錢(qián)懷宇，蔡 璐，冷久平

（上海萃興信息科技有限公司，上海 200011）

0 引 言

生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造、智能制造的基礎(chǔ)，尤以船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源為重[1]。

近年來(lái)，隨著設(shè)計(jì)模式的不斷演進(jìn)和設(shè)計(jì)的不斷深入，船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的深度和廣度逐漸增加。當(dāng)前在市場(chǎng)上很難找到一種能解決船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)中的全部問(wèn)題的軟件，各相關(guān)企業(yè)為解決生產(chǎn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題會(huì)引入多種軟件。同時(shí)，受傳統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件可擴(kuò)展性差等因素的影響，還有相當(dāng)一部分?jǐn)?shù)據(jù)沒(méi)有在設(shè)計(jì)軟件中進(jìn)行管理，由此形成多個(gè)信息孤島，給船體專(zhuān)業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源帶來(lái)較大的問(wèn)題和挑戰(zhàn)。此外，船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)量巨大，更改頻繁，給船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理帶來(lái)一定的困難。不解決數(shù)據(jù)協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源問(wèn)題，就無(wú)法保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，也就無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造和智能制造。

1 我國(guó)造船行業(yè)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)協(xié)同與數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，我國(guó)的船舶工業(yè)已在海工、液化天然氣船和豪華郵船等多個(gè)領(lǐng)域取得長(zhǎng)足進(jìn)步，進(jìn)入到了一個(gè)新的時(shí)期，并已成為世界造船大國(guó)。然而，我國(guó)船舶工業(yè)的人均產(chǎn)量只有韓國(guó)的1/13，日本的1/20，造船總體技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在較大的差距。雖然國(guó)內(nèi)大多數(shù)船廠已實(shí)現(xiàn)船舶三維設(shè)計(jì)，但設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)僅留存在設(shè)計(jì)部門(mén)，大量工藝信息依然通過(guò)紙質(zhì)圖樣進(jìn)行流轉(zhuǎn)，工作效率低下[2]。

目前國(guó)內(nèi)船廠的船體分段生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作主要由分段建模、組立圖出圖，分段套料和分段數(shù)據(jù)后處理等3部分組成。設(shè)計(jì)人員需分別利用船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件、輔助設(shè)計(jì)軟件、套料軟件和數(shù)據(jù)后處理軟件等設(shè)計(jì)工具完成船體分段生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作。

在建模出圖階段，設(shè)計(jì)人員以詳細(xì)設(shè)計(jì)的圖樣或技術(shù)文件為依據(jù)，在設(shè)計(jì)軟件內(nèi)按照分段進(jìn)行作業(yè)任務(wù)的分解與組合，將設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理融為一體。結(jié)合施工條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，為配套部門(mén)采購(gòu)和生產(chǎn)管理部門(mén)制訂生產(chǎn)計(jì)劃提供信息，為生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員提供施工圖樣和技術(shù)文件。這些施工圖樣和技術(shù)文件包含現(xiàn)場(chǎng)施工及管理的全部信息。

建模人員完成分段建模、生產(chǎn)信息添加和零件分離之后，由套料人員進(jìn)行套料。目前主要針對(duì)板材進(jìn)行套料。套料人員利用套料軟件進(jìn)行板材套料之后，進(jìn)行套料信息的添加、切割指令的生成和余料信息的匯總。建模、套料和材料管理通過(guò)多個(gè)軟件實(shí)現(xiàn)，最終以紙質(zhì)圖樣和相關(guān)切割指令為依據(jù)，安排現(xiàn)場(chǎng)人員施工。

在后處理階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)完整的分段模型和生產(chǎn)信息進(jìn)行分段型材套料、生成型材下料圖和生成各類(lèi)曲形零件加工圖等工作。工藝信息全部以圖樣的形式下發(fā)至施工現(xiàn)場(chǎng)。

在傳統(tǒng)的造船模式下，這種通過(guò)紙質(zhì)圖樣、報(bào)表和文件傳遞加工制造信息的形式能滿足制造部門(mén)的需求，但隨著大量數(shù)字化制造設(shè)備的引入，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞方式面臨極大的挑戰(zhàn)。圖1為包含加工制造信息的施工圖樣。

圖1 包含加工制造信息的施工圖樣

1.1 當(dāng)前我國(guó)造船行業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源存在的問(wèn)題

