船舶与海洋工程一体化设计标准体系建设

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

相较于传统设计模式，近年来得到广泛实践的船舶与海洋工程一体化设计模式具有明显优势。传统设计模式将船舶与海洋工程产品的设计工作流程划分为基本设计、详细设计、生产设计等3个阶段，各个设计阶段的工作内容互相独立，逻辑连续性较差，工作界面清晰，责任主体区分明显，设计内容的复杂程度随着设计过程的推进呈现几何增长的趋势。这些特点往往导致后期修改过程冗长、复杂、效率不高。一体化设计通过采用计算机仿真、互联网实时通信、标准化数据库等技术将3个设计阶段的工作内容进行统筹融合，实现逻辑排序、时间并行、协同作业，将上游设计阶段的数据与信息无缝传递到下游设计阶段中去。一体化设计可实现不同专业间的复合交叉作业，方便各个设计参与者进行无障碍沟通，真正打破不同设计专业、参与单位之间的阻隔与障碍。虽然国内一些具有技术前瞻性的研究所与船厂对一体化设计模式的运用进行过不同程度的探索，但目前一体化设计模式在国内船舶与海工企业中并未得到广泛应用。一体化设计模式目前未能实现良好推进的原因主要有2点：1）当前的设计软件尚不能完全满足一体化设计的应用需求，设计软件供应商对一体化设计要求的理解不够充分，软件的功能只能在局部设计范围内满足一体化设计的要求；2）行业自身对一体化设计的原理与内涵认识不足，没有建立适用一体化设计工作所需的标准体系，各个推进单位大多处在自主研究阶段，技术方法与标准体系无法实现迭代提升。

1 一体化设计运用及发展现状

船舶与海洋工程产品一体化设计模式的应用与推进离不开以下3项基础性工作：1）针对一体化设计模式理论进行深入研究；2）完善一体化设计模式软件工具的开发与优化；3）完善一体化设计模式的标准体系建设。由于开展一体化设计工作所需的软件工具主要依靠各类软件供应商提供，软件开发过程远离一体化设计工程实践的需求，缺少一体化设计工作的经验储备，这就导致各类设计软件不能很好地满足一体化设计工作的技术需求。技术标准体系是保证技术设计工作成果可靠且有效的评价依据，也是达成设计目标、实现产品价值的根本保障。从标准体系的建设入手，着力推进与提升一体化设计工作，可视为切实转变设计工作模式、提升设计工作水平的正确方向。

1.1 一体化设计标准现状

目前，船舶与海洋工程设计与建造过程采用的标准文件可分为国家标准、行业标准、地方标准和企业标准。在传统的船舶与海洋工程设计过程中，基本设计、详细设计和生产设计的输入、输出数据除受船级社、挂旗国及有关规范、规则与公约的约束外，还应符合我国船舶行业标准和企业标准的要求。由于这些标准的内容大多按照3个设计阶段的分工需求进行编制，因此仅适用于传统的设计管理模式。一体化设计模式具有以下3个主要特点：1）支持设计工作跨设计阶段无缝衔接；2）具备跨专业间协调设计能力；3）能够实现基于数据共享的实时协同作业下的分布设计。与传统设计标准相比，一体化设计标准既有内容一致的部分，也有差异显著、可扩展的部分。因此，可利用现有设计标准辅助一体化设计标准的构建与完善，但当前标准文件并不能完全适用于一体化设计模式的实施和开展。

经过数十年的发展与积累，我国制定了大量船舶与海洋工程领域的国家标准与行业标准，各个企业围绕自身的产品特点与管理需求也制定了诸多详细的企业标准及生产设计标准。这些标准在内容上基本反映了我国当前船舶与海洋工程设计标准的现状。

虽然我国较早提出了船舶与海洋工程一体化设计的概念，但受制于设计软件功能的欠缺、理论研究工作的不完善、标准制定更新工作进展缓慢、行业推广进度迟缓等因素，目前一体化设计工作的应用与发展仍停留在初步阶段，各个单位也只是针对个别项目或局部专业进行应用探索。

一体化设计标准文件的内容与架构应体现设计作业过程与工作内容的需要。现行的各类设计标准基本只适用于传统设计模式，我国缺乏适用于一体化设计模式的标准体系。

1.2 一体化设计标准的功能与逻辑划分

船舶与海洋工程一体化设计标准体系在一体化设计过程中具有重要作用。设计标准文件是复杂设计工作顺利开展的统一准则，可有效降低设计差错率，提高设计质量，提升设计管理效率。设计工作过程中的标准化水平体现了一个企业、一个行业乃至一个国家的科学技术管理水平。船舶与海洋工程一体化设计标准不但要具备标准技术体系文件的基础功能，还要结合一体化设计跨阶段、跨专业、共享、协同的特点，促进不同设计阶段之间、不同设计专业之间、不同设计作业人员之间的信息交流与实时交互。

