錢懷宇，蔡 璐，冷久平

（上海萃興信息科技有限公司，上海 200011）

0 引 言

生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源是實現(xiàn)數(shù)字化制造、智能制造的基礎，尤以船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源為重[1]。

近年來，隨著設計模式的不斷演進和設計的不斷深入，船體生產(chǎn)設計的深度和廣度逐漸增加。當前在市場上很難找到一種能解決船體生產(chǎn)設計中的全部問題的軟件，各相關企業(yè)為解決生產(chǎn)設計中存在的問題會引入多種軟件。同時，受傳統(tǒng)設計軟件可擴展性差等因素的影響，還有相當一部分數(shù)據(jù)沒有在設計軟件中進行管理，由此形成多個信息孤島，給船體專業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源帶來較大的問題和挑戰(zhàn)。此外，船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)量巨大，更改頻繁，給船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)管理帶來一定的困難。不解決數(shù)據(jù)協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源問題，就無法保證設計數(shù)據(jù)的準確性和及時性，也就無法實現(xiàn)數(shù)字化制造和智能制造。

1 我國造船行業(yè)船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)協(xié)同與數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

經(jīng)過多年的發(fā)展，我國的船舶工業(yè)已在海工、液化天然氣船和豪華郵船等多個領域取得長足進步，進入到了一個新的時期，并已成為世界造船大國。然而，我國船舶工業(yè)的人均產(chǎn)量只有韓國的1/13，日本的1/20，造船總體技術與發(fā)達國家相比還存在較大的差距。雖然國內(nèi)大多數(shù)船廠已實現(xiàn)船舶三維設計，但設計數(shù)據(jù)僅留存在設計部門，大量工藝信息依然通過紙質圖樣進行流轉，工作效率低下[2]。

目前國內(nèi)船廠的船體分段生產(chǎn)設計工作主要由分段建模、組立圖出圖，分段套料和分段數(shù)據(jù)后處理等3部分組成。設計人員需分別利用船舶生產(chǎn)設計軟件、輔助設計軟件、套料軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件等設計工具完成船體分段生產(chǎn)設計工作。

在建模出圖階段，設計人員以詳細設計的圖樣或技術文件為依據(jù)，在設計軟件內(nèi)按照分段進行作業(yè)任務的分解與組合，將設計、生產(chǎn)、管理融為一體。結合施工條件進行設計，為配套部門采購和生產(chǎn)管理部門制訂生產(chǎn)計劃提供信息，為生產(chǎn)現(xiàn)場人員提供施工圖樣和技術文件。這些施工圖樣和技術文件包含現(xiàn)場施工及管理的全部信息。

建模人員完成分段建模、生產(chǎn)信息添加和零件分離之后，由套料人員進行套料。目前主要針對板材進行套料。套料人員利用套料軟件進行板材套料之后，進行套料信息的添加、切割指令的生成和余料信息的匯總。建模、套料和材料管理通過多個軟件實現(xiàn)，最終以紙質圖樣和相關切割指令為依據(jù)，安排現(xiàn)場人員施工。

在后處理階段，設計人員根據(jù)完整的分段模型和生產(chǎn)信息進行分段型材套料、生成型材下料圖和生成各類曲形零件加工圖等工作。工藝信息全部以圖樣的形式下發(fā)至施工現(xiàn)場。

在傳統(tǒng)的造船模式下，這種通過紙質圖樣、報表和文件傳遞加工制造信息的形式能滿足制造部門的需求，但隨著大量數(shù)字化制造設備的引入，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞方式面臨極大的挑戰(zhàn)。圖1為包含加工制造信息的施工圖樣。

圖1 包含加工制造信息的施工圖樣

1.1 當前我國造船行業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源存在的問題

當前，國內(nèi)多數(shù)船廠在數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源方面主要存在以下幾個問題。