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)多數(shù)船廠在數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源方面主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

1.1.1 工藝數(shù)據(jù)未完整建模和管理

英國(guó)AVEVA公司開(kāi)發(fā)的Tribon M3軟件是國(guó)內(nèi)主流的生產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件之一，由于開(kāi)發(fā)較早，對(duì)模型工藝屬性的擴(kuò)展有限，致使一部分工藝信息無(wú)法作為模型的擴(kuò)展屬性進(jìn)行保存，這部分屬性數(shù)據(jù)大多通過(guò)圖樣和報(bào)表的形式進(jìn)行表達(dá)。每次更新圖樣或報(bào)表時(shí)，都要對(duì)相關(guān)工藝信息進(jìn)行重新賦值。雖然國(guó)內(nèi)各船廠基于該設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，用于解決建模、出圖和工藝信息提取方面的問(wèn)題，但受制于開(kāi)發(fā)能力有限和數(shù)字化設(shè)備對(duì)此類(lèi)數(shù)據(jù)的需求不足，此類(lèi)軟件不能囊括各類(lèi)工藝數(shù)據(jù)。即便包含大部分工藝數(shù)據(jù)，大多數(shù)數(shù)據(jù)還是以紙質(zhì)圖樣的形式存在，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和結(jié)構(gòu)化，而數(shù)字化設(shè)備和智能設(shè)備恰恰需要這些結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

1.1.2 生產(chǎn)設(shè)計(jì)軟件種類(lèi)繁多，數(shù)據(jù)協(xié)同能力差

隨著國(guó)內(nèi)船廠對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)深度的要求逐漸提高，為滿足生產(chǎn)設(shè)計(jì)各方面的要求，船廠先后引進(jìn)多種設(shè)計(jì)軟件，用于解決船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)各方面的問(wèn)題。然而，很少有方案能同時(shí)滿足各方面的需求。同時(shí)，各軟件相互獨(dú)立，彼此間的數(shù)據(jù)協(xié)同通過(guò)文件或數(shù)據(jù)接口傳遞，每次設(shè)計(jì)變更都需設(shè)計(jì)人員在多個(gè)軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)同，耗時(shí)費(fèi)力。船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)就是設(shè)計(jì)周期短、設(shè)計(jì)更改頻繁，不僅會(huì)間接增加設(shè)計(jì)人員的工作量，而且容易引起設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)間不協(xié)同，從而造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

1.1.3 生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保存在多數(shù)據(jù)庫(kù)中，未能形成單一數(shù)據(jù)源

為解決設(shè)計(jì)屬性無(wú)法擴(kuò)展和工藝數(shù)據(jù)不全面的問(wèn)題，某些船廠利用第三方數(shù)據(jù)庫(kù)，將全部設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，在數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)特定設(shè)計(jì)對(duì)象的屬性進(jìn)行擴(kuò)展。該方法雖能解決設(shè)計(jì)屬性無(wú)法擴(kuò)展的問(wèn)題，但由于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)既存在于設(shè)計(jì)軟件中，又存在于第三方數(shù)據(jù)庫(kù)中，在更改設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先需更新設(shè)計(jì)模型，再更新第三方數(shù)據(jù)庫(kù)。為提高更改效率，設(shè)計(jì)人員可跳過(guò)模型更改的環(huán)節(jié)，直接更改數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，這樣容易造成設(shè)計(jì)軟件和第三方數(shù)據(jù)庫(kù)不同步，從而造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

1.2 當(dāng)前造船行業(yè)數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源面臨的挑戰(zhàn)

船廠當(dāng)前生成的圖樣和工藝數(shù)據(jù)雖能為傳統(tǒng)造船模式提供指導(dǎo)，但隨著造船模式的轉(zhuǎn)變、船型復(fù)雜程度的提高，大量的人工操作即將被機(jī)器取代。當(dāng)前數(shù)據(jù)協(xié)同和數(shù)據(jù)管理很難滿足數(shù)字化、智能化造船的需求，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.2.1 大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，無(wú)法對(duì)數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行支撐

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)船廠大力引入數(shù)字化制造設(shè)備，期望借此提高制造質(zhì)量和效率。然而，原有的工藝類(lèi)圖樣雖然包含有全面的工藝數(shù)據(jù)，但未形成數(shù)據(jù)流，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)這類(lèi)設(shè)備，無(wú)法直接對(duì)數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行支撐。