一体化设计标准体系文件可大致分为如下3类：1）适用于全专业全阶段的模型标准库；2）适用于不同设计阶段与专业的统一参考模型；3）适用于不同平台和设计软件的格式转换标准。

1.2.1 功能划分

设计周期是管理设计工作、控制设计节奏、评价设计成果的重要指标，船舶与海工项目的设计规划往往根据设计周期与工作内容的时间先后逐项制定。从时间维度来考虑问题，利于安排工作，便于编制计划，但无法清晰有效地揭示设计过程的逻辑联系。通过改换认知视角，从逻辑维度或知识维度来考虑，可将设计过程分为需求提出、功能整理、逻辑实现与虚拟实现等4个设计阶段。这些设计阶段同样适用于船舶与海洋工程的设计过程，需求提出对应基本设计阶段，功能整理对应送审设计前期的大量设计准备工作，逻辑实现对应各类结构图与原理图的设绘与送审工作，虚拟实现对应利用三维软件来构建虚拟模型。

由于4个设计阶段对模型标准的要求不同，如果将其分开建设，那么就不能将上游设计的信息无缝传递到下游阶段。因此，4个设计阶段用到的各种模型标准均要基于统一的要求来构建。只有通过这种方式得到的模型标准才能适用于全部设计阶段，并能实现设计工作的相互关联。

1.2.2 逻辑划分

标准体系建设的一大要点是为一体化设计过程提供适用于不同设计阶段与设计专业的通用参考标准。通用参考标准包含2类应用方向：物理参考和逻辑参考。

物理参考标准包括各种空间坐标系与位置信息，这些空间坐标系在构建时要结合不同设计阶段与设计专业的需求。各设计阶段与设计专业的空间坐标系既相对独立，又相互关联，可将工程设计所要求的空间位置在不同的设计阶段进行传递，也能很方便地进行统一修改。

逻辑参考标准在空间位置中加入功能与逻辑属性，如重量控制、危险区域定义、防火等级要求等。逻辑参考标准包含一个空间或一个区域的逻辑功能需求，可将当前的设计思想顺利传递给下道设计工作。

2 一体化设计标准方案

为推进船舶与海洋工程一体化设计方法在实际工作中的运用，本文制定一套适用于船舶与海洋工程的一体化设计标准建设方案，该方案可分步实施并持续优化。

2.1 一体化设计标准方案要点

我国《推进船舶总装建造智能化转型行动计划（2019—2021年）》明确提出，要推进全三维数字化设计，推进基于模型的数字化设计体系建设，推进船舶产品数据管理信息化，推进三维数字化交付，研究初步设计、详细设计与生产设计的协同设计，提出基于统一数据库的三维模型初步设计和详细设计方法、三维模型送审模式及三维审图方法，推出送、退审三维模型数据规范及数据接口标准，实现基于三维模型的初步设计与详细设计，掌握面向生产设计的分段生成、典型船体结构详细设计与生产设计的模型协同、管系和电气原理设计与生产设计协同等关键技术，形成详细设计与生产设计模型数据无缝对接，实现船舶详细设计与生产设计业务与系统的集成协同。

根据上述要求，本文结合实际项目设计出一套船舶与海洋工程一体化设计标准建设方案，目标是覆盖从应标方案到施工图纸设计的全工作流程。如图1所示，设计阶段、专业特点与工作内容的差异导致了协调的方向是多维度的，需要将各个阶段、各个专业、各个方面的设计信息无缝地进行交换。

图1 一体化设计协调象限图

2.1.1 一体化设计标准编制原则

船舶与海洋工程一体化设计标准体系建设需要统一各设计阶段、设计专业与设计方面的设计准则，通过分布式、共享式设计减少重复设计工时，在初步设计、详细设计与生产设计阶段使用可复用三维模型，并将设计模型的数据信息采用同一种类型的数据库进行存储。

一体化设计工作具有如下3点工作原则：

1）一次定义、重复使用、不断细化。

2）平行设计、协同迭代、流程控制。

3）原理驱动、标准集成、规则转换。

一体化设计标准编制应适配于一体化设计工作，应在满足工作原则的基础之上实现一体化设计标准跨阶段、跨专业使用。

2.1.2 一体化设计标准编制方法

一体化设计标准按用途可分为共用标准、跨阶段标准、跨专业标准等3类；按实现的技术可分为编码类、表单类、模型类、文字类等4类。从设计标准的使用目的来看，不同的设计目标需要使用不同的方法进行编制。

