肖 赟， 田榴敏， 張士超， 王德禹

（1.上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海200240；2.上海外高橋造船有限公司設(shè)計(jì)一部IT技術(shù)室，上海200137）

0 引 言

大型郵輪稱為世界造船“皇冠上的明珠”，設(shè)計(jì)建造國產(chǎn)大型郵輪已成為造船強(qiáng)國的重要標(biāo)志之一。國內(nèi)首艘大型郵輪設(shè)計(jì)建造采用Intergraph Smart 3D 三維設(shè)計(jì)軟件，Smart 3D（以下簡稱S3D）是鷹圖PP＆M的新一代三維工程設(shè)計(jì)解決方案，在船舶設(shè)計(jì)建造過程中覆蓋各個(gè)領(lǐng)域，提供了基礎(chǔ)的建模、出圖、生產(chǎn)信息輸出等功能，且有著先進(jìn)的底層技術(shù)，支持用戶對其功能擴(kuò)充，是一套全面的智能解決方案。郵輪的3D設(shè)計(jì)的獨(dú)特性和船廠自身設(shè)計(jì)生產(chǎn)條件對S3D 設(shè)計(jì)軟件產(chǎn)生一系列的特定需求，這些需求要通過二次開發(fā)予以實(shí)現(xiàn)，郵輪的開孔管理系統(tǒng)便是其一。

船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中，船體結(jié)構(gòu)舾裝開孔是船體專業(yè)與舾裝專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的重要組成部分，在協(xié)調(diào)開孔過程中各專業(yè)會形成大量的數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)掌握在各專業(yè)手中，并未在S3D 設(shè)計(jì)軟件中統(tǒng)一管理，因此形成信息孤島，從而無法保證設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與及時(shí)性，給協(xié)同設(shè)計(jì)帶來滯后性。船體結(jié)構(gòu)開孔是船舶設(shè)計(jì)建造過程中的基本操作，但對船舶的建造效率有著重要影響，結(jié)構(gòu)預(yù)開孔率的提升，減少現(xiàn)場手工開孔，且將工序前移，減少船舶預(yù)舾裝時(shí)遇到的障礙。面對國內(nèi)首艘大型郵輪的設(shè)計(jì)建造，由于大型郵輪結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)的復(fù)雜性，功能的特殊性，其開孔量較于一般船舶大大提升，開孔數(shù)據(jù)的管理顯得尤為重要。

本文通過對S3D 設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)能力以及船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的分析，研發(fā)出基于S3D 船舶設(shè)計(jì)軟件開孔管理系統(tǒng)，針對性強(qiáng)化3D 設(shè)計(jì)軟件在郵輪設(shè)計(jì)方面的功能和設(shè)計(jì)效率，以數(shù)字化、信息化為導(dǎo)向，滿足大型郵輪數(shù)字化設(shè)計(jì)的需要，提升大型郵輪的3D 生產(chǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)水平，形成大型郵輪的自主建造和實(shí)現(xiàn)我國大型郵輪發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)提供保障。

1 S3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)

1.1 S3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)架構(gòu)

S3D 軟件系統(tǒng)二次開發(fā)功能系統(tǒng)也是基于Microsoft.NET技術(shù)構(gòu)建，利用.NET FrameWork 劃分成兩層結(jié)構(gòu)，客戶層和中間層，如圖1 所示。

圖1 S3D系統(tǒng).NET FrameWork 開發(fā)框架圖

客戶層即表現(xiàn)層，主要功能為顯示數(shù)據(jù)和接受用戶傳輸?shù)拿?，在S3D系統(tǒng)中表現(xiàn)為菜單、工具箱、可視化工具以及對話框等。用戶可以熟練地在GUI 中對諸如SelectSet服務(wù)、圖像窗口以及包含定位器，標(biāo)注工具，視角操作等在內(nèi)的軟件支持構(gòu)件進(jìn)行交互操作。基于S3D的開孔管理系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)以上操作，需要在客戶層進(jìn)行定制開發(fā)，即系統(tǒng)必須在S3D 運(yùn)行環(huán)境下工作。

