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

在傳統(tǒng)模式下，船舶與海洋工程設(shè)計可分為基本設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計。這3個設(shè)計階段的設(shè)計內(nèi)容以及需要實現(xiàn)的設(shè)計目標(biāo)各不相同，需要由不同設(shè)計人員采用不同的設(shè)計工具或方法來完成。在此過程中，作業(yè)人員依照各自的設(shè)計需求分別建立獨立數(shù)據(jù)模型，各設(shè)計階段的技術(shù)信息無法通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型進(jìn)行有效傳遞。隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)管理方法的不斷提升，各種設(shè)計數(shù)據(jù)與模型之間的轉(zhuǎn)換日益標(biāo)準(zhǔn)化。通過整合不同設(shè)計階段的數(shù)據(jù)與模型，建立一套涵蓋3個設(shè)計階段技術(shù)需求的一體化設(shè)計模式成為可能。本文對一體化設(shè)計模式在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對一體化設(shè)計的主要挑戰(zhàn)以實施要點進(jìn)行重點分析。

1 設(shè)計現(xiàn)狀

根據(jù)設(shè)計目標(biāo)的不同，可將船舶與海洋工程設(shè)計分為基本設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計。這3個設(shè)計階段的工作內(nèi)容與輸出成果是相對獨立的，可由不同的設(shè)計人員采用不同的設(shè)計工具及手段完成。

1）基本設(shè)計

基本設(shè)計的主要內(nèi)容是對目標(biāo)產(chǎn)品進(jìn)行整體規(guī)劃性設(shè)計，使其基本性能指標(biāo)在一定條約、規(guī)范、海區(qū)、貨品條件下滿足船東對項目的功能需求。基本設(shè)計的設(shè)計需求與技術(shù)指標(biāo)主要通過設(shè)備清單、建造規(guī)格書與項目總布置圖等表述方法進(jìn)行表述。

2）詳細(xì)設(shè)計

詳細(xì)設(shè)計對基本設(shè)計的成果進(jìn)行展開和細(xì)化，確保產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格與性能滿足掛旗國、港口國和船級社的各項要求。詳細(xì)設(shè)計定義了各項設(shè)備參數(shù)，并繪制各個系統(tǒng)的原理圖對要求進(jìn)行表述。詳細(xì)設(shè)計技術(shù)工作的內(nèi)容包括項目完成后的安全要求與詳細(xì)到各系統(tǒng)的功能要求。

3）生產(chǎn)設(shè)計

生產(chǎn)設(shè)計的主要任務(wù)是將前兩個設(shè)計階段的設(shè)計成果轉(zhuǎn)換成三維數(shù)據(jù)模型，根據(jù)三維模型制作圖紙與材料清單，并下發(fā)給施工單位進(jìn)行施工。

1.1 傳統(tǒng)設(shè)計模式存在的問題

船舶與海洋工程設(shè)計復(fù)雜度高、持續(xù)時間長，傳統(tǒng)設(shè)計模式主要存在如下4點問題：

1）3個設(shè)計階段的工作目標(biāo)主要針對本設(shè)計階段所要解決的技術(shù)問題，對其他設(shè)計階段所要解決的問題關(guān)注度不高。

2）每個設(shè)計階段的工作內(nèi)容需要不同專業(yè)的細(xì)致分工與周密配合，不同的專業(yè)在設(shè)計工作內(nèi)容上存在交叉，相互制約。

3）3個設(shè)計階段的專業(yè)劃分不盡相同，不同設(shè)計階段或不同專業(yè)之間的數(shù)據(jù)信息傳遞密度高、協(xié)調(diào)難度大。

4）參與設(shè)計的單位較多，主要包括工程發(fā)包方、工程承包方、專業(yè)設(shè)計單位、設(shè)備供應(yīng)商、船檢等，各方之間的信息溝通存在時效性與準(zhǔn)確度的誤差。

1.2 一體化設(shè)計模式實踐

隨著計算機輔助設(shè)計與互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)的發(fā)展，有望解決傳統(tǒng)設(shè)計模式問題的一體化設(shè)計模式被引入船舶與海洋工程的設(shè)計工作中，并開始在較小范圍內(nèi)進(jìn)行工程實踐。國內(nèi)某船廠承接的豪華客滾船項目在設(shè)計過程中聯(lián)合國外設(shè)計公司進(jìn)行了船體專業(yè)與電氣專業(yè)的一體化設(shè)計探索，取得了良好的效果。但在實踐過程中也發(fā)現(xiàn)了許多問題，需要行業(yè)參與者共同解決。

