曹先鋒，張園園，白 楊，孔國照，姜雨平

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

高端船舶與海洋工程產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計離不開先進的數(shù)字化設(shè)計工具與方法。高端船舶與海工產(chǎn)品對技術(shù)性能要求的不斷提高，使得設(shè)計工作愈發(fā)復雜、設(shè)計過程的連續(xù)性要求越來越高。應用一體化設(shè)計思想完成各專業(yè)間協(xié)同作業(yè)，實現(xiàn)各個設(shè)計階段無縫銜接，實時消除設(shè)計錯誤與誤差，是切實提升設(shè)計效率與質(zhì)量的有效策略。

傳統(tǒng)船舶與海洋工程產(chǎn)品的設(shè)計過程一般可分為初步設(shè)計、詳細設(shè)計與生產(chǎn)設(shè)計等3個階段，各階段使用不同的工具進行設(shè)計，數(shù)據(jù)輸入與輸出相對獨立。隨著計算機輔助設(shè)計（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)與網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展，一體化設(shè)計模式被提出并得到實踐。一體化設(shè)計過程采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源，各設(shè)計階段采用統(tǒng)一的模型，前道設(shè)計流程的數(shù)據(jù)會自動傳遞給后道流程使用。由于采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的模型進行協(xié)同作業(yè)，后道設(shè)計流程的設(shè)計人員很容易參與到前道設(shè)計過程中去。這種新的設(shè)計模式改變了傳統(tǒng)設(shè)計模式下工作內(nèi)容與產(chǎn)品數(shù)據(jù)相對割裂的狀態(tài)，使得不同設(shè)計階段的工作內(nèi)容與成果數(shù)據(jù)得到了充分融合，進而提高了設(shè)計效率、降低了設(shè)計錯誤出現(xiàn)的概率。一體化設(shè)計方法的應用對現(xiàn)有的設(shè)計管理方式、設(shè)計管理工具及設(shè)計標準體系的改進提升也提出了新的要求。對于設(shè)計標準體系而言，滿足3個設(shè)計階段的適用性要求，同時建立能夠?qū)⒏黝悢?shù)據(jù)進行綜合管理的一體化設(shè)計標準部件庫成為核心需求。

1 一體化設(shè)計標準部件庫介紹

根據(jù)一體化設(shè)計的特點進行一體化設(shè)計標準體系的建設(shè)是決定一體化設(shè)計工作能否成功的重要因素，而建設(shè)適用于一體化設(shè)計的標準部件庫是一體化設(shè)計標準體系中的核心工作。一體化部件庫包含全設(shè)計實體要素，如系統(tǒng)/設(shè)備屬性表、各類符號以及三維模型等，方便各設(shè)計階段中的信息交流。

1.1 一體化設(shè)計標準部件庫現(xiàn)狀

本文所述的標準部件庫在其他行業(yè)的應用中也常被稱為零件庫或元件庫，這里統(tǒng)稱為標準部件庫。當前國際上比較流行的三大標準部件庫為 Cadenas、Traceparts和Strack Norma，國內(nèi)有3D Source標準部件庫。

船舶與海洋工程行業(yè)采用的各大工業(yè)設(shè)計軟件大多提供了部件庫的功能，如滬東船廠的國產(chǎn)軟件，可提供很多標準底座庫以及各種類型的參數(shù)化建模方式，方便用戶快速建模調(diào)用。國外大型工業(yè)設(shè)計軟件，如AVEVA Marine、CATIA和Smart 3D等也都可提供標準部件庫功能。

1.2 數(shù)據(jù)分類標準

船舶與海洋工程產(chǎn)品設(shè)計工作常用物料基本可劃分為5類：1）原材料，如板材、型材、管材等；2）通用標準件，如彎頭、變徑等；3）標準舾裝件，如導門、門窗等；4）設(shè)備類，如主輔機、吊機等；5）自制件，自制件通常形狀復雜，多為工廠標準。