中間層，即邏輯層，在該層內(nèi)命令可以直接對模型對象進(jìn)行操作，例如，艙壁、甲板、管子、電纜、主機(jī)等，這些對象均被劃分到了中間層。對象間存在相互聯(lián)系，關(guān)系定義了模型對象間的交互方式。S3D 關(guān)系管理系統(tǒng)（Relationship Management System）是一項(xiàng)專利技術(shù)，其作用是當(dāng)交互對象中的一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，關(guān)系會做出相應(yīng)的反應(yīng)確保相應(yīng)的完整性以及數(shù)據(jù)的連續(xù)性?；赟3D的開孔管理系統(tǒng)需分析利用中間層提供的API接口，對交互對象進(jìn)行邏輯處理，完成開孔管理工作。

數(shù)據(jù)訪問層，S3D 以SQL Server 和Oracle 大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)平臺，為客戶層與數(shù)據(jù)層提供數(shù)據(jù)支持服務(wù)，中間層可通過調(diào)用該層接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行增刪查改的操作。

由此分析，在.NET環(huán)境下利用3 層架構(gòu)構(gòu)，將各層功能分離開，分別設(shè)計(jì)，互相解耦，，使設(shè)計(jì)更加便捷，并且易于分工合作［1-2］。

1.2 S3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)工具及其語言

S3D二次開發(fā)框架由于采用.NET FrameWork 框架平臺，.NET 開發(fā)語言同樣是應(yīng)用最廣泛的應(yīng)用程序開發(fā)語言（如C＃、VB.NET等）。.NET FrameWork平臺，提供了大量的.NET 開發(fā)類庫接口，這就為使用.NET程序開發(fā)語言進(jìn)行S3D 二次開發(fā)提供了不少便利。利用其提供的接口基類和實(shí)例化工具，用戶在Visual Studio.NET 開發(fā)環(huán)境按照不同的用戶需求，可以開發(fā)功能強(qiáng)大的應(yīng)用程序并集成到系統(tǒng)中。

1.3 S3D設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)API接口

S3D中基于.NET的API包括兩大類（見圖2），第1 類處于客戶層，所涉及到的dll 文件主要有：CommonClient DLL； SP3FrmDeHelper.dll；CustomFormDefinition Controls.dll.。第2 類處于中間層，所涉到的主要文件有：CommonMiddle.DLL；SystemsMiddle.DLL； Ref DataMiddle.DLL；CommonRouteMiddle.DLL； Grids Middle.DLL；SpaceMiddle.DLL； SupportMiddle.DLL；SmartPlantStructureMidde.DLL。

這些API的主要作用：

（1）允許用戶使用VB.net、C?；蛉魏?net語言編程，編寫交互式自動化環(huán)境和非交互式自動化定制，即文獻(xiàn)［3］中提到的Command 開發(fā)與Standalone 開發(fā)，Command開發(fā)面向客戶層開發(fā)，嵌入S3D，參與用戶交互。Standalone 開發(fā)面向中間層開發(fā)，獨(dú)立于S3D運(yùn)行環(huán)境外。

圖2 S3D基于.NET的API接口

（2）允許用戶可以自定義規(guī)則，如命名規(guī)則／符號／IFC規(guī)則等，文獻(xiàn)［4-5］中通過優(yōu)化IFC 規(guī)則，減少不必要的碰撞檢查，減輕主程序加載負(fù)擔(dān)。

上文指出基于S3D 的開孔管理系統(tǒng)需在客戶層與中間層中做開發(fā)，就確定了其開發(fā)方式為Command。通過對S3D 設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)能力的分析，可知S3D 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的二次開發(fā)可借助其開發(fā)框架，利用.NET開發(fā)語言（C＃、VB），開發(fā)出其API 支持范圍內(nèi)的Command程序。

