经验和个人偏好，从而成为制约设计质量提高的因素。

1．2 设计过程缺乏现代设计工具的支持

随着CAD／CAE技术的发展，动力装置在设计的局部阶段开始引入CAD／CAE技术，对设计过程起到了较好地支持作用。在虚拟现实、虚拟样机技术的发展下，各种全面支持制造业各领域的先进工具不断推出，在制造业的其他领域已经得到了广泛的应用，而动力装置设计过程还只是将处于计算机辅助工具应用的初级阶段，比如在施工设计中，通常需要在车间内按照一定的比例建造机舱的模型，要求技术人员和工人能在这个模型中安装或者拆卸同样比例制成的每个设备、管路、电缆等模型，用以检验是否一切都合理，否则进行修改，直到满足要求为止。

1．3 信息化水平较低

动力装置的设计过程牵涉到大量的数据、图纸、文件、计算书，传统的设计过程虽然局部已经脱离了纸质图纸，但在审批等过程主要还是依靠纸质图纸的方式；设计过程的信息管理混乱，特别是涉及到的部门较多，各部门各自负责自身的相关资料数据，缺乏从全局的角度对资料的管理，造成查阅检索困难；信息管理权限混乱，而设计信息多为涉密内容，因此造成较大的安全隐患。

1．4 缺乏网络化协同设计的支持

动力装置的设计过程涉及到多个阶段、多个部门，而传统的设计过程中的各部门之间相关问题的协调解决主要还是依靠专家会等形式解决，这种方式不仅费用较高，而且容易造成效率低下。计算机网络技术的发展已经能够为动力装置的设计过程提供较好的支持，因此采用计算机网络技术和并行设计技术将能较好地解决设计过程中各阶段、各部门之间的协同问题。

1．5 设计的范畴过于狭隘

传统动力装置的设计过程限定在狭义的设计阶段，而随着虚拟样机技术等现代技术的应用，现代设计的概念已经不仅仅局限于传统的设计范畴，在现代工具的支持下，设计的范畴可以延伸到制造阶段、使用阶段和维护阶段，从而在设计阶段实现对动力装置生命周期各个阶段的支持。

可见，动力装置设计的理念、理论支持、工具、方法、手段已经受到现代科技飞速发展的挑战，当前数字化技术等现代化技术在制造业其他领域已经引起巨大的变革，而动力装置的设计在设计理念、工具、方法和手段上滞后于现代科技的发展水平。本文针对当前动力装置设计中存在的问题，在充分吸收当前国内外数字化造船先进理念和技术的基础上，研究舰船动力装置数字化设计的总体框架和关键技术，为舰船动力装置设计水平的提高提供科学支撑，同时也为国内数字化造船的发展提供一定的参考。

2 国内外研究现状

2．1 国外发展现状

世界造船中心在20世纪50年代开始从欧洲转向日本，70年代转向韩国。日本用10年的时间超过欧洲发展成为世界第一造船大国，而韩国在1999年超过日本成为世界第一造船大国。从军船制造的角度来看，美国一直是军船制造最强大的国家。在美国、日本、韩国的先进造船企业中，长期以来一直致力于先进设计、制造、管理理念在生产管理实践中的广泛应用和推广工作［2～6］。综合分析相关文献，国外造船行业的发展的主要特点如下：

1）设计理念与方法不断突破创新

随着现代设计理念方法和计算机技术的不断发展，国外造船界积极吸收制造业其他领域的先进设计思想和理念，研究适合船舶制造领域的设计理论及方法，如：数字化设计（Digital Design）、计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacture System）、并行设计（Concurrent Engineering）等，这些先进设计理念和方法的应用对推动船舶制造业的发展起到了重要的作用。比较有代表性的有［7～11］：日本从20世纪80年代开始实施CIMS技术，目前大型船厂技术已实用化，在使用CIMS技术使用后，节省人工约50%，缩短工期20%；自20世纪90年代中后期开始，韩国造船业重点加强“软件”投入，通过研究应用CIMS技术，全面实施现代造船体制，取得了显著成果，如韩国大宇船厂于1991年实施CIMS后，年造船缩短约500万工时，船舶建造周期缩短3．5个月；法国DCN作为欧洲最大的军船供应商，全部采用舰船数字化设计技术，实现了各船厂间的数据共享和产品全寿命周期管理，提供了一整套产品协同设计制造解决方案，极大地提高了设计效率；美国纽波特纽斯造船厂和通用动力公司在“海狼”级、“弗吉尼亚”级核潜艇项目的研制过程中，全面采用数字化设计技术，使核潜艇的成本大幅降低，有效地提高了该型号的综合性能。