各款軟件對標準部件庫的功能定位各不相同，導致其分類多有差別。大部分軟件僅僅提供了各種標準件的部件庫，當前主流工業(yè)設(shè)計軟件對部件庫數(shù)據(jù)的分類標準不統(tǒng)一，不能完全滿足各設(shè)計階段中的使用需求。

1.3 數(shù)據(jù)異構(gòu)

一體化設(shè)計要求標準部件庫能滿足初步設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段與生產(chǎn)設(shè)計階段的使用需求。不同設(shè)計階段對模型數(shù)據(jù)的使用需求存在一定差異，初步設(shè)計階段的需求多為文字或表格描述；詳細設(shè)計階段對數(shù)據(jù)的需求更加細化，要提供各個部件庫內(nèi)物料的原理圖和符號；生產(chǎn)設(shè)計階段則需要提供三維數(shù)字模型。標準部件庫的數(shù)據(jù)隨著設(shè)計過程不斷豐富和完整，逐層滿足一體化設(shè)計的需求。

當前主流工業(yè)設(shè)計軟件普遍存在2個問題：1）無法完整提供所需數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)格式差異很大，異構(gòu)現(xiàn)象特別嚴重，格式轉(zhuǎn)換頻次過高，不能很好地實現(xiàn)設(shè)計過程同步；2）數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度不夠高，各類數(shù)據(jù)基本獨立存在，單個種類的數(shù)據(jù)為了實現(xiàn)某特定功能而存在，數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)度不足。

1.4 數(shù)據(jù)共享與作業(yè)協(xié)同

建立標準部件庫的初衷是實現(xiàn)不同設(shè)計項目間的數(shù)據(jù)共享與作業(yè)協(xié)同，以便工程師在設(shè)計過程中選用，通過數(shù)據(jù)復用，提高設(shè)計效率。當前各類免費及收費部件庫基本只提供單向服務，由部件庫服務商提供部件模型給工程師使用。在船舶與海洋工程行業(yè)，部件庫開放和共享的進展更加不如人意，各個公司在軟件供應商的協(xié)助下分別建立部件庫供本公司技術(shù)人員使用，尚未實現(xiàn)內(nèi)外協(xié)同與數(shù)據(jù)共享。

2 一體化設(shè)計標準部件庫設(shè)想

標準部件庫在內(nèi)容、架構(gòu)和使用方面均要滿足一體化設(shè)計的要求。在內(nèi)容方面，一體化設(shè)計標準部件庫要能滿足船舶與海洋工程的設(shè)計要求，要能有條理地覆蓋工程所用物料的所有分類；在架構(gòu)方面，一體化設(shè)計標準部件庫要制訂統(tǒng)一的標準分類目錄和管理標準，要能提供不同設(shè)計階段、不同設(shè)計專業(yè)與不同設(shè)計參與方均能使用的協(xié)同工具；在使用方面，一體化設(shè)計標準部件庫要適應船舶與海洋工程的設(shè)計習慣。

2.1 一體化設(shè)計標準部件庫的內(nèi)容

1.2節(jié)提到，船舶與海洋工程產(chǎn)品設(shè)計工作常用物料基本可劃分為原材料、通用標準件、標準舾裝件、設(shè)備類和自制件等5類，這些物料數(shù)據(jù)在標準部件庫中通常有多種存在形式以滿足不同設(shè)計階段的需要。

標準部件庫中還有一個很特殊的分類，即連接類，其在一體化設(shè)計部件庫中非常關(guān)鍵，主要作用是將各類模型在二維原理圖和三維模型中按邏輯需求連接在一起。

2.2 一體化設(shè)計標準部件庫的架構(gòu)

各設(shè)計階段對標準部件庫的性能要求見表 1，在標準部件庫的構(gòu)成設(shè)計方面，需要將每個專業(yè)設(shè)備對應的標準庫分成3類，分別對應3個設(shè)計階段。

