数字化变革——船舶设计高质量发展之路

胡可一 王 冰

（江南造船（集团）有限责任公司 上海 201913）

0 引 言

大型钢质船舶设计是一个典型的面向离散型、定制型产品的综合性系统工程，是船体、轮机和电气等十多个不同大专业设计的集合，每个大专业又可细分为许多子专业。以广义的船体设计大专业为例，又包括总体设计、结构设计、舾装设计、内装设计与工艺工法等多个子专业。

传统的船舶设计是根据运输的货物、营运水域、港口设施，以及相关的法规、规范和设计任务书的具体功能要求，为某型船舶的建造和营运提供所需的全部技术文件。所有的技术文件、图纸和计算报告等需得到船东或船级社的认可后，方可进行下一步面向建造的工艺设计工作。传统的船舶设计和建造的工艺工法在前期虽有关联，但本质上是割裂的。以船厂自主设计份额最大的船体结构设计为例，传统船舶设计的交付物基本以二维图纸为主。二维图纸得到船东和船级社认可后，在此基础上进行船体实尺放样再生成二维的草图和数据，用于现场建造；待船舶建造完成并交付时，最终的二维图纸作为完工图纸入库收存并交付船东作为全生命周期的信息载体。20 世纪80年代末至90年代初，在整个工业界“甩图板”的大潮中，船舶设计也采用了二维CAD 软件（如AutoCAD）进行二维图纸设计。在AutoCAD 的基础上，通过高级语言和宏命令的二次开发也衍生出一些船舶设计专用软件，其中以AutoSHIP 最为有名。

从20 世纪90年代中期开始，中国的主流船厂引进了以KCS（Kockums Computer System）为代表的准三维设计（2.5D）；同时，多家基于工作站的三维软件，如UG、Pro-Engineer、CADDS5、Intergraph（鹰图）和CATIA 等，也试图进入船舶设计领域。不过，由于船舶建造仍然以二维图纸为主，因此相关各方（如设计院所、船厂、船东和船级社）之间设计信息的交换媒介仍然是二维图纸。此外，由于上述三维软件还无法从三维模型输出建造所需的二维图纸交付物，加之三维软件所需的工作站硬件费用昂贵，并且由于三维曲面和实体定义的原因而导致运行效率低下，因此在90年代中期，三维软件仍未能在船舶设计领域顺利推进，而以二维图纸为主要交付物的设计院所在推进三维设计的进程中则面临更大挑战。

相反，以KCS 和后续升级版本Tribon 为代表的准三维设计（2.5D）的相对优势，使它们成为后续相当长一段时期内的船舶设计主流软件。此外，也有一些相对小众但颇有特色的船舶设计软件，如西班牙SENER 公司开发的Foran 系统。较之于侧重生产设计的Tribon，Foran 的基本设计模块更加贴近实际船舶设计，特别是2003年重写代码的Foran 60 版。改写后的Foran 60 和Tribon 都采用船舶设计常用的特征线来定义船体线型，用理论线来表示船体结构件的对合位置，沿用传统船舶设计的制图惯例，而且在满足分段结构制作精度的前提下，能比三维实体模型更加高效。 Foran 现已被西门子公司收购并将被重新定位，从而使基本设计模块和NX 系统组合成为船舶设计的全新解决方案。

2005年以后，工业软件的几大巨头陆续推出新一代三维软件系统，进一步强化了原有的三维核心功能，再加上普遍采用了购置成本大大低于UNIX 工作站的Windows NT 工作站，强大的软件功能和相对低廉的硬件成本使新一代的三维CAD软件再次得到迅速发展。同样，这些软件巨头在进行行业布局的同时也没有放弃向船舶设计这个小众行业拓展。达索系统、西门子和鹰图分别以新一代系统（3D EXP、NX 和Smart 3D）为基础，推出了面向船舶设计的CAD 系统；被德国Schneider 公司收购的AVEVA 公司也推出新一代AVEVA Marine和AVEVA E3D 软 件。Smart 3D 和AVEVA E3D 现已成为海工行业的新一代工业标准。

