船舶与海洋工程一体化设计标准部件库建设

曹先锋，张园园，白 杨，孔国照，姜雨平

（招商局重工（江苏）有限公司，江苏南通 226116）

0 引言

高端船舶与海洋工程产品的研发和设计离不开先进的数字化设计工具与方法。高端船舶与海工产品对技术性能要求的不断提高，使得设计工作愈发复杂、设计过程的连续性要求越来越高。应用一体化设计思想完成各专业间协同作业，实现各个设计阶段无缝衔接，实时消除设计错误与误差，是切实提升设计效率与质量的有效策略。

传统船舶与海洋工程产品的设计过程一般可分为初步设计、详细设计与生产设计等3个阶段，各阶段使用不同的工具进行设计，数据输入与输出相对独立。随着计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术与网络技术的发展，一体化设计模式被提出并得到实践。一体化设计过程采用统一的数据源，各设计阶段采用统一的模型，前道设计流程的数据会自动传递给后道流程使用。由于采用统一数据源的模型进行协同作业，后道设计流程的设计人员很容易参与到前道设计过程中去。这种新的设计模式改变了传统设计模式下工作内容与产品数据相对割裂的状态，使得不同设计阶段的工作内容与成果数据得到了充分融合，进而提高了设计效率、降低了设计错误出现的概率。一体化设计方法的应用对现有的设计管理方式、设计管理工具及设计标准体系的改进提升也提出了新的要求。对于设计标准体系而言，满足3个设计阶段的适用性要求，同时建立能够将各类数据进行综合管理的一体化设计标准部件库成为核心需求。

1 一体化设计标准部件库介绍

根据一体化设计的特点进行一体化设计标准体系的建设是决定一体化设计工作能否成功的重要因素，而建设适用于一体化设计的标准部件库是一体化设计标准体系中的核心工作。一体化部件库包含全设计实体要素，如系统/设备属性表、各类符号以及三维模型等，方便各设计阶段中的信息交流。

1.1 一体化设计标准部件库现状

本文所述的标准部件库在其他行业的应用中也常被称为零件库或元件库，这里统称为标准部件库。当前国际上比较流行的三大标准部件库为 Cadenas、Traceparts和Strack Norma，国内有3D Source标准部件库。

船舶与海洋工程行业采用的各大工业设计软件大多提供了部件库的功能，如沪东船厂的国产软件，可提供很多标准底座库以及各种类型的参数化建模方式，方便用户快速建模调用。国外大型工业设计软件，如AVEVA Marine、CATIA和Smart 3D等也都可提供标准部件库功能。

1.2 数据分类标准

船舶与海洋工程产品设计工作常用物料基本可划分为5类：1）原材料，如板材、型材、管材等；2）通用标准件，如弯头、变径等；3）标准舾装件，如导门、门窗等；4）设备类，如主辅机、吊机等；5）自制件，自制件通常形状复杂，多为工厂标准。

各款软件对标准部件库的功能定位各不相同，导致其分类多有差别。大部分软件仅仅提供了各种标准件的部件库，当前主流工业设计软件对部件库数据的分类标准不统一，不能完全满足各设计阶段中的使用需求。

1.3 数据异构

一体化设计要求标准部件库能满足初步设计阶段、详细设计阶段与生产设计阶段的使用需求。不同设计阶段对模型数据的使用需求存在一定差异，初步设计阶段的需求多为文字或表格描述；详细设计阶段对数据的需求更加细化，要提供各个部件库内物料的原理图和符号；生产设计阶段则需要提供三维数字模型。标准部件库的数据随着设计过程不断丰富和完整，逐层满足一体化设计的需求。

当前主流工业设计软件普遍存在2个问题：1）无法完整提供所需数据，且数据格式差异很大，异构现象特别严重，格式转换频次过高，不能很好地实现设计过程同步；2）数据关联度不够高，各类数据基本独立存在，单个种类的数据为了实现某特定功能而存在，数据间关联度不足。

1.4 数据共享与作业协同

建立标准部件库的初衷是实现不同设计项目间的数据共享与作业协同，以便工程师在设计过程中选用，通过数据复用，提高设计效率。当前各类免费及收费部件库基本只提供单向服务，由部件库服务商提供部件模型给工程师使用。在船舶与海洋工程行业，部件库开放和共享的进展更加不如人意，各个公司在软件供应商的协助下分别建立部件库供本公司技术人员使用，尚未实现内外协同与数据共享。