表1 各設(shè)計階段對標準部件庫的性能要求

標準部件庫的架構(gòu)設(shè)計要考慮國家標準、行業(yè)標準、各個項目的特點以及各個制造基地的適用性。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需采用多層次的架構(gòu)，各層分開管理，以便標準部件庫的后期維護和用戶查詢。

在標準部件庫的設(shè)計過程中，需要一個統(tǒng)一的管理平臺來管理各類設(shè)計標準，以便利設(shè)計人員更好地從平臺提取標準部件庫的信息，并轉(zhuǎn)換成設(shè)計軟件可使用的格式。此外，還可將設(shè)計過程中制作的部件上傳到平臺供其他技術(shù)員使用。

2.3 與建造規(guī)格書及系統(tǒng)原理相對應

目前大部分設(shè)計軟件對部件或零件的調(diào)用方式基本采用直接將三維模型數(shù)據(jù)調(diào)入待設(shè)計的三維空間中的方法。這些三維模型雖然提供了定位基準數(shù)據(jù)，但與管線的連接點并未進行有效定義，調(diào)入模型后，模型只是作為一個三維部件存在于設(shè)計空間中，但其與其他模型之間缺少連接邏輯定義。在三維一體化設(shè)計過程中，類似的連接邏輯定義信息需要始終存在，并且隨設(shè)計過程不斷轉(zhuǎn)換，所以必須根據(jù)不同的部件分類，以提供不同的邏輯連接表達方式。

標準部件庫需要提供一個與系統(tǒng)原理相對應的部件數(shù)據(jù)歸集方法，在建模前，按照系統(tǒng)原理圖先將要用的各類二維與三維模型進行歸集，便于在后續(xù)設(shè)計過程中實現(xiàn)對建造規(guī)格書的闡釋。

3 一體化設(shè)計標準部件庫的方案

一體化設(shè)計的根本思想是基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源完成跨階段三維設(shè)計工作，一體化設(shè)計的標準部件庫需要選擇一個在船舶與海洋工程工程行業(yè)上市場占有率較高、二次開發(fā)性較好、有平臺化特征的三維設(shè)計軟件作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。因此，本文選用AVEVA Marine軟件作為實現(xiàn)一體化設(shè)計標準部件庫的開發(fā)工具。

AVEVA Marine軟件是一款大量應用于船舶與海洋工程領(lǐng)域的工業(yè)設(shè)計軟件，軟件的架構(gòu)包含船體部分和舾裝部分。舾裝部分提供了專門管理元件庫的模塊Paragon，本文在此基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，建設(shè)符合設(shè)計需求的標準部件庫。

3.1 架構(gòu)建設(shè)

根據(jù)一體化設(shè)計的需求，本文從以下3個方面建設(shè)標準部件庫的架構(gòu)：

1）整體架構(gòu)，整體架構(gòu)從全局上搭建部件庫的結(jié)構(gòu)。

2）內(nèi)容架構(gòu)，內(nèi)容架構(gòu)對部件庫的具體分類和每個部件的構(gòu)成進行說明。

3）使用構(gòu)架，使用架構(gòu)對部件庫內(nèi)容的構(gòu)成技術(shù)和軟件使用進行說明。

3.2 整體架構(gòu)

本文在AVEVA Marine軟件Paragon模塊的基礎(chǔ)上對一體化設(shè)計標準部件庫進行二次開發(fā)，如圖1所示，標準部件庫的整體架構(gòu)可分為4層：1）第一層為與國家標準和行業(yè)標準一致的各類標準庫；2）第二層為主要產(chǎn)品線的標準庫；3）第三層為各制造基地標準庫；4）第四層為各實際項目標準庫。

圖1 標準部件庫的整體架構(gòu)

3.3 內(nèi)容架構(gòu)