这些三维软件无一不以三维数字样船（3D digital mock-up, 3D DMU）为核心并贯穿到研发、仿真、分析、设计、制造、调试和交付的各个阶段乃至全生命周期的数字孪生（Digital Twin）。对于船舶建造合同的执行来说，2-To+1-On（To specification, To quality, On schedule）十分重要，而三维仿真分析、研发设计和基于实体三维模型的建造推演对首制船型（特别是高技术复杂船型）实现2-To+1-On 的作用是十分正面和积极的。三维数字样船（3D DMU）的融入推动船舶设计发生了质的变革，更加确切地说是从“二维图纸阶段性的离散交付”到“面向全设计流程的三维模型”的变革。

1 船舶设计模式走向何方

现代船舶设计模式将走向何方？与传统设计模式相比有什么不同？厘清“造怎样的船（What to build）”与“怎样造船（How to build）”的概念和2 个“一体化”是十分必要的。现代船舶设计为什么要解决“怎样造船”？因为现代工业边设计、边建造的离散型制造过程中，需要融合设计、建造、管理为一体，把“分道作业、成组技术和以中间产品为导向”的统筹优化理念在船舶建造中实践和应用。船舶如何高效、高质量地建造，造船作业任务如何根据自身造船设施以及人力资源的特点和负荷进行分解与组合以达到最佳，工艺工法应如何推演等，均需要有直观的基础载体同数据源加以融合并实现2 个“一体化”。这个基础载体就是船舶设计，并且该载体已经从传统二维图纸逐步演变成三维模型或三维数字样船（3D DMU）。

1.1 “造怎样的船”和“怎样造船”

“造怎样的船（What to build）”与“怎样造船（How to build）”，这2 个概念起源于20 世纪80年代中后期的日本造船界。船舶设计不仅要解决“造怎样的船”的定义，还要解决“怎样造船”的工艺工法。

“造怎样的船”相对容易理解，与传统的设计模式相似，主要是完成所造船舶的功能定义，以满足船东所订造船舶的功能和技术指标，本文不再赘述。“造怎样的船”对应的就是船舶设计中的合同设计、基本设计与详细设计。

“怎样造船”是按照现代船舶建造的基本原理，对详细设计图纸上定义的造船作业任务按工序或区域进行分解和组合，并将建造相关的工艺工法融入分解后列入工艺技术文件中的设计过程。在20 世纪80年代的日本造船界，将定义“怎样造船”的过程称之为“生产设计”。“怎样造船”的要点可以归纳为：

（1）“怎样造船”的设计前提是按照功能/系统设计转换到产品作业任务的分解和组合，按照划分的各个区域进行“怎样造船”的区域设计；

（2）“怎样造船”的区域设计是以中间产品为导向，按照船舶建造的作业任务性质分为壳、舾、涂这三大类，划分成为不同的作业阶段，并进行产品作业任务分解与组合，以细化描述“怎样造船”的作业程序、工艺方法、尺寸精度以及生产资源的需求等设计过程；

（3）“怎样造船”的设计是船厂对船舶建造计划和工艺的策划要求进行互动设计的工作过程。

当时中国造船学习日本的生产设计模式主要是解决在“纸面上”进行模拟造船，解决“怎样造船”的问题，把工艺工法从条文分解转变为图解或图纸上的注解。

1.2 2个“一体化”

2 个“一体化”是指“设计、生产、管理一体化”和“壳、舾、涂一体化”。中国的船舶设计模式源自上世纪八九十年代的日本造船界和之后的韩国造船界，归纳起来都绕不开面向建造2 个“一体化”的设计理念，这是长期以来日本和韩国船厂对设计和建造过程中经验的总结和深化。

“设计、生产、管理一体化”是指设计（船舶设计）、生产（施工作业）和管理（生产管理）均以建造计划（工艺）为主导的互动设计理论。现代船舶设计运用该理论旨在提高造船生产效率，同时更有效地降低造船成本。作为现代生产管理中的工程计划管理，其建造计划由3 个层次组成，分别是：建造方法、建造方针和建造策划。

建造方法是指生产管理部门在了解待建船舶主尺度、主要结构形式、主要设备及总体布置的基础上，对该船进行粗略的分段划分，确定建造的方法、施工原则和大节点安排，以便对建造周期有大致计划。建造方针是在确定建造方法的基础上，以船体为基础、舾装为中心，以现代造船工法和技术为指导，将工艺、计划、成本、质量与施工等各方面综合平衡后所形成建造船舶整体优化的建造方案。建造策划是指将建造方针提出的各项具体内容在设计、施工管理的方法上加以具体落实，从技术上指明作业的顺序、方式、特殊的施工注意点和技术要求，以指导生产设计和施工管理的技术文件，是后续建造过程的指导性文件。

