李 吉，朱明華，楊義干，唐 能

（江南造船（集團）有限責任公司，上海 201913）

0 引 言

目前國內(nèi)船舶管系的詳細設計與生產(chǎn)設計是分離的，船舶設計單位一般采用AUTO CAD等軟件設繪詳細設計階段的原理圖，船舶建造單位一般采用Tribon等設計軟件建立生產(chǎn)設計三維模型。設計軟件的分離、獨立造成原理圖與三維模型之間無法創(chuàng)建有效的關聯(lián)關系。這種狀態(tài)造成以下問題：

1) 設計數(shù)據(jù)源不統(tǒng)一。設計信息來自原理圖和三維模型這2個相互獨立的數(shù)據(jù)源，由于沒有統(tǒng)一的基礎庫，2個數(shù)據(jù)源對同一對象的描述難以保持一致。

2) 人工信息轉(zhuǎn)換效率低。生產(chǎn)設計人員在建立管路三維模型時需人工獲取原理圖中零件的標準號、材質(zhì)和規(guī)格等信息，需人工從三維部件庫中搜尋與這些信息匹配的對象進行布置。整個過程費時費力，尤其是對于大型船舶而言，其零件量高達數(shù)萬個，且種類繁多、規(guī)格各異，人工進行信息識別轉(zhuǎn)化的效率較低且易出錯。

3) 三維模型與原理圖校對困難。管路建模完成之后，生產(chǎn)設計人員需校對三維模型與原理圖的一致性，確保三維模型中的零件選用與原理圖一致、管路三維模型的管路原理（流質(zhì)流向、主支管分流等）與原理圖一致。生產(chǎn)設計人員打開模型逐個零件、逐條管路校對，過程繁瑣，效率低下。

4) 設計更改難一致，變更不能追溯。由于設計軟件平臺不一致，在設計過程中主要以文件的形式傳遞更改信息，易出現(xiàn)更改不及時、漏更改等問題，且更改過程不能被追溯。

三維體驗平臺（3D Experience Platform, 3DEXP）為上述問題提供了解決方案。3DEXP采用系統(tǒng)工程的模式進行產(chǎn)品設計，在功能上同時支持原理圖設繪和管路三維建模，實現(xiàn)設計軟件平臺統(tǒng)一?；?DEXP可創(chuàng)建邏輯對象（系統(tǒng)原理圖）與三維對象（管路三維模型）之間的關聯(lián)，實現(xiàn)管路零件自動篩選匹配和二維、三維智能校對。由驅(qū)動實現(xiàn)三維建模，使詳細設計信息與生產(chǎn)設計信息集成，形成單一數(shù)據(jù)源，保證設計更改的一致性和可追溯性。同時，軟件通過樹結(jié)構(gòu)管理原理圖和三維模型，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。

1 L2P設計流程和設計準備

1.1 設計流程

基于3DEXP進行管路邏輯到物理（Logical to Physical, L2P）關聯(lián)設計的流程見圖1：首先完成L2P設計準備，包括創(chuàng)建基礎庫（邏輯部件庫和三維部件庫）、配置工程資源和創(chuàng)建L2P樹結(jié)構(gòu)；然后繪制管路原理圖，完成管路原理布置、管路信息定義和管路原理檢查；接著運用L2P功能布置設備模型、設計管路走向和布置閥件及管路附件；最后應用智能檢查工具檢查三維模型與原理圖的一致性。

圖1 基于3DEXP進行管路L2P關聯(lián)設計的流程

1.2 設計準備

1.2.1 部件建庫

管路系統(tǒng)由設備、管材、閥件和管路附件等零部件組成，在進行管路L2P設計之前，需創(chuàng)建邏輯部件庫和三維部件庫。邏輯部件庫是指用 3DEXP中的邏輯對象表示設備、管路部件等；三維部件庫是指用3DEXP中的三維對象表示設備、管路部件等。