1）設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)不充分

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)文件是各階段設(shè)計工作開展的基礎(chǔ)與準(zhǔn)則，在采用一體化設(shè)計模式進(jìn)行設(shè)計時，需要有適用于一體化設(shè)計作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)體系文件?，F(xiàn)有的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)文件大多依據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計流程的需要進(jìn)行編制，沒有考慮一體化設(shè)計模式中跨專業(yè)、跨階段的設(shè)計特點，并不能完全滿足一體化設(shè)計的需求。因此，必須在現(xiàn)有的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展與改造，補充和完善一體化設(shè)計工作需求的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，建立一套完整適用于一體化設(shè)計模式的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系。

2）設(shè)計軟件功能不完善

一體化設(shè)計涉及的文件類型與數(shù)據(jù)種類非常復(fù)雜，包括建造規(guī)格書、二維原理圖、三維模型、施工圖紙與材料清單等，單一的設(shè)計軟件無法滿足這些要求。因此，在進(jìn)行一體化設(shè)計時，選擇一款主流的、開放的平臺化設(shè)計軟件就顯得非常重要。想要成功推進(jìn)一體化設(shè)計，選擇的設(shè)計軟件必須具備平臺化、開放度高等特點，以便后期按照一體化設(shè)計的需求進(jìn)行功能升級與二次開發(fā)。

3）一體化設(shè)計實踐難點

作為各類船舶與海洋工程項目的承包方，國內(nèi)大部分船廠只具備生產(chǎn)設(shè)計的能力，而基本設(shè)計與詳細(xì)設(shè)計需要由其他設(shè)計單位完成。這樣的分工模式導(dǎo)致不同設(shè)計參與方可能采用不同的設(shè)計工具，工作內(nèi)容的相對獨立與設(shè)計工具的不一致會導(dǎo)致技術(shù)信息與模型數(shù)據(jù)在整個設(shè)計過程中交流傳遞不充分。此外，有些基本設(shè)計單位出于商業(yè)保密的需要，不愿向船廠提供相關(guān)的技術(shù)信息與模型數(shù)據(jù)，這些都會給一體化設(shè)計的推進(jìn)帶來障礙。

國內(nèi)船廠普遍存在對一體化設(shè)計模式認(rèn)識不足的情況，也是阻礙設(shè)計方法改進(jìn)和設(shè)計模式升級的重要原因。一體化設(shè)計模式的應(yīng)用并不是簡單的設(shè)計工作三維化，也不是數(shù)字化過程的簡單堆砌。一體化設(shè)計模式涉及管理模式轉(zhuǎn)變、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、軟件開發(fā)升級等多個維度的技術(shù)設(shè)計能力提升。在一體化設(shè)計的策劃準(zhǔn)備階段，應(yīng)建立一個針對項目或設(shè)計能力的一體化設(shè)計成熟度模型，以此來公正地評估一個公司或一個項目在一體化設(shè)計中取得的成績，從而為決策者提供優(yōu)質(zhì)的依據(jù)。

1.3 一體化設(shè)計的主要挑戰(zhàn)

各大船廠、軟件供應(yīng)商及第三方機構(gòu)逐漸認(rèn)識到一體化設(shè)計模式的巨大潛力，并分別從設(shè)計模式、設(shè)計流程、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計工具和評估方法等方面開始進(jìn)行探索與實踐。一體化設(shè)計模式有望取代傳統(tǒng)設(shè)計流模式，但在實踐與推廣的過程中還有許多挑戰(zhàn)需要應(yīng)對。

1）一體化設(shè)計工具選擇與異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

當(dāng)前，不同的工業(yè)設(shè)計軟件在圖形引擎能力、模擬運算能力、規(guī)則驅(qū)動特性等方面各有特長。若對一體化設(shè)計過程實施邏輯的規(guī)劃較為清晰，可選擇規(guī)則驅(qū)動特性好的設(shè)計軟件作為一體化設(shè)計功能開發(fā)平臺。有的軟件平臺開放性較好，有的軟件設(shè)計功能模塊的優(yōu)勢突出。一體化設(shè)計的各個階段對設(shè)計工具性能特點的需求見表1。

