王 昆 劉 兵 臧大偉 倪若杰 王 睿 吳曉軍 譚 振

（大連船舶重工集團設計院有限公司 大連116005）

引 言

協(xié)同設計是指多個設計部門或?qū)I(yè)在同一項目中相互依托、相互支持、相互配合的一種協(xié)調(diào)工作模式，可以最大程度實現(xiàn)資源共享和優(yōu)化利用，及時發(fā)現(xiàn)和糾正設計錯誤，從而極大提高設計效率和縮短設計周期，目前已廣泛應用于各工業(yè)設計領域。船舶的設計建造是一項十分復雜而又系統(tǒng)的龐大工程，其產(chǎn)品信息量大、專業(yè)集成度高、研發(fā)周期長、研制環(huán)節(jié)多，往往需要多廠所、多部門、多團隊共同參與研制［1］。由于船舶研制中各參研單位之間大多相對獨立封閉，為協(xié)調(diào)各參研單位，解決相互之間的溝通和信息交流等問題，參與船舶研制的各單位之間按協(xié)同設計模式進行合作勢在必行。

作為船舶設計主體的總體所和船舶建造主體的總裝廠分別處在船舶研制過程的上下游，彼此間既相互依托，又相互獨立，存在業(yè)務競爭和知識產(chǎn)權(quán)保護等問題。同時總體所與總裝廠之間往往地域相距甚遠，造成信息數(shù)據(jù)無法及時傳遞和溝通。這些因素都會影響廠所之間的協(xié)作關(guān)系和工作效率，延長船舶研制周期。因此，如何重新定義總體所與總裝廠之間業(yè)務關(guān)系，實施雙方結(jié)構(gòu)調(diào)整與資源優(yōu)化，充分利用先進數(shù)字化工程研制技術(shù)，建立船舶廠所異地協(xié)同研制網(wǎng)絡平臺，實現(xiàn)船舶廠所之間異地協(xié)同設計，已成為現(xiàn)代船舶研制的必然趨勢。

1 基于模型的異地廠所協(xié)同設計模式研究

1.1 并行協(xié)同設計模式探索

傳統(tǒng)船舶設計過程是總體所完成設計、交付圖紙到總裝廠，總裝廠進行生產(chǎn)設計、完成建造，這是一個串行的過程?？傮w所的設計過程與總裝廠的相對獨立，對于建造過程中的問題大多留到生產(chǎn)設計和建造過程中，通過技術(shù)協(xié)調(diào)和設計變更實現(xiàn)，造成船舶研制成本的提高和周期的延長。而在基于三維模型的船舶異地廠所協(xié)同設計模式中，可以采用預發(fā)布技術(shù)，使這一串行設計方式并行化［2］。

并行設計是指在產(chǎn)品設計階段盡早考慮產(chǎn)品整個研制周期中各個因素的影響，全面評價產(chǎn)品設計，以達到設計中的最優(yōu)化，最大限度消除隱患，因此涉及產(chǎn)品整個研制周期的各個不同部門的專家必須協(xié)同工作，在產(chǎn)品的各個設計階段進行討論，協(xié)調(diào)產(chǎn)品的設計任務，同時，工藝、制造，質(zhì)量等后續(xù)部門也要參與產(chǎn)品設計工作，對產(chǎn)品設計方案提出修改意見。

在總體所設計過程中，根據(jù)設計的不同成熟度，將設計三維模型數(shù)據(jù)提前發(fā)布給總裝廠；或者在船舶施工設計階段，總裝廠生產(chǎn)設計人員提前介入，在施工設計三維模型交付給總裝廠之前，由總裝廠設計人員根據(jù)建造過程的工藝工法要求對施工設計三維模型的可生產(chǎn)性進行校核，及時發(fā)現(xiàn)和指出總體所施工設計的問題，從而將建造過程中的主要問題在施工設計過程中就加以解決，實現(xiàn)總體所與總裝廠在施工設計階段的并行協(xié)同設計模式。

1.2 建立廠所異地協(xié)同設計平臺

傳統(tǒng)船舶研制過程的設計協(xié)同往往是靠人與人之間的聯(lián)系獲得信息，并以紙質(zhì)文檔或光盤為介質(zhì)進行信息數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。通過建立符合保密標準的廠所異地協(xié)同設計平臺，以三維模型數(shù)據(jù)為基礎，利用PDM（產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）將三維模型數(shù)據(jù)有效管理起來，引入生命周期、工作流、消息通知、電子郵件和在線互動可視化協(xié)調(diào)系統(tǒng)等功能。使用直通網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)安全傳遞軟件作為廠所異地協(xié)同設計信息的交流平臺，可以使模型特性信息傳遞更具有實時性，極大地提高協(xié)同設計效率，節(jié)約流轉(zhuǎn)成本。