1.2.1.1 邏輯部件庫

邏輯部件庫包含邏輯設備庫、邏輯管材庫、邏輯閥件庫、邏輯儀表庫和邏輯管附件庫。邏輯對象按零部件實現(xiàn)的功能創(chuàng)建，實現(xiàn)同一功能的零部件創(chuàng)建一個邏輯對象。邏輯部件庫中的邏輯對象與實物對象是一對多的關系，一個邏輯對象代表一類部件。例如，一個邏輯止回閥代表所有標準、所有規(guī)格具有防止管路中介質(zhì)倒流功能的閥件。邏輯對象由圖形符號、連接點和對象屬性組成，其中：圖形符號采用船舶行業(yè)原理圖通用符號；連接點定義邏輯對象與管路的連接信息，如流質(zhì)的流向等；對象屬性定義對象的類型、流質(zhì)等信息。邏輯部件庫和邏輯部件見圖2。

圖2 邏輯部件庫和邏輯部件

1.2.1.2 三維部件庫

三維部件庫包含三維設備庫、三維管材庫、三維閥件庫、三維管附件庫和三維儀表庫。三維對象按零部件實物創(chuàng)建，一個實物對應一個三維模型。三維部件庫中的三維對象與實物對象是一對一的關系，一個三維對象對應一個實物對象。例如，一個三維止回閥表示一個標準號為GBT 588、通徑為DN65、材質(zhì)為青銅的止回閥。三維管路零部件不僅具有幾何模型信息，而且包含管路屬性信息，如公稱通徑、壓力級別和流入流出等信息[2]。在3DEXP平臺上，三維對象由三維幾何體、連接點和對象屬性組成，其中：三維幾何體描述實物對象的幾何外形；連接點定義三維對象與管路連接信息，如連接方式是焊接還是墊片密封、連接方向；對象屬性定義三維對象的類型、子類型、標準號、通徑、材質(zhì)和規(guī)格型號等。三維部件庫和三維部件見圖3。

圖3 三維部件庫和三維部件

1.2.2 工程資源配置工程資源配置（見圖4）是指將設計需用到的資源組合到一起，便于設計人員調(diào)用。設計資源包括：

圖4 工程資源配置

1) 各類模型的組成元素，如邏輯部件庫、三維部件庫；

2) 設計過程中需使用的各種設計規(guī)則，如零部件件號自動命名規(guī)格、管子斷管規(guī)則和最小直管段長度設定等；

3) 二次開發(fā)工具、三維模型與原理圖一致性檢查工具等；

4) 設計過程中需應用的標準，如二維圖紙大小、原理圖圖框和字體標注標準等。

資源集就是將各類資源組織在一起，實現(xiàn)某項功能。例如三維設計資源集，將三維建模需使用的部件和設計規(guī)則等組織在一起。資源組合成資源集之后，通過3DEXP 中的DATASETUP功能將資源集與設計工程綁定，使設計員在該工程下設計時能方便地調(diào)用指定的資源。在進行L2P關聯(lián)設計時，需在工程項下配置以下3種資源集：

1) 管系三維建模資源集，管系三維建模需使用的設計資源，如三維部件庫、三維管材庫、管路三維走向規(guī)則和零部件批量布置規(guī)則等；

2) 管系原理圖資源集，說明管系設計需使用的設計資源，如邏輯部件庫和邏輯部件添加規(guī)則；3) 原理圖資源集，組織原理圖的圖框資源，如紙張大小和圖框版式等。

1.2.3 結(jié)構(gòu)樹搭建

結(jié)構(gòu)樹是在3DEXP環(huán)境中使用樹結(jié)構(gòu)的形式將工程數(shù)據(jù)以結(jié)構(gòu)化形式組織起來的表達方式。3DEXP使用RFLP（Request，F(xiàn)unction，Logical，Physical）的樹結(jié)構(gòu)實現(xiàn)原理圖與三維模型的關聯(lián)。在L（Logical）節(jié)點下構(gòu)建原理圖結(jié)構(gòu)樹；在 P（Physical）節(jié)點下構(gòu)建三維模型結(jié)構(gòu)樹。一個原理圖對應一個邏輯總節(jié)點，一個管路系統(tǒng)的三維模型對應一個物理總節(jié)點，使用“Implement Relation”進行關聯(lián)?？偣?jié)點關聯(lián)完成之后，原理圖設計人員在邏輯總節(jié)點下添加邏輯對象，創(chuàng)建管路原理圖；生產(chǎn)設計人員在物理總節(jié)點下采用L2P的方法放置三維模型，創(chuàng)建該系統(tǒng)的三維模型。圖5為RFLP結(jié)構(gòu)樹。