1.2.2 多數(shù)據(jù)孤島，無(wú)法形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源

多數(shù)國(guó)內(nèi)船廠的數(shù)據(jù)協(xié)同能力較差，在設(shè)計(jì)部門(mén)內(nèi)部就已形成數(shù)據(jù)孤島，無(wú)法形成數(shù)據(jù)流，既不能直接驅(qū)動(dòng)數(shù)字化設(shè)備，又很難保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性?？紤]到國(guó)內(nèi)船廠的生產(chǎn)設(shè)計(jì)周期普遍較短、設(shè)計(jì)變更頻繁，在當(dāng)前模式下統(tǒng)一數(shù)據(jù)源極為困難。

1.2.3 數(shù)據(jù)未形成雙向流動(dòng)

雖然國(guó)內(nèi)一些船廠已能在設(shè)計(jì)部門(mén)內(nèi)部構(gòu)建統(tǒng)一、完整的數(shù)據(jù)源，但在船舶企業(yè)內(nèi)部各部門(mén)間的數(shù)據(jù)流通還不順暢。有些企業(yè)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)雖能通過(guò)數(shù)據(jù)流向下游傳遞，但現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)制造部門(mén)的建造狀態(tài)不能形成數(shù)據(jù)流返回到設(shè)計(jì)部門(mén)，從而導(dǎo)致信息不對(duì)稱(chēng)，影響企業(yè)的綜合效率。

2 基于船舶輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)提出的解決方案

依據(jù)國(guó)內(nèi)船廠的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和后端的數(shù)據(jù)需求，設(shè)計(jì)人員基于“單一入口，一次定義，多次完善”的設(shè)計(jì)理念，在單一設(shè)計(jì)軟件中完成全部的建模和出圖任務(wù)，同時(shí)利用船舶輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)幫助設(shè)計(jì)師高效、規(guī)范地完成船體各類(lèi)工藝信息的維護(hù)。通過(guò)直連企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，利用版本管理等功能對(duì)非建模數(shù)據(jù)和擴(kuò)展屬性進(jìn)行管理，在保證單一數(shù)據(jù)源和設(shè)計(jì)效率的前提下，實(shí)現(xiàn)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有效協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源。

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，提升工藝數(shù)據(jù)建模的完整性

利用設(shè)計(jì)工具自身的功能并輔助二次開(kāi)發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)船體相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)、工藝數(shù)據(jù)的全面建模，從而解決多軟件、多數(shù)據(jù)庫(kù)間的數(shù)據(jù)協(xié)同問(wèn)題。

2.1.1 利用設(shè)計(jì)軟件自身數(shù)據(jù)庫(kù)，完成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的維護(hù)

以裝配設(shè)計(jì)為例，通過(guò)開(kāi)發(fā)裝配輔助設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)裝配節(jié)點(diǎn)的快速定義、裝配基面的自動(dòng)定義及裝配數(shù)量和流向等信息的人工定義。裝配輔助設(shè)計(jì)內(nèi)嵌在設(shè)計(jì)軟件中，用戶(hù)無(wú)需考慮數(shù)據(jù)協(xié)同的問(wèn)題，實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)的協(xié)同和屬性的更新。圖2為裝配設(shè)計(jì)操作界面及效果。

圖2 裝配設(shè)計(jì)操作界面及效果

2.1.2 利用擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)，維護(hù)附加設(shè)計(jì)屬性

以焊接設(shè)計(jì)為例，通過(guò)開(kāi)發(fā)焊接輔助設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊腳高度、焊接姿態(tài)和焊接類(lèi)型的定義，并根據(jù)一定的業(yè)務(wù)規(guī)則，快速統(tǒng)計(jì)焊材物量和預(yù)估焊接工時(shí)。最終將該設(shè)計(jì)結(jié)果保存在擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)中。該擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)起到的作用與設(shè)計(jì)軟件自身的數(shù)據(jù)庫(kù)相同，但僅保存設(shè)計(jì)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)中未定義的屬性。同時(shí)，利用企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，僅保存設(shè)計(jì)軟件無(wú)法定義的屬性，保證這部分屬性的唯一性。此外，輔助設(shè)計(jì)軟件的入口依然在設(shè)計(jì)軟件端，設(shè)計(jì)人員無(wú)須在多個(gè)軟件端頻繁切換，輔助設(shè)計(jì)軟件依賴(lài)的數(shù)據(jù)也都實(shí)時(shí)從設(shè)計(jì)軟件端讀取，自然地解決數(shù)據(jù)協(xié)同的問(wèn)題。表1為某分段典型焊接數(shù)據(jù)。

