船舶與海洋工程一體化設計標準部件庫建設

曹先鋒，張園園，白 楊，孔國照，姜雨平

（招商局重工（江蘇）有限公司，江蘇南通 226116）

0 引言

高端船舶與海洋工程產品的研發和設計離不開先進的數字化設計工具與方法。高端船舶與海工產品對技術性能要求的不斷提高，使得設計工作愈發復雜、設計過程的連續性要求越來越高。應用一體化設計思想完成各專業間協同作業，實現各個設計階段無縫銜接，實時消除設計錯誤與誤差，是切實提升設計效率與質量的有效策略。

傳統船舶與海洋工程產品的設計過程一般可分為初步設計、詳細設計與生產設計等3個階段，各階段使用不同的工具進行設計，數據輸入與輸出相對獨立。隨著計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術與網絡技術的發展，一體化設計模式被提出并得到實踐。一體化設計過程采用統一的數據源，各設計階段采用統一的模型，前道設計流程的數據會自動傳遞給后道流程使用。由于采用統一數據源的模型進行協同作業，后道設計流程的設計人員很容易參與到前道設計過程中去。這種新的設計模式改變了傳統設計模式下工作內容與產品數據相對割裂的狀態，使得不同設計階段的工作內容與成果數據得到了充分融合，進而提高了設計效率、降低了設計錯誤出現的概率。一體化設計方法的應用對現有的設計管理方式、設計管理工具及設計標準體系的改進提升也提出了新的要求。對于設計標準體系而言，滿足3個設計階段的適用性要求，同時建立能夠將各類數據進行綜合管理的一體化設計標準部件庫成為核心需求。

1 一體化設計標準部件庫介紹

根據一體化設計的特點進行一體化設計標準體系的建設是決定一體化設計工作能否成功的重要因素，而建設適用于一體化設計的標準部件庫是一體化設計標準體系中的核心工作。一體化部件庫包含全設計實體要素，如系統/設備屬性表、各類符號以及三維模型等，方便各設計階段中的信息交流。

1.1 一體化設計標準部件庫現狀

本文所述的標準部件庫在其他行業的應用中也常被稱為零件庫或元件庫，這里統稱為標準部件庫。當前國際上比較流行的三大標準部件庫為 Cadenas、Traceparts和Strack Norma，國內有3D Source標準部件庫。

船舶與海洋工程行業采用的各大工業設計軟件大多提供了部件庫的功能，如滬東船廠的國產軟件，可提供很多標準底座庫以及各種類型的參數化建模方式，方便用戶快速建模調用。國外大型工業設計軟件，如AVEVA Marine、CATIA和Smart 3D等也都可提供標準部件庫功能。

1.2 數據分類標準

船舶與海洋工程產品設計工作常用物料基本可劃分為5類：1）原材料，如板材、型材、管材等；2）通用標準件，如彎頭、變徑等；3）標準舾裝件，如導門、門窗等；4）設備類，如主輔機、吊機等；5）自制件，自制件通常形狀復雜，多為工廠標準。

各款軟件對標準部件庫的功能定位各不相同，導致其分類多有差別。大部分軟件僅僅提供了各種標準件的部件庫，當前主流工業設計軟件對部件庫數據的分類標準不統一，不能完全滿足各設計階段中的使用需求。

1.3 數據異構

一體化設計要求標準部件庫能滿足初步設計階段、詳細設計階段與生產設計階段的使用需求。不同設計階段對模型數據的使用需求存在一定差異，初步設計階段的需求多為文字或表格描述；詳細設計階段對數據的需求更加細化，要提供各個部件庫內物料的原理圖和符號；生產設計階段則需要提供三維數字模型。標準部件庫的數據隨著設計過程不斷豐富和完整，逐層滿足一體化設計的需求。

當前主流工業設計軟件普遍存在2個問題：1）無法完整提供所需數據，且數據格式差異很大，異構現象特別嚴重，格式轉換頻次過高，不能很好地實現設計過程同步；2）數據關聯度不夠高，各類數據基本獨立存在，單個種類的數據為了實現某特定功能而存在，數據間關聯度不足。

1.4 數據共享與作業協同

建立標準部件庫的初衷是實現不同設計項目間的數據共享與作業協同，以便工程師在設計過程中選用，通過數據復用，提高設計效率。當前各類免費及收費部件庫基本只提供單向服務，由部件庫服務商提供部件模型給工程師使用。在船舶與海洋工程行業，部件庫開放和共享的進展更加不如人意，各個公司在軟件供應商的協助下分別建立部件庫供本公司技術人員使用，尚未實現內外協同與數據共享。

2 一體化設計標準部件庫設想

標準部件庫在內容、架構和使用方面均要滿足一體化設計的要求。在內容方面，一體化設計標準部件庫要能滿足船舶與海洋工程的設計要求，要能有條理地覆蓋工程所用物料的所有分類；在架構方面，一體化設計標準部件庫要制訂統一的標準分類目錄和管理標準，要能提供不同設計階段、不同設計專業與不同設計參與方均能使用的協同工具；在使用方面，一體化設計標準部件庫要適應船舶與海洋工程的設計習慣。