1.1.1 工藝數(shù)據(jù)未完整建模和管理

英國AVEVA公司開發(fā)的Tribon M3軟件是國內(nèi)主流的生產(chǎn)設計軟件之一，由于開發(fā)較早，對模型工藝屬性的擴展有限，致使一部分工藝信息無法作為模型的擴展屬性進行保存，這部分屬性數(shù)據(jù)大多通過圖樣和報表的形式進行表達。每次更新圖樣或報表時，都要對相關工藝信息進行重新賦值。雖然國內(nèi)各船廠基于該設計軟件進行了二次開發(fā)，用于解決建模、出圖和工藝信息提取方面的問題，但受制于開發(fā)能力有限和數(shù)字化設備對此類數(shù)據(jù)的需求不足，此類軟件不能囊括各類工藝數(shù)據(jù)。即便包含大部分工藝數(shù)據(jù)，大多數(shù)數(shù)據(jù)還是以紙質圖樣的形式存在，無法進行數(shù)據(jù)的傳遞和結構化，而數(shù)字化設備和智能設備恰恰需要這些結構化的數(shù)據(jù)。

1.1.2 生產(chǎn)設計軟件種類繁多，數(shù)據(jù)協(xié)同能力差

隨著國內(nèi)船廠對生產(chǎn)設計深度的要求逐漸提高，為滿足生產(chǎn)設計各方面的要求，船廠先后引進多種設計軟件，用于解決船體生產(chǎn)設計各方面的問題。然而，很少有方案能同時滿足各方面的需求。同時，各軟件相互獨立，彼此間的數(shù)據(jù)協(xié)同通過文件或數(shù)據(jù)接口傳遞，每次設計變更都需設計人員在多個軟件之間進行數(shù)據(jù)協(xié)同，耗時費力。船舶生產(chǎn)設計的特點就是設計周期短、設計更改頻繁，不僅會間接增加設計人員的工作量，而且容易引起設計數(shù)據(jù)間不協(xié)同，從而造成設計錯誤。

1.1.3 生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)保存在多數(shù)據(jù)庫中，未能形成單一數(shù)據(jù)源

為解決設計屬性無法擴展和工藝數(shù)據(jù)不全面的問題，某些船廠利用第三方數(shù)據(jù)庫，將全部設計數(shù)據(jù)導入其中，在數(shù)據(jù)庫中對特定設計對象的屬性進行擴展。該方法雖能解決設計屬性無法擴展的問題，但由于設計數(shù)據(jù)既存在于設計軟件中，又存在于第三方數(shù)據(jù)庫中，在更改設計時，設計人員首先需更新設計模型，再更新第三方數(shù)據(jù)庫。為提高更改效率，設計人員可跳過模型更改的環(huán)節(jié)，直接更改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，這樣容易造成設計軟件和第三方數(shù)據(jù)庫不同步，從而造成設計錯誤。

1.2 當前造船行業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源面臨的挑戰(zhàn)

船廠當前生成的圖樣和工藝數(shù)據(jù)雖能為傳統(tǒng)造船模式提供指導，但隨著造船模式的轉變、船型復雜程度的提高，大量的人工操作即將被機器取代。當前數(shù)據(jù)協(xié)同和數(shù)據(jù)管理很難滿足數(shù)字化、智能化造船的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1.2.1 大量的非結構化數(shù)據(jù)，無法對數(shù)字化設備進行支撐

當前，國內(nèi)船廠大力引入數(shù)字化制造設備，期望借此提高制造質量和效率。然而，原有的工藝類圖樣雖然包含有全面的工藝數(shù)據(jù)，但未形成數(shù)據(jù)流，無法直接驅動這類設備，無法直接對數(shù)字化設備進行支撐。

1.2.2 多數(shù)據(jù)孤島，無法形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源

多數(shù)國內(nèi)船廠的數(shù)據(jù)協(xié)同能力較差，在設計部門內(nèi)部就已形成數(shù)據(jù)孤島，無法形成數(shù)據(jù)流，既不能直接驅動數(shù)字化設備，又很難保證數(shù)據(jù)的準確性?？紤]到國內(nèi)船廠的生產(chǎn)設計周期普遍較短、設計變更頻繁，在當前模式下統(tǒng)一數(shù)據(jù)源極為困難。