2 原理圖設計

2.1 邏輯管路走向

管路原理設計主要完成管路系統(tǒng)走向的設計，根據(jù)管路系統(tǒng)的功能需求確定該系統(tǒng)需使用的設備（設備類型、設備規(guī)格等）、流質(zhì)在管路中的流向和實現(xiàn)管路功能需使用的閥件等要素。設計人員首先從邏輯設備庫中調(diào)用邏輯設備進行布置，然后使用邏輯管線對設備進行連接，接著在管路上布置閥件和儀表，最后調(diào)整各邏輯部件在圖面上的位置，并在圖面上添加必要的文字說明，初步完成管路系統(tǒng)走向圖見圖6。

圖6 管系原理圖

2.2 邏輯對象信息定義

管路系統(tǒng)走向設計完成之后，需確定各邏輯對象具體的參數(shù)信息和邏輯部件與三維部件的關系。

2.2.1 邏輯設備

邏輯設備需定義設備的功率、規(guī)格、型號、廠商和連接管路端口的通徑信息等，以及流質(zhì)的流向信息。為使程序能在L2P過程中自動將設備的三維模型布置到正確的空間位置，還必須指定邏輯設備對應的三維設備的模型名稱和設備在船上的空間位置。

2.2.2 邏輯管線

邏輯管線需定義管材的標準號、材質(zhì)、通徑和規(guī)格，并指定對應三維管材的資源集，以便程序在資源集中通過指定的信息找到三維管材。

2.2.3 邏輯閥件和邏輯管附件

邏輯閥件和邏輯管附件需定義部件的標準號、材質(zhì)、型號和規(guī)格，并指定零部件對應的三維模型的資源集，以便程序在指定的資源集中通過部件類型和通徑條件篩選出合適的部件，當滿足條件的部件的數(shù)量大于1個時，由詳細設計人員具體指定使用哪個部件。圖7為邏輯閥件的屬性。

圖7 邏輯閥件的屬性

2.3 原理圖檢查

原理圖是邏輯部件相互關聯(lián)的一個整體，根據(jù)邏輯部件之間的關聯(lián)關系，可進行原理圖檢查。原理圖檢查主要檢查以下3方面的內(nèi)容：

1) 原理圖的連通性。程序根據(jù)邏輯對象之間的連接關系判斷整個管路是否完整連通。

2) 流向檢查。程序根據(jù)邏輯部件上定義的流質(zhì)的流向判讀邏輯部件的方向是否正確。

3) 邏輯部件匹配性檢查。程序根據(jù)邏輯部件的通徑值判斷其是否與管路的管材匹配。運行原理圖檢查工具，根據(jù)軟件提示進行模型修正。

3 管路三維建模

管路三維建模是用三維模型表達管路系統(tǒng)的過程，設計人員根據(jù)系統(tǒng)原理圖在三維協(xié)同環(huán)境中布置設備模型、連接設備間的管線、放置管線上的閥件及其他管路附件，完成管路系統(tǒng)的三維建模。在L2P設計環(huán)境中，三維建模在P節(jié)點下進行，根據(jù)邏輯部件與三維模型之間的關系布置各類三維部件。

3.1 設備布置

系統(tǒng)原理圖中已定義邏輯設備的規(guī)格參數(shù)、設備對應的三維模型和設備布置的空間位置。在L2P環(huán)境下，使用“Logical to Physial”命令指定三維設備在Physical結(jié)構(gòu)樹中的父節(jié)點。程序在三維設備庫中調(diào)用邏輯設備對應的三維模型，放置在指定空間的幾何中心上。設備通過驅(qū)動放置完成之后，程序創(chuàng)建邏輯設備與三維設備之間的實現(xiàn)關系，表明該邏輯設備在三維模型中已存在對應的模型。最后，設計人員使用羅盤等工具調(diào)整設備的位置和姿態(tài)，將其布置到位。圖8為L2P布置設備。