标准编制的优先级顺序为共用标准→跨阶段标准→跨专业标准。共用标准是跨阶段与跨专业使用的基础准则，必须优先制订。跨阶段传递设计信息是一体化设计的主要目的之一，因此跨阶段标准要优先于跨专业标准来制订。在标准类别上，除常规的文字类与编码类的标准外，特别针对表单类与模型类的对象制订了专门的标准。在一体化设计过程中，往往需要采用表单来表述设备与系统的特性，因此需要制订面向基本设计与详细设计的表单类标准。三维模型是用于传递基本设计、详细设计与生产设计的主要载体，因此要制订针对模型的设计标准。表单类标准与模型类标准在设计标准体系中属于底层驱动型文件，关系到设计成果的质量与效率，具有较高的优先级。

2.2 一体化设计主要标准

根据一体化设计工作对技术标准文件的需求，现有的部分设计标准可在未来的一体化设计工作中继续沿用，但也有一些标准文件要重新制定。一体化设计是基于统一数据源的三维模型建立的，在用文字与表格表述的同时，还需要配合数据库、表单类，符号类与三维模型共同表述。

2.2.1 一体化设计标准部件库

标准部件库是一体化设计标准体系中的核心要素，标准部件库的分类与内容见表 1，主要包括原材料、通用标准件、标准舾装件、设备类、自制件、其他等六大分类。

表1 标准部件库分类与内容

对于单独零部件，部件库包括适用于初步设计阶段的表单类数据、适用于详细设计阶段的符号类数据，以及适用于生产设计阶段的三维模型数据。一体化设计是基于统一数据源的三维模型建立的，不同设计阶段对三维模型的内容和细节的要求不同。如图2所示，初步设计阶段一般只需要部件的重量信息与外形尺寸；详细设计阶段对模型细节的要求开始明显增加，需要模型的详细布置数据、联接点的数量与类别等信息；生产设计阶段不仅需要详细的联接点的位置和方向等信息，还需要维修空间、隔热、干涉检查等参数信息。

图2 一体化部件的3种表达方式

为更好地使用部件库的功能，本文提出名为系统规格书的调用方法，该系统规格书的内容与船舶建造规格书中的系统描述一一对应。在一体化设计平台中，可通过系统规格书对部件库中各类标准部件进行调用，进而提高设计效率、减少差错率。

2.2.2 主要标准

1）多专业跨阶段通用设计模型标准

多专业跨阶段通用设计模型标准是基于船舶与海工产品外壳型线与分舱结构的，可在多专业跨阶段使用的建模基准。多专业跨阶段通用设计模型标准对模型提出如下3点要求：1）模型为抽象的三维模型，有外形，也有定位基准；2）可满足应标方案设计、送审模型设计、生产施工设计、工艺设计的全过程需求；3）可与具体的三维模型相连接。

2）单专业跨阶段通用参照模型标准

单专业跨阶段通用参照模型标准既能在单专业内部使用，又能满足单专业在不同设计阶段对通用参照模型体系的要求；既能承载本专业不同阶段的设计信息，又能根据不同设计阶段进行及时转换，满足“一次定义，不断细化，重复使用”的要求。

3）标准部件库

标准部件库可在原理图与三维实体模型间进行转换，将原理图与三维实体模型一一对应。

4）跨设计阶段编码标准体系

跨设计阶段编码标准体系是指满足规格书编写、需求分类整理、原理图、设备管理、三维模型、出图全过程需求的编码标准体系。

5）机电通风原理图符号设计属性标准

机电通风原理图符号设计属性标准基于现有国家原理图符号标准，面向可以从逻辑原理图向三维实体模型自动转换的机电通风原理图符号设计属性标准。

6）基于单一需求的模型分类标准

协同设计在需求提出、功能分类、原理设计、三维模型的全过程会用到不同的设计模型，不同的模型需求不同。为满足上述要求，基于单一需求的模型分类标准建立了不同模型的分类说明与属性归类等情况。

7）面向制造的任务包轻量化模型标准

面向制造的任务包轻量化模型标准是指面向制造过程的，可提供各类数据需求并可收集过程数据的轻量化模型标准。

3 结论

一体化设计标准体系的建设对于一体化设计方法的应用和推广具有重要意义。本文根据具体的应用需求，结合现有标准体系，构建一体化设计标准体系文件。此外，对不同设计阶段、设计专业与设计参与方适用的标准体系的构建方法和要素进行了详细的阐述与说明。应首先建设适用于不同设计阶段与设计参与方的部件库标准，再建设适用于不同设计阶段与设计专业的技术标准。由于标准内容较多，实现方法具有多样性，本文所述的一体化标准文件仍在持续修改和完善中，本文提出的一体化标准构建思路与方法可为其他船舶与海工项目的一体化设计及标准建设工作提供有益参考。