基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据承接方法

单小芬，朱 煜，朱明华，刘永珍

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引 言

20世纪80年代以来，西方发达国家研究并应用了数字化并行协同研制技术。国内外的应用实践都表明，数字化并行协同是飞机制造业发展的必由之路，该技术的广泛应用不仅能大幅度缩短飞机研制周期，降低研制成本，提高产品质量，而且能从根本上改变现行的设计、制造、试验、管理的模式和方法，是航空制造业生产方式的一种变革[1]。船舶产品研制与航空产品研制在产品复杂度、产品数量、涉及的专业和复杂系统集成等方面都有诸多相似之处。因此，航空制造业在数字化研制和并行协同方面的经验可供船舶制造业借鉴。

随着世界各造船强国数字化设计和制造技术的应用与发展，总体所和总装厂（以下简称“厂所”）开展数字化协同设计并进行三维模型交付成为未来的发展方向[2-4]。欧美造船强国的船舶研制在方案设计、初步设计、技术设计、施工设计和生产设计等各设计阶段均全面采用三维设计技术，使设计人员在三维环境下并行协同地开展相关设计工作，方便地进行以总段或分段为对象的区域综合布置和区域设计，以及总体、船体、轮机、电气、武器装备综合布置的优化调整和干涉检查，直观地判断总段、分段或舱室综合布置的合理性，有效解决施工设计与生产设计模型转换和数据一致性等方面的问题。

国内总体所的设计数据未实现统一平台下的直接传递和继承，其与总装厂之间主要依靠二维图纸传递设计信息；总装厂根据二维图纸构建三维模型，结合船厂的生产特点形成二维图纸或三维作业指导书，并将其下发给车间进行生产[5]。这种通过三维建模和二维出图提供给总装厂设计信息来开展生产设计工作的方式效率较低，难以满足船舶研制的进度和质量要求。从总体设计到生产设计的设计周期管理，我国与国外先进造船国家相比还存在一定的差距，迫切需要在设计手段上实现突破，探索高效率、低成本的研制模式。

2015年以来，为更好地应用数字化技术促进船舶行业产业升级，国内各大船舶厂所纷纷基于3DEXP开展船舶数字化研制工程研究[6-11]，其中基于三维模型的厂所数字化协同设计的重点是三维模型的继承和使用。本文通过开展基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据承接方法研究，为厂所的三维模型交付提供技术支撑，从而充分发挥三维模型完整性定义的优势，缩短研发周期。

1 基于3DEXP的船舶数字化协同设计流程

国内的船舶设计普遍采用的模式为：总体所开展方案设计、深化方案设计、技术设计和施工设计（主要面向高新船舶），由总装厂完成工艺设计和生产设计。本文首先根据船舶行业近几年开展的厂所并行协同研究和型号应用，定义基于3DEXP的船舶数字化协同设计流程（见图1）。

图1 船舶数字化协同设计流程

在方案设计、深化方案设计和技术设计阶段，主要以二维图纸和技术文件为数据载体，采用技术研讨和设计评审等方式进行厂所协同；在技术设计后期和施工设计已全面采用三维设计手段的情况下，以三维模型为依据，采用设计评审的方式进行厂所协同。三维模型作为总体所与总装厂设计数据交换的载体，直接传递到总装厂进行工艺设计和生产设计。

2 基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据交互方法

基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据交互方法有统一站点、数据包交互和站点间同步等3种，其功能和特性见图2。

图2 基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据交互方法

通过对3种交互方法进行分析，可归纳出以下要点：

1) 统一站点和数据包交互/站点间同步是2种不同的应用逻辑；

2) 数据包交互与站点间同步的功能是递进关系，站点间同步需要相对规范化和流程化的业务规则；

3) 从实施难度和成本的角度分析，这3种数据交互方法按由低到高的顺序排列为数据包交互＜统一站点＜站点间同步；

4) 从业务和应用方法的灵活性角度分析，这3种数据交互方法按由低到高的顺序排列为统一站点＜数据包交互/站点间同步。

因此，在厂所协同业务早期，数据交互的业务并不成熟、规范，需采用相对灵活、实施成本低的数据包交互方法来支撑整个厂所的协同应用；当厂所协同业务趋于成熟时，可按需向多站点技术过渡；最后建立厂所数据传输专线，实现统一站点的数据交互，确保数据源统一。

3 基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据承接

由于目前基于3DEXP的船舶数字化协同设计还处于起步阶段，本文主要对数据包交互方法进行研究和应用验证，其技术路线见图3。

图3 船舶数字化协同设计数据交互技术路线

总体所和总装厂的设计均需符合厂所共同制定的协同设计规范。总体所的施工设计结果需按扩展属性包、基础资源库和协同设计数据数据包导出和发放，总装厂按扩展属性包、基础资源库和协同设计数据的顺序将其导入。在基础资源库导入之前，需定义总装厂特有的扩展属性，以满足生产设计的需求。

3.1 船舶数字化协同设计数据承接环境构建

总装厂在承接总体所的协同设计数据之前，需搭建数据承接环境，包括平台服务器搭建及客户端安装、工程建立、人员/组织/角色配置、权限设置、扩展属性定义和基础资源库配置等工作，其中影响协同设计数据顺利承接的2个最关键因素是扩展类型和属性协同及基础资源库协同。

3.1.1 扩展类型和属性协同

基于MBD（Model Based Definition）技术和深入应用考虑，总体所的设计数据可能会得到类型和属性方面的扩展。在基础资源库协同之前，需确保扩展数据的类型和属性已协同，进而确保基础资源库的数模类型和属性能完好地继承。