圖8 L2P布置設備

3.2 管路布置

設備布置完成之后進行管路放樣。系統(tǒng)原理圖中已定義管材的標準、規(guī)格和材質(zhì)。在L2P環(huán)境下，在原理圖中點選需布置的管線，程序自動獲取管線的通徑值，在管路系統(tǒng)的三維建模資源集中搜索符合該通徑值的管材。若資源集中只有1種管材匹配，設計人員可直接使用該管材進行管路布置；若資源集中符合條件的管材多于1個，程序提供滿足條件的管材列表，設計人員根據(jù)其他信息選擇正確的管材進行管路布置。

3.3 閥件和管路附件布置

完成管路布置之后進行管路附件布置。系統(tǒng)原理圖中已定義每個邏輯管路附件對應的三維模型。在L2P環(huán)境下，設計人員通過三維建模APP中的放置部件命令，用鼠標點選確定閥件在管路上的位置，在原理圖上點選需布置的閥件，程序根據(jù)邏輯閥件與三維模型的對應關系獲取相應的三維模型，布置在鼠標點選的位置。程序創(chuàng)建邏輯閥件與三維閥件的實現(xiàn)關系，記錄該邏輯閥件已被布置，在后續(xù)布置閥件過程中，已布置的閥件將不能被選中。在整個過程中，生產(chǎn)設計建模人員不必在部件庫中查找正確的部件，只需明確閥件的布置位置即可。應用L2P生成的管路三維模型見圖9。

圖9 應用L2P生成的管路三維模型

3.4 二維、三維一致性檢查

使用L2P驅(qū)動完成管路三維模型之后，原理圖與系統(tǒng)三維模型之間有關聯(lián)關系，原理圖中的零部件與三維模型中的零部件之間也存在關聯(lián)關系?；谶壿媽ο笈c三維對象之間的關聯(lián)關系，可實現(xiàn)程序自動檢查二維、三維一致性。二維、三維一致性檢查的主要內(nèi)容有：

1) 三維模型是否符合管路原理。檢查三維模型的流質(zhì)流向是否與原理圖一致、主支管分布是否正確和閥件順序是否一致等。

2) 設備是否布置在指定的空間內(nèi)。檢查三維設備的空間位置是否在原理圖中指定的空間位置。

3) 閥件是否與原理圖一致。檢查三維模型中的閥件數(shù)量是否與原理圖一致，檢查各閥件是否與原理圖中定義的一致。

4) 管路附件是否與原理圖要求一致。原理圖中沒有法蘭、彎頭、三通和異徑等管路附件，但對這些部件的選用有要求。例如，原理圖中使用壁厚為5mm的管子，相應的彎頭、三通和異徑等管路附件的壁厚必須為5mm。程序檢查管路附件是否按原理圖中的要求選用。

智能化的檢查工具可分選項檢查，檢查結(jié)果直接在模型上顯示。圖9為L2P生成的管路三維模型。

4 結(jié) 語

L2P關聯(lián)設計是設計模式和設計思路上的一種創(chuàng)新。在三維體驗平臺中，統(tǒng)一管理二維、三維數(shù)據(jù)模型，根據(jù)二者間的關聯(lián)關系，運用L2P，直接用二維部件驅(qū)動生成三維模型，成效非常顯著：

1) 二維、三維基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，提升設計的規(guī)范性；

2) 二維、三維之間存在緊密而有效的關聯(lián)關系，實現(xiàn)驅(qū)動設計和智能檢查, 減少人工干預，提高設計效率和設計質(zhì)量；

3) 詳細設計與生產(chǎn)設計信息集成，形成單一數(shù)據(jù)源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、重復利用和一致性傳遞；

4) 設計變更在平臺內(nèi)傳遞，實現(xiàn)設計更改一致性和可追溯性；

5) 原理圖和三維模型通過結(jié)構(gòu)樹管理，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理。

目前小區(qū)域和階段的應用能證明該技術方案和設計流程的可行性和準確性，接下來將繼續(xù)探索研究，逐漸改變現(xiàn)有的設計方式，逐步實現(xiàn)高效、高質(zhì)量的現(xiàn)代智能設計模式。