美国舰船通用信息模型SCIM的应用研究

韩冬梅，李 勇，张志勇

(中国船舶重工集团公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

在舰船生命周期中，设计、制造、分析、测试、维护等过程采用不同的软件系统，随之产生了在各系统间数据传递和管理的问题。为了解决舰船生命周期不同阶段所使用软件间数据的互通性，美国已经为不同型号的舰船研制了集成的产品数据环境(IPDE)，IPDE中各个软件间实现数据互通必不可少的要素则是舰船通用信息模型 (Ship Common Information Model，SCIM)。美国从2000年就在国家造船计划的指导下，通过集成舰船建造环境的建立开发SCIM。SCIM定义了各个系统数据转换到集成产品数据环境所必须的最少量实体和属性［1］，是各系统间数据转换的依据，从而为数据的互通提供一种最佳解决方案。

1 SCIM概念

舰船通用信息模型SCIM是一个关于舰船产品的模型，该模型涵盖了舰船从设计、分析、制造、测试、服役、管理、维护、报废等全生命周期的所有数据和信息［1］。同时它又是一个基于 STEP ISO10303标准的通用模型，明确了产品数据交换的基本规则，可被各个专业领域共用，只要不同专业软件系统遵循SCIM规定的数据格式，产生一种双方都可识别的中间文件，便可以有效的实现集成数据环境中信息传递和重用，使得在舰船设计建造集成的环境中，不同软件系统间无缝衔接，实现数据以统一的、或中间格式进行交互。

1)集成的产品数据环境——IPDE

IPDE最初是美国为“弗吉尼亚”级潜艇研制过程中采用的集成产品与过程开发 (Integrated Product and Process Development，IPPD)方法提供支持。后来，IPDE在美国海军新一代“圣安东尼奥”级两栖船坞运输舰开发中得到了进一步的应用。

IPDE将业务过程、计算机系统和相关服务集成到一起，构建了覆盖舰船设计、制造、试验、保障和管理等全寿命周期的基础公共数据环境，集中管理产品全寿命周期各阶段产生的各种数据，支持产品全生命周期各阶段不同应用系统之间产品数据的传递和共享，使研制人员能够协同地为共同的业务目标工作，提高了舰船设计、建造和维护的效率，降低舰船生命周期总成本。IPDE提供了一个实时环境下的通用数据结构，其体系结构可以同时满足政府和承包商的数据要求，其特征是可以以电子格式同时开发、收集和重复使用数据，并保证数据的完整性、有效性［2－3］。

图1 IPDE的功能模型Fig.1 Function model of IPDE

2)SCIM与IPDE的关系

舰船产品模型跨越了舰船生命周期的每个阶段，存在于很多系统、应用和数据仓库中，这些不同系统在对产品进行全方面管理的同时，也要依靠IPDE环境中通用信息，更重要的是产品模型可以重复利用。IPDE能够维护产品模型各部分之间及产品模型与数据对象间的联系，这也是IPDE规范中互通性需求以及主要软件程序间数据交换的基本要求。而互通性需求主要体现在数据交换方面，基础是舰船通用信息模型的定义。SCIM中确定了由IPDE维护的最少量信息，要求船厂IPDE间通过统一的数据交换格式实现数据的有效互通。从图2中可以看出，SCIM是IPDE中数据有效转换的基础［4］，为IPDE提供底层支撑。SCIM是从IPDE规范中分离出来的，且可以独立于IPDE规范而升级或修订。

图2 舰船全生命周期数据集合Fig.2 Data acquisition throughout the ship lifecycle

2 SCIM内涵

2.1 SCIM产生背景

SCIM的开发、原型及测试都源于美国国家造船计划NSRP于2001年启动的集成造船环境项目(Integrated Shipbuilding Environment，ISE)［4］。该项目解决了包含标准、软件工具和组织在内的协同问题，如XML，STEP标准，推动了造船产品数据标准的开发以及舰船建造信息模型的建立，并在美国造船相关的组织和机构中进行了该模型用法的展示、培训。

