基于模型的船舶厂所异地协同设计技术研究

王 昆 刘 兵 臧大伟 倪若杰 王 睿 吴晓军 谭 振

（大连船舶重工集团设计院有限公司 大连116005）

引 言

协同设计是指多个设计部门或专业在同一项目中相互依托、相互支持、相互配合的一种协调工作模式，可以最大程度实现资源共享和优化利用，及时发现和纠正设计错误，从而极大提高设计效率和缩短设计周期，目前已广泛应用于各工业设计领域。船舶的设计建造是一项十分复杂而又系统的庞大工程，其产品信息量大、专业集成度高、研发周期长、研制环节多，往往需要多厂所、多部门、多团队共同参与研制［1］。由于船舶研制中各参研单位之间大多相对独立封闭，为协调各参研单位，解决相互之间的沟通和信息交流等问题，参与船舶研制的各单位之间按协同设计模式进行合作势在必行。

作为船舶设计主体的总体所和船舶建造主体的总装厂分别处在船舶研制过程的上下游，彼此间既相互依托，又相互独立，存在业务竞争和知识产权保护等问题。同时总体所与总装厂之间往往地域相距甚远，造成信息数据无法及时传递和沟通。这些因素都会影响厂所之间的协作关系和工作效率，延长船舶研制周期。因此，如何重新定义总体所与总装厂之间业务关系，实施双方结构调整与资源优化，充分利用先进数字化工程研制技术，建立船舶厂所异地协同研制网络平台，实现船舶厂所之间异地协同设计，已成为现代船舶研制的必然趋势。

1 基于模型的异地厂所协同设计模式研究

1.1 并行协同设计模式探索

传统船舶设计过程是总体所完成设计、交付图纸到总装厂，总装厂进行生产设计、完成建造，这是一个串行的过程。总体所的设计过程与总装厂的相对独立，对于建造过程中的问题大多留到生产设计和建造过程中，通过技术协调和设计变更实现，造成船舶研制成本的提高和周期的延长。而在基于三维模型的船舶异地厂所协同设计模式中，可以采用预发布技术，使这一串行设计方式并行化［2］。

并行设计是指在产品设计阶段尽早考虑产品整个研制周期中各个因素的影响，全面评价产品设计，以达到设计中的最优化，最大限度消除隐患，因此涉及产品整个研制周期的各个不同部门的专家必须协同工作，在产品的各个设计阶段进行讨论，协调产品的设计任务，同时，工艺、制造，质量等后续部门也要参与产品设计工作，对产品设计方案提出修改意见。

在总体所设计过程中，根据设计的不同成熟度，将设计三维模型数据提前发布给总装厂；或者在船舶施工设计阶段，总装厂生产设计人员提前介入，在施工设计三维模型交付给总装厂之前，由总装厂设计人员根据建造过程的工艺工法要求对施工设计三维模型的可生产性进行校核，及时发现和指出总体所施工设计的问题，从而将建造过程中的主要问题在施工设计过程中就加以解决，实现总体所与总装厂在施工设计阶段的并行协同设计模式。

1.2 建立厂所异地协同设计平台

传统船舶研制过程的设计协同往往是靠人与人之间的联系获得信息，并以纸质文档或光盘为介质进行信息数据流转。通过建立符合保密标准的厂所异地协同设计平台，以三维模型数据为基础，利用PDM（产品数据管理）将三维模型数据有效管理起来，引入生命周期、工作流、消息通知、电子邮件和在线互动可视化协调系统等功能。使用直通网络和数据安全传递软件作为厂所异地协同设计信息的交流平台，可以使模型特性信息传递更具有实时性，极大地提高协同设计效率，节约流转成本。

1.3 统一编码、标准及基础资源库

编码和标准的统一是厂所协同设计的前提，为保证厂所协同设计数据信息的一致性，总体所和总装厂在设计过程中需要协商约定，形成统一的设计编码，在界面分工、数据传递、IPT团队管理、基础环境相关方面统一管理和技术约定标准。

基于三维模型的船舶厂所异地协同设计的基础是统一基础资源库。厂所双方根据约定，建立统一的双方都能认可的船、机、电、舾等各专业标准资源库。统一的基础模型库和产品模型，可以减少总装厂重复建模的工作量，排除因总装厂重复建模导致的厂所模型不一致的风险。

1.4 组建厂所协同设计IPT团队

IPT集成产品协同团队（Integrated Product Team）是厂所协同设计的基本组织形式，在传统的船舶设计过程中，总体所和总装厂按照各自单位管理职能由高到低分别构建金字塔状的组织结构。其优点是各部门职能清晰，流程有序，便于管理，但缺点是厂所之间以及各部门之间协调困难，难以沟通。在组建船舶厂所异地协同设计IPT团队时需要厂所双方打破单位组织限制，按照设计产品划分，由多专业跨部门的专家和技术人员组成一种能够高效开展产品设计的矩阵式动态协同设计团队。

2 基于模型的异地厂所协同设计模式探索

大连船舶重工集团为适应数字化制造在船舶建造的应用，在基于厂所协同设计研究的基础上，开拓思路，创新设计模式，与某总体所合作开展了厂所协同设计的技术路线探索。首次基于3DE体验平台开展厂所协同，确定基于同一平台的厂所协同机制，形成统一数据源的厂所协同研制模式。在技术上突破厂所协同的关键技术问题，通过对协同设计标准、设计编码命名规则进行统一，初步验证面向建造的三维模型交付路线的可行性，实现模型特性信息的一致性和互通性，避免相关冲突的同时减少厂所双方不必要的重复劳动。