2）设计工具不断强化

现代设计制造方法需要相应的设计工具的支持，国外造船强国十分重视设计工具的开发和应用［12～13］。在专业船舶设计软件方面，具有代表性的有瑞典的Tribon、美国的CADDSS、西班牙的Foran等，这些船舶专业软件在国外的造船企业得到了广泛的应用；在通用软件方面，如CAD／CAE／CAM软件CATIA和 UG等、CAE软件 Ansys和Nastran等，这些软件有针对船舶设计的模块或者能够在船舶设计中的某个阶段得到应用，因此也被广泛地应用到船舶设计中。这些设计工具的开发和使用为更新设计理念、提高设计质量提供了强大的支持。

3）信息化程度不断提升

船舶产品结构复杂，涉及各行各业配套企业达上千家之多，零、部件达数百万件以上，生产组织机构庞大，协调困难，很难达到计划的精确管理。先进造船国家一直非常重视船舶领域的信息化建设，欧盟已明确将造船业列为“最适宜于信息技术应用的理想领域”，并积极开展信息技术的推广应用，效果显著；日本、韩国等的先进船厂也已在其生产、经营、管理中广泛应用信息技术，大大提高了造船效率。比较有代表性的有［14～15］：韩国八所大学及专业公司于2002年共同成立联合研究协会，致力研究将船舶生产信息和数字化技术相结合有效改进造船生产过程，通过该系统将造船与信息技术融合一体；日本造船协会及七大造船集团于1998年进行船舶企业的信息化研究，尝试通过网络将七大造船集团的CIMS连接起来，通过信息共享推进企业间的协同合作，为实现虚拟造船奠定一定的基础；欧盟于1999年开始通过建立企业间的网络信息化系统，推动造船虚拟企业的建立；全美六大造船公司于2000年开始研究采用能够交互的一致性定义的设计、建造过程控制方法，初步建立基于信息技术的虚拟造船企业。

4）管理手段的现代化

现代设计方法的采用、现代设计工具的支持以及信息化的全面实施对船舶企业的管理提出了更高的要求，国外先进造船企业及军方十分重视船舶设计、建造过程的管理上的改革，主要包括采办过程的改革、企业业务流程重组、组织管理机构调整、管理模式转变、生产组织管理及质量管理等方面［16～17］。美国海军部门是最早支持基于仿真的设计（SBA，Simulation Based Design）思想与采办相结合的部门，对美国国防部高级研究项目署（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）提出的基于仿真的设计给予了大力支持，并要求在未来舰艇制造中大量采用建模仿真技术。当前美国海军项目中部分应用SBA思想的有：LPD-17运输舰、DD21驱逐舰、先进两栖战车。另外美国的ASE（Advanced Shipbuilding Enterprise，先进造船企业）项目对船厂的人力资源管理、机构改革等方面分别进行了特定的项目研究，取得了明显效果。

5）全面支持网络协同设计

船舶设计过程分多阶段进行，方案设计、技术设计、施工设计；涉及到多个专业，总体、结构、轮机、电气等；需要多方参与，船东、设计所、船级社、船厂、设备厂等。随着计算机网络技术的发展，国外先进造船企业充分利用网络技术，构建时间上的多阶段、结构上的多专业、空间上的多部门网络协同设计平台［18］，如美国的国家造船研究项目实现了主要船厂的网络协同工作等。

2．2 国内发展现状

我国造船工业从20世纪70年代开始采用CAD技术使造船生产效率和加工质量有了较大地提高；80年代后期，船舶工业统一组织开发了CASIS、CADIS和 MIS等造船造机系统，有力促进了船舶企业的信息化进程；90年代中后期，中国造船企业根据自身的条件，相继引进了具有先进建摸技术的国外三维CAD／CAM系统，如瑞典的TRIBON，美国的CADDSS、法国的CATIA等，并对引进的软件进行了大量消化吸收工作；进入21世纪之后，各骨干船厂及研究所在引进国外先进设计软件的同时，积极进行与船厂实际相结合的二次开发工作，同时积极进行自主开发的研究［19～21］。沪东中华造船集团把“数字造船、绿色造船”作为企业发展的基本方针，在多年CAD／CAM／CIM开发应用及引进瑞典Tribon系统的基础上，以自我研发为主，建立了企业信息化系统，正在继续开发后续模块HDSCMIS；沪东中华造船集团于2005年开发具有我国自主知识产权的船舶产品设计（Shipping Product Design，SPD）系统，该系统基于OpenGL开发具有自主知识产权的三维CAD图形平台，已在国内数十余家船厂应用；外高桥造船自2004年引进韩国HANA公司的ADES系统和CIMS系统以来，完成了集成技术和系统平台研究；江南造船于1995年引进Tribon软件后，现已彻底实现从二维绘图模式到三维设计的转变，到2006年为止，Tribon软件各个模块主要应用于船体、舾装的设计，完成了CADDS5到Tribon模型数据的部分转换研究；广船国际已在使用一套由前国家经贸委支持开发的GSI-SCIMS一期系统，目前正在实施以SPDM为核心的GSI-SCIMS二期系统。另外中船重工集团七院、海军工程大学也针对船舶现代化设计、制造进行了大量的研究，如708所开展的船舶CAE信息链研究等。