2 船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜且涉及多個(gè)領(lǐng)域的綜合性工作，其中包括了船體、輪機(jī)、電氣等專業(yè)設(shè)計(jì)，且各專業(yè)又包括設(shè)計(jì)、校隊(duì)、審核等不同的設(shè)計(jì)任務(wù)。各專業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)既是相互獨(dú)立，又是相互依賴，因此在設(shè)計(jì)過程中需加強(qiáng)各專業(yè)之間的協(xié)作，解決沖突，以縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.1 船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)

（1）船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)定義。船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)是指不同專業(yè)、不同身份的技術(shù)人員利用計(jì)算機(jī)在同一個(gè)項(xiàng)目內(nèi)，各自負(fù)責(zé)相應(yīng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，且設(shè)計(jì)任務(wù)處在并行交互的狀態(tài)下進(jìn)行，最終取得理想的產(chǎn)品方案的設(shè)計(jì)方法［6-7］。

（2）船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)。根據(jù)船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的定義，可以得知其包含4 個(gè)關(guān)鍵元素，即組織、人員、任務(wù)流程和最終方案。以這4 個(gè)關(guān)鍵元素為出發(fā)點(diǎn)，需解決以下關(guān)鍵點(diǎn)：① 人員與組織管理。船舶設(shè)計(jì)部門包含多個(gè)船體、輪機(jī)、電氣等多個(gè)專業(yè)科室，而專業(yè)科室又細(xì)分為多個(gè)專業(yè)小組。將不同專業(yè)、不同身份的人員組織起來，賦予相應(yīng)的角色與權(quán)限統(tǒng)一管理。②設(shè)計(jì)流程管理。不同專業(yè)有各自的設(shè)計(jì)、校隊(duì)、審核流程，分析各專業(yè)流程，形成滿足各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)的流程，將其流程固化。各專業(yè)人員按照賦予的角色與權(quán)限進(jìn)行任務(wù)操作，將任務(wù)推進(jìn)，直至任務(wù)結(jié)束。③數(shù)據(jù)管理。協(xié)同設(shè)計(jì)過程中必會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，其中包括設(shè)計(jì)新建數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)變更數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)及時(shí)歸檔，從而便于數(shù)據(jù)的保管與設(shè)計(jì)的可追溯性。

2.2 船舶跨專業(yè)開孔協(xié)同流程

船體專業(yè)與舾裝專業(yè)的開孔協(xié)同是一個(gè)不斷進(jìn)行信息互換的過程，舾裝專業(yè)向船體專業(yè)提供開孔申請單，船體根據(jù)規(guī)范對船體結(jié)構(gòu)預(yù)開孔，同時(shí)將不滿足規(guī)范要求或不合理的開孔請求反饋給舾裝專業(yè)，舾裝專業(yè)對開孔信息進(jìn)行修改更新后，重新提交船體專業(yè)審核。這是不斷循環(huán)的過程，直至形成最終方案。文獻(xiàn)［8］中分析了AM軟件的開孔管理流程，文獻(xiàn)［9］中分析了基于國產(chǎn)自主軟件SPD 船舶設(shè)計(jì)和建造系統(tǒng)開發(fā)的開孔管理，參考不同設(shè)計(jì)軟件的設(shè)計(jì)思路，基于S3D的開孔管理系統(tǒng)以開孔申請單貫穿整個(gè)流程并將此流程固化到軟件中，形成基于S3D 的開孔管理系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 開孔管理系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)邏輯圖

3 開孔管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開孔協(xié)同管理數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

根據(jù)船舶跨專業(yè)開孔協(xié)同流程分析的結(jié)果，需建立供船舶各專業(yè)使用的開孔專用數(shù)據(jù)庫，用來儲存開孔中間過程信息，信息主要包括開孔協(xié)同人員信息和開孔協(xié)同管理信息兩大類。開孔協(xié)同人員信息包括id、專業(yè)、角色等標(biāo)識其身份的信息。開孔協(xié)同管理信息包括開孔聯(lián)系單標(biāo)識、開孔位置標(biāo)識、開孔聯(lián)系單狀態(tài)，開孔狀態(tài)及各類日期信息等。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)范式［11］，在S3D采用的Microsoft SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中建立開孔專用數(shù)據(jù)庫，如圖4 所示。

