船舶并行协同设计平台功能构建及实现

苏绍娟，刘寅东，宋庆闯，刘晓明

(1．大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院，大连 116026;2．中国船舶工业集团公司第七○八研究所，上海 200011)

船舶并行协同设计平台功能构建及实现

苏绍娟1，刘寅东1，宋庆闯1，刘晓明2

(1．大连海事大学交通运输装备与海洋工程学院，大连 116026;2．中国船舶工业集团公司第七○八研究所，上海 200011)

随着数字化、网络化和三维化技术的发展，传统的串行设计方式已无法满足现代船舶的要求。在网络环境中实现船舶并行协同设计方式已成为必然的选择。采用在windchill平台上利用java等开发技术对船舶并行协同设计的关键技术进行研究。搭建集成平台功能体系结构，实现远程处理机制，建立异构模型，进行组织结构管理、项目计划制定、执行监督管理以及文档管理。研究的主要目的是实现船舶设计的并发性、一致性和响应性，使船舶设计模式的功效得以最大化。

协同设计;异构模型;项目管理;文档管理

0 引言

船舶并行协同设计成为21世纪公认的船舶设计方式，并行协同设计管理平台实现以数字化设计技术为核心，通过多专业设计协作，利用可视化工具实现在网络环境下对设计过程的实时监控的协作设计过程，从根本上改变船舶设计方式，可显著提高设计质量和效率。主要表现为可实现船舶设计项目组织结构管理，项目计划制定及执行监督管理，设计文档存储管理、文档的版本管理，基于船舶设计生命周期的设计图纸、文件审签流程管理，并行设计系统中异构模型、信息共享技术管理等功能［1］。

目前，作为并行协同设计的软件很多，但是对船舶设计的针对性不强。本文对在国内外企业得到广泛应用的PDM软件Windchill进行二次开发并与其他功能软件集成，完成船舶并行协同设计平台构建及功能实现［2］。

1 并行协同设计平台功能体系结构

基于PDM的船舶协同设计管理系统主要包括以下体系结构：建立一个基于网络的船舶协同设计组织结构;进行设计计划的下达、执行跟踪;实现电子设计文件集中管理并保证其受控(版本、访问权限控制)和数据的有效性、一致性;通过三维设计工具、可视化工具以及有效的并发控制机制等手段，改善船舶总体、各专业之间的设计协调效率，保证设计过程中的协调性，减少设计返工;实现基于网络的设计文件电子签审流程，提高设计流程的效率与规范化;有效管理产品设计过程中产生的大量的技术文件和数据，保证设计数据的有效性、一致性，对产品数据和相关文档进行有效组织和存取、版本控制以及维护产品数据之间的关联关系，提高信息检索效率。主要功能结构如图1所示［3］。

图1 并行协同设计功能体系结构Fig.1 Parallel collaborative design system structure

2 并行协同设计功能及实现

2.1 Web服务及远程处理机制

基于Web服务及远程处理机制的船舶并行协同设计系统主要是通过设置用户权限来实现的。

随着计算机由各自独立的工作方式向互联协作形式发展，基于异地的船舶并行协同设计成为未来船舶设计的发展趋势，不同区域和部门的船舶设计企业用户通过登录模块进入船舶并行协同设计系统。在进入系统时进行权限分层验证。登录模块要求用户输入合法的用户名和相应的密码，同时根据用户不同权限等级授予用户不同的访问权限，并防止非法用户的登录和入侵，保证PDM系统数据安全。

对于登录界面，只有设计企业内部成员被授予了权限，才能通过登录界面进入船舶设计技术研究所所内业务网页，如图2所示。

图2 系统登陆界面Fig．2 System login interface

具有所内权限的工作人员再通过权限登录到相应的专业工作科室。如某设计人员属于民船部，则他只能登录民船部，而不能登录到军船部或其他部门，这样保证了各部门信息的独立性。同样，在每个部门的每个科室又设置了各自相应的权限。如点击民船部的总体设计室，又将出现相应权限的登录界面。这样一层层递归保证了相应用户权限的安全性，达到船舶设计的保密性。

