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2012年中国制造业产品创新数字化征文:基于FORAN建立的舰船研制协同设计平台

2012/11/8    来源:e-works    作者:汤明超  张瀚哲  孟梅      
关键字:船舶制造  协同设计  FORAN  Windchill  
船舶制造是一个复杂的系统工程,需要多厂所配合设计。针对中国船舶行业对多厂所联合协同设计的需求,提出了通过FORAN和Windchill的集成,构建了船舶设计协同工作台的方案,建立了异地多厂所船舶联合设计协同平台体系架构,从而达到提高设计效率,降低设计成本的目的。

0 前言

    建立于网络环境的产品协同设计是指一个设计团队在计算机通信网络提供的分布式协同环境支持下,以群体工作目标为核心,并行、协同地完成设计产品的全过程,建立企业和科研院所的动态技术联盟,以实现多种资源的共享和最优配置、快速响应市场需求、提高企业竞争力为主要目标的先进设计制造模式。

    船舶产品属于大型、复杂型装备,其设计过程是一个多专业、多系统、大规模的系统工程,需要研究院所、船舶制造厂、船东、船舶设备供应商等进行密切协作,每个活动之间还存在交叉进行的工作,持续的时间也较长。目前我国造船企业内部还没有建立起产品协同平台,普遍存在着各部门间的信息不流畅,上道生产设计信息与建造指令不能快速地下发到下道工序的生产部门和相关的职能管理部门,形成信息孤岛。为缩短产品交货周期,关键是从设计源头抓起、加快产品的研发速度,而产品设计涉及到多专业、多部门,如果其间的设计管理信息交流不畅、研制进度难以控制。因此,充分利用先进设计制造技术,实施异地厂所协同设计,提高信息流通度,增强设计、生产部门的协同工作,已成为现代船舶制造业的必然趋势。本文提出了一个船舶设计协同工作平台的方案,通过FORAN和Windchill的集成,构建了异地多厂所船舶联合设计协同平台体系架构,从而达到提高设计效率,降低设计成本的目的。

1 协同设计技术应用现状

    《新华汉语词典》对“协同”的解释是:各方互相配合或一方协助另一方做某件事。管理学上的“协同学理论”认为:自然界和人类社会的各种事物普遍存在有序、无序的现象,一定的条件下,有序和无序之间会相互转化,无序就是混沌,有序就是协同,这是一个普遍规律。

    目前国外开发应用网络化协同技术比较成熟,出现了一些相当成熟的软件系统。如GE公司的GE Global Research,PTC公司的Windchill系统,CATIA公司的CSCD系统,西门子公司的Teamcenter系统,Texas大学开发的Sharera系统,WebScope公司推出的基于web的CAD协作支持工具,AutoDesk公司DWF文件的浏览器工具插件WHIP等等。这些系统都可以实现集成先进的技术,形成一个协同的工作环境,通过Internet和各种基于Web的技术,如并行分布计算的优化算法,进行新产品的优化设计,因而能够满足网络协同工作的需要。国外先进制造企业在实现数字化协同设计制造的开发和应用中,同时形成了较为完整的标准规范。

    国外应用网络化协同平台早已经成功的实现了产品的协同设计和制造。诸如波音,为充分利用全球开发资源、制造资源,已构建了多国家、多组织的异地协同设计制造模式。号称 “最完美航空母舰”的伊丽莎白女王级航空母舰,即是利用网络化协同技术搭建临时的协同平台,进行多厂所的协同设计制造。英国动用了6大造船基地分别制造船体的主要模块,大约有上万名工程技术人员参与设计建造工作,极大地缩短了航母建造周期,提高了航母的性能。

    网络化协同设计制造技术方面的研究和应用在中国处于起步阶段,主要集中在CAD/CAE/CAM和仿真技术等基础上开展研究。同时在网络化协同设计制造技术的理论研究和应用技术准备阶段。近年来, 网络化协同设计技术在各研究领域都有了发展。如中国航空发动机行业建立了异地多厂所发动机联合研制协同平台体系架构。ARJ21飞机采用虚拟协同设计平台,建立了面向国内4个制造厂、国际19家供应商的协同飞机设计制造平台,实现了新支线ARJ飞机的多厂所联合协同设计研制,代表着我国数字化技术应用的先进水平。ARJ21的研制实现了在航空集团公司和项目公司的领导下,以一飞院为主,联合参研单位的技术人员,同心协力,基本建立了ARJ飞机数字化多厂所联合研制平台,该平台为ARJ21项目的成功打下了扎实的基础。