2.1 一體化設計標準部件庫的內容

1.2節提到，船舶與海洋工程產品設計工作常用物料基本可劃分為原材料、通用標準件、標準舾裝件、設備類和自制件等5類，這些物料數據在標準部件庫中通常有多種存在形式以滿足不同設計階段的需要。

標準部件庫中還有一個很特殊的分類，即連接類，其在一體化設計部件庫中非常關鍵，主要作用是將各類模型在二維原理圖和三維模型中按邏輯需求連接在一起。

2.2 一體化設計標準部件庫的架構

各設計階段對標準部件庫的性能要求見表 1，在標準部件庫的構成設計方面，需要將每個專業設備對應的標準庫分成3類，分別對應3個設計階段。

表1 各設計階段對標準部件庫的性能要求

標準部件庫的架構設計要考慮國家標準、行業標準、各個項目的特點以及各個制造基地的適用性。數據結構需采用多層次的架構，各層分開管理，以便標準部件庫的后期維護和用戶查詢。

在標準部件庫的設計過程中，需要一個統一的管理平臺來管理各類設計標準，以便利設計人員更好地從平臺提取標準部件庫的信息，并轉換成設計軟件可使用的格式。此外，還可將設計過程中制作的部件上傳到平臺供其他技術員使用。

2.3 與建造規格書及系統原理相對應

目前大部分設計軟件對部件或零件的調用方式基本采用直接將三維模型數據調入待設計的三維空間中的方法。這些三維模型雖然提供了定位基準數據，但與管線的連接點并未進行有效定義，調入模型后，模型只是作為一個三維部件存在于設計空間中，但其與其他模型之間缺少連接邏輯定義。在三維一體化設計過程中，類似的連接邏輯定義信息需要始終存在，并且隨設計過程不斷轉換，所以必須根據不同的部件分類，以提供不同的邏輯連接表達方式。

標準部件庫需要提供一個與系統原理相對應的部件數據歸集方法，在建模前，按照系統原理圖先將要用的各類二維與三維模型進行歸集，便于在后續設計過程中實現對建造規格書的闡釋。

3 一體化設計標準部件庫的方案

一體化設計的根本思想是基于統一數據源完成跨階段三維設計工作，一體化設計的標準部件庫需要選擇一個在船舶與海洋工程工程行業上市場占有率較高、二次開發性較好、有平臺化特征的三維設計軟件作為基礎數據庫。因此，本文選用AVEVA Marine軟件作為實現一體化設計標準部件庫的開發工具。

AVEVA Marine軟件是一款大量應用于船舶與海洋工程領域的工業設計軟件，軟件的架構包含船體部分和舾裝部分。舾裝部分提供了專門管理元件庫的模塊Paragon，本文在此基礎上進行二次開發，建設符合設計需求的標準部件庫。

3.1 架構建設

根據一體化設計的需求，本文從以下3個方面建設標準部件庫的架構：

1）整體架構，整體架構從全局上搭建部件庫的結構。

2）內容架構，內容架構對部件庫的具體分類和每個部件的構成進行說明。

3）使用構架，使用架構對部件庫內容的構成技術和軟件使用進行說明。

3.2 整體架構

本文在AVEVA Marine軟件Paragon模塊的基礎上對一體化設計標準部件庫進行二次開發，如圖1所示，標準部件庫的整體架構可分為4層：1）第一層為與國家標準和行業標準一致的各類標準庫；2）第二層為主要產品線的標準庫；3）第三層為各制造基地標準庫；4）第四層為各實際項目標準庫。

圖1 標準部件庫的整體架構

3.3 內容架構

標準部件庫可分為原材料庫、標準件庫、參數化模板庫、設備庫、自制件庫、連接件庫和代碼類庫。原材料庫主要是指板材、型材和管材等各類常用原材料；標準件庫是指各類國家標準或國際標準零件，但不包括進行復雜組裝了的標準件；參數化模板庫一般是指進行了復雜組裝的各類標準件，包含符合企業標準的標準零件；連接件庫是指為了方便在二維原理圖與三維模型之間表示邏輯連接關系的特殊的零部件，如焊接坡口、管附件、設備連接點和電器連接點等；代碼庫是一種特殊的分類，無法用模型來表示，但可方便地用腳本語言進行描述，主要包括一些復雜的參數化模型。標準部件庫的內容架構見表2。

表2 各設計階段對標準部件庫的性能要求

一體化設計標準部件庫需要滿足各設計階段與設計專業協同工作的技術需求。如圖2所示，部件庫中任何物料均有3種表達方式：1）表單類表達，主要對物料進行屬性表達與歸類；2）符號類表達，主要用于原理圖的繪制；3）三維模型表達，主要用于建立和描述三維模型。