“壳、舾、涂一体化”是指船舶设计由功能/系统设计进入到生产设计阶段，划分为壳（船体建造）、舾（舾装）、涂（涂装）这三大专业，并开始进行区域设计的同步协调设计理论。运用该理论进行船舶设计旨在推进舾装作业前移，把船舶制造过程中壳、舾、涂作业间的矛盾或将会产生的各种问题消除在生产设计的“纸面造船”作业之中。

1.3 设计阶段划分的模糊化

传统船舶设计阶段的划分不尽统一，通常有三阶段、四阶段和五阶段之分。船舶设计的阶段划分也并非一成不变，可以根据具体船型的特点进行调整，但是基本的图纸和技术文件内容不变。以四阶段为例（参见图1），一般划分为合同设计、基本设计、详细设计和生产设计这4个阶段。不同的设计阶段中，设计目标、设计输入、设计深度以及参与人员等都不尽相同，充分体现了“二维图纸阶段性的离散交付”特征，“出图”为各个阶段的主要目标。

图1 船舶设计阶段的划分

此外，还有一种划分是基于送审设计的定义。送审设计与合同设计、基本设计和详细设计是并行的，其设计内容包括合同设计的一部分、基本设计的全部图纸以及详细设计的部分图纸。

该阶段主要目的是完成合同约定的技术文件送审，并且最终确定船舶的技术指标、功能和配套的主要设备，为开展下一步生产设计提供依据，同时规定详细设计阶段的设计内容和关键图纸的设计深度。

图2 基于三维CAD 的船舶设计流程

现代船舶设计旨在以三维模型或三维数字样船（3D DMU）为贯穿整个设计流程的“单一数据源”。在这种采用三维CAD 设计的模式下，尽管仍可与传统设计一样划分出3 ～ 4 个设计阶段，但跨设计阶段的双向数据流和交互大大增加，设计阶段的划分事实上已被模糊化。

1.4 新的设计变革需求

现代船舶设计的核心理念仍然是面向需求和生产的研发和设计，但是随着现代数字化的不断发展，船舶设计手段发生了重大转变，由此便产生了新的设计变革需求。

目前国内多数船厂的船舶设计仍以二维图纸为主。通常在船型研发、基本设计和详细设计阶段采用二维图纸，在图纸上描述结构分布、结构形状和结构节点，然后在生产设计阶段进行三维结构建模，最后再生成二维施工图。这样从二维变为三维、最后又变为二维的设计模式，即前文所述的准三维设计（2.5D），此时的三维模型只是生成二维交付物的工具。

从2D 升级到2.5D 的设计，虽然已经引入了三维设计和分析方法，但本质仍然是基于二维图纸的设计，传统二维设计模式的弊端仍然存在，其中之一就是信息/数据孤岛。信息/数据孤岛的产生是由于设计信息跨软件平台靠人工传递，容易引起设计端和生产端对二维图上内容的误解，造成设计、生产的返工。随着造船周期缩短而迫使效率不断提升，这种信息/数据传递模式也会使设计和生产质量差错率增大。信息/数据孤岛还体现在设计信息同造船设施和设备之间缺乏有效的衔接端口，无法直接获取与识别，因而造成不必要的设施、设备管理或施工管理协调成本的升高。

2.5D 设计模式中的三维模型功能单一，从建造策划、模拟仿真、智能制造、CAE 的数据传输、AR/VR 建造辅助、远程调试、人机交互以及面向全生命周期应用的数字孪生等方面来看，其显然已经不能满足未来船舶建造高效化、数字化和智能化的发展趋势。因此，新的设计流程变革（process innovation, PI）和数字化转型已迫在眉睫，需要让三维模型针对数字样船和数字孪生的发展方向进行重新定位。

2 全三维的设计变革

三维工业设计软件彻底改变了工业产品的设计模式，极大提升了设计人员处理高精度和复杂任务 的能力。如今，多数工业产品（特别是大型装备）的复杂程度和迭代频率都是以前难以想象的。三维工业设计软件的应用实实在在地推动了生产力的进步，有效促进了工业产品不断更新和迭代，其已成为当今工业界不可或缺的创新利器。