 

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2 FORAN的应用现状

    FORAN是船舶设计专用软件系统,该软件由西班牙最大的私营独资公司SENER开发,软件涵盖了船体、机、电、涂、舾装各个专业,可以向客户提供从方案设计、初步设计、送审设计直到详细设计等船舶设计各阶段全方位的服务,是世界上最先进的、最全面的CAD/CAM/CAE 船舶主流三维设计软件。多年来FORAN 软件在欧洲、美洲等多个国家得到了广泛应用,船型涉及客轮、货船、LNG船、FPSO、海洋平台以及军用舰船等。目前,FORAN系统的用户遍布25个国家,有超过130家船厂、设计所和学校,其中有相当一部分是军用舰艇的设计建造企业和机构,这些企业和机构利用FORAN系统设计了各种类型的舰艇,节省了大量的设计和建造费用,提高了设计建造效率。

    FORAN在我国的应用还处于起步阶段,作为与计算机技术同步发展、集三维CAD/CAE/CAM为一体的软件,正以其完整的功能性逐步得到国内各个设计院和船厂的青睐,目前,我国中国舰船设计研究中心、上海振华集团等单位,开始利用FORAN进行船舶设计。国内粤东地区最大最先进的海巡船——“海巡154”船,是国内采用FORAN船舶设计系统完成设计并下水交付的第一条船,其送审设计和施工设计由中国舰船设计研究中心负责,利用FORAN系统在4个月时间内交付全部图纸。

3 协同平台搭建方案

    目前国内船舶行业尚未有规模地开展协同设计技术应用,有关的研究实验正在进行中,笔者结合自身的研究,借鉴国外相关案例以及国内在航空方面的实践,提出了以FORAN和Windchill为核心软件,建立船舶协同设计平台的方案,与大家探讨。

    3.1 用户

    船舶协同设计平台所面向的用户包括:船舶设计所、总装厂、船体建造厂、主机厂商、设备配套厂商、船级社和检验机构,还包括大型项目设置的项目管理办公室、企业集团管理部门等。船舶研制过程是一个庞大的系统工程,需要这些单位以及船、机、电等多专业在分布式的网络环境中进行多层次、多阶段的协作,每个用户个体的职责间还存在交叉进行工作。在异地协同设计系统环境下,可以使这种协作并行化。例如:船舶设计所在船舶设计过程中,根据设计不同阶段的需要,将阶段设计结果发布到船舶总装厂,由总装厂提出相应设计意见或者完成相关设计任务,如:根据建造过程的工艺要求对设计结果的工艺性进行校核,完善工艺性设计,从而将建造过程中的可能发生的问题推移到设计过程中解决,提高设计建造效率。

 

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    3.2 网络层

    3.2.1 基础设施

    船舶协同设计系统平台要建立在稳定可靠、性能良好、易于维护、伸缩性强的IT基础设施之上,作为其支撑以FORAN和Windchill为主要软件的运行环境,要满足船舶协同设计过程中的多种业务需求。

    参考航空制造业集成研发平台,结合船舶产品的研制特点,笔者提出支持船舶协同设计的IT基础设施模型,如图3所示。其中,企业系统管理、信息安全和很多独立的模块都有相互关联,是横跨所有IT基础设施内容的模块。而数据库、客户端、服务器、数据存储、网络、操作系统等为IT基础设施中相对独立的模块。

    3.2.2 Intranet和WAN

    支持船舶协同设计的网络是一个专用企业级广域网,网络的中心可以设置在集团公司或者船舶协同设计的总体机构。FORANHE和WINCHILL软件能够支持基于这种网络部署的协同设计。

    ●异地虚拟专网/广域网

    集团的共享服务部分存储管理整个网络用户的账号、权限等,并控制所有共享的工程数据,在各设计所的站点上建立FORAN服务器、Oracle服务器和License服务器,其中各单位的Oracle服务器存储相关的工程数据,这些系统通过交换机、防火墙设备、专线网络或VPN,通过加密、认证和访问控制等方法实现网络的安全连通并保证网络的可靠性。

