基于三维设计软件的电缆管协同设计

黄 夏，高丽浚

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海200129）

1 前言

船舶电缆应尽量避免在易燃、易爆和有腐蚀性气体影响的场所（如蓄电池室、油漆间、直升机机库、加油站等）、易受机械损伤的场所（如货舱、锚链舱、露天甲板、舱底花钢板下等）敷设，对于必须进入或穿越这些场所的电缆，必须设置电缆保护管。目前在电缆管协同设计中，设计人员通过二维平面图样进行信息交流，经过复杂、繁琐的设计协调，才能完成电缆管的设计出图工作。

本文以电气专业与管系专业之间的电缆管协同设计为研究对象，研究在三维软件中实现电缆管协同设计的流程与管理方法；通过构建三维环境下电缆管设计管理系统，实现跨专业信息传递、模型数据转换以及设计状态管理。研究成果在实船中得到验证，表明该设计流程模式的革新有效提高了电缆管的设计质量与效率。

2 电缆管协同设计现状

目前电缆管协同设计的流程是：电气设计人员在三维模型中创建电缆通道模型并完成与结构、管系、外舾等专业间的综合布置平衡，将最终确定的电缆通道模型以CAD 二维图样形式导出，提交给管系专业协同出图。二维图样中需详细标注电缆管的安装位置、外径、材料等信息；管系专业以递交的二维图样信息和设计管理协作单为依据，在三维模型中进行二次建模，完成电缆管设计工作；电缆管设计过程中，电气专业与管系专业之间的信息传递、协调是非数字化的，只能通过一定的信息交换和协同机制，分别各自完成电缆管的协作设计[1]；设计过程中涉及到大量的沟通协调，存在诸多影响设计效率的因素，其中主要有以下两个问题：

（1）线下数据传递效率低。管系专业与电气专业之间的信息交互是循环迭代的[2]，二维平面图样只提供平面投影，无法直观反映电缆管在空间中的立体结构；协同设计过程中电气专业与管系专业需要对电缆管的结构、物资信息以及空间布置不断地进行线下交流。因此，基于二维平面图样的静态数据信息，不能保证设计的实效性与连续性；

（2）电缆管协同设计不能实现自动化、批量化。电缆管信息庞杂，如何利用电气专业已建立的模型数据信息，解决跨专业信息传递与模型快速构建，实现电气专业与管系专业的模型信息共享和重用，有效减少不同专业设计人员重复录入模型数据信息的工作量，是提升电缆管设计效率的主要因素。

3 电缆管数字化协同设计方案

目前在三维设计系统中，管系专业与电气专业以区域为对象进行建模，产生的模型数据按照区域为单位进行保存，不同专业之间的模型数据无法直接调用，因此要实现数字化协同设计，必须解决以下关键技术：产品建模、工作流程管理[3]。

3.1 电缆管协同设计技术路线

在分析三维设计软件现有技术功能的基础上，采用以电缆通道为中间对象，完善模型信息和三维建模功能，作为电气和管系两个专业间协同设计的依据。采用的电缆管协同设计技术路线，如图1 所示。

图1 电缆管协同设计技术路线图

3.2 电缆通道建模

在管路定义系统和电缆通道建模系统中，增加关联电缆管信息的管理系统：

（1）电气与管系两个专业之间的设计人员，协商添加管子系统原理定义。在管系原理中，需增加独立的电缆管系统名称并制定系统代号；

（2）电气专业增加电缆管定义功能，即在电气缆通道属性中增加管子系统的管路原理代号、材质、通径、壁厚等信息，用于保存设计人员选择管路原理记录号；

（3）电气专业根据设备的电缆型号和规格，获取电缆截面面积信息，通过管子系统中定义的管路原理，选择相匹配的管子通径大小；根据电气设备模型的三维坐标，结合船体结构、舱室属性、相关舾装件等布置情况，绘制电缆通道连接两个设备，并标识电缆在三维空间中的走向，以上信息保存在电缆通道数据结构中。

3.3 管路自动生成

在电缆通道中设定管路属性后，管系设计人员指定电气模型文件，应用程序自动搜索模型文件中的电缆通道，对通道中有标识的模型进行处理：根据管路原理号设定管子通径、壁厚，根据通道节点自动生成管子路径。在此基础上，管路可以批量自动处理，设计人员后期只需在管路上添加支架、管夹等管附件。

管系专业负责定义管路原理数据，以及交互建模界面中的控件显示（包括系统、材质、通径、壁厚）的初始化工作。

3.4 协同设计申请管理

电缆管协同设计申请管理，是为了实现专业间电缆管数据共享和技术状态管理。电缆管协同设计申请管理，主要有以下几个步骤：创建、递交、接受、新增或修改、再次递交、接受、完成；当电气设计人员完成电缆通道创建后，递交管系专业，管系专业接受并完成电缆设计，管系专业可以锁定区域电缆管提交功能，表示该电缆管设计工作已闭环。