2.1 船舶三维设计软件

受到工业界三维设计软件快速发展的驱动和影响，除了在船舶设计软件坚守的AVEVA 以外，多家大牌三维设计软件巨头也尝试重新进入或拓展其在船舶设计市场的份额，其中颇具代表性、应用较广且接受程度较高的软件是NX+Foran、3D EXP 和Smart 3D 等。

NX 软件是西门子（Siemens）公司提供的面向产品全生命周期的解决方案，提供了集成、全面的产品开发解决方案。NX 软件的强大功能主要基于各个功能模块实现（包括CAD、CAM 和CAE 模块），各模块分别完成产品设计制造中的不同任务，从而实现高效、科学的设计制造过程。目前，NX 软件已经升级并可支持进行下一代的设计、仿真和制造解决方案，支持实现数字孪生的价值。

Foran 是西班牙SENER 公司开发的一款功能强大的设计软件，其囊括了船、机、电、涂装和舾装等各个专业，现已成为西门子NX 软件下的组件。在船舶设计和建造中，从初始的概念设计、基本设计和送审设计阶段，直到后期的详细设计阶段，Foran 可以应用于所有船型的设计建造，同时可以根据不同用户的特定需求进行个性化定制。

CATIA 是由法国达索系统（Dassault Systemes）公司开发的CAD/CAE/CAM 一体化软件，现已广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子/电器和消费品行业。CATIA 作为达索公司产品全生命周期管理（product lifecycle management, PLM）协同解决方案的重要组成部分，可以通过三维模型帮助制造厂商设计未来产品，并支持从项目前期研发、设计、分析、模拟，到后期的组装和维护在内的全部工业设计流程。CATIA 内有多个设计模块，可以提供风格和外型设计、机械设计、设备与系统工程设计、数字样机设计、机械加工设计、数值分析和模拟等，各个模块都基于同一数据平台，因此各个模块之间存在真正的全相关性。CATIA最新的V6 版本也被称为3D EXP。

Smart Plant 3D （即Smart 3D），是鹰图（Intergraph）公司开发的软件，其拥有自动化功能及规则驱动技术，可以显著提高生产效率并有效提升设计和工程质量，特别是能够快速准确地创建和修改模型。目前Smart 3D 软件可以提供制造企业所需的全部功能，并提供整个生命周期的更新和维护，同时也可以实现优化设计，提升产品的安全性、质量和生产效率。除应用于船舶行业，Smart 3D 已经成为海洋工程行业（特别是模块设计制造）的新一代工业 标准。

AVEVA Marine 是AVEVA 软件的3 个核心模块之一，也是目前在船厂应用较广的生产设计辅助软件。早在1976年，AVEVA 就开发出全球首个三维工厂设计系统PDMS（plant design management system）。2004年，AVEVA 收购了著名的船舶设计解决方案Tribon，目前的AVEVA Marine 属于Tribon 和PDMS 的整合升级产品。AVEVA Marine得益于高效面向对象的数据库，在船舶行业形成了独具优势的工业软件平台。被德国Schneider 公司收购的AVEVA 也推出了新一代的AVEVA Marine和AVEVA E3D。目前，AVEVA 已经建立了一体化的工程信息管理平台，并将制造企业整个生命周期所覆盖的需求、设计、建造、交付、运营和改造的数据和信息全部连接起来，为整个生命周期提供决策支持，助力企业实现关联数字孪生（connected digital twin）技术。AVEVA E3D 已经成为海洋工程行业（特别是船体设计制造）的新一代工业标准。

其他面向船舶设计领域的三维设计软件还有CADMATIC 和NAPA。CADMATIC 是高度集成的三维船舶与海工设计专业软件，包含了船体、轮机、管系、空冷/通风、舾装和电气等专业，集三维设计、详细设计和生产设计于一体；NAPA 具备快速的3D 建模能力，可以用于船体曲面造型设计和型线设计，并在此基础上进行总布置设计、分舱和舱容计算、性能计算分析、结构设计与分析等。这2款软件虽不如前文所述的软件可以提供产品的全流程工业设计，但是在船舶行业（特别是前期设计）也占据一席之地。