    ●企业内部网

    在保证网络畅通的条件下,各设计所内部可以直接访问集团的主服务器以更新和提交设计数据。此种通过C/S模式访问数据仓库的方式,可保障数据更新及时,无需复杂的配置。在企业内部,FORAN所对应的功能服务器与Windchill系统进行集成,打通研制过程中各个数据产生环节,确保统一流程的流畅运转。

 

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    3.2.3 统一的身份认证安全机制

    船舶协同设计平台中有多个用户和多个单位,进行大型产品研发,必须进行有效的管理,特别是安全管理,其中建立统一的身份认证和权限授予机制对建立船舶协同设计平台具有重大意义。

    Windchill系统基于J2EE 标准的三层体系架构中的数据层包含了Oracle数据库、文件服务器和LDAP 服务器,实现了系统服务信息管理和用户、角色信息管理的数据存储。其中,与采用SQL的数据库存储方式不同,目录服务采用了LDAP的API。目录服务系统作为核心网络身份管理的核心数据库,存储用户身份信息、角色、访问控制信息、Web服务资源和策略信息,提供了一套完整的统一认证、授权解决方案。因此,可以根据系统规划,建设基于LDAP的统一身份认证系统,利用分布式的目录信息树结构,对用户身份信息和系统控制信息进行有效组织和管理,提供高效安全的访问,实现统一的认证服务、统一的授权服务和统一的记账服务、审计、管理服务。具体来讲,就是建立企业级统一的用户库和策略库,实现单点登录和基于策略的访问控制,同时,为满足不同等级的安全需求,提供多种认证服务和丰富的授权方式。

    另外,还可以通过建立专门的身份认证系统,加强平台上的人员管理,提高平台的安全性。

    3.3 数据安全

    在协同设计系统中,异地企业范围内,设计人员(企业中或企业之间)之间有大量的信息通过公共网络传输,实现产品数据共享,能够使设计人员统一检索设计数据, 提高设计效率,比如零部件图、工艺信息、设计清单等。这些重要的设计信息在网络上传输时,会出现以下的信息安全问题:设计信息泄密、篡改设计信息、伪造设计信息等等。保证数据安全的策略包括:

    ●多种网络安全技术

    如:物理上的隔离保护,企业内部网络与公共网络隔离或者采用防火墙技术进行受阻保护,采用点对点的加密技术,数据传输保护等。

    ●在船舶协同设计平台上,采用FORAN与Windchill集成构成主要应用支撑系统,软件自身能够提供多种安全性控制策略,以保证数据的安全性。

    这种安全性分为两个层次:第一个层次是Windchill系统通过Web服务器ID系统的用户身份验证和系统用户访问控制策略定义等来保证数据的安全性,限制非法的登陆;登录系统后,第二个层次的安全性控制则通过用户权限管理对用户所访问的数据实行安全性控制,可以做到用户只有在需要完成某项工作时,才拥有访问数据的权利,一旦工作完成,权限自动取消。对于目前船舶设计与制造单位的具体情况,在制定权限访问规则时也应该遵从这种安全性的策略,严格控制数据资源的访问权限,确保产品信息数据的安全。因此通过FORAN与Windchill搭建的协同平台,能够很好地保证数据安全。

    3.4 软件部署

    组成船舶协同设计平台的应用软件需要在各厂所进行部署和实施,即分布部署在集团管理中心和各设计所,形成多企业、网络化的分布式协同设计平台。鉴于快速上线部署、较低的系统拥有成本以及实现最大的柔性的需求,在应用程序的部署上,采取了分布式部署。如图6所示。在参加船舶协同设计的每个设计单位内部部署一套完整的FORAN,包括Oracle、License Manager、服务器端、客户端等应用程序。产品和部件数据、工艺数据、CAD文档和一般文档通过部署在本单位的Windchill组件与共享数据池中的设计数据保持协同。集团管理中心的共享服务部分负责通过Windchill管理共享数据池,进行设计任务分发、校核审批、需求变更等操作,使得各设计所之间的一体化协作实现了各级设计信息的源头维护和高效共享。

