船体生产设计异构数据协同与统一数据源

钱怀宇，蔡 璐，冷久平

（上海萃兴信息科技有限公司，上海 200011）

0 引 言

生产设计数据协同与统一数据源是实现数字化制造、智能制造的基础，尤以船体生产设计数据协同与统一数据源为重[1]。

近年来，随着设计模式的不断演进和设计的不断深入，船体生产设计的深度和广度逐渐增加。当前在市场上很难找到一种能解决船体生产设计中的全部问题的软件，各相关企业为解决生产设计中存在的问题会引入多种软件。同时，受传统设计软件可扩展性差等因素的影响，还有相当一部分数据没有在设计软件中进行管理，由此形成多个信息孤岛，给船体专业内部数据协同与统一数据源带来较大的问题和挑战。此外，船体生产设计数据量巨大，更改频繁，给船体生产设计数据管理带来一定的困难。不解决数据协同和统一数据源问题，就无法保证设计数据的准确性和及时性，也就无法实现数字化制造和智能制造。

1 我国造船行业船体生产设计数据协同与数据管理现状

经过多年的发展，我国的船舶工业已在海工、液化天然气船和豪华邮船等多个领域取得长足进步，进入到了一个新的时期，并已成为世界造船大国。然而，我国船舶工业的人均产量只有韩国的1/13，日本的1/20，造船总体技术与发达国家相比还存在较大的差距。虽然国内大多数船厂已实现船舶三维设计，但设计数据仅留存在设计部门，大量工艺信息依然通过纸质图样进行流转，工作效率低下[2]。

目前国内船厂的船体分段生产设计工作主要由分段建模、组立图出图，分段套料和分段数据后处理等3部分组成。设计人员需分别利用船舶生产设计软件、辅助设计软件、套料软件和数据后处理软件等设计工具完成船体分段生产设计工作。

在建模出图阶段，设计人员以详细设计的图样或技术文件为依据，在设计软件内按照分段进行作业任务的分解与组合，将设计、生产、管理融为一体。结合施工条件进行设计，为配套部门采购和生产管理部门制订生产计划提供信息，为生产现场人员提供施工图样和技术文件。这些施工图样和技术文件包含现场施工及管理的全部信息。

建模人员完成分段建模、生产信息添加和零件分离之后，由套料人员进行套料。目前主要针对板材进行套料。套料人员利用套料软件进行板材套料之后，进行套料信息的添加、切割指令的生成和余料信息的汇总。建模、套料和材料管理通过多个软件实现，最终以纸质图样和相关切割指令为依据，安排现场人员施工。

在后处理阶段，设计人员根据完整的分段模型和生产信息进行分段型材套料、生成型材下料图和生成各类曲形零件加工图等工作。工艺信息全部以图样的形式下发至施工现场。

在传统的造船模式下，这种通过纸质图样、报表和文件传递加工制造信息的形式能满足制造部门的需求，但随着大量数字化制造设备的引入，传统的数据传递方式面临极大的挑战。图1为包含加工制造信息的施工图样。

图1 包含加工制造信息的施工图样

1.1 当前我国造船行业数据协同与统一数据源存在的问题

当前，国内多数船厂在数据协同与统一数据源方面主要存在以下几个问题。

1.1.1 工艺数据未完整建模和管理

英国AVEVA公司开发的Tribon M3软件是国内主流的生产设计软件之一，由于开发较早，对模型工艺属性的扩展有限，致使一部分工艺信息无法作为模型的扩展属性进行保存，这部分属性数据大多通过图样和报表的形式进行表达。每次更新图样或报表时，都要对相关工艺信息进行重新赋值。虽然国内各船厂基于该设计软件进行了二次开发，用于解决建模、出图和工艺信息提取方面的问题，但受制于开发能力有限和数字化设备对此类数据的需求不足，此类软件不能囊括各类工艺数据。即便包含大部分工艺数据，大多数数据还是以纸质图样的形式存在，无法进行数据的传递和结构化，而数字化设备和智能设备恰恰需要这些结构化的数据。