2.2 三维数字样船

三维数字样船（3D DMU）的本质上是装配模型（assembly models）。装配模型是工业产品研发（product development process）的核心要素，当前的工业产品研发和设计大多依赖于3D DMU 来评估、修改和优化设计方案，此类方式已广泛应用于汽车、航空、航天和海事行业。

3D DMU 通常用于虚拟检查部件，如：总体布局检查、干涉检查、空间分配/评估、装配工艺设计、维护/任务系统设计、运动仿真、沉浸式模拟和附加外部数据（如有限元加载等）的可视化，并且需要通过三维工业软件来实现。随着大型工业软件进入船舶设计领域，3D DMU 的理念也在船舶行业得到了广泛应用，如图3 所示。

图3 船舶设计中的数字样船（3D DMU）

2.3 基于3D DMU的设计流程革新

（1）基于3D DMU 的设计技术

3D DMU 完成后可对整个船舶或部分进行计算机模拟。数字样船具备和实船相似的设计功能，可输出建造所需的数据和加工指令（包含型线设计、结构设计、舾装设计、轮机和电气系统设计等），还可进行各个子系统和模块的集成设计、装配和单元可视化设计、管系和组件的干涉检查、功能模拟检测、产品结构和配置等设计功能，可以为建造策划、生产管理、工法仿真以及计划排产管理等决策过程提供支持。

（2）基于3D DMU 的制造技术

基于3D DMU 生成的数字船体零件交付物包含了船体零件制造所需的所有信息，可以直接被现场的切割和加工设备识别并用于加工制造。基于此技术生成的设备、管系等制造和安装的三维图纸能够直观地表达出各种工艺信息，用于现场的作业指导。

3D DMU 的出现为船舶设计提供了一个新的数字化信息流，其能贯穿至船舶设计整个过程乃至船舶的全生命周期。现代船舶设计由原来的分阶段图纸交付物正逐步变为以三维模型或三维数字样船（3D DMU）为贯穿整个设计流程的“单一数据源”，以3D DMU 为驱动力的设计流程变革和重新定位正在到来。

2.4 基于3D DMU的科技型造船企业

船舶的数字化流程革新能够有效提升科技竞争力、提升建造效率、适应船型的多样化和复杂化、高效建造高附加值船舶，扩大市场份额。

随着环境问题越来越严峻，同时对能源枯竭的忧虑也愈发加深，未来对船舶排放和能耗会有更高的要求，造船企业需要拓宽经营方向，向低碳化、智能化和数字化船型进行拓展。

3D DMU 的应用将使造船企业在低碳和智能船型建造上具备优势。3D DMU 可以实现卓越设计，提供多方案的选择和评估，在先进船型的研发和设计方面，基本设计阶段就可以进行先进的仿真分析和功能集成分析，确保设计结果能够满足低碳、智能等相关需求和规范。

3D DMU 的应用将使造船企业有效缓解人工和材料的成本上升。基于3D DMU 的流程设计可以提升设计效率，捕获和重用知识工程，进行模块化设计； 基于3D DMU 的流程设计也可以降低成本，在设计的过程中可以进行设计重用，便于进行变更影响性分析，减少返工。基于3D DMU 的现场生产能够提升建造效率，降低建造成本，优化资源配置，降低仓储和运输成本。

3 单一数据源的挑战

3D DMU 的出现，使“单一数据源”概念越来越受到运用三维设计软件的组织或企业的重视，令3D DMU 成为贯穿船舶设计整个过程乃至船舶全生命周期的“单一数据源”设计流程革新成功的关键。

3.1 单一数据源

数据是企业营运和管理的基础，其数据广泛存在于设计、生产、管理和配套等各个不同的环节和系统之中。如果想要实现企业的数字化转型，就必须将各个独立的系统和数据汇总并整合，形成可信赖的单一数据源（single source of truth，SSOT），如 图4所示。

图4 单一数据源（SSOT）

数据存在于整个组织的各个系统中，这些数据一般都是独立存储在数据筒仓（与其他系统相隔离），这对于希望采用数据驱动（data-driven decision）决策的组织来说是巨大的挑战，因为组织中并非所有的成员都使用相同的数据或工具进行操作。

单一数据源可以将同一组织内不同系统之间的数据进行统一管理和整合，形成可信赖的单一数据来源；单一数据源不是一种系统、工具或策略，而是一种数据的存储和管理的状态；单一数据源即在来自不同信息源的同一属性信息中，作为唯一的可信赖的数据存在；单一数据源的作用是确保组织中的每个成员都基于相同的数据进行业务决策。