从总体上来看，我国造船业与国外先进造船企业还是存在着较大的差距，我国专家曾经以国际通用的68个要素、340项标准评估我国骨干船厂，发现我国与世界先进水平的综合差距为15年，其中组织与管理体制的差距为18年，信息技术应用方面的差距为19年［23］。对于动力装置设计而言，所面临的问题是相同的，即动力装置作为舰船的重要分系统，同时自身又包含众多分系统，其设计水平和舰船整体的设计水平是相辅相成的，相互之间是一个共同提高的过程，因此开展舰船动力装置的数字化设计及其关键技术研究，不仅能够为动力装置设计水平的提高奠定一定的基础，同时也能为舰船总体设计的数字化提供一定的参考。

3 数字化设计总体框架研究

舰船动力装置设计是一项非常庞大而又复杂的系统工程，是多个专业子系统综合和协调的结果，具有多阶段、周期长、多专业、多部门、系统性强等特点。为了有效缩短设计周期、提高设计质量、加快设计进程、降低研制成本，突破传统设计手段和方法的限制，有效的方法是建立以数字化为核心的现代舰船动力装置设计模式，该模式以网络为平台，以Web技术为支撑，以并行理念为核心，以虚拟样机和仿真技术为基础，以信息化技术为手段，实现对舰船动力装置生命周期各个阶段的支持。通过深入分析研究现代设计理论、理念、工具和技术手段，针对舰船动力装置生命周期的特点，本文研究建立了如图1所示的舰船动力装置数字化设计系统构架，该系统在一个开放的、分布式的网络环境下，广泛采用网络技术、数据库技术、仿真技术、虚拟样机和虚拟现实技术，实现多团队、多领域、多专业信息系统之间的交互与协作，以支持并行、协同的舰船数字化设计。系统共分为五个部分：底层平台、集成管理环境、虚拟样机及仿真支持环境、协同设计软件支持环境及Web门户。

图1 舰船动力装置数字化设计系统构架

3．1 数字化设计系统底层平台

舰船动力装置数字化设计支撑平台为一个支持多个时间上分离、空间上分布，而工作又相互依赖的多专业、多部门成员之间协同工作的网络、通信、数据库与计算机平台系统。主要包括：计算机和基础网络、操作系统和保密系统、数据库、Web服务器、应用服务器和即时通讯服务器。舰船动力装置数字化设计底层平台开发是舰船动力装置数字化设计工作顺利开展的前提和保证。

3．2 集成控制管理环境

当前由于缺乏科学的数据管理手段，动力装置在设计过程中由CAD产生的电子文档无法作为设计依据，数据的技术状态得不到很好控制，各种数据又急剧膨胀，无法实现实时、动态的过程管理与质量控制，经常出现数据文件传递滞后、信息一致性和数据的安全性无法保证、文件检索和管理困难等问题。舰船动力装置数字化设计数据集成控制管理环境管理所有与舰船动力装置设计过程相关的信息和所有相关过程（包括过程定义和管理），对分布于各类系统和介质中的有关动力装置设备及部件数据信息和应用实行集成管理，保证信息的完整性、规范化以及研制管理制度科学化，实现动力装置设计数据的高度集中、协调、共享，实现各专业设计人员的并行协同工作。同时，集成控制和管理模块还为时间上分离的各个阶段以及空间上分离的各个部分提供协同工作交流的平台。舰船动力装置数字化设计集成控制管理化境主要包括：需求分析管理、文档管理、流程管理、项目管理、权限管理、产品可视化配置管理及协同工具等，是舰船动力装置数字化设计的核心。