2 一体化设计标准部件库设想

标准部件库在内容、架构和使用方面均要满足一体化设计的要求。在内容方面，一体化设计标准部件库要能满足船舶与海洋工程的设计要求，要能有条理地覆盖工程所用物料的所有分类；在架构方面，一体化设计标准部件库要制订统一的标准分类目录和管理标准，要能提供不同设计阶段、不同设计专业与不同设计参与方均能使用的协同工具；在使用方面，一体化设计标准部件库要适应船舶与海洋工程的设计习惯。

2.1 一体化设计标准部件库的内容

1.2节提到，船舶与海洋工程产品设计工作常用物料基本可划分为原材料、通用标准件、标准舾装件、设备类和自制件等5类，这些物料数据在标准部件库中通常有多种存在形式以满足不同设计阶段的需要。

标准部件库中还有一个很特殊的分类，即连接类，其在一体化设计部件库中非常关键，主要作用是将各类模型在二维原理图和三维模型中按逻辑需求连接在一起。

2.2 一体化设计标准部件库的架构

各设计阶段对标准部件库的性能要求见表 1，在标准部件库的构成设计方面，需要将每个专业设备对应的标准库分成3类，分别对应3个设计阶段。

表1 各设计阶段对标准部件库的性能要求

标准部件库的架构设计要考虑国家标准、行业标准、各个项目的特点以及各个制造基地的适用性。数据结构需采用多层次的架构，各层分开管理，以便标准部件库的后期维护和用户查询。

在标准部件库的设计过程中，需要一个统一的管理平台来管理各类设计标准，以便利设计人员更好地从平台提取标准部件库的信息，并转换成设计软件可使用的格式。此外，还可将设计过程中制作的部件上传到平台供其他技术员使用。

2.3 与建造规格书及系统原理相对应

目前大部分设计软件对部件或零件的调用方式基本采用直接将三维模型数据调入待设计的三维空间中的方法。这些三维模型虽然提供了定位基准数据，但与管线的连接点并未进行有效定义，调入模型后，模型只是作为一个三维部件存在于设计空间中，但其与其他模型之间缺少连接逻辑定义。在三维一体化设计过程中，类似的连接逻辑定义信息需要始终存在，并且随设计过程不断转换，所以必须根据不同的部件分类，以提供不同的逻辑连接表达方式。

标准部件库需要提供一个与系统原理相对应的部件数据归集方法，在建模前，按照系统原理图先将要用的各类二维与三维模型进行归集，便于在后续设计过程中实现对建造规格书的阐释。

3 一体化设计标准部件库的方案

一体化设计的根本思想是基于统一数据源完成跨阶段三维设计工作，一体化设计的标准部件库需要选择一个在船舶与海洋工程工程行业上市场占有率较高、二次开发性较好、有平台化特征的三维设计软件作为基础数据库。因此，本文选用AVEVA Marine软件作为实现一体化设计标准部件库的开发工具。

AVEVA Marine软件是一款大量应用于船舶与海洋工程领域的工业设计软件，软件的架构包含船体部分和舾装部分。舾装部分提供了专门管理元件库的模块Paragon，本文在此基础上进行二次开发，建设符合设计需求的标准部件库。

3.1 架构建设

根据一体化设计的需求，本文从以下3个方面建设标准部件库的架构：

1）整体架构，整体架构从全局上搭建部件库的结构。

2）内容架构，内容架构对部件库的具体分类和每个部件的构成进行说明。

3）使用构架，使用架构对部件库内容的构成技术和软件使用进行说明。

3.2 整体架构

本文在AVEVA Marine软件Paragon模块的基础上对一体化设计标准部件库进行二次开发，如图1所示，标准部件库的整体架构可分为4层：1）第一层为与国家标准和行业标准一致的各类标准库；2）第二层为主要产品线的标准库；3）第三层为各制造基地标准库；4）第四层为各实际项目标准库。

图1 标准部件库的整体架构

3.3 内容架构

标准部件库可分为原材料库、标准件库、参数化模板库、设备库、自制件库、连接件库和代码类库。原材料库主要是指板材、型材和管材等各类常用原材料；标准件库是指各类国家标准或国际标准零件，但不包括进行复杂组装了的标准件；参数化模板库一般是指进行了复杂组装的各类标准件，包含符合企业标准的标准零件；连接件库是指为了方便在二维原理图与三维模型之间表示逻辑连接关系的特殊的零部件，如焊接坡口、管附件、设备连接点和电器连接点等；代码库是一种特殊的分类，无法用模型来表示，但可方便地用脚本语言进行描述，主要包括一些复杂的参数化模型。标准部件库的内容架构见表2。

表2 各设计阶段对标准部件库的性能要求

一体化设计标准部件库需要满足各设计阶段与设计专业协同工作的技术需求。如图2所示，部件库中任何物料均有3种表达方式：1）表单类表达，主要对物料进行属性表达与归类；2）符号类表达，主要用于原理图的绘制；3）三维模型表达，主要用于建立和描述三维模型。