3.2 船舶设计中的单一数据源的挑战

对造船企业而言，取得可信的单一数据源的难度主要源于以下5 个方面：

（1）三维模型仍基于二维图纸

目前的三维建模仍需以二维图纸为基础，基本设计阶段的关键图纸（如总布置图、舯横剖面图或机舱布置图等）并不能在三维软件中直接开展设计。对于年长的设计师而言，其虽具备了进行三维直接设计的能力，但是由于长期从事二维图纸的绘制，对三维设计软件的操作不熟练，故无法有效开展三维设计；年轻的设计师虽能较快地熟练操作三维软件，但因缺少船舶设计的经验，故也无法直接通过软件来进行船舶总布置设计、结构设计和系统设计。

（2）三维模型无法固化

在基本设计和详细设计阶段，三维模型往往不能够固化下来，仍需根据有限元分析的结果进行修改，而且这些有限元分析软件都是定制的软件，一般不能与三维模型的源文件兼容，需要进行中间格式的转换。这种中间格式的转换和模型轻量化会导致部分数据丢失。

（3）三维送审设计

由于船舶产品的复杂度较高、外购设备的数量较多且涉及多家企业，而各个企业的三维CAD 系统也可能不同，因此造成船舶模型中的各个组件往往由多个异构CAD 模型组成。然而，异构CAD 的模型装配和干涉检查的难度比较高，这个挑战在送审阶段往往表现得最为突出。与此同时，此阶段船级社的意见在经过认可后也需要修改到三维模型中，而这些修改往往都由设计人员手工操作完成。

（4）三维模型修改

按照目前船厂的设计和生产模式，在船舶建造的过程中往往会因为资源配置、工艺更改、设计变更等因素产生设计更改，这些更改都需要在三维模型中进行同步更新，而这些更新将消耗大量的人力，而且模型更改速度也会影响生产现场的技术响应速度，从而对生产周期产生不利影响。

（5）后期维护

随着船舶的交付，三维模型的归属和后续维护及更新成为一个问题。船厂的任务在船舶交付后就完成了，三维模型在船舶运营后的维护不在船厂工作范围内，而对船东或营运公司而言，三维模型的后续维护目前除了增加成本外，尚无其他用途。当然，数字孪生是极有可能的发展方向，但是就目前而言，数字孪生的技术还不够成熟。

2019年6月29日，中国东海保障中心的大型航标船“海巡160”在江南造船成功交付（见图5）。

图5 应用“数字样船”实现了无纸化建造

这是全球首艘基于“单一数据源”理念并采用3D EXP 平台，实现全船“无纸化”设计和建造的大型钢制船舶，标志着船舶设计和建造进入了新的阶段。

3.3 三维送审中单一数据源的挑战

船级社作为船舶设计的重要参与方，如何在送审设计中保持可信赖的单一数据源，是船厂和船级社面临的重大挑战。这些挑战主要体现在以下方面：

（1）不同船厂的设计软件不同

不同船厂应用的设计软件不同，目前应用较广的是CATIA、AVEVA 和NAPA 等，这些软件建立的三维模型数据类型不同，而且往往无法互相兼容。

（2）船厂和船级社软件的兼容性

不同船级社的软件也不同，而在船厂设计和建造的船往往需要对应多个船级社，因此船厂输出的数字模型需要满足多个船级社软件的兼容性需求。2021年成立的OCX 联盟，成员包括所有主要的船级社、重要的CAD 供应商以及个别设计公司和船厂。该联盟正在致力推广OCX 格式的三维模型以取代传统的二维结构图纸。

（3）数据传递中的准确性

不同软件导出的文件信息在导入导出和格式转换过程中可能导致数据损坏或缺失。

（4）模型的轻量化

送审模型往往不需要制造和工艺的信息，而且对数据上传和下载的速度有要求，因此在三维送审过程中要应用轻量化的模型。

（5）不同来源的数字模型的准确性

船舶中涉及到的外来设备和系统很多，因此外来的数字模型也比较多样。如何在保持信息准确的前提下与三维模型进行匹配，这是一大挑战。

（6）三维模型检查

送审意见反馈船厂并被船厂接受后，如何检查修改模型也是一大挑战。

目前可行的三维送审模式见图6。

图6 目前可行的三维送审模式

4 船舶设计的数字化变革

船舶设计的数字化变革需要基于全新的设计平台，该平台必须要以“单一数据源”为核心，并能够实现基于3D DMU 的船舶设计全流程，包含从基本设计、详细设计、生产设计这3 个阶段以及物资采购所需要的全部设计功能。基于3D DMU 的船舶3D 设计是对2.5D 设计的全面升级和优化，是对船舶设计流程的全新变革。