表1 各階段對設(shè)計工具性能特點的需求

面向單一設(shè)計需求的工業(yè)設(shè)計軟件的基本功能無法滿足完整的一體化設(shè)計要求，如何利用現(xiàn)有的工業(yè)軟件的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，如何在不同軟件之間實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的交流轉(zhuǎn)換是選擇設(shè)計工具時需要重點考慮的問題。此外，選用的工業(yè)設(shè)計軟件還應(yīng)保證能與船級社的三維送審工具的數(shù)據(jù)接口兼容。

2）不同設(shè)計階段與設(shè)計專業(yè)的信息溝通問題

一體化設(shè)計模式的主要目的之一是解決不同設(shè)計階段與不同設(shè)計專業(yè)間信息溝通的時效性與準(zhǔn)確性低下的問題。根據(jù)表述方式的不同，可將設(shè)計信息分為如下2類：（1）可用清單與表格、平面原理圖或三維模型進(jìn)行表述的有一定邏輯性的結(jié)構(gòu)性信息；（2）只能用文字來表述的非結(jié)構(gòu)性信息。對于第一類信息，如何解決不同格式、不同類型的信息交互流轉(zhuǎn)問題成為評估一體化設(shè)計工具優(yōu)劣的一個非常重要的指標(biāo)。對于第二類信息，需要選用一款工具軟件進(jìn)行管理，使之能盡可能結(jié)構(gòu)化，方便作業(yè)者的使用和管理。

3）一體化設(shè)計工作中的標(biāo)準(zhǔn)化問題

一體化設(shè)計模式可跨越設(shè)計階段的分隔，并能將各專業(yè)的技術(shù)特征融合在一起。與傳統(tǒng)的設(shè)計模式相比，一體化設(shè)計模式在管理方法、軟件工具和設(shè)計理念上有著本質(zhì)差異。一體化設(shè)計方法以設(shè)計軟件為平臺，圍繞統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)庫展開設(shè)計工作，對多層次、實時交互的數(shù)據(jù)流進(jìn)行設(shè)計管理。因此，在進(jìn)行設(shè)計時要遵循信息數(shù)據(jù)管理工作的技術(shù)特點。一體化設(shè)計任務(wù)具有如下實施要求：在充分考慮計算機技術(shù)與技術(shù)管理特點的基礎(chǔ)之上，分專業(yè)、分階段進(jìn)行設(shè)計流程標(biāo)準(zhǔn)化工作。設(shè)計過程中用到的各個設(shè)計對象均要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，如系統(tǒng)、設(shè)備符號、一維表格、二維平面原理圖和三維數(shù)據(jù)模型等。

2 一體化設(shè)計方案與實踐

目前，一體化設(shè)計方法在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索與積累階段。相較于傳統(tǒng)設(shè)計模式，一體化設(shè)計模式更加依賴計算機工具及數(shù)據(jù)管理軟件。在一體化設(shè)計的策劃階段，應(yīng)結(jié)合設(shè)計團(tuán)隊的技術(shù)管理水平、設(shè)計軟件及硬件的基礎(chǔ)條件來制訂滿足項目需求的實施方案。

作為一種全新的設(shè)計模式，一體化設(shè)計模式尚不成熟，還需要進(jìn)行長期的探索與總結(jié)。因此，有必要規(guī)劃一體化設(shè)計方法的執(zhí)行路線，并根據(jù)路線圖的邏輯架構(gòu)對設(shè)計工作進(jìn)行細(xì)化分解，最后確定分步實施的策略與成果評定標(biāo)準(zhǔn)。某船舶產(chǎn)品一體化設(shè)計的執(zhí)行路線圖見圖1，各設(shè)計專業(yè)雖然分道并行，但輸入、輸出數(shù)據(jù)互相關(guān)聯(lián)，前后工作步驟互相影響，需要周密策劃設(shè)計執(zhí)行過程。