3.2 開孔協(xié)同處理規(guī)則制定

為了規(guī)范開孔流程，確保開孔數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性與及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)各專業(yè)信息共享，制定開孔協(xié)同處理規(guī)則：

圖4 開孔協(xié)同數(shù)據(jù)庫ER圖

（1）用戶登錄后，根據(jù)賬號信息檢測賬號類型，進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)流程，以滿足不同專業(yè)的業(yè)務(wù)，防止越權(quán)操作引起的設(shè)計(jì)失誤。如果是舾裝人員登錄，可進(jìn)行創(chuàng)建開孔聯(lián)系單、待辦開孔聯(lián)系單和打開開孔聯(lián)系單；而船體專業(yè)可進(jìn)行接收開孔聯(lián)系單、待辦開孔聯(lián)系單和打開開孔聯(lián)系單；打開的開孔聯(lián)系單只能是只讀狀態(tài)，不允許修改。

（2）開孔聯(lián)系單的流程狀態(tài)包括未提交、已提交、設(shè)計(jì)審核、舾裝審核、船體審核、完結(jié)6 種狀態(tài)，此流程串行進(jìn)行。

（3）開孔聯(lián)系單的生命周期包括Working、InReview、Reject、Approval、done 狀態(tài)，其中只有是Working狀態(tài)時(shí)，3D模型對象才能夠被修改。

（4）船體專業(yè)針對開孔對象只有兩種操作：開孔與補(bǔ)孔。

3.3 開孔快速定位與模型關(guān)聯(lián)

文獻(xiàn)［3］中分析了S3D.NET 提供的Business Object基本類，其包括了Plate、Pipeline、Profile、Line3D等S3D常見的船舶設(shè)計(jì)對象，并提供相應(yīng)的訪問和修改對象的方法，應(yīng)用程序可通過繼承該類擴(kuò)展模型對象和開發(fā)接口。

舾裝專業(yè)提出的開孔請求需要在3D 模型中反映出來，可通過在S3D 中打開HoleManagement 模塊，調(diào)出開孔范圍內(nèi)的船舶3D 模型，點(diǎn)擊需要開孔的船體模型及穿過船體構(gòu)件的舾裝模型，經(jīng)過布爾運(yùn)算生成Hole Trace 預(yù)開孔線對象，Hole Trace 對象繼承于BusinessObject，不僅包含開孔的必要的幾何信息，而且還包含了開孔的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和OID 信息，OID 是模型對象的唯一標(biāo)識。以Hole Trace 對象為導(dǎo)向，通過S3D提供的Repository Browser可以查看Hole Trace對象的現(xiàn)有關(guān)系及實(shí)現(xiàn)接口，如圖5 所示。通過這些關(guān)系開發(fā)接口，將Hole Trace 對象與開孔申請單關(guān)聯(lián)，并將Hole Trace對象和拓補(bǔ)模型OID信息記錄到開孔管理系統(tǒng)中，來實(shí)現(xiàn)開孔信息流的記錄。當(dāng)發(fā)生設(shè)計(jì)新增與設(shè)計(jì)變更時(shí)，根據(jù)記錄的信息可以幫助用戶快速定位開孔位置，調(diào)出相應(yīng)模型審核，進(jìn)行開孔／補(bǔ)孔操作。Hole Trace 在船體構(gòu)件上開孔，會在船體構(gòu)件對象節(jié)點(diǎn)下產(chǎn)生Cut 對象，同理再利用Repository Browser 查看Hole Trace 對象的關(guān)系，根據(jù)當(dāng)前Hole Trace 是否關(guān)聯(lián)到Cut對象來區(qū)分已開孔和未開孔。