標準部件庫可分為原材料庫、標準件庫、參數(shù)化模板庫、設(shè)備庫、自制件庫、連接件庫和代碼類庫。原材料庫主要是指板材、型材和管材等各類常用原材料；標準件庫是指各類國家標準或國際標準零件，但不包括進行復雜組裝了的標準件；參數(shù)化模板庫一般是指進行了復雜組裝的各類標準件，包含符合企業(yè)標準的標準零件；連接件庫是指為了方便在二維原理圖與三維模型之間表示邏輯連接關(guān)系的特殊的零部件，如焊接坡口、管附件、設(shè)備連接點和電器連接點等；代碼庫是一種特殊的分類，無法用模型來表示，但可方便地用腳本語言進行描述，主要包括一些復雜的參數(shù)化模型。標準部件庫的內(nèi)容架構(gòu)見表2。

表2 各設(shè)計階段對標準部件庫的性能要求

一體化設(shè)計標準部件庫需要滿足各設(shè)計階段與設(shè)計專業(yè)協(xié)同工作的技術(shù)需求。如圖2所示，部件庫中任何物料均有3種表達方式：1）表單類表達，主要對物料進行屬性表達與歸類；2）符號類表達，主要用于原理圖的繪制；3）三維模型表達，主要用于建立和描述三維模型。

圖2 物料的3種表達方式

一體化設(shè)計標準部件庫主要通過2種方式來實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)在不同專業(yè)間協(xié)同應用的需求：1）通過專門的連接部件來傳遞本專業(yè)對其他專業(yè)的需求，比在電控閥箱單元模型上添加電器連接件；2）根據(jù)不同專業(yè)的需求，在三維模型上附加不同的虛擬模型，在后續(xù)設(shè)計過程中根據(jù)需要調(diào)用。

3.4 使用架構(gòu)

由于一體化設(shè)計標準部件庫的數(shù)據(jù)種類較多，使用單一的描述方法無法對復雜物料信息進行完整描述。因此，一體化設(shè)計標準部件庫的使用架構(gòu)分為基礎(chǔ)層、構(gòu)件層、部件層和應用層等4個層次，每個層次采用不同的描述方法，見圖3。

圖3 一體化設(shè)計標準部件庫的使用架構(gòu)

1）基礎(chǔ)層

基礎(chǔ)層表達基礎(chǔ)圖元信息，可分為幾何外形信息、安裝拓撲信息、數(shù)據(jù)參數(shù)信息、材料描述信息和文字描述信息等5種類別。

2）實體層

實體層具體的功能是將基礎(chǔ)層提供的各類圖元信息與屬性信息進行橫向組合，并納入統(tǒng)一的分類體系中，形成與實際物料一一對應的虛擬信息。實體層具體實現(xiàn)兩大功能：（1）將基礎(chǔ)層的抽象圖元信息進行組合，形成真實物料的虛擬表示；（2）提供一套物料分類體系，將虛擬實體對應到各個物料分類中去，便于部件層和應用層使用。

3）部件層

部件層在實體層的基礎(chǔ)上將滿足物料信息按系統(tǒng)規(guī)格書與原理圖的要求進行歸集，部件層也實現(xiàn)兩大功能：（1）將實體層組合完成的物料按系統(tǒng)進行歸集；（2）提供與建造規(guī)格書對應的系統(tǒng)目錄，便于管理。

4）應用層

應用層作為標準部件庫與設(shè)計軟件間的數(shù)據(jù)傳遞中介，主要提供發(fā)布與使用功能。在設(shè)計軟件需要使用某數(shù)據(jù)時，應用層從平臺上提取數(shù)據(jù)，并傳遞至軟件客戶端。