1.1.2 生产设计软件种类繁多，数据协同能力差

随着国内船厂对生产设计深度的要求逐渐提高，为满足生产设计各方面的要求，船厂先后引进多种设计软件，用于解决船体生产设计各方面的问题。然而，很少有方案能同时满足各方面的需求。同时，各软件相互独立，彼此间的数据协同通过文件或数据接口传递，每次设计变更都需设计人员在多个软件之间进行数据协同，耗时费力。船舶生产设计的特点就是设计周期短、设计更改频繁，不仅会间接增加设计人员的工作量，而且容易引起设计数据间不协同，从而造成设计错误。

1.1.3 生产设计数据保存在多数据库中，未能形成单一数据源

为解决设计属性无法扩展和工艺数据不全面的问题，某些船厂利用第三方数据库，将全部设计数据导入其中，在数据库中对特定设计对象的属性进行扩展。该方法虽能解决设计属性无法扩展的问题，但由于设计数据既存在于设计软件中，又存在于第三方数据库中，在更改设计时，设计人员首先需更新设计模型，再更新第三方数据库。为提高更改效率，设计人员可跳过模型更改的环节，直接更改数据库中的数据，这样容易造成设计软件和第三方数据库不同步，从而造成设计错误。

1.2 当前造船行业数据协同与统一数据源面临的挑战

船厂当前生成的图样和工艺数据虽能为传统造船模式提供指导，但随着造船模式的转变、船型复杂程度的提高，大量的人工操作即将被机器取代。当前数据协同和数据管理很难满足数字化、智能化造船的需求，主要体现在以下几个方面。

1.2.1 大量的非结构化数据，无法对数字化设备进行支撑

当前，国内船厂大力引入数字化制造设备，期望借此提高制造质量和效率。然而，原有的工艺类图样虽然包含有全面的工艺数据，但未形成数据流，无法直接驱动这类设备，无法直接对数字化设备进行支撑。

1.2.2 多数据孤岛，无法形成统一的数据源

多数国内船厂的数据协同能力较差，在设计部门内部就已形成数据孤岛，无法形成数据流，既不能直接驱动数字化设备，又很难保证数据的准确性。考虑到国内船厂的生产设计周期普遍较短、设计变更频繁，在当前模式下统一数据源极为困难。

1.2.3 数据未形成双向流动

虽然国内一些船厂已能在设计部门内部构建统一、完整的数据源，但在船舶企业内部各部门间的数据流通还不顺畅。有些企业的设计数据虽能通过数据流向下游传递，但现场生产制造部门的建造状态不能形成数据流返回到设计部门，从而导致信息不对称，影响企业的综合效率。

2 基于船舶辅助设计系统提出的解决方案

依据国内船厂的业务现状和后端的数据需求，设计人员基于“单一入口，一次定义，多次完善”的设计理念，在单一设计软件中完成全部的建模和出图任务，同时利用船舶辅助设计系统帮助设计师高效、规范地完成船体各类工艺信息的维护。通过直连企业级数据库，利用版本管理等功能对非建模数据和扩展属性进行管理，在保证单一数据源和设计效率的前提下，实现船体生产设计数据的有效协同和统一数据源。

2.1 优化设计工具，提升工艺数据建模的完整性

利用设计工具自身的功能并辅助二次开发程序，实现船体相关专业设计、工艺数据的全面建模，从而解决多软件、多数据库间的数据协同问题。

2.1.1 利用设计软件自身数据库，完成设计数据的维护

以装配设计为例，通过开发装配辅助设计程序，实现装配节点的快速定义、装配基面的自动定义及装配数量和流向等信息的人工定义。装配辅助设计内嵌在设计软件中，用户无需考虑数据协同的问题，实时完成数据的协同和属性的更新。图2为装配设计操作界面及效果。