目前，NSRP所支持的ISE项目仍在继续，以期创建一个便于舰船整个生命周期中数据交换和协同的环境，数据在各软件系统中实现自然过渡促使项目的研究重点落实为创建一个标准的集成后勤环境(Integrated Logistic Environment，ILE)。因此，在ILE创建过程中深入研究和开发了SCIM。

2.2 SCIM内容

SCIM是一个描述数据如何表达和使用的抽象模型，它提供了一个数据模型和具有关联关系的框架。所谓框架是一种表达某领域中一组概念间关系的数据模型，如SCIM所使用的XML模式表达了结构和内容的定义方式。SCIM如同一本数字词典，其中的中间产品数据模型相当于词典中的词汇，用来支持舰船建造生命周期所有阶段的数据。

SCIM文件总计15章，SCIM所涵盖的功能领域主要包括产品数据管理和变更管理基本原则、全舰结构构模、结构布局、结构详细设计、管系功能设计、管系结构设计、通风采暖空调 (HVAC)功能设计、HVAC结构设计、电气功能设计、电气结构设计、通用部件获取和产品生命周期支持等［5］。SCIM详细描述了上述每个功能领域文件的数据交换内容，明确船厂与海军间互换的产品模型数据，定义了需要交换的数据类型及数据属性。SCIM文件目录中内容包括概述、数据定义条款、用法指南和执行协议，每个实体的内容包括实体名称、定义、目的、动机、结构、信息需求、特性、执行结果、XML等。

图3 SCIM文件定义的内容Fig.3 Content definition of SCIM document

2.3 SCIM的建立

SCIM是基于STEP应用协议标准和NSPR.ISE(Integrated Shipbuilding Environment)项目开发计划之上建立的。STEP标准要求各个应用系统在交换、传输、存储数据的时候必须满足应用协议的要求。如果2个系统遵从同一个应用协议，它们之间就可以进行数据交换。

SCIM模型的开发依赖于STEP标准的应用协议，同时还结合舰船产品的特点和使用需求建立的一套更加完整的数据转换模型，以满足舰船全生命周期各阶段数据的互通。因此在SCIM中，其模型的属性和特性仍然隶属于STEP应用协议标准的相关属性和特征，并以此实现数据交换的要求。

SCIM对应舰船产品全生命周期，其采用STEP中的应用协议也对应着生命周期的不同阶段，图4中对照IPDE不同阶段，说明了SCIM中使用的STEP 应用协议［6］。

图4 SCIM对应的STEP应用协议Fig.4 The STEP application protocol used in SCIM

从图中可以看出，STEP标准的舰船应用协议主要有AP203(控制设计配置)、AP215(船舶布局)、AP216(船舶模型形式)、AP218(船舶结构)、AP224(为工艺规划进行的机械产品定义)、AP227(车间空间布局)、AP233(系统工程数据表示)、AP238(CNC加工集成)、AP239(产品生命周期维护)、AP240(工艺规划)，共10个。

2.4 SCIM数据转换过程

由于IPDE中的产品数据模型要求能够在舰船整个生命周期内传递和转换，因此在设计和建造阶段需要一套PDM软件以本地格式存储和维护产品模型数据，但是在生命周期任何阶段，产品模型数据都要转换成外部系统可识别和获取的格式。这些转换工作就要遵循SCIM定义的共用数据集，确定舰船IPDE必须获取的一些信息及如何通过中间文件来有效地进行产品模型数据交换［7］。

SCIM数据模型转换时利用STEP Part28、XML等数据文件格式，SCIM相应的文件采用XML格式把来自STEP标准且与舰船领域相关要素组成一个连贯的产品模型元素 (elements)，再将发出信息的IPDE所产生的相应XML文件通过一个“中间格式”把它“翻译”成接收IPDE能够阅读的XML文件格式，如图5所示。