3．3 数字化设计虚拟样机及仿真支持环境

舰船动力装置设计包括主动力装置设计、机舱设计、管路设计、动力装置自动化设计、电站及自动化系统设计、辅助系统设计等多个方面的工作。如何有效地提高设计水平、设计质量、设计效率，在设计过程中对设计结果进行实时有效的评估与控制，在动力装置设计过程中显得尤为重要。而虚拟样机及仿真技术对解决这类问题提供了有效的手段。舰船动力装置数字化设计虚拟样机及仿真技术是以计算机技术、仿真技术、虚拟样机技术和虚拟现实技术为支持，对舰船动力装置设计全过程进行仿真支持，实现舰船动力装置三维CAD设计结果在虚拟系统中的动态再现和漫游性检查，发现总体布局的不合理性，并进行修正；通过系统仿真的手段对动力装置的匹配性能、稳态动态性能及设备或部件的结构特性进行仿真分析，为设计提供依据；虚拟现实技术的交互性、沉浸感、自主性，使设计者能够方便、直观地对设计结构进行浏览与展示，提供了进行布置合理性检查、虚拟安装、设计方案的验证等，多种有效的设计手段和评估手段，增加设计的可靠性，通过虚拟样机、性能仿真及虚拟现实的方式对总体设计方案进行评估、优化，用以验证设计的正确性和可行性，保证设计结果在开始生产建造前的合理性检验。虚拟样机及仿真环境是舰船动力装置数字化设计系统的支撑手段。

3．4 数字化设计系统协同设计软件环境

数字化协同设计软件环境的建立是依据并行设计理念，采用网络协同的方式，全面利用虚拟样机及仿真技术，采用基于计算机软件平台，实现对方案论证、技术设计、施工设计、制造、使用、维修等各个阶段提供支持。协同设计软件环境的特点是“集成”与“并行”。所谓“集成”是指在信息集成的基础上，对设计过程进行优化和重组，实现过程的集成；所谓“并行”是指在同一时刻内可进行更多的设计活动，设计过程并行开展，有效地消除了由于串行过程而引起的部门分割、人员分散及信息交换障碍，在提供设计质量的同时，大大减少整个设计过程的时间。

3．5 数字化设计系统Web门户

舰船动力装置数字化设计系统Web门户为舰船动力装置数字化设计平台中所涉及到的船东、设计所、船厂、设备制造商等提供交互界面，其中所呈现的内容和信息组织形式与舰船动力装置数字化设计内容密切相关。各部门通过网络连接，实现信息的共享、工作过程的交互等内容。

4 关键技术研究

4．1 硬件支撑平台技术

为了适应舰船动力装置数字化设计过程信息量大、传递处理速度快、数据库复杂、各设计阶段模型建立修改显示响应速度快、安全保密要求高等特点，需要基础网络设备、各类工作站、各类服务器等计算机硬件平台的支持，因此需要建设具有高性能工作站、高速网络、综合通信接口、大型计算机、可视化和虚拟现实设备等数字化设计硬件支持环境。计算机网络用于连接单位和各部门，实现协同工作、信息共享、远程协助，且各单位和各部门之间采用广域网和部门内部之间局域网，图形或计算工作站以及服务器用于支持虚拟样机建模、各类仿真分析、数值计算及可视化环境建模等。图2为数字化设计系统的硬件支撑平台的结构图。在建设硬件设备环境的过程中，应注重整体的规划和选型工作，确保各单位能够在该硬件环境中能够安全、稳定、畅通的进行各种信息交互和协同工作。

图2 舰船动力装置数字化设计系统硬件支撑平台

4．2 现代设计工具／平台支持技术

随着计算机技术的发展，各种先进的设计工具／平台相继出现，为舰船动力装置的设计提供了支撑的软件平台。如各种CAX软件、VR软件、仿真软件、QFD软件等。虚拟样机技术是近年来在产品开发的CAX和DFX等技术的基础上发展起来的，虚拟样机技术的研究和应用，改变了传统的设计理念，使产品的开发由传统的“设计－样机制造－试验分析”模式走向了“设计－虚拟样机－样机仿真”新模式，这对于设计创新，改进设计质量，缩短开发周期，降低产品成本，具有重要的意义；仿真作为一种技术手段为舰船动力装置的设计提供了强有力的支持，如动力装置的性能分析、系统的稳态与动态特性分析、控制参数与控制规律的研究以及舰船的机动性能、适航性能分析等。应用虚拟样机技术和仿真技术能够将设计的触角延伸到传统设计无法到达的领域乃至到动力生命周期的各个阶段，为各个阶段提供更为直观、合理的判据，提高设计的质量。