1.2.3 數(shù)據(jù)未形成雙向流動

雖然國內(nèi)一些船廠已能在設計部門內(nèi)部構建統(tǒng)一、完整的數(shù)據(jù)源，但在船舶企業(yè)內(nèi)部各部門間的數(shù)據(jù)流通還不順暢。有些企業(yè)的設計數(shù)據(jù)雖能通過數(shù)據(jù)流向下游傳遞，但現(xiàn)場生產(chǎn)制造部門的建造狀態(tài)不能形成數(shù)據(jù)流返回到設計部門，從而導致信息不對稱，影響企業(yè)的綜合效率。

2 基于船舶輔助設計系統(tǒng)提出的解決方案

依據(jù)國內(nèi)船廠的業(yè)務現(xiàn)狀和后端的數(shù)據(jù)需求，設計人員基于“單一入口，一次定義，多次完善”的設計理念，在單一設計軟件中完成全部的建模和出圖任務，同時利用船舶輔助設計系統(tǒng)幫助設計師高效、規(guī)范地完成船體各類工藝信息的維護。通過直連企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，利用版本管理等功能對非建模數(shù)據(jù)和擴展屬性進行管理，在保證單一數(shù)據(jù)源和設計效率的前提下，實現(xiàn)船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)的有效協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

2.1 優(yōu)化設計工具，提升工藝數(shù)據(jù)建模的完整性

利用設計工具自身的功能并輔助二次開發(fā)程序，實現(xiàn)船體相關專業(yè)設計、工藝數(shù)據(jù)的全面建模，從而解決多軟件、多數(shù)據(jù)庫間的數(shù)據(jù)協(xié)同問題。

2.1.1 利用設計軟件自身數(shù)據(jù)庫，完成設計數(shù)據(jù)的維護

以裝配設計為例，通過開發(fā)裝配輔助設計程序，實現(xiàn)裝配節(jié)點的快速定義、裝配基面的自動定義及裝配數(shù)量和流向等信息的人工定義。裝配輔助設計內(nèi)嵌在設計軟件中，用戶無需考慮數(shù)據(jù)協(xié)同的問題，實時完成數(shù)據(jù)的協(xié)同和屬性的更新。圖2為裝配設計操作界面及效果。

圖2 裝配設計操作界面及效果

2.1.2 利用擴展數(shù)據(jù)庫，維護附加設計屬性

以焊接設計為例，通過開發(fā)焊接輔助設計程序，實現(xiàn)對焊腳高度、焊接姿態(tài)和焊接類型的定義，并根據(jù)一定的業(yè)務規(guī)則，快速統(tǒng)計焊材物量和預估焊接工時。最終將該設計結果保存在擴展數(shù)據(jù)庫中。該擴展數(shù)據(jù)庫起到的作用與設計軟件自身的數(shù)據(jù)庫相同，但僅保存設計軟件數(shù)據(jù)庫中未定義的屬性。同時，利用企業(yè)數(shù)據(jù)庫，僅保存設計軟件無法定義的屬性，保證這部分屬性的唯一性。此外，輔助設計軟件的入口依然在設計軟件端，設計人員無須在多個軟件端頻繁切換，輔助設計軟件依賴的數(shù)據(jù)也都實時從設計軟件端讀取，自然地解決數(shù)據(jù)協(xié)同的問題。表1為某分段典型焊接數(shù)據(jù)。

表1 某分段典型焊接數(shù)據(jù)

此外，以材料管理為例，通過開發(fā)材料管理軟件，實現(xiàn)對板材、型材和余料的管理，并建立可共享的擴展數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)、物資和現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

綜上，利用設計軟件端的改造與開發(fā)，結合擴展的中間數(shù)據(jù)庫和企業(yè)級數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)的完整表達和管理。