2.2 人员组织结构管理

建立船舶并行协同设计项目第一步就是有效的人员结构管理。项目人员组织结构打破原来按照职能划分的方式，建立矩阵型组织或单纯的项目型组织，从各个专业职能部门中抽取不同专业的人才组建项目组，具有交叉职能的特性。在PDM系统中，通过组织管理模块由项目负责人组建项目团队。

本文研究以一个中等规模的设计单位(船舶设计技术研究所)完成指定的船舶设计活动为依托背景。如图3所示，它由总体设计室、轮机设计室、电气设计室等各专业设计科室组成，而每个科室又由若干设计组组成，如船体设计室由总体组、结构组和舾装组组成。每个设计组由若干设计人员组成。就某个设计项目而言，可由一名总设计师负责，下设副总设计师，再下设若干专业设计组，每组设组长、副组长及组员若干。同时根据设计文档的性质为每个成员设置不同的角色。PDM系统是按照用户——角色——权限模式保证设计文档安全有序地进行，具体见2.5.3。

图3 组织结构(室－组)Fig.3 Organizational structure(room-group)

2.3 并行设计系统中异构模型、信息共享技术

船舶设计会产生各种各样的文档形式，需要相应格式的应用软件。如计算书、论证报告、说明书等需要 office软件，船舶设计计划制定需要 MS Project软件，2D以及3D图纸需要使用专业或通用的CAD软件工具，如船舶总体设计使用的Tribon M3和AutoCAD等具有一定的代表性。船舶并行协同设计平台应具有与主流船舶CAD工具进行针对性集成的功能，使通过各种CAD软件设计的船舶产品数据在协同设计管理平台中可集中进行管理。通过将Windchill与相关专业应用软件进行集成，实现对office，Solidworks，CADDS5，Tribon，AutoCAD，MS Project及可视化工具等异构平台模型和信息的共享。本文以集成三维设计工具Solidworks为例进行开发［4－5］。Windchill与 office 和 AutoCAD 的集成过程与三维集成类似又相对简单，这里不进行单独的论述。Windchill与MS Project的集成系统在2.4节中详细阐述。

通过Windchill中间件Workgroup Manager整合三维设计工具实现船舶设计产品模型结构管理。把三维模型的设计工作纳入到项目中进行管理，并建立三维模型的电子化审签工作流程管理机制，使设计完成的三维模型发布数据到Windchill中，通过整合可视化工具Productview自动将三维模型的可视化结果关联到产品目录中，进行基于Windchill的三维模型设计流程的客户化定制。

以Solidworks和Windchill构建逆向工程的异地协同设计平台为例进行研究，其他三维软件进行类似的开发设计。

Windchill PDMLink提供了Workgroup Manager for SolidWorks中间件，通过此中间件工程师能在SolidWorks工作环境直接与Windchill系统进行交换。SolidWorks通过与安装在SolidWorks端的Windchill PDMLink插件进行交换，而Windchill PDMLink插件将通过RMI(Remote Method Invocation，远程方法调用)协议与Windchill PDMLink服务器交互。在构建集成平台的过程中，依据船舶设计的特点对Windchill开箱即用的功能进行了一些定制开发，使其易用性得到了增强。

通过Workgroup Manager for SolidWorks中间件的安装及配置，在SolidWorks菜单栏会增加windchill菜单条，如图4所示。

图4 Solidworks与Windchill集成界面Fig.4 Integrated interface about Solidworks and Windchill

2.4 项目计划制定及执行监督管理

研究基于PDM平台的项目管理过程控制，将流程建模与控制项目进度有机结合起来。这样，可以从项目管理的角度分析船舶设计流程建模的合理性，同时使用流程模型指导项目管理的过程控制［6］。

2.4.1 项目计划的制定

Windchill ProjectLink为扩展产品开发团队中的所有成员提供了综合项目协作和项目管理环境。但是在计划制定这方面，欠缺了在前期计划制定的优化功能，而MS-Project是一款专业成熟计划制定软件，可有效实现计划的优化。与此同时，Windchill ProjectLink也提供了项目计划运作和团队协作功能，可以对Microsoft Project的计划编制起到补充作用。

Windchill ProjectLink与Microsoft Project是双向集成，在Windchill管理的项目协作任务的基础上，能让用户加载Microsoft Project的项目计划，安排初始的项目计划，并自动根据项目目前的进展情况重新生成 Microsoft Project计划［7］。