图5 SCIM规则下的数据访问和交换Fig.5 Data access and exchange under the rule of SCIM

“中间格式”可以为单独的数据交换而开发，也可以通过“中间格式生成器”来开发。如图6所示，1个“中间格式生成器”就是1个软件，它能够读出任何2个系统的内容要素和XML映射文件，在这些映射之间生成“中间格式”。从另外一个角度来说，“中间格式”也是1个XSL(可扩展样式表语言)格式表单，能够从发送系统读出相应XML文件，并生成能被接收系统导入的XML文件。通过“中间格式”的转换，便可以实现数据模型的交换。

图6 中间格式生成器软件Fig.6 Mediator generation software

3 SCIM在美国的研究进展与经验

3.1 SCIM在美国的研究进展

SCIM在美国集成后勤支持环境 (ILE)项目中予以研究和发展。目前，ILE正在评估已建立的SCIM模型，验证其正确性、有效性，同时还要完成SCIM文件的几个附加条款。下面将结合ILE工程不同阶段的任务来阐述SCIM在美国的研究现状以及在应用过程中存在的问题。

ILE工程结合“弗吉尼亚”级核潜艇和DDG 1000驱逐舰来评估SCIM，完成SCIM的开发，并验证和展示SCIM有能力支撑下一代IPDE的协同工作。ILE项目的任务有2个，第1个任务是支持新一代舰船IPDE的软件工具和方法，其中包含2个子任务:一是“弗吉尼亚”级核潜艇IPDE数据转移;二是船厂间结构设计数据与制造系统的数据交换;第2个任务将完成舰船通用信息模型的开发［5］。

1)ILE工程第一阶段的第1个子任务 (1.1)是“弗吉尼亚”级核潜艇IPDE数据的转移 (由电船公司完成)。

“弗吉尼亚”级核潜艇已经在以CATIA和CDM软件为主的IPDE环境中完成了设计工作，由于该艇的设计和建造工作将持续多年，所以其产品模型必须成功地转移到以NX和TeamCenter为主的新IPDE中，数据转移过程如图7所示。此时的数据转移使用了海军产品数据项目 (NPDI)的舰船通用信息模型作为此试点项目的基础，通过数据转移这一子任务表明NPDI SCIM是保障船厂和海军信息互通的一种有效方法，证实了SCIM文件中各章节内容符合海军和船厂明确的数据交换方案需求。

图7 IPDE中管系数据转移Fig.7 Pipe data transition in IPDE

为此，电船公司开发了适合于数据转移的信息模型，且将此信息模型与SCIM的管系和结构模型作了对比，并对数据转移模型进行了改进和完善。此外，还开发了中间转换器将管系和结构数据从已转移的数据模型映射到SCIM数据格式中，并对SCIM数据格式支持“弗吉尼亚”数据转移的效果进行评估。

2)ILE工程第一阶段的第2个子任务 (1.2)是结合DDG1000驱逐舰和“福特”级航母完成船厂间结构设计数据与制造系统的互操作。

此阶段任务由英格尔斯船厂、纽波特纽斯船厂、诺·格技术服务公司、产品数据服务公司共同完成。该任务以结构设计数据与制造系统的互操作为主要内容，在DDG 1000驱逐舰和“福特”级航母的设计和制造上应用SCIM来交换结构产品模型。目的是展示SCIM作为维护船厂和海军互通性手段的应用，在多家船厂开发环境中发布共享数据存在的困难，同时证明和展示SCIM在当前项目中的能力，为SCIM的改进提出建议。此外，在结构设计数据与制造系统数据交换时，还进行了以下工作，如确定业务环境和内容、明确业务功能要求和结构模型要求、SCIM的应用、从设计环境中导出数据、验证SCIM。