在导出扩展的类型和属性时，总体所需以admin_platform（平台管理员）的角色登录系统，在Specialize Data Model功能下找到并下载需导出的部署包；同时，以Owner（所有者）的角色登录Native App，并进入Data Setup模块，下载Deployment Extension Choice项的Business Rules。为确保总装厂能顺利继承扩展类型和属性，建议将导出的部署包和Business Rules等资源导入测试系统中进行测试。

扩展类型和属性的导入方式类似于总体所扩展类型和属性的导出方式。在Specialize Data Model功能下找到导入按钮，并将总体所发来的数据包导入平台中；在Data Setup模块打开Business Logic for Object Typing，找到Deployment Extension Choice项，并将总体所发来的Business Rules关联至该项。

对于安装区域和安装阶段等总装厂特有的属性，总体所无需扩展，仅总装厂扩展即可。

3.1.2 基础资源库协同

对于船舶设计而言，使用的设计模块几乎都需进行基础资源库配置，通过基础资源库和设计规则（Data Setup）的共同驱动来支撑船舶专用模块的应用。3DEXP基础资源库分为数模资源和项目资源表2部分，表1为3DEXP基础资源库清单，其中项目资源表是每个项目开展设计工作的基础，其配置管理直接决定着设计模型的一致性和单一数据源性[12]。

表1 3DEXP基础资源库清单

对于3DEXP基础资源库，需按数模资源和项目资源表的方式导出，导出要求和建议如下。

1) 角色：总体所需以Leader的角色登录客户端。

2) 数模导出：总体所需采用高级搜索的方式将各专业的数模资源通过Export功能导出，在导出对话框中选择with all Representations和with whole Structure选项。建议在创建数模过程中通过Catalog进行管理，这样在导出过程中可避免过多地搜索（Catalog在导出时可将其所有子级一并带出）。

3) 项目资源表导出：总体所可采用数模导出的方法导出项目资源表，其数据结构下的第一层数据会附带导出。对于数据量较大的Resource Set，可使用Tools下的批处理工具（Export 3D XML）导出。

总装厂收到总体所提供的基础资源数据之后，需先导入各专业的数模资源，再导入项目资源表。

对于数模资源，由于数据量较大，建议采用Tools下的批处理工具（Import 3D XML）导入；选择需导入的文件，指定导入文件的路径（见图4），并采用As Reference的方式导入数据；导入完成之后，通过检查Report来查看导入状态。数据导入完成之后，应基于上游提供的数据清单，在系统中检查数据的完整性。

对于项目资源表，其导入方式与数模数据相同。项目资源表中关联的数据主要包括CAT Catalog、Excel、CAT Material、Part、Physical Product和XML等。这些数据通过与Catalog关联或直接选用至Resource Set中组成资源的数据层。总装厂需以Owner的角色登录系统，并在Data setup模块将Resource Set关联至合作区。

图4 3DEXP数模资源批量导入功能

3.2 船舶数字化协同设计数据承接

船舶数字化协同设计模型数据导出、发放和承接是协同设计数据流转过程中最重要的环节。在并行工程环境下，总装厂完成船舶数字化协同设计数据承接环境构建之后，总体所可根据船舶产品的成熟度，导出、预先发放协同数据给总装厂，方便后者提前开展工作，最大程度地发挥并行工程的效果。

3.2.1 协同设计数据导出和发放

总体所在导出和发放船舶数字化协同设计数据之前，需完成以下检查工作。

1) 关联关系检查：在设计数据导出之前，其更新状态需保持最新，即数模中无更新。因此，需在导出设计数据之前对其更新状态和关联关系进行检查。通过Link工具检查设计数据内部的链接状态，所有的链接状态需保证完整，即链接为绿色。建议结合业务规范，通过二次开发实现模型关联关系自动检查。

2) 属性完整性检查：数据导出至总装厂之后，需确认扩展的数据类型和属性是否已定义完整。属性的完整性检查需通过开发实现。

总体所以Leader的角色登录系统，方可导出船舶数字化协同设计数据。数据的传输和接收由专人负责，且应采取相应措施保证数据传输各环节的安全性。

3.2.2 协同设计数据导入

总装厂收到总体所发放的协同设计数据之后，可在船舶数字化协同设计数据承接环境中导入设计数据，建议采用As Reference的方式导入。由于数模量庞大，设计数据同样需采用批处理工具导入，导入方式与基础资源库的导入方式相同。

协同设计数据导入成功之后，总装厂可直接基于总体所的协同设计模型开展后续的生产设计和工艺设计工作，以最大程度地利用总体所提供的三维模型，缩短生产设计和工艺设计周期。

4 结 语

本文分析了基于3DEXP的船舶数字化协同设计流程，研究确定了基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据交互方法，同时对基于3DEXP的船舶数字化协同设计数据承接环境构建和数据承接方法进行了阐述。本文的研究为厂所的三维模型交付奠定了基础，从而确保船舶设计上游数据与下游数据的一致性，消除双数据源之间的不协调问题，提高设计质量；同时，总装厂可基于总体所提供的船舶数字化协同数据，直接开展后续的设计生产，缩短设计和建造周期。

由于目前基于3DEXP的船舶数字化协同设计还处于起步阶段，厂所要完全基于三维模型交付，还需突破产品完整性定义、深入并行协同、基础库协同、数据高效交互、工程变更和数据管理等关键技术。未来将在已有研究成果的基础上，针对船舶数字化协同存在的问题和需求，充分结合工程实际，进一步提升船舶设计制造的数字化协同能力。