在制定计划的时候，只需在MS-Project中设置任务的工期与任务的前驱与后驱，不需要设定任务的开始与结束的时间。这样可以利用Project自动生成关键路径。关于最终的实行时间，在计划优化完成之后，直接赋予任务的开始时间，就可以自动生成任务各个环节的工作具体时间。

计划在执行过程中，许多任务是可以并行执行的，但是在有限的资源下，当关键任务与非关键任务可以并行执行时，要优先将资源分给关键任务，因为此时应遵守的原则是：向关键路径要时间，向非关键路径要资源。比如在计划中，可以看到“总布置图——校对”与“型线图——标检”都是需要资源“总体组员B”来完成。通过甘特图可以看到，“总布置图——校对”是位于关键路径上的任务，因此总体组员B应该优先完成“总布置图——校对”这项任务，因为只有缩短了位于关键路径上的任务时间，才能有效地缩短项目工期，达成按时完成计划的目的。

图5 计划图示例Fig.5 Plan diagram

2.4.2 项目计划的执行

项目计划的执行，是通过工作流来实现的。工作流制定过程如下：

船舶设计建造过程中的文档需要经历设计、校对、审核、标检、审定5个阶段才能归档［8］，工作流的名称为船舶文档审签流程。

其中人员的分配与确定，是在计划制定时已确定好的，根据计划来分配相关的执行人员，这样才能保证计划的严肃性和任务的统一性。在计划制定好后，可以通过计划列表，查看到在整个项目中分配给自己具体任务的汇总，在个人的工作列表中，可以查看到当前急需完成的工作任务。如在船舶液货船形变模拟装置中的“总布置图”这个任务，设计者—总体组员A、校对者—总体组员B、审核者—总体组员C、标检者—总体组员D、审定者—总体组员E，遵循计划表惟一性的原则，建立总布置图的审签小组。

图6 船舶文档审签流程Fig.6 Document workflow

2.4.3 项目的跟踪与控制

在项目执行过程中，项目负责人可实时更新自己的工作进度，之后实现信息共享。利用Windchill Projectlink将本地的工作内容实时上传，方便有需要的相关人员进行查询或者审计工作。在项目的实施过程中，可通过Windchill Projectlink中的时间轴或将Windchill-Projectlink中的计划导出至MS-Project中，利用甘特图实时监测项目的完成进度。

图7 在MS-Project中查看进度Fig.7 View progress in MS-Project

2.5 文档管理

船舶设计过程中会产生大量的文档，必须保证设计文档动态有效准确地管理，便于文档的有效实施和日后的查询工作。主要包括确定设计文档的存储和访问安全性控制，版本管理等方面［9］。

2.5.1 文档存储管理

船舶设计文档众多而且类型复杂。需要对文档结构进行有效的组织管理。本文在Windchill系统中，通过以下数据存储方案存储船舶设计文档：

1)建立文件柜。按照年份建立文件柜，方便文档统一管理，如图8中建立了2011、2010和2009年的文档资料。

2)建立一级子目录。按照研发的项目划分一级子目录，在船舶设计企业以每艘船舶的设计为一级子目录，如船舶液货舱形变模拟装置。

3)建立二级子目录。按照船体设计文件、轮机设计文件、电气设计文件等来划分二级子目录。

4)建立三级子目录。按照总体、结构、舾装、3D图纸等科室来划分。

设计文档的存储结构如图8所示。

图8 设计文档的存储结构Fig.8 Design document storage structure

2.5.2 设计文档版本管理

船舶设计过程中产生大量的技术文件和数据，设计人员相互之间进行协同工作的必要条件是保证协作数据的有效性、一致性，所以制订一套完善的文档版本管理体系是很重要的。

对于处于审核状态以下的文档，在修改过程中版本信息从A．1变成A．2，A．3等。对已经达到审定状态的文档进行修改，除版本信息由原来的A变成了B外，其他描述属性和所附文件都一样，可以重新更换所附文件，完成了该文档修改的工作。这样修改完成的文档对象还需要执行审核审批流程，文档版本的变化如图9所示。