下文以本公司所使用的基于达索公司开发的三维体验设计平台（3D EXP）为例，简要说明现代船舶设计的数字化变革。

4.1 三维体验设计平台

三维体验设计平台（以下称3D EXP）是基于单一数据源（3D 模型）的系统架构。首先，企业的产品都是基于模型来创建（定义），也就是三维建模；然后，基于同一个模型进行仿真设计，同时根据仿真的结果驱动三维设计变更（仿真驱动设计）；再基于3D DMU 开发系统工程、基于模型制造运营，并且基于模型进行后续维护。

3D EXP 平台继承了产品的全生命周期理念，提供了单一数据源、全数字化和全方位的整体企业环境，同时提供全面而完整的生命周期管理，在未来可有效控制复杂、现代化、先进的船舶以及军舰与豪华邮轮的设计与管理过程。这将提高船舶整个产品生命周期的自动化，提高效率和准确性，缩短交付时间。

3D EXP 中的某型船数字模型如图7 所示。

图7 3D EXP 中的某型船数字模型

4.2 创新的三维直接建模“3D Direct”

3D EXP 平台凭借其强大的几何构型和曲面处理能力，可以使船舶设计人员采用“3D Direct”的方式直接进行船舶的总布置设计、机舱布置设计和横剖面设计，利用几何进行外形和几何设计，如图8 所示。

图8 “3D Direct”直接建模

“3D Direct”的设计方式能够有效激发设计人员的创作灵感，不拘泥于传统的图纸或者设计模式，充分发挥设计人员的主观创作性，可以在船舶有限的空间布置中开创新的设计形式或布置形式。相比于传统的设计形式，“3D Direct”的设计方式更能提升设计效率。传统的设计方式往往建立在二维图纸的绘制之上，而“3D Direct”可以使设计人员跳过二维图纸绘制环节，直接基于设计草图进行结构校核，提升设计效率。

3D EXP 强大的曲面处理能力，有助于设计者设计出复杂美观的曲面结构，并在合同设计阶段快速进行技术方案的直观展示，满足快速市场响应的需求。图9为利用3D EXP所展示的某型公务船效果图。

4.3 基于3D EXP的设计流程

基于3D EXP的设计流程是以三维模型为主线，各个设计阶段的边界已经模糊化了。为了便于理解，下面仍通过基本设计、详细设计和生产设计这3 个阶段，简单介绍基于3D EXP 的设计流程。

4.3.1 基本设计

基本设计阶段，用点、线、面等几何要素建立船体的外形以及概念设计的初始模型，定义甲板、主要舱壁、首尾区域和货舱区、上建等主要区域，并布置纵向和横向的型材；此外，还需要根据规范的要求进行必要的结构计算、分段划分、重心统计等。基本设计阶段，主要的结构和设备已经在3D DMU 中体现，但是主要的船体结构仍然需要进行有限元结构分析，因此需要在3D DMU 的基础上输出包含主要船体结构的3D Hull DMU。

3D Hull DMU 的主要作用是：

（1）输出轻量化的模型用于进行结构分析、校核和送审；

（2）输出轻量化的模型进行模拟仿真分析；

（3）输出轻量化的模型进行生产流程管理。

3D Hull DMU 在基本设计阶段需要提交船东和船级社进行审核，并将相关的意见修改到3D Hull DMU 中，最终的3D Hull DMU 在取得认可后修改至3D DMU 中。在基本设计阶段，3D DMU 与3D Hull DMU 交互且涉及到多个专业，为了保证交互信息的准确性，需要对模型的输入信息和修改权限设定相应的管理规则，确保2 个模型保持准确和 一致。