表1 某分段典型焊接數(shù)據(jù)

此外，以材料管理為例，通過(guò)開(kāi)發(fā)材料管理軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)板材、型材和余料的管理，并建立可共享的擴(kuò)展數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、物資和現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。

綜上，利用設(shè)計(jì)軟件端的改造與開(kāi)發(fā)，結(jié)合擴(kuò)展的中間數(shù)據(jù)庫(kù)和企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)的完整表達(dá)和管理。

2.2 梳理業(yè)務(wù)對(duì)象，形成設(shè)計(jì)端統(tǒng)一數(shù)據(jù)源

與焊接數(shù)據(jù)和涂裝數(shù)據(jù)不同，船體結(jié)構(gòu)的大部分屬性已在設(shè)計(jì)軟件端進(jìn)行管理，僅有一小部分屬性無(wú)法管理。對(duì)于這部分屬性，可通過(guò)外部數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)展。從設(shè)計(jì)軟件端的信息定義入口，對(duì)這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行定義。同時(shí)，結(jié)合文本加密和數(shù)據(jù)庫(kù)加密等技術(shù)，避免設(shè)計(jì)人員直接更改相關(guān)屬性。由此，保證單一設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)僅在一處定義和存儲(chǔ)，這樣既可減少設(shè)計(jì)人員更新屬性時(shí)的重復(fù)操作次數(shù)，減少數(shù)據(jù)間的協(xié)同，又可避免因數(shù)據(jù)多源而產(chǎn)生沖突，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。

2.3 設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，管理設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性

為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在設(shè)計(jì)工作結(jié)束之后，需對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行必要的檢查和審核，只有校驗(yàn)通過(guò)的數(shù)據(jù)才能下發(fā)至企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)庫(kù)。例如，零件需校驗(yàn)是否套料及是否定義裝配、同名零件是否完全相同和需加工的零件是否已填寫(xiě)正確的加工代碼等。此外，由于模型和零件在Tribon M3系統(tǒng)中分屬于2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，設(shè)計(jì)人員還需校驗(yàn)建模零件和下料零件的工藝信息是否相同、建模零件是否有對(duì)應(yīng)的下料零件和下料零件是否有對(duì)應(yīng)的建模零件等[3]。

經(jīng)過(guò)一系列檢查，只有通過(guò)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)才能順利地發(fā)布到下游產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management,PDM）或產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management, PLM）[4]系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字化制造的支撐。圖3為典型數(shù)據(jù)提交流程。

圖3 典型數(shù)據(jù)提交流程

3 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)工具，增強(qiáng)異構(gòu)數(shù)據(jù)的協(xié)同，強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一，能有效解決數(shù)據(jù)擴(kuò)展、數(shù)據(jù)協(xié)同、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和操作效率方面的問(wèn)題。通過(guò)上述分析和比較可知，該方法可高效地解決船體專(zhuān)業(yè)在數(shù)據(jù)協(xié)同和統(tǒng)一數(shù)據(jù)源方面遇到的問(wèn)題，從而在盡量減少設(shè)計(jì)人員工作強(qiáng)度的前提下保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流的正確創(chuàng)建。

數(shù)據(jù)協(xié)同與統(tǒng)一數(shù)據(jù)源是一個(gè)看似簡(jiǎn)單，實(shí)則復(fù)雜而重要的環(huán)節(jié)，隨著各企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)流的重視及數(shù)字化制造、智能制造概念的廣泛傳播，造船企業(yè)對(duì)這方面的研究逐漸深入。對(duì)于船體專(zhuān)業(yè)來(lái)說(shuō)，通過(guò)智能化設(shè)備實(shí)現(xiàn)局部自動(dòng)化加工、半自動(dòng)焊接、自動(dòng)焊接和焊接管控已成為可能。數(shù)字化、智能化制造可提高產(chǎn)品制造的效率和質(zhì)量，而實(shí)現(xiàn)這些最基本的前提是數(shù)據(jù)，梳理業(yè)務(wù)，拓展船舶數(shù)據(jù)管理，形成數(shù)據(jù)中心具有重要意義。

【 參 考 文 獻(xiàn) 】

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