2.2 梳理業(yè)務對象，形成設計端統(tǒng)一數(shù)據(jù)源

與焊接數(shù)據(jù)和涂裝數(shù)據(jù)不同，船體結構的大部分屬性已在設計軟件端進行管理，僅有一小部分屬性無法管理。對于這部分屬性，可通過外部數(shù)據(jù)庫進行擴展。從設計軟件端的信息定義入口，對這部分數(shù)據(jù)進行定義。同時，結合文本加密和數(shù)據(jù)庫加密等技術，避免設計人員直接更改相關屬性。由此，保證單一設計數(shù)據(jù)僅在一處定義和存儲，這樣既可減少設計人員更新屬性時的重復操作次數(shù)，減少數(shù)據(jù)間的協(xié)同，又可避免因數(shù)據(jù)多源而產(chǎn)生沖突，保證數(shù)據(jù)的準確性和一致性。

2.3 設計數(shù)據(jù)校驗，管理設計數(shù)據(jù)的準確性

為保證數(shù)據(jù)的準確性，在設計工作結束之后，需對設計結果進行必要的檢查和審核，只有校驗通過的數(shù)據(jù)才能下發(fā)至企業(yè)級數(shù)據(jù)庫。例如，零件需校驗是否套料及是否定義裝配、同名零件是否完全相同和需加工的零件是否已填寫正確的加工代碼等。此外，由于模型和零件在Tribon M3系統(tǒng)中分屬于2個數(shù)據(jù)庫，設計人員還需校驗建模零件和下料零件的工藝信息是否相同、建模零件是否有對應的下料零件和下料零件是否有對應的建模零件等[3]。

經(jīng)過一系列檢查，只有通過校驗的數(shù)據(jù)才能順利地發(fā)布到下游產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management,PDM）或產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）[4]系統(tǒng)中，實現(xiàn)對數(shù)字化制造的支撐。圖3為典型數(shù)據(jù)提交流程。

圖3 典型數(shù)據(jù)提交流程

3 結 語

綜上所述，通過優(yōu)化設計工具，增強異構數(shù)據(jù)的協(xié)同，強調(diào)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，能有效解決數(shù)據(jù)擴展、數(shù)據(jù)協(xié)同、數(shù)據(jù)準確性和操作效率方面的問題。通過上述分析和比較可知，該方法可高效地解決船體專業(yè)在數(shù)據(jù)協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源方面遇到的問題，從而在盡量減少設計人員工作強度的前提下保證設計數(shù)據(jù)流的正確創(chuàng)建。

數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源是一個看似簡單，實則復雜而重要的環(huán)節(jié)，隨著各企業(yè)對數(shù)據(jù)流的重視及數(shù)字化制造、智能制造概念的廣泛傳播，造船企業(yè)對這方面的研究逐漸深入。對于船體專業(yè)來說，通過智能化設備實現(xiàn)局部自動化加工、半自動焊接、自動焊接和焊接管控已成為可能。數(shù)字化、智能化制造可提高產(chǎn)品制造的效率和質量，而實現(xiàn)這些最基本的前提是數(shù)據(jù)，梳理業(yè)務，拓展船舶數(shù)據(jù)管理，形成數(shù)據(jù)中心具有重要意義。

【 參 考 文 獻 】

[1] 李沛田，靳長勇. 基于BOM的船體生產(chǎn)設計數(shù)據(jù)管理技術研究[J]. 船舶與海洋工程，2016, 32 (4): 72-77.

[2] 胡可一. 數(shù)字化造船與“e江南”[J]. 船舶工程，2005, 27 (s): 84-93.

[3] 朱安慶，周衛(wèi)鵬，馬曉平，等. 基于TRIBON的船體生產(chǎn)設計BOM表自動生成程序開發(fā)[J]. 江蘇船舶，2004, 21 (6): 3-4.

[4] Siemens PLM Software. 造船行業(yè)白皮書[Z]. 上海：西門子工業(yè)軟件有限公司，2014.