1.3 統(tǒng)一編碼、標準及基礎資源庫

編碼和標準的統(tǒng)一是廠所協(xié)同設計的前提，為保證廠所協(xié)同設計數(shù)據(jù)信息的一致性，總體所和總裝廠在設計過程中需要協(xié)商約定，形成統(tǒng)一的設計編碼，在界面分工、數(shù)據(jù)傳遞、IPT團隊管理、基礎環(huán)境相關(guān)方面統(tǒng)一管理和技術(shù)約定標準。

基于三維模型的船舶廠所異地協(xié)同設計的基礎是統(tǒng)一基礎資源庫。廠所雙方根據(jù)約定，建立統(tǒng)一的雙方都能認可的船、機、電、舾等各專業(yè)標準資源庫。統(tǒng)一的基礎模型庫和產(chǎn)品模型，可以減少總裝廠重復建模的工作量，排除因總裝廠重復建模導致的廠所模型不一致的風險。

1.4 組建廠所協(xié)同設計IPT團隊

IPT集成產(chǎn)品協(xié)同團隊（Integrated Product Team）是廠所協(xié)同設計的基本組織形式，在傳統(tǒng)的船舶設計過程中，總體所和總裝廠按照各自單位管理職能由高到低分別構(gòu)建金字塔狀的組織結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是各部門職能清晰，流程有序，便于管理，但缺點是廠所之間以及各部門之間協(xié)調(diào)困難，難以溝通。在組建船舶廠所異地協(xié)同設計IPT團隊時需要廠所雙方打破單位組織限制，按照設計產(chǎn)品劃分，由多專業(yè)跨部門的專家和技術(shù)人員組成一種能夠高效開展產(chǎn)品設計的矩陣式動態(tài)協(xié)同設計團隊。

2 基于模型的異地廠所協(xié)同設計模式探索

大連船舶重工集團為適應數(shù)字化制造在船舶建造的應用，在基于廠所協(xié)同設計研究的基礎上，開拓思路，創(chuàng)新設計模式，與某總體所合作開展了廠所協(xié)同設計的技術(shù)路線探索。首次基于3DE體驗平臺開展廠所協(xié)同，確定基于同一平臺的廠所協(xié)同機制，形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的廠所協(xié)同研制模式。在技術(shù)上突破廠所協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)問題，通過對協(xié)同設計標準、設計編碼命名規(guī)則進行統(tǒng)一，初步驗證面向建造的三維模型交付路線的可行性，實現(xiàn)模型特性信息的一致性和互通性，避免相關(guān)沖突的同時減少廠所雙方不必要的重復勞動。

2.1 建立廠所協(xié)同設計IPT團隊，統(tǒng)一協(xié)同設計標準

廠所協(xié)同首先要打破廠所之間單位組織限制，開展了基于三維模型的廠所異地協(xié)同設計，聯(lián)合組成廠所協(xié)同設計IPT團隊，包含設計、工藝、信息化人員，覆蓋總體、船體、機械、電氣、舾裝、IT技術(shù)等全專業(yè)（參見圖1），邁出了探索基于三維模型的船舶廠所異地協(xié)同設計模式的第一步。

圖1 IPT團隊組織構(gòu)架

根據(jù)廠所各自現(xiàn)有的資源情況，經(jīng)過雙方協(xié)商，在廠所協(xié)同設計界面分工、數(shù)據(jù)傳遞、IPT團隊管理、基礎環(huán)境相關(guān)的管理和技術(shù)約定等方面的標準進行統(tǒng)一。

經(jīng)過近一年的測試和研究，廠所協(xié)同設計IPT團隊完成了標準和基礎資源庫的統(tǒng)一、各專業(yè)面向建造的建模、三維模型直接交付、三維工藝設計等工作，有效提升了產(chǎn)品研發(fā)效率和設計質(zhì)量。

2.2 借助三維設計軟件規(guī)劃裝配層次，統(tǒng)一設計編碼命名規(guī)則

根據(jù)三維設計軟件的架構(gòu)特點，將裝配的層次規(guī)劃為結(jié)構(gòu)樹形式，主要分為4級。裝配的根節(jié)點、總體專業(yè)代號與總段劃分代號、節(jié)點類型、專業(yè)代號等如圖2所示。由于總體所與總裝廠設計與建造范疇存在一定差異，在模型編碼中，需要融合設計與建造雙方信息，統(tǒng)一完善編碼規(guī)則，以實現(xiàn)雙贏管理。在廠所協(xié)同設計中，按照專業(yè)特點進行如圖2所示分類編碼。

圖2 協(xié)同產(chǎn)品裝配結(jié)構(gòu)樹

2.3 依托三維設計軟件建立符合廠所協(xié)同需求的模型庫管理文件

模型庫管理文件作為三維設計軟件中保證模型唯一性、正確性和規(guī)范性方法之一，是用于模型進行庫管理的一種重要的特殊數(shù)據(jù)形式，主要用于對各類庫模型進行分類存放、可視化管理、組織、維護與使用。在廠所協(xié)同設計中，將國家標準、通用行業(yè)標準、特殊行業(yè)標準等船舶領域的標準零件按照專業(yè)分類建模，形成標準基礎庫及對應的調(diào)用管理文件，避免了重復建模、錯誤建模等問題，實現(xiàn)快速、高質(zhì)量地設計和布置目標。