圖1 某船舶產(chǎn)品一體化設(shè)計的執(zhí)行路線圖

2.1 一體化設(shè)計實施要點

一體化設(shè)計模式可解決設(shè)計工作中跨階段、跨專業(yè)信息溝通傳遞時效性不佳、準(zhǔn)確率不高的問題。通過使用計算機技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等工具，讓設(shè)計人員能即時得到所需的設(shè)計信息，進(jìn)而提高設(shè)計效率，減少因錯誤溝通帶來的設(shè)計失誤。這一過程需要建設(shè)3個方面的參考模型，首先是適用于各個設(shè)計階段的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)部件庫，其次是同專業(yè)跨設(shè)計階段使用的參考模型，第三部分是在同一設(shè)計階段內(nèi)跨專業(yè)協(xié)作設(shè)計使用的參考模型。該過程需要建設(shè)3個方面的參考模型：1）適用于各個設(shè)計階段的統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)部件庫；2）同專業(yè)跨設(shè)計階段使用的參考模型；3）同一設(shè)計階段內(nèi)跨專業(yè)協(xié)作設(shè)計使用的參考模型。

2.1.1 一體化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模型庫

在多專業(yè)協(xié)同設(shè)計作業(yè)的過程中，高質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)模型庫（部件庫）對于提升數(shù)據(jù)交流的速度與準(zhǔn)確性具有非常重要的意義。標(biāo)準(zhǔn)模型庫作為一體化設(shè)計工作中的核心數(shù)據(jù)資源，其應(yīng)用范圍應(yīng)能覆蓋完整的設(shè)計流程，同時也要覆蓋不同設(shè)計專業(yè)的特異化需求。一體化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模型庫的邏輯架構(gòu)見圖2，該數(shù)據(jù)庫包含多個模型數(shù)據(jù)類別，有適用于基本設(shè)計需求的表格類模型（1D數(shù)據(jù)），有適用于詳細(xì)設(shè)計需求的符號類模型（2D數(shù)據(jù)），也有適用于生產(chǎn)設(shè)計需求的三維設(shè)計模型（3D數(shù)據(jù)）。不同類型的數(shù)據(jù)互相配合，互相關(guān)聯(lián)，共同促進(jìn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型在不同設(shè)計方向上的應(yīng)用。

圖2 一體化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)模型庫數(shù)據(jù)邏輯架構(gòu)

2.1.2 統(tǒng)一不同設(shè)計階段的模型需求

同一技術(shù)專業(yè)在不同設(shè)計階段需要的參考模型內(nèi)容不同。在基本設(shè)計階段與詳細(xì)設(shè)計階段，統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型需要清晰表達(dá)用戶對產(chǎn)品功能的需求、對系統(tǒng)功能的描述、對規(guī)范要求的符合程度等信息，此時設(shè)備的外型、位置和質(zhì)量等信息為從屬信息。但是在生產(chǎn)設(shè)計階段，設(shè)備的外型、位置與重量信息就成了主要信息。為保障各專業(yè)跨階段設(shè)計成果交流的方便性，一體化設(shè)計模型數(shù)據(jù)必須包含不同專業(yè)在不同設(shè)計階段的參考模型。

2.1.3 統(tǒng)一跨專業(yè)的模型需求

在同一設(shè)計階段中，傳統(tǒng)設(shè)計模式在完成分專業(yè)設(shè)計與跨專業(yè)協(xié)調(diào)后，依次進(jìn)行專業(yè)間綜合平衡和專業(yè)評審工作，以保障最后設(shè)計結(jié)果的完整性和正確性。傳統(tǒng)設(shè)計模式在執(zhí)行過程中，各個專業(yè)雖然使用同一套坐標(biāo)基準(zhǔn)，但卻不在一個統(tǒng)一的模型參考下進(jìn)行設(shè)計，由此帶來的誤差與技術(shù)沖突需要采用跨專業(yè)的統(tǒng)一參考模型來消除。

2.2 實船項目的一體化設(shè)計實踐

2.2.1 使用AVEVA Marine軟件建立標(biāo)準(zhǔn)部件庫

標(biāo)準(zhǔn)部件庫是實現(xiàn)一體化設(shè)計過程中各專業(yè)協(xié)調(diào)作業(yè)、設(shè)計流程連續(xù)深化、輸入輸出數(shù)據(jù)無縫交換的基礎(chǔ)邏輯要素，標(biāo)準(zhǔn)部件庫數(shù)據(jù)的完整性與成熟度決定了一體化設(shè)計工作的效率與質(zhì)量。

