全流程三维船舶设计平台构建

吉春正，李 晨，田正军，赵 勇，沈 杰

（招商局邮轮研究院（上海）有限公司，上海200137）

0 引 言

进入21世纪之后，机械工程前沿技术得到了迅速发展，数字化设计、虚拟仿真和并行工程等技术得到了广泛应用，为实现船舶全流程三维（3-Dimension，3D）一体化设计提供了可能。因此，国外先进船企率先开始进行了以协同设计、并行工程和敏捷制造为核心的一体化造船信息平台研究，国内研究人员也对此广泛开展研究，尝试构建一体化设计平台。然而，受传统开发流程和模式的影响，目前我国船舶设计的各阶段仍存在信息孤岛，完全实现基于3D模型的船舶并行协同设计存在诸多挑战。为贯彻落实《中国制造2025》，加快推进船舶总装建造智能化转型，工信部装备司于2017年印发了关于文献［1］的指导意见，2018年印发了关于文献［2］的行动计划，提出推进船舶全三维数字化设计，建设基于模型的数字化船舶设计平台体系。本文在上海市工业互联网创新发展基金的支持下，对全流程三维数字化设计进行深入研究，构建船舶设计平台，规划船舶设计流程，并在某系列客滚船项目（5型9艘）上进行实船验证和完善。

1 3D一体化船舶设计平台研究

为支持对产品全生命周期数据的访问，产品信息模型需保证信息的一致性、完整性、可扩展性和标准化，因此与传统的船舶设计平台相比，3D一体化船舶设计平台需实现数据库统一、设计并行协同、全程3D一体化设计和数据安全保护（见表1），以打通船舶设计各阶段的信息孤岛，实现异地、动态、协同、并行地开展全流程3D一体化船舶设计。

表1 3D一体化船舶设计平台核心特征

2 3D一体化船舶设计平台构建

由于需提供基于互联网访问的信息平台、基于统一数据源的产品数据库、对应不同应用要求的信息访问工具、支持并行协同的实时消息传递和工作流管理，并保证产品信息的正确性、完整性和安全性，因此3D一体化船舶设计平台应至少包括“数据层”的数据、“业务支撑层”的接口、“业务应用层”的软件、“运行管理与数据安全”的辅助、“基础层”的网络和“数据分析层”的数据分析。为使读者了解全景，先展示最终构建的3D一体化船舶设计平台（见图1），再分别简述各层的构建过程。

图1 3D一体化设计平台架构示意

2.1 业务应用层

业务应用层是整个船舶设计平台的核心，需满足数据源统一、分布式应用和集中式管理的要求。经深入论证，选用AVEVA Marine系统作为业务应用层的核心系统。该系统支持从1D到5D的全流程船舶设计（见表2），通过模型继承或拓扑等，实现1个3D数据模型贯穿始终。在此基础上，进行一些二次开发，并融合自有管理程序（如Doris设计管理系统），可构成全流程3D一体化船舶设计平台。

表2 业务应用层AVEVA软件1D到5D数据细化示意

2.2 业务支撑层

在业务支撑层面，关键是实现分布式应用和集中式管理。本文搭建的业务支撑层包含2部分：

1）集团内部全球各单位使用AVEVA Global模块实现3D一体化设计数据交互；

2）集团外部各单位使用XenDesktop虚拟桌面实现协同设计数据交互，同时保证数据的安全性，并解决外协单位软件许可不足的问题。

2.2.1 AVEVA Global模块一体化设计数据交互

AVEVA Global模块通过中心端（Hub）与卫星端（Satellite）连接，进行数据传输和模型更新，使用户能打破时间和空间限制，从全球任意一个可接入网络的地点进行并行协同设计（见表3）。

表3 AVEVA Global模块核心特征

2.2.2 XenDesktop虚拟桌面协同设计数据交互

为营造安全的研发环境，防止泄密，提高图形工作站和正版化软件的利用率，集团外部各单位使用XenDesktop虚拟桌面系统实现设计并行协同。

2.3 数据层

数据层是统一数据源的关键，包括系统、配置、工程、通信和管理等5层数据库。为保证数据同源，在数据库建设方面的核心工作是推进设计标准化建设。本文建立一套完整的设计标准体系，见表4。

表4 各数据库简介及设计标准体系文件

需注意：配置数据库只能由中心端配置，若要更新，考虑到传输数据量巨大，建议采用FTP（File Transfer Protocol）定期传输更新；工程数据库可通过Global实时更新，且读写权限方便转移。

2.4 基础层

平台基础层是指实现设计互联互通的网络系统。

2.5 数据分析层

数据分析层是指通过二次开发软件对3D模型数据进行提取和分析，以满足设计、生产和管理需求。

2.6 运行管理与数据安全

为配合3D一体化船舶设计平台的运行，起草《复杂项目集中式技术管理流程》，对内外设计资源进行集成管理，并明确3D一体化船舶设计平台的运行管理机制；同时，从管理、物理、系统、网络和应用等5个方面制定安全保障机制（见表5），确保数据安全。

表5 安全保障机制

3 实船应用

搭建完成该全流程3D一体化船舶平台之后，在某系列客滚船（5型9艘）上对其进行实船应用。

1）经过首型船测试，在第二型船上实现结构3D一体化设计，实现方式为：3D模型一次定义→拆分继承→交互设计→细化工艺→生产设计图纸（见图2）。

图2 结构3D一体化设计流程

2）经过第二型船的测试，在第三型船上实现电气3D一体化设计，实现方式为：1D标准库定义→2D原理／布置设计→2D／3D模型转换与交互→（2个阶段）3D模型细化与交互→工艺设计→生产设计出图（见图3）。其他大舾装（舾装、管装和通风等）并未采用1D→2D→3D的真正3D一体化模式，而是利用各设计阶段的大舾装数据库共源的特点，提前进行3D建模和瓶颈空间协调，简要实现方式为：一次定义→重复使用→

图3 电气3D一体化设计流程

不断细化。

3）与设备厂商内装并行设计。通过开放应用接口，使设备厂商能直接在平台上建模，或导入通用格式的设备文件（STP或IGS格式），参与一体化协同设计。

4 结 语

本文对全流程3D船舶设计进行了深入研究，介绍了3D一体化船舶设计平台的基础层、数据层、业务支撑层、业务应用层、数据分析层和辅助模块（运行管理和数据安全）的构建过程，以及该平台在实船上的应用。目前该平台已完全实现对设计全流程中各设计单位的3D一体化船舶设计，导出3D轻量化模型供客户审核，生成2D图纸送船级社审核。目前正在推进3D模型送审测试，以进一步拓展平台应用，实现全流程3D数字化船舶设计。