基于3D DMU 的船体结构设计流程如下页图10 所示。

图10 基于3D DMU 的船体结构设计流程

4.3.2 详细设计

详细设计一般在基本设计送审结束后启动，也可以并行启动。该流程在基本设计的基础上增加所需的细节，按有关规范的规定和船东的要求，以钢材订货、施工计划推动船舶建造过程中的构件装配和焊接要求等工艺细节处理，这些设计内容一直持续到船舶完成并准备下水为止。

该阶段以3D Hull DMU 中划分的分段为基本单位，开展分段内的型材端部结构形式、肘板偏装、型材贯穿孔、补板、止漏孔、流水孔、角隅孔、板过度斜、板架边界等结构细节的设计。详细设计阶段的设计交付物包括多种格式的设计图纸（二维PDF、三维PDF、DXF 等）、制造物料清单和三维模型等。

4.3.3 生产设计

生产设计阶段需结合船厂的具体工艺条件和设施能力，根据工程进度对施工过程中的工艺进行设计。通常来说，船体生产设计内容主要是将各分段根据建造工艺进行拆解，分段建造是将拆解的零件根据建造工艺进行组合形成分段，是由总到分再到总的过程。这个过程中需将工艺分解至各零件，包括加工余量、装配余量、焊接坡口、焊接收缩和装焊工序等。基于3D DMU 的生产设计流程主要分为：搭建装配工艺树、定义建造精度和定义焊接 信息。

生产设计完成后，以3D DMU 为单一数据源生成作业指令，指导后续的生产，更新并输出“As Built”模型或者2D 图纸来指导后续的分段和总段生产。

4.4 基于3D EXP的工艺设计

基于3D EXP 的现代化制造模式：基于此技术生成的船体零件设计交付物包含了船体零件制造所需的所有信息，并且可直接被切割机识别用于加工制造；此外，基于此技术生成的管子制造及安装三维设计交付物可更加直观地表达各项工艺信息，不仅提高工作效率，更大大减少了图纸打印量。

此流程涵盖船体专业在3D EXP 的整体设计流程，其内容包含适用于CAD/CAE 分析的简化模型和结构模型构建方法，针对3D EXP 船体平面零件制造端、曲面零件制造端的工艺设计，主要涉及曲板展开、支柱胎架、二次划线和样板工艺设计，确保满足制造生产需求，形成船舶制造端完整的解决方案。基于3D EXP 平台开展工艺仿真，采用虚拟样船取代物理样船，通过构建虚拟工作场景及工作环境，综合“人-机-环”系统问题，优化精准工艺设计流程，实现对工艺过程的可视化仿真及评价，在此基础上对设计过程进行动态优化，减少施工阶段修改与返工，提高设计生产效率。

基于3D EXP 平台和3D DMU 的数据平台开展工艺设计，能够将工艺设计很好地纳入到生产设计过程中，形成生产设计过程的关键验证环节和完整的工艺设计流程，能够不断强化工艺设计在生产设计过程中的作用，为后续设计、生产提供关键技术支撑。

5 结 语

基于单一数据源的三维设计突破了传统的船舶设计模式，推动了基于3D DMU 的全新设计理念，奠定了船舶数字孪生技术的基础，对船舶设计的未来发展产生了积极的推动作用。基于单一数据源的三维设计可以满足船舶全生命周期中相关方的各种需求，从而形成全生命周期全生态系统一体化的船舶行业协同平台。基于单一数据源的三维设计实现了从基于文件的管理模式向基于数据库的管理模式的转变，这一转变能够实现真正意义上的设计工具与管理平台的充分融合。

此外，从高质量、可持续发展的角度来看，船舶设计的流程变革和软件的升级除了三维数字模型以外，还需要更多突破。例如：统一的代码和数据库、跨接数据筒仓；船级社规范计算程序植入CAD 软件；计算流体力学变成内嵌式的数字水池；有限元分析变成内嵌式的结构设计计算工具；有限元分析变成建造过程中即时模拟计算工具；供应链、供应商和材料设备数据的无缝衔接；工艺标准、检验标准和质量数据的纳入；计划和知识管理，船东和船级社的门户等。虽然在船舶设计流程乃至船舶的整个生命周期，实现“单一数据源”仍然有相当长的路要走，但设计流程中的“单一数据源”并非船舶行业的终极目标，涵盖三维设计、智能制造和供应链的整体数字化变革才是船舶行业高质量发展的必由之路。