2.1 建立厂所协同设计IPT团队，统一协同设计标准

厂所协同首先要打破厂所之间单位组织限制，开展了基于三维模型的厂所异地协同设计，联合组成厂所协同设计IPT团队，包含设计、工艺、信息化人员，覆盖总体、船体、机械、电气、舾装、IT技术等全专业（参见图1），迈出了探索基于三维模型的船舶厂所异地协同设计模式的第一步。

图1 IPT团队组织构架

根据厂所各自现有的资源情况，经过双方协商，在厂所协同设计界面分工、数据传递、IPT团队管理、基础环境相关的管理和技术约定等方面的标准进行统一。

经过近一年的测试和研究，厂所协同设计IPT团队完成了标准和基础资源库的统一、各专业面向建造的建模、三维模型直接交付、三维工艺设计等工作，有效提升了产品研发效率和设计质量。

2.2 借助三维设计软件规划装配层次，统一设计编码命名规则

根据三维设计软件的架构特点，将装配的层次规划为结构树形式，主要分为4级。装配的根节点、总体专业代号与总段划分代号、节点类型、专业代号等如图2所示。由于总体所与总装厂设计与建造范畴存在一定差异，在模型编码中，需要融合设计与建造双方信息，统一完善编码规则，以实现双赢管理。在厂所协同设计中，按照专业特点进行如图2所示分类编码。

图2 协同产品装配结构树

2.3 依托三维设计软件建立符合厂所协同需求的模型库管理文件

模型库管理文件作为三维设计软件中保证模型唯一性、正确性和规范性方法之一，是用于模型进行库管理的一种重要的特殊数据形式，主要用于对各类库模型进行分类存放、可视化管理、组织、维护与使用。在厂所协同设计中，将国家标准、通用行业标准、特殊行业标准等船舶领域的标准零件按照专业分类建模，形成标准基础库及对应的调用管理文件，避免了重复建模、错误建模等问题，实现快速、高质量地设计和布置目标。

依托PDM开发公共资源库管理系统，将基础资源系列化、流程化、平台化管理，实现管理过程规范化、透明化、精细化，有助于产品协同设计，提高未来产品设计效率和质量［3］。

2.4 实现三维工艺设计

总装厂基于总体所提供的三维模型继续进行三维工艺设计、生产制造后处理等工作，不需要再重复建模，有效缩短了设计周期，提升了研发效率。基于3D体验平台，总装厂把收到的EBOM模型进行转换生成对应的MBOM。EBOM模型是仅包含厚度和材质信息的几何模型，并不包含坡口、余量等生产信息，在生成MBOM之后，可以对生产信息进行添加。

把每个零件所应该具有的生产信息添加完整后，继续进行生成零件XML文件的工作。XML文件是一种通用的文本格式文件，通过固定的数据格式描述了零件所包含的各种信息，例如板材零件的板厚、材质、质量、方位、外形轮廓、开孔、划线、坡口、余量等信息，型材零件则是规格、材质、长度、端切、逆直线、坡口、和余量等信息。部分三维设计软件本身并不包含套料模块，XML文件可以作为输出数据源供其他套料软件直接使用或经二次开发转换成其它格式文件供相应套料软件使用。

3 MBD技术在厂所异地协同设计应用研究

MBD（Model Based Definition）技术也称为三维定义技术，是以集成的三维数字化模型为核心来传递产品定义信息的方法，是三维设计发展的必经之路，也是三维模型取代二维工程图作为加工制造的唯一数据源的核心技术。MBD技术已在航空航天领域得到较好的应用，极大提升了航空航天产品研制水平，但由于船舶协同研制较为复杂等特点，MBD技术在船舶研制领域还处于探索和试验阶段［4］。

随着未来MBD技术的不断发展和数字化工程技术在船舶协同研制中的深入应用，MBD技术势必将会在船舶研制过程中广泛使用，设计模式也必将升级为基于MBD技术的船舶厂所异地协同设计模式，以产品数字化定义（MBD）的单一数据源为基础，建设数字化标准规范和基础资源库，使船舶所有的设计、建模、工艺、制造、检验过程具有统一编码的数字化标准系统，从而实现船舶总体研制过程中的数字化设计、制造和管理，推动船舶研制模式的数字化变革。

4 结 语

随着船舶行业信息化技术的迅速发展，全三维数字化设计成为当前船舶企业设计制造新的发展方向。和现有协同模式相比，新模式以三维模型交付的形式打通施工设计和生产设计的数据流，总体所和船舶总装厂基于同一套数字样船开展协同设计，采用精细化的前端设计后，虽然在设计端增加了大量的建模和协调工作量，但从整个工程研制角度看可以带来更多的后期效益，避免重复建模的同时，大幅减少后期因实际工程设计考虑不周和工艺变化带来的工程变更，从而缩短研制周期，减少产品报废率，节约制造成本。本模式推进了数字化设计在船舶行业的全面应用，满足智能制造的需求和发展趋势，可有效提高我国船舶企业设计效率和产品质量。

本文提出的协同设计模式侧重于厂所异地协同的研究，但是由于该模式以单一数据源为基础，从始至终研制人员都是面对同一个模型进行数字样船的设计和完善，最终交付的制造数据和数字样船数据也是同一份，因此本文提出的协同设计三维技术平台同样可以解决基于并行工程的多专业协同设计过程中需要兼顾的空间干涉、规范限制、施工成本、工艺实现等方面的问题。