4 一體化設(shè)計標準部件庫的應用

4.1 一體化設(shè)計標準部件庫與物料編碼的關(guān)系

物料編碼系統(tǒng)是物料管理系統(tǒng)或供應鏈管理系統(tǒng)中的一個非常重要的代碼系統(tǒng)，其主要功能是將物料進行分類，并為每一個物資賦予唯一的編碼，以保證在倉儲管理與成本管理中不會發(fā)生一物多碼或一碼多物的現(xiàn)象。在船舶與海洋工程項目設(shè)計建造過程中，物料編碼與標準部件庫內(nèi)的各類模型對應關(guān)系見表3。

表3 物料編碼與標準部件庫對應關(guān)系

4.2 一體化設(shè)計標準部件庫與與建造規(guī)格書的關(guān)系

建造規(guī)格書是船舶與海洋工程的詳細描述文件，一般由初步設(shè)計人員完成，與總布置圖、橫剖面圖一起對工程的詳細內(nèi)容進行詳盡闡述。詳細設(shè)計人員在接到一個工程的建造規(guī)格書后，一般會將建造規(guī)格書按專業(yè)進行分解，然后整理出各個專業(yè)系統(tǒng)所用到的設(shè)備清單，與供應商討論確定設(shè)備參數(shù)后，開始繪制系統(tǒng)原理圖并送審。生產(chǎn)設(shè)計人員會依據(jù)詳細設(shè)計圖紙建立三維模型，在此過程中，建造規(guī)格書是工程建造內(nèi)容的詳細描述，是工程設(shè)計的依據(jù)之一，其目錄可視為工程分解的主目錄，而各個專業(yè)的系統(tǒng)目錄是第二級目錄。

在傳統(tǒng)設(shè)計模式中，設(shè)計人員可以直接將標準庫中的標準模型調(diào)入項目工程環(huán)境中。調(diào)入模型與系統(tǒng)及設(shè)備屬性沒有關(guān)系，很容易出錯。在一體化設(shè)計中，初步設(shè)計階段需要擬定系統(tǒng)規(guī)格書，將系統(tǒng)中用到的各項設(shè)備、管系和聯(lián)接點信息匯總到系統(tǒng)規(guī)格書中。系統(tǒng)規(guī)格書在后續(xù)設(shè)計和建模過程中具有重要作用。對于基于一體化設(shè)計的標準部件庫，其系統(tǒng)規(guī)格書是滿足建造規(guī)格書要求的各項標準部件庫的集合。

4.3 一體化設(shè)計標準部件庫與使用軟件的關(guān)系

本文在AVEVA Marine軟件Paragon模塊的基礎(chǔ)上對一體化設(shè)計標準部件庫進行二次開發(fā)，為利用好該部件庫，并在設(shè)計過程中發(fā)揮顯著的作用，需要通過3類軟件（維護類軟件、設(shè)備供應商軟件、設(shè)計類軟件）來實現(xiàn)。

一體化設(shè)計標準部件庫應用的邏輯途徑見圖4，按照設(shè)計數(shù)據(jù)流的傳遞方向與要求對各類應用、維護類軟件與標準部件庫進行連接。目前，一體化設(shè)計標準部件庫已完成應用架構(gòu)的初步建設(shè)，未來還會陸續(xù)加入瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）模式、企業(yè)服務總線（Enterprise Service Bus，ESB）平臺等功能，標準部件庫在一體化設(shè)計平臺中將會產(chǎn)生更顯著的作用。

圖4 一體化設(shè)計標準部件庫應用的邏輯途徑

5 結(jié)論

為適應一體化設(shè)計對基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型完成三維全過程設(shè)計的需求，改善行業(yè)設(shè)計標準體系存在的不足，本文在AVEVA Marine軟件Paragon模塊的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，搭建了滿足一體化設(shè)計需求的標準部件庫平臺。研究表明：該一體化設(shè)計標準部件庫可以改變原來三維建模中模型與原理圖的關(guān)聯(lián)性不高、各設(shè)計階段嚴格分離等缺點，也可以提高模型的復用性和設(shè)計效率。