結(jié)合項目實際需求，在AVEVA Marine標(biāo)準(zhǔn)部件庫的基礎(chǔ)上重新對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理升級，特別是對舾裝專業(yè)二維原理圖中用到的各類符號和設(shè)備模型重新進(jìn)行整理，實現(xiàn)了舾裝專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化與升級，提升了后續(xù)設(shè)計過程中調(diào)整與修改的便利性。標(biāo)準(zhǔn)部件庫分類與內(nèi)容見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)部件庫分類與內(nèi)容

2.2.2 引用曲面對象（Reference Surface Object，2.2.2 RSO）模型

船舶與海洋工程的總體布置與技術(shù)規(guī)格說明是后續(xù)各個專業(yè)深入展開設(shè)計工作的基本依據(jù)與指導(dǎo)原則。一體化設(shè)計所依托的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型的復(fù)雜程度隨著設(shè)計范圍的不斷擴展而逐漸增加，但在整個設(shè)計流程中統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型應(yīng)始終清晰完整地反映產(chǎn)品的總體布置要求與技術(shù)規(guī)格特征，目前軟件提供的RSO模型功能可較好地滿足這一技術(shù)需求。

如圖3所示，RSO模型是一組虛擬的船體總布置特征描述模型，該模型數(shù)據(jù)中沒有實際的板厚和材質(zhì)等信息，但包含結(jié)構(gòu)邊界的定位和分艙信息。結(jié)構(gòu)專業(yè)組在進(jìn)行有限元分析時，以RSO模型為基準(zhǔn)面進(jìn)行分區(qū)域大板架建模。舾裝專業(yè)以RSO模型為參考，完成舾裝設(shè)備綜合布放、原理計算、原理圖功能模擬等工作。

圖3 RSO模型示意圖

2.2.3 結(jié)構(gòu)專業(yè)一體化設(shè)計

結(jié)構(gòu)專業(yè)的一體化設(shè)計主要通過3個主要步驟實現(xiàn)：1）構(gòu)件的詳細(xì)設(shè)計與三維建模；2）結(jié)構(gòu)強度分析校核與三維送審；3）按照審圖意見修改整體結(jié)構(gòu)模型，將大模型按照分段劃分要求進(jìn)行切分、出圖。第一階段的工作內(nèi)容與常規(guī)設(shè)計模式存在較大差異，常規(guī)設(shè)計模式中結(jié)構(gòu)專業(yè)的詳細(xì)設(shè)計只需要繪制二維布置圖，不對結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模；而一體化設(shè)計模式中結(jié)構(gòu)專業(yè)的詳細(xì)設(shè)計以 RSO為參考面進(jìn)行大板架建模，依據(jù)此模型輸出結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)供限元分析、構(gòu)件尺寸迭代優(yōu)化等使用。

船級社以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行圖紙有效性審查工作，較傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖送審方式可顯著縮短審查周期。待結(jié)構(gòu)設(shè)計方案退審后，將大區(qū)域模型進(jìn)行分段切分，詳細(xì)設(shè)計階段所使用的模型可直接轉(zhuǎn)換為生產(chǎn)設(shè)計模型，負(fù)責(zé)生產(chǎn)設(shè)計的技術(shù)人員無須再次建立結(jié)構(gòu)三維模型，只要在分段模型的基礎(chǔ)上按照圖紙要求進(jìn)行完善細(xì)化即可。結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計工序流向示意圖見圖4，結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計得到的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源模型實現(xiàn)了設(shè)計區(qū)域結(jié)構(gòu)模型的完善與切分，為后續(xù)生產(chǎn)設(shè)計的制圖工作帶來極大便利。

圖4 結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計工序流向示意圖

3 結(jié)論

本文對一體化設(shè)計模式在船舶與海洋工程領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行介紹，并對一體化設(shè)計的主要挑戰(zhàn)以實施要點進(jìn)行重點分析。一體化設(shè)計模式保證了設(shè)計過程中技術(shù)信息的無縫傳遞，減少不同設(shè)計階段的重復(fù)建模工作，正確傳遞不同設(shè)計階段和不同專業(yè)間的設(shè)計信息，進(jìn)而提高設(shè)計效率，減少設(shè)計錯誤發(fā)生的概率。然而，目前的設(shè)計軟件仍需要進(jìn)行大量的二次開發(fā)才能滿足一體化設(shè)計的適用性需求。如何更好地實現(xiàn)一體化設(shè)計模式在整個船舶與海洋工程設(shè)計工作中的應(yīng)用，還需要長期的實踐與探索。