圖5 HoleTrace對象關(guān)系圖

3.4 工程實(shí)例

基于以上的研究內(nèi)容，研發(fā)出基于S3D 船舶設(shè)計(jì)軟件開孔管理系統(tǒng)，并于郵船生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用。主要界面如下：

（1）設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)界面，如圖6 所示。其主要功能包括：①根據(jù)登錄賬號類型及權(quán)限，顯示相應(yīng)的業(yè)務(wù)畫面；②開孔聯(lián)系單的建立、接收、發(fā)布與開孔，并更改開孔聯(lián)系單的流程狀態(tài)。

圖6 舾裝設(shè)計(jì)用戶界面

（2）校核業(yè)務(wù)界面，如圖7 所示。其主要功能包括：①開孔聯(lián)系單的分類；② 各專業(yè)對開孔聯(lián)系單的審核過程，并更改開孔聯(lián)系單狀態(tài)；③ 通過開孔聯(lián)系單記錄的信息快速調(diào)入相關(guān)模型（按分段、專業(yè)、開孔聯(lián)系單調(diào)入模型）。

依據(jù)郵輪的業(yè)務(wù)現(xiàn)狀和各專業(yè)后端的數(shù)據(jù)需求，分析船舶跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)流程和S3D 設(shè)計(jì)系統(tǒng)二次開發(fā)能力，基于S3D 二次開發(fā)架構(gòu)，結(jié)合S3D 軟件提供的API接口，研發(fā)出基于S3D船舶設(shè)計(jì)軟件開孔管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過直連大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，對開孔生命周期進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的有效協(xié)同和數(shù)據(jù)統(tǒng)一。加強(qiáng)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)能力，以流程驅(qū)動開孔申請單，在流程節(jié)點(diǎn)中對開孔申請單生命周期，確保了開孔準(zhǔn)確性、流程可控、歷史可追溯，提高了結(jié)構(gòu)預(yù)開孔的開孔率，更好地輔助郵輪設(shè)計(jì)。

圖7 校審業(yè)務(wù)界面

3.5 基于S3D二次開發(fā)建議

（1）系統(tǒng)分析。分析理解系統(tǒng)的基本需求，確定其框架，確定開發(fā)方式。Command 開發(fā)、Standalone 開發(fā)或是自定義規(guī)則開發(fā)。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)。主要任務(wù)是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，如畫面、規(guī)則、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)等。

（3）熟悉S3D 中模型對象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)對象描述，如類、接口、屬性、關(guān)聯(lián)等，利用MetaDataBrowser 查看模型對象的實(shí)現(xiàn)接口，如圖8所示。

圖8 S3D對象描述圖

（4）利用RepositoryBrowser 查看模型對象的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可以幫助用戶迅速找到對象的實(shí)現(xiàn)接口。

4 結(jié) 語

S3D是一套優(yōu)秀的三維建模及可視化解決方案，基于S3D的開孔管理系統(tǒng)是獲得S3D 三維設(shè)計(jì)優(yōu)勢的同時(shí)提高其設(shè)計(jì)效率，使其更加用戶化與專業(yè)化。目前三維設(shè)計(jì)技術(shù)正在推動造船工業(yè)的設(shè)計(jì)手段、運(yùn)行模式、管理方式等各方面的變革，S3D應(yīng)用的深度與廣度將對郵輪綜合建造水平的高低起到?jīng)Q定性的作用。隨著我國大型郵輪的自主建造和國內(nèi)船舶制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級，用戶的郵輪設(shè)計(jì)建造需求會不斷增長，對S3D軟件進(jìn)行二次開發(fā)是非常必要的，且隨著郵輪旅游市場不斷增長，S3D 作為國內(nèi)首艘大型郵輪設(shè)計(jì)軟件將會面臨更廣的應(yīng)用，其二次開發(fā)也將面臨更多的需求與挑戰(zhàn)，通過二次開發(fā)項(xiàng)目的實(shí)施以滿足大型郵輪數(shù)字化設(shè)計(jì)的需要，也為大型郵輪國產(chǎn)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。