图9 文档的版本变化示意图Fig.9 Version changes

2.5.3 设计文档的权限管理

设计文档的权限管理分为静态管理和动态管理。船舶文档大致有3种：私有文档、共享文档和归档文档，如图8所示。私有数据指PDM系统中用户个人(设计人员)工作区中的文档，是用户个人私有数据;这个时候通常只有设计人员对该文档有读取、修改权限，而其他人员没有访问权限。共享文档指在PDM共享数据仓库中的文档数据，这些数据或者是处于审签流程中的数据，或者是需要在一定范围内共享非正式数据。该阶段的文档数据的权限管理属于动态的权限管理，如图10所示。归档数据指在PDM归档数据仓库中的数据，属于正式发放的数据文档，通常这个时候项目负责人具有浏览、查询、下载、打印、复制等权限，而该项目其他参与人员有浏览的权限［10］。

图10 文档生命周期中权限的动态管理Fig．10 Rignt dynamic management in document life cycle

3 结语

并行协同设计是目前计算机和设计领域的研究热点，现代的船舶设计不仅仅是一个设计计算、图形处理的过程，而逐步发展成为一个基于网络技术，支持异地和异构的跨领域、多学科的并行协作的设计过程，该过程能达到提高设计效率缩短设计周期的目的。本文针对船舶并行协同设计的若干关键技术进行研究，在协同设计集成平台上实现船舶设计的组织结构管理、文档管理及设计项目计划制定与执行监督控制管理等技术。但是船舶设计过程本身很复杂，从实用性角度考虑本文提到的这些功能方面的研究还有待于进一步完善。

［1］刘寅东，苏绍娟．船舶并行协同设计环境及关键技术［J］．大连海事大学学报，2011，37(1)：25－31．

［2］PTC Corporation．Windchill Customizer's 6.0［EB/OL］．http：∥www．ptc．com．

［3］SU Shao-juan，LIU Yin-dong．Research on management of ship concurrent collaborative design based on PDM［A］．International Conference on Computer Science and Software Engineering，2008，19 －22．

［4］苏绍娟，刘寅东，刘晓明．基于集成平台的船舶三维协同设计流程研究［J］．武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2011，35(2)：353－356．

［5］SU Shao-juan，LIU Yin-dong，LIU Xiao-ming．Ship 3D collaboratedesign integration system research［A］．International Conference on Computational Intelligence and Security，2010 ．601 －605．

［6］李红梅，俞瑞堃．船舶项目设计计划管理研究［J］．船舶工程，2010，32(s1)：82－84．

［7］丁建迅．基于MS project的项目管理软件客户化定制及运用［D］．济南：山东大学，2006．

［8］袁华，赵耀，严俊基．基于工作流技术的船舶产品设计过程管理系统［J］．船海工程，2001，(S2)：122－126．

［9］宋晶晶．基于 PDM的船舶并行协同设计研究［D］．大连：大连海事大学，2008．

［10］沈磊，张媛，蒋平．基于RBAC的权限管理在Web中的设计与实现［J］．计算机时代，2010，(10)：49－51．

Construction and implement of function about ship concurrent collaborative design platform

SU Shao-juan1，LIU Yin-dong1，SONG Qing-chuang1，LIU Xiao-ming2
(1．Transportation Equipments and Ocean Engineering College，Dalian Maritime University，Dalian 116026，China;2．The 708 Research Institute of CSSC，Shanghai 200011，China)

The traditional serial design approach has been unable to meet the requirements of modern ship design with the development of digital，networked and three-dimension technologies．Achievement concurrent collaborative design in network environment has become an inevitable choice．Key technologies about ship concurrent collaboration design were researched through applying development technologies such as java in windchill platform．These key technologies include function construction to build the integrated platform，the establishment of heterogeneous model，remote handling mechanism，organization structure，project planning management and supervision，document management．The main purpose of the study is to achieve concurrency，consistency and responsiveness of ship design so that the effectiveness of design to maximize．

ship concurrent collaboration design;heterogeneous model;project management;document management

U662.9

A

1672－7649(2012)07－0126－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.029

2011－10－26;

2012－04－23

辽宁省科学技术计划重点项目资助(2009216009);中央高校基本科研业务专项基金项目资助(2011QN092)

苏绍娟(1979－)，女，博士，讲师，主要研究方向为船舶数字化设计及制造。