图2 物料的3种表达方式

一体化设计标准部件库主要通过2种方式来实现模型数据在不同专业间协同应用的需求：1）通过专门的连接部件来传递本专业对其他专业的需求，比在电控阀箱单元模型上添加电器连接件；2）根据不同专业的需求，在三维模型上附加不同的虚拟模型，在后续设计过程中根据需要调用。

3.4 使用架构

由于一体化设计标准部件库的数据种类较多，使用单一的描述方法无法对复杂物料信息进行完整描述。因此，一体化设计标准部件库的使用架构分为基础层、构件层、部件层和应用层等4个层次，每个层次采用不同的描述方法，见图3。

图3 一体化设计标准部件库的使用架构

1）基础层

基础层表达基础图元信息，可分为几何外形信息、安装拓扑信息、数据参数信息、材料描述信息和文字描述信息等5种类别。

2）实体层

实体层具体的功能是将基础层提供的各类图元信息与属性信息进行横向组合，并纳入统一的分类体系中，形成与实际物料一一对应的虚拟信息。实体层具体实现两大功能：（1）将基础层的抽象图元信息进行组合，形成真实物料的虚拟表示；（2）提供一套物料分类体系，将虚拟实体对应到各个物料分类中去，便于部件层和应用层使用。

3）部件层

部件层在实体层的基础上将满足物料信息按系统规格书与原理图的要求进行归集，部件层也实现两大功能：（1）将实体层组合完成的物料按系统进行归集；（2）提供与建造规格书对应的系统目录，便于管理。

4）应用层

应用层作为标准部件库与设计软件间的数据传递中介，主要提供发布与使用功能。在设计软件需要使用某数据时，应用层从平台上提取数据，并传递至软件客户端。

4 一体化设计标准部件库的应用

4.1 一体化设计标准部件库与物料编码的关系

物料编码系统是物料管理系统或供应链管理系统中的一个非常重要的代码系统，其主要功能是将物料进行分类，并为每一个物资赋予唯一的编码，以保证在仓储管理与成本管理中不会发生一物多码或一码多物的现象。在船舶与海洋工程项目设计建造过程中，物料编码与标准部件库内的各类模型对应关系见表3。

表3 物料编码与标准部件库对应关系

4.2 一体化设计标准部件库与与建造规格书的关系

建造规格书是船舶与海洋工程的详细描述文件，一般由初步设计人员完成，与总布置图、横剖面图一起对工程的详细内容进行详尽阐述。详细设计人员在接到一个工程的建造规格书后，一般会将建造规格书按专业进行分解，然后整理出各个专业系统所用到的设备清单，与供应商讨论确定设备参数后，开始绘制系统原理图并送审。生产设计人员会依据详细设计图纸建立三维模型，在此过程中，建造规格书是工程建造内容的详细描述，是工程设计的依据之一，其目录可视为工程分解的主目录，而各个专业的系统目录是第二级目录。

在传统设计模式中，设计人员可以直接将标准库中的标准模型调入项目工程环境中。调入模型与系统及设备属性没有关系，很容易出错。在一体化设计中，初步设计阶段需要拟定系统规格书，将系统中用到的各项设备、管系和联接点信息汇总到系统规格书中。系统规格书在后续设计和建模过程中具有重要作用。对于基于一体化设计的标准部件库，其系统规格书是满足建造规格书要求的各项标准部件库的集合。

4.3 一体化设计标准部件库与使用软件的关系

本文在AVEVA Marine软件Paragon模块的基础上对一体化设计标准部件库进行二次开发，为利用好该部件库，并在设计过程中发挥显著的作用，需要通过3类软件（维护类软件、设备供应商软件、设计类软件）来实现。

一体化设计标准部件库应用的逻辑途径见图4，按照设计数据流的传递方向与要求对各类应用、维护类软件与标准部件库进行连接。目前，一体化设计标准部件库已完成应用架构的初步建设，未来还会陆续加入浏览器/服务器（Browser/Server，B/S）模式、企业服务总线（Enterprise Service Bus，ESB）平台等功能，标准部件库在一体化设计平台中将会产生更显著的作用。

图4 一体化设计标准部件库应用的逻辑途径

5 结论

为适应一体化设计对基于统一数据模型完成三维全过程设计的需求，改善行业设计标准体系存在的不足，本文在AVEVA Marine软件Paragon模块的基础上进行二次开发，搭建了满足一体化设计需求的标准部件库平台。研究表明：该一体化设计标准部件库可以改变原来三维建模中模型与原理图的关联性不高、各设计阶段严格分离等缺点，也可以提高模型的复用性和设计效率。