3)第二阶段的任务是完成舰船通用信息模型的开发

在第一阶段中完成了SCIM的评估工作，展示了SCIM具备支持新一代IPDE的能力，第二阶段目标是完成SCIM余下七章内容的开发，即HVAC、电气功能和结构设计、管子应力和工程分析、结构CAM(放样和套料)以及最终报告。此外，汲取第一阶段过程中的经验教训，修订和更新SCIM，如已经完成的部分将按照要求更新，新章节中生成的类型将做些修改，保证与第一阶段一致。ILE项目组对第二阶段任务也进行了划分:

第1个子任务 (2.1)是修订SCIM格式。使其更加清晰和容易理解，特别是对船厂内非IT领域的一般工作人员。

第2个子任务 (2.2)是升级现有的SCIM章节。具体包括产品数据管理、结构模块化形式、舰船布局、管系结构设计、管系功能设计、通用零件的采购、结构详细设计、产品生命周期维护等。

第3个子任务 (2.3)是开发SCIM的其他章节。包括HVAC结构设计、HVAC功能设计、管子应力分析、电气结构、电气功能、工程分析、结构CAM(作为结构详细设计章节的附加特征)等。

第4个子任务 (2.4)是文件最终定稿与交付。检查SCIM文件的所有章节，确保其清晰、前后一致并容易理解。编写说明材料，便于美国船厂应用SCIM。最后，交付海军完整的 SCIM文件，发布ILE项目的最终报告。

综上所述，SCIM文件还在编写中，现已经完成前8章，剩下的7章作为当前ILE项目的一部分仍在继续开发与研究。且美国海军在ILE工程中，通过“弗吉尼亚”级核潜艇IPDE的数据转移和结构设计数据与制造系统间的数据互通2个子任务完成了对SCIM的评估，确定了SCIM在新一代IPDE中实现数据互通的支撑作用，下一步的工作主要为证明全部扩展的SCIM框架的有效性;对照STEP框架，证明SCIM框架识别任何缺失属性和关系的有效性;利用SCIM用户指南的工程测试案例。

3.2 SCIM的研究经验

美国SCIM工作组在建立舰船通用信息模型过程中总结了一些经验，提出了一些建议，结合目前正在研制的舰船产品——DDG 1000驱逐舰、 “福特”级航母、“弗吉尼亚”级核潜艇的产品数据在IPDE环境中转移过程，对比实际需求数据与SCIM中定义数据间的差异，不断在实践中完善SCIM的完整性、适用性，同时提出在SCIM模型建立时注意事项，总结了丰富的实践经验。

1)在SCIM中合并外部参考时允许在AP214文件中完整定义几何图形;

2)阐明外部几何模型的用法规则。一个实例可能就够用，但是一般说来，每个CAD零部件都需要一个实例;

3)SCIM文件中含有STEP几何模型文件;

4)在SCIM文件中定义强制属性;

5)在SCIM用户指南中提供示例以解释说明;

6)为ISO STEP文件提供必要的参考;

7)明确如何在SCIM文件中填加超类属性;

8)检查SCIM文件，且从STEP标准中继承超类属性的内容时均按照一种方式处理;

9)对SCIM XML框架进行举例说明;

10)对照STEP框架来证明SCIM文件和框架的有效性，并识别缺失的属性或关系;

11)在SCIM文件中放入全部扩展的XML框架;

12)在SCIM文件中加入XSL文件以证明XML数据文件的有效性。

ILE项目在执行和测试SCIM时，确认了SCIM中技术手段的正确性，同时也发现了一些不足和需要进一步修正和完善。

1)定义适应NPDI规范的SCIM数据模型的同时需要说明翻译器的用法。

①SCIM文件最初仅确定为一个数据模型，但ISE以前的工作为SCIM框架确定提供了XML背景和工具，执行和测试案例组需要使用一个明确和具体的框架;

②SCIM框架没有完全扩展，每个实体还未包含超类属性;