依托PDM開發(fā)公共資源庫管理系統(tǒng)，將基礎資源系列化、流程化、平臺化管理，實現(xiàn)管理過程規(guī)范化、透明化、精細化，有助于產(chǎn)品協(xié)同設計，提高未來產(chǎn)品設計效率和質(zhì)量［3］。

2.4 實現(xiàn)三維工藝設計

總裝廠基于總體所提供的三維模型繼續(xù)進行三維工藝設計、生產(chǎn)制造后處理等工作，不需要再重復建模，有效縮短了設計周期，提升了研發(fā)效率。基于3D體驗平臺，總裝廠把收到的EBOM模型進行轉(zhuǎn)換生成對應的MBOM。EBOM模型是僅包含厚度和材質(zhì)信息的幾何模型，并不包含坡口、余量等生產(chǎn)信息，在生成MBOM之后，可以對生產(chǎn)信息進行添加。

把每個零件所應該具有的生產(chǎn)信息添加完整后，繼續(xù)進行生成零件XML文件的工作。XML文件是一種通用的文本格式文件，通過固定的數(shù)據(jù)格式描述了零件所包含的各種信息，例如板材零件的板厚、材質(zhì)、質(zhì)量、方位、外形輪廓、開孔、劃線、坡口、余量等信息，型材零件則是規(guī)格、材質(zhì)、長度、端切、逆直線、坡口、和余量等信息。部分三維設計軟件本身并不包含套料模塊，XML文件可以作為輸出數(shù)據(jù)源供其他套料軟件直接使用或經(jīng)二次開發(fā)轉(zhuǎn)換成其它格式文件供相應套料軟件使用。

3 MBD技術(shù)在廠所異地協(xié)同設計應用研究

MBD（Model Based Definition）技術(shù)也稱為三維定義技術(shù)，是以集成的三維數(shù)字化模型為核心來傳遞產(chǎn)品定義信息的方法，是三維設計發(fā)展的必經(jīng)之路，也是三維模型取代二維工程圖作為加工制造的唯一數(shù)據(jù)源的核心技術(shù)。MBD技術(shù)已在航空航天領域得到較好的應用，極大提升了航空航天產(chǎn)品研制水平，但由于船舶協(xié)同研制較為復雜等特點，MBD技術(shù)在船舶研制領域還處于探索和試驗階段［4］。

隨著未來MBD技術(shù)的不斷發(fā)展和數(shù)字化工程技術(shù)在船舶協(xié)同研制中的深入應用，MBD技術(shù)勢必將會在船舶研制過程中廣泛使用，設計模式也必將升級為基于MBD技術(shù)的船舶廠所異地協(xié)同設計模式，以產(chǎn)品數(shù)字化定義（MBD）的單一數(shù)據(jù)源為基礎，建設數(shù)字化標準規(guī)范和基礎資源庫，使船舶所有的設計、建模、工藝、制造、檢驗過程具有統(tǒng)一編碼的數(shù)字化標準系統(tǒng)，從而實現(xiàn)船舶總體研制過程中的數(shù)字化設計、制造和管理，推動船舶研制模式的數(shù)字化變革。

4 結(jié) 語

隨著船舶行業(yè)信息化技術(shù)的迅速發(fā)展，全三維數(shù)字化設計成為當前船舶企業(yè)設計制造新的發(fā)展方向。和現(xiàn)有協(xié)同模式相比，新模式以三維模型交付的形式打通施工設計和生產(chǎn)設計的數(shù)據(jù)流，總體所和船舶總裝廠基于同一套數(shù)字樣船開展協(xié)同設計，采用精細化的前端設計后，雖然在設計端增加了大量的建模和協(xié)調(diào)工作量，但從整個工程研制角度看可以帶來更多的后期效益，避免重復建模的同時，大幅減少后期因?qū)嶋H工程設計考慮不周和工藝變化帶來的工程變更，從而縮短研制周期，減少產(chǎn)品報廢率，節(jié)約制造成本。本模式推進了數(shù)字化設計在船舶行業(yè)的全面應用，滿足智能制造的需求和發(fā)展趨勢，可有效提高我國船舶企業(yè)設計效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

本文提出的協(xié)同設計模式側(cè)重于廠所異地協(xié)同的研究，但是由于該模式以單一數(shù)據(jù)源為基礎，從始至終研制人員都是面對同一個模型進行數(shù)字樣船的設計和完善，最終交付的制造數(shù)據(jù)和數(shù)字樣船數(shù)據(jù)也是同一份，因此本文提出的協(xié)同設計三維技術(shù)平臺同樣可以解決基于并行工程的多專業(yè)協(xié)同設計過程中需要兼顧的空間干涉、規(guī)范限制、施工成本、工藝實現(xiàn)等方面的問題。