4 功能实现及应用

基于三维体验平台，对电缆管数字化协同设计技术进行二次开发，得到可交互的电缆管协同设计系统，主要包括以下几方面：

（1）管系专业根据管路规格，在三维系统中定义管路原理；管系专业根据电缆管所在场所的环境性质，定义电缆管路的材质。如储存危险物品的场所、易受机械损伤的场所，选用无缝钢管（20#）；特殊类型电缆（如消磁电缆）需要穿越水舱的，选用无缝不锈钢管（316L）等；根据管路不同的材质，定义相应的电缆管通径范围和管路代码，以及与电缆管配套管附件等信息；

（2）电气设计人员根据电气系统图关联两个设备的电缆型号和规格，获取电缆截面面积信息；通过管系系统定义的管路原理及管路所处的环境，选择相匹配的管路属性（包括系统、材质、通径）；结合船体结构、管子管路、通风系统等各舾装件的布置情况，用电缆通道标识两个设备之间在三维空间中电缆走向，如图2 所示。

图2 电气专业创建的电缆通道

（3）电气设计人员标识已完成的电缆通道，并向管系专业提交电缆通道的模型数据，明确需要提交管系专业的电缆管的详细信息；

（4）管系设计人员在三维软件中指定电气模型文件，应用程序将自动搜索模型文件的电缆通道数据，对通道中有标识的模型进行处理，根据电缆通道设定的管路原理信息和电缆通道路径数据自动生成电缆管路径；

（5）当电缆管设计状态发生变化时，电气设计人员通过电缆管协同设计申请单标记需要修改的电缆管号，并再次向管系设计人员执行提交电缆管信息的操作，管系设计人员接收电缆管修改内容并重新生成新的电缆管路；

（6）对于弯头多、管路长的电缆管，设计人员采用电缆通道切断的方式，来约定此处需要设置气密伸缩套管；在后续的设计工作中，管系设计人员只需完成进添加弯头、支架等设计工作；电缆管的零件生成、托盘编辑以及出图出表要求和方式，与其他系统管子的处理方式一致，生成的托盘管理表和安装图也与其他系统的管子在一起，不做特殊处理；管系设计人员通过锁定该区域电缆管协同设计申请功能，表示对于该区域电缆管协同设计状态已完成。

5 应用效果

在某船的生产设计中采用了三维设计软件电缆管协作功能，进行电缆管的生产设计工作，高效完成全船34 间舱室2 568 路电缆排管设计。应用该方法不仅节约了三维数据转化二维图纸再转化成三维模型的工作时间，提高了工作效率，并且还大大提高了设计图纸的正确率。

（1）提高设计效率与质量

由于省去了二维图样转化的过程，在三维设计系统中将电缆通道直接转化为电缆管，电缆管的设计直观简洁，避免了设计人员之间的沟通，电缆管设计质量有效提高；设计建模过程中的排管修改和优化方案，电气设计师直接在三维模型中修改，并实时反馈于管系设计人员，反馈及时率提高2 倍，减少了人力资源投入和工作量。

（2）具有广泛适用性

通过电缆管数字化协同设计功能的应用，实现了从模型数据到设计过程的全新集成链路；电缆管设计建模中间状态数据全程记录、可追溯，有效实现了协同设计过程的跟踪管理；数字化协同设计流程，适用于各种不同船型的电缆管设计，具有较高的推广价值。

6 功能改进及建议

（1） 功能改进

在已实现的电缆管协同设计功能基础上,可以进一步优化该设计流程中排管申请状态管理。如在排管申请单中，增加执行步骤（新增、删除、修改、完成等过程）的状态显示，避免电缆管重复提交等问题，减少后续的交互环节。目前针对相关功能的优化正在进行研究开发，相信电缆管协同设计系统将会更加完善,为专业协同设计提供更好的技术支撑。

（2）建议

对于三维软件系统来说，跨专业协同设计模式的开发和应用具有通用性。船舶数字模式里面的项目数据基础，可以被多数部门一起分享，通过二次开发，建立更多的关系型数据库，将基础工程知识融入已有专业建模技术[4]，为今后多专业协同设计的策划与应用提供参考依据。

7 结语

在船舶大型化发展趋势下，船上特殊环境中电缆管的数量越来越多，传统的电缆管协同设计流程已不能满足大量电缆管协作设计的需求。经过实船验证，基于三维软件的电缆管协同设计，突破了专业间数据共享的障碍，省去了二维图样转换成三

维模型的过程，电气与管系专业间的协调与沟通直观简洁，并且实现了批量电缆管设计，为设计人员提供了更便捷、高效的设计操作，有效缩短电缆管协同设计周期，为有序推进电缆管协同设计提供了有力的技术保障。[5]