图2 装配设计操作界面及效果

2.1.2 利用扩展数据库，维护附加设计属性

以焊接设计为例，通过开发焊接辅助设计程序，实现对焊脚高度、焊接姿态和焊接类型的定义，并根据一定的业务规则，快速统计焊材物量和预估焊接工时。最终将该设计结果保存在扩展数据库中。该扩展数据库起到的作用与设计软件自身的数据库相同，但仅保存设计软件数据库中未定义的属性。同时，利用企业数据库，仅保存设计软件无法定义的属性，保证这部分属性的唯一性。此外，辅助设计软件的入口依然在设计软件端，设计人员无须在多个软件端频繁切换，辅助设计软件依赖的数据也都实时从设计软件端读取，自然地解决数据协同的问题。表1为某分段典型焊接数据。

表1 某分段典型焊接数据

此外，以材料管理为例，通过开发材料管理软件，实现对板材、型材和余料的管理，并建立可共享的扩展数据库，实现设计数据、物资和现场施工数据的互联互通。

综上，利用设计软件端的改造与开发，结合扩展的中间数据库和企业级数据库，实现设计数据、工艺数据的完整表达和管理。

2.2 梳理业务对象，形成设计端统一数据源

与焊接数据和涂装数据不同，船体结构的大部分属性已在设计软件端进行管理，仅有一小部分属性无法管理。对于这部分属性，可通过外部数据库进行扩展。从设计软件端的信息定义入口，对这部分数据进行定义。同时，结合文本加密和数据库加密等技术，避免设计人员直接更改相关属性。由此，保证单一设计数据仅在一处定义和存储，这样既可减少设计人员更新属性时的重复操作次数，减少数据间的协同，又可避免因数据多源而产生冲突，保证数据的准确性和一致性。

2.3 设计数据校验，管理设计数据的准确性

为保证数据的准确性，在设计工作结束之后，需对设计结果进行必要的检查和审核，只有校验通过的数据才能下发至企业级数据库。例如，零件需校验是否套料及是否定义装配、同名零件是否完全相同和需加工的零件是否已填写正确的加工代码等。此外，由于模型和零件在Tribon M3系统中分属于2个数据库，设计人员还需校验建模零件和下料零件的工艺信息是否相同、建模零件是否有对应的下料零件和下料零件是否有对应的建模零件等[3]。

经过一系列检查，只有通过校验的数据才能顺利地发布到下游产品数据管理（Product Data Management,PDM）或产品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）[4]系统中，实现对数字化制造的支撑。图3为典型数据提交流程。

图3 典型数据提交流程

3 结 语

综上所述，通过优化设计工具，增强异构数据的协同，强调数据源的统一，能有效解决数据扩展、数据协同、数据准确性和操作效率方面的问题。通过上述分析和比较可知，该方法可高效地解决船体专业在数据协同和统一数据源方面遇到的问题，从而在尽量减少设计人员工作强度的前提下保证设计数据流的正确创建。

数据协同与统一数据源是一个看似简单，实则复杂而重要的环节，随着各企业对数据流的重视及数字化制造、智能制造概念的广泛传播，造船企业对这方面的研究逐渐深入。对于船体专业来说，通过智能化设备实现局部自动化加工、半自动焊接、自动焊接和焊接管控已成为可能。数字化、智能化制造可提高产品制造的效率和质量，而实现这些最基本的前提是数据，梳理业务，拓展船舶数据管理，形成数据中心具有重要意义。

【 参 考 文 献 】

[1] 李沛田，靳长勇. 基于BOM的船体生产设计数据管理技术研究[J]. 船舶与海洋工程，2016, 32 (4): 72-77.

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

[3] 朱安庆，周卫鹏，马晓平，等. 基于TRIBON的船体生产设计BOM表自动生成程序开发[J]. 江苏船舶，2004, 21 (6): 3-4.

[4] Siemens PLM Software. 造船行业白皮书[Z]. 上海：西门子工业软件有限公司，2014.