4．3 数字化设计系统支撑环境的研制

舰船动力装置数字化设计系统面向空间上分布的各个部门（使用方、设计所、船厂等）、时间上分布的各个阶段（需求分析阶段、方案设计阶段、技术设计阶段、施工设计阶段、生产制造阶段、试验试航阶段、使用维护阶段等），是时间上并行、空间上协同的设计系统，因此，需要一个系统支撑环境实现空间上异地分布的各部门之间的协同、时间上分散的舰船动力装置生命周期各个阶段的并行，这部分内容也是动力装置数字化设计系统的核心功能模块。传统的基于局域网的协同设计环境在应用的广度和满足动力装置设计的现实需求方面已经远远不能满足要求，而现代Web技术的发展将为舰船动力装置数字化设计系统支撑环境的开发提供实现的平台。

4．4 协同设计／应用软件平台的研究与开发

目前对动力装置的各个系统和生命周期的各个阶段尚缺少专门的设计／应用软件，因此不可避免带来的问题是对设计者经验的过分依赖，对设计质量产生较大的影响。舰船动力装置数字化设计系统需要针对动力装置各个分系统、各个阶段的设计／应用软件，如针对各个分系统的设计软件，包括主动力装置设计软件、轴系设计软件、机舱设计软件、管路设计软件、电站设计软件、自动化系统设计软件及辅助系统设计软件；针对各个阶段的应用软件，如需求分析软件、方案论证软件、技术设计软件、施工设计软件、生产制造支持管理软件、使用管理软件及维修支持软件；动力装置各性能指标计算软件，包括航速性计算软件、动力性能计算软件、生命力计算软件等。而且这些软件需要在分布式环境下实现协同工作，因此需要做好统一的顶层规划，为各类设计软件制定统一的规范和标准，以便实现与系统支撑环境的集成。

4．5 数字化设计标准和规范

因此，舰船动力装置数字化设计系统的关键问题之一就是对庞大的设计、制造、管理、使用等信息的采集、管理和有效的利用，建立起动力装置性能、结构、产品标准、规范等工程数据库及资源数据库，将离散在设计、建造、使用管理部门的大量有用信息收集起来，将隐性知识转化为显性知识，对相关数据进行汇集分类、审查、配置、变更管理和提供安全保证等。目前，由于缺乏统一的接口标准、编码标准和数据格式标准，设计所与总装厂之间、总体所与设备所之间，设备所与设备制造厂之间，甚至是同一单位的不同部门之间，产品模型数据和图纸数据的交换和传递存在很大的障碍。因此，必须在各单位为适应本单位数字化设计建造需要而编制的代码、符号、接口、格式数字化定义等各种标准的基础上，集中梳理、制定一批行业级的基础标准以标准化的手段统一基本信息单元、数字化模型、接口要求。确保各方之间在代码、符号、接口格式、数字化定义等方面的统一和产品模型数据、图纸数据等的高效传递和共享。同时，船舶行业协会和集团公司应积极参与国际合作，参与有关国际组织船舶行业标准的制定完善工作，从中吸取有益的经验，促进舰船动力装置数字化设计标准和规范的制定。

5 结语

本文在深入分析舰船动力装置传统设计方法存在的问题的基础上，针对舰船动力装置设计的任务和特点，结合国内外数字化造船技术发展现状，对舰船动力装置数字化设计框架及其关键技术进行了系统深入的研究，该框架针对舰船动力装置数字化设计具有较好的适用性和较强前瞻性，能够为动力装置设计的数字化工作的开展提供系统的指导，同时考虑到动力装置作为舰船的重要子系统及其自身的复杂性，本文的研究成果也能为舰船总体数字化设计提供一定的参考，因此具有重要的现实意义和广阔的应用前景。

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Research on Digital Design of the Marine Power Plant

CHEN Jun ZHANG Tao
（Naval Architecture and Power Eng．College，Naval Univ．of Engineering，Wuhan 430033）

Based on the analysis of the problems in the traditional design process of the marine power plant and the development of the digital shipbuilding technology both here and abroad，research on digital design of the marine power plant was proposed in the paper．Firstly，the architecture of the digital design system of the marine power plant was studied which include supporting platform，the integrated management environment，the virtual prototyping and simulation environment，the collaborative design software and the web portal and other module．Furthermore，the related key technology which include the hardware support platform technology，the modern design tool／platform technology，the supporting platform for the digital design system，the development of the collaborative design software and the standards and the criterion for the digital design system were studied．In general，the research in the paper would provide instruction in system hierarchy for the digitalization of the design of the marine power plant，which could be used as a reference for the development of the digital shipbuilding technology．

marine power plant，digital design，digital shipbuilding

U664．1

2012年6月1日，

2012年7月10日

陈军，男，博士研究生，讲师，研究方向：计算机图形学、动力装置设计工作。张涛，男，硕士，讲师，研究方向：计算机图形学、虚拟现实研究。