圖2 物料的3種表達方式

一體化設計標準部件庫主要通過2種方式來實現模型數據在不同專業間協同應用的需求：1）通過專門的連接部件來傳遞本專業對其他專業的需求，比在電控閥箱單元模型上添加電器連接件；2）根據不同專業的需求，在三維模型上附加不同的虛擬模型，在后續設計過程中根據需要調用。

3.4 使用架構

由于一體化設計標準部件庫的數據種類較多，使用單一的描述方法無法對復雜物料信息進行完整描述。因此，一體化設計標準部件庫的使用架構分為基礎層、構件層、部件層和應用層等4個層次，每個層次采用不同的描述方法，見圖3。

圖3 一體化設計標準部件庫的使用架構

1）基礎層

基礎層表達基礎圖元信息，可分為幾何外形信息、安裝拓撲信息、數據參數信息、材料描述信息和文字描述信息等5種類別。

2）實體層

實體層具體的功能是將基礎層提供的各類圖元信息與屬性信息進行橫向組合，并納入統一的分類體系中，形成與實際物料一一對應的虛擬信息。實體層具體實現兩大功能：（1）將基礎層的抽象圖元信息進行組合，形成真實物料的虛擬表示；（2）提供一套物料分類體系，將虛擬實體對應到各個物料分類中去，便于部件層和應用層使用。

3）部件層

部件層在實體層的基礎上將滿足物料信息按系統規格書與原理圖的要求進行歸集，部件層也實現兩大功能：（1）將實體層組合完成的物料按系統進行歸集；（2）提供與建造規格書對應的系統目錄，便于管理。

4）應用層

應用層作為標準部件庫與設計軟件間的數據傳遞中介，主要提供發布與使用功能。在設計軟件需要使用某數據時，應用層從平臺上提取數據，并傳遞至軟件客戶端。

4 一體化設計標準部件庫的應用

4.1 一體化設計標準部件庫與物料編碼的關系

物料編碼系統是物料管理系統或供應鏈管理系統中的一個非常重要的代碼系統，其主要功能是將物料進行分類，并為每一個物資賦予唯一的編碼，以保證在倉儲管理與成本管理中不會發生一物多碼或一碼多物的現象。在船舶與海洋工程項目設計建造過程中，物料編碼與標準部件庫內的各類模型對應關系見表3。

表3 物料編碼與標準部件庫對應關系

4.2 一體化設計標準部件庫與與建造規格書的關系

建造規格書是船舶與海洋工程的詳細描述文件，一般由初步設計人員完成，與總布置圖、橫剖面圖一起對工程的詳細內容進行詳盡闡述。詳細設計人員在接到一個工程的建造規格書后，一般會將建造規格書按專業進行分解，然后整理出各個專業系統所用到的設備清單，與供應商討論確定設備參數后，開始繪制系統原理圖并送審。生產設計人員會依據詳細設計圖紙建立三維模型，在此過程中，建造規格書是工程建造內容的詳細描述，是工程設計的依據之一，其目錄可視為工程分解的主目錄，而各個專業的系統目錄是第二級目錄。

在傳統設計模式中，設計人員可以直接將標準庫中的標準模型調入項目工程環境中。調入模型與系統及設備屬性沒有關系，很容易出錯。在一體化設計中，初步設計階段需要擬定系統規格書，將系統中用到的各項設備、管系和聯接點信息匯總到系統規格書中。系統規格書在后續設計和建模過程中具有重要作用。對于基于一體化設計的標準部件庫，其系統規格書是滿足建造規格書要求的各項標準部件庫的集合。

4.3 一體化設計標準部件庫與使用軟件的關系

本文在AVEVA Marine軟件Paragon模塊的基礎上對一體化設計標準部件庫進行二次開發，為利用好該部件庫，并在設計過程中發揮顯著的作用，需要通過3類軟件（維護類軟件、設備供應商軟件、設計類軟件）來實現。

一體化設計標準部件庫應用的邏輯途徑見圖4，按照設計數據流的傳遞方向與要求對各類應用、維護類軟件與標準部件庫進行連接。目前，一體化設計標準部件庫已完成應用架構的初步建設，未來還會陸續加入瀏覽器/服務器（Browser/Server，B/S）模式、企業服務總線（Enterprise Service Bus，ESB）平臺等功能，標準部件庫在一體化設計平臺中將會產生更顯著的作用。

圖4 一體化設計標準部件庫應用的邏輯途徑

5 結論

為適應一體化設計對基于統一數據模型完成三維全過程設計的需求，改善行業設計標準體系存在的不足，本文在AVEVA Marine軟件Paragon模塊的基礎上進行二次開發，搭建了滿足一體化設計需求的標準部件庫平臺。研究表明：該一體化設計標準部件庫可以改變原來三維建模中模型與原理圖的關聯性不高、各設計階段嚴格分離等缺點，也可以提高模型的復用性和設計效率。