③发现了缺失属性。这些缺失属性都添加到SCIM发布日志中，且得到了修正。

2)SCIM属性和关系需要进一步确定其有效性。

3)SCIM需要定义哪些属性是强制的，必须存在的。

4)SCIM模型缺少STEP中定义的几何图形。

5)使用SCIM仍需要访问ISO STEP文件。

6)需要采用STEP技术实现或完善SCIM框架。

7)需要STEP几何图形浏览器传递SCIM文件。

8)SCIM与从STEP标准中继承的超类属性所包含的内容不一致。

9)SCIM没有清晰定义如何填加超类属性。

10)SCIM缺少证明XML文件有效性的XML框架 (XSL)文件。

4 美国SCIM研究对我国舰船研制的启示

通过研究美国开发舰船通用信息模型的过程，可以清晰地看到，舰船通用信息模型是实现数据交换和数据无缝衔接的必要条件，是IPDE形成的基础，是保证舰船数字化工程顺利开展的前提。同时也可以看出美国对数据标准规范研究的重视，在研究过程中美国将海军较为重要的船厂和软件技术服务公司联系在一起共同探讨SCIM的开发。另外，SCIM的研究任务紧密结合ILE项目和“弗吉尼亚”核潜艇、DDG 1000驱逐舰2个型号产品的研制，目的性和针对性较强，且研究任务分解细致和任务分配合理。

从我国实际情况来看，尽管各种数字化技术和软硬件在舰船以及配套产品中广泛应用，但是缺乏统一的数据格式，不能有效实现研究所与生产制造厂间数据的高效传递、及时交换，需要深入研究实现产品生命周期中数据互通、协同作业的标准数据格式。因此，应该从长远发展的角度，从以下几个方面做准备工作，为我国舰船数字化工程建设的有序、健康发展奠定稳定的基础。

1)必须认识到数据交换标准和通用信息模型在舰船数字化工程建设中的重要作用，为真正实现数据集成、共享、软件产品无缝衔接提供保障;

2)由国家有关部门引导，积极地开展和组织相关研究工作，制定长期的数据交换标准研究计划，加大数据标准研究的投资力度，并通过小范围的、典型产品的数据交换标准研究，即样板工程，为其他产品的数字化设计、建造集成起到示范作用;

3)将同类产品的研究所和制造厂，以及软件服务商结合在一起，共同分步骤、分阶段研究符合舰船产品特征的通用数据模型和数据交换标准。结合具体的产品研制，有目的、有针对地开展舰船通用数据交换标准，指导产品通用信息模型的建立和完善;

4)注重舰船产品设计建造流程的梳理和完善，明确每一个业务流程中每一个步骤的输入与输出、相关负责人以及最终的交付物，为通用信息模型的建立和数据交换标准的研究作必要的准备工作，也为产品集成环境的实现打下良好的基础。

［1］KASSEL B，COOPER S，MACKENNA A.Rebuilding the NAVSEA early stage ship design environment［R］.Naval Surface Warfare Center Carderock Div Bethesda Md，2010.

［2］李勇，高天孚.国外舰船数字化工程建设的启示研究［R］.中国国防科技报告，2010，12.LI Yong，GAO Tian-fu.Study on the digital shipbuilding engineering offoreign countries［R］.China Defense Technology Report，2010，12.

［3］NSRP ASE，Navy product data initiative integrated product data environment(IPDE)specification［EB/OL］.http://npdi.nsrp.org/2008 －06 －30.

［4］BURTON G.Interim SCIM and STEP implementation［EB/OL］.http://www.nsrp.org/120809.Interim_SCIM_and_STEP_Implementation.pptx.

［5］MICHAEL O.Integrated logistics environment project［R］.Northrop Grumman Technical Services，2010.

［6］KASSEL B.Navy production data initiative［EB/OL］.http://www.nsrp.org/5_Navy_product_Data.html.

［7］KASSEL B，BRIGGS，TED.An alternate approach to the exchange of ship product model data［J］.Ship Production，2008(2):92－98.

［8］NAVSEA.NSRP ASE Project Book［EB/OL］.http://www.nsrp.org/2011 －09 －19.