    在集成平台中,FORAN作为前端的设计工具,而Windchill作为FORAN的协同工作平台,起到了支撑共享、搭建服务平台的作用。在Windchill中可以对FORAN设计的数据进行版本、属性、生命周期状态、有效性等进行管理,将单一的设计协同扩展为产品变更、产品配置、项目管理等多方面的协同。此平台对于各单位来说是透明的,无论Windchill系统部署的物理位置如何,只要其拥有一个部署了FORAN并且能够通过VPN接入集团WAN的网络环境,就可以按照下发的任务要求将本所完成的设计工作上传至共享数据池来参与船舶产品的协同设计。

 

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    3.5 组织关系

    组织,即为了完成共同目标而设计的职能系统(描述了一个组织的结构)和活动流程。设计一个组织,实质上就是研究如何合理、有效地进行分工,包括业务工作的指派、工作量的分配、职责和权限的划分,以及分工之后的配合、协作关系等。

    船舶协同设计的有效实现需要一个有效的组织保障,这个组织是由参加协同设计的院所、企业、供应商、集团等机构的有关人员构成,应该建立组织管理机构,明确工作分工,设置管理部门和人员。一般来说,船协同设计的组织领导机构是项目负责人或者项目领导小组,在各参加单位设立专业组,明确专业组负责人,要制定船协同设计工作机制、信息沟通机制和工作计划,定期召开会议。

    FORAN和WINCHILL软件也提供了支持协同设计组织运行的功能。在公司内部,团队领导通过Windchill进行团队任务的划分和分配,团队成员在这种集成系统中进行船舶设计工作,团队领导可以实现随时对团队成员的工作情况进行监督和评价,方便查看员工的实际工作量。而且由于在FORAN中可以生成的产品结构树,在集成Windchill后,团队领导一旦决定对产品哪一部分进行修改,可以利用Windchill进行管理,相关的部门或者个人会得到产品修改的信息,提高了设计效率。

    通过FORAN和Windchill集成,可以实现的协同项目管理包括如下内容:

    信息共享,建立全局的数据模型和接口,以使得团队成员在设计开发过程中能够实现信息共享和顺利交换,提高团队内部的数据重用度。

    权限约束,防止团队在开发设计过程中越权操作,保障团队内部的任务流的正确流向。

    团队内部的冲突协调管理,防止因数据冲突,影响工作进展。

    同理,企业之间建立常规组织或临时虚拟组织,以集团为主研单位,利用Windchill的协同性能,对下属单位进行任务划分和分配,通过web网络,各个下属单位接受任务并协同设计,在设计中集团同样随时可以查看下属单位的进度,对各个下属单位进行权限分配等,各个下属单位也可以通过这个虚拟平台进行联系。

    3.6 协同项目管理

    协同管理标准是以产品为管理核心,以数据、过程和资源为管理信息的三大要素,以Windchill软件为基础,实现对产品相关的数据、过程、资源一体化的集成管理技术。在以FORAN和Windchill搭建的协同设计平台中,采用Windchill对产品开发过程数据和产品制造过程进行整体优化,管理产品生命周期数据,保持产品数据的一致性。同时通过对产品、系统、子系统的分解方式,将整个产品研制项目分解为一个树状的层次结构,赋予不同的执行人,对各执行人登录系统后可以通过任务表管理器查看任务。

    利用FORAN快速进行产品设计,产生的数据和设计文件可以上传,由Windchill统一管理。在执行任务时Windchill可以通过资源调用FPLM接口,调用FORAN设计系统。而工作流的管理员可以Windchill模型监控功能,对整个工作流的执行过程进行监控,并做出必要的调整,了解团队成员每天的实际工作量。冲突协调负责对执行过程中出现的资源冲突、调用冲突等进行协调,保证各个环节的顺利执行。此外网络化协同设计制造平台用户管理可以将用户的权限与用户的工作项目内容相捆绑,即在每一个工作节点中都可以对相关用户的权限进行设定,从而保证了协同设计制造过程中各企业的相关数据的安全。

4 结论

    网络协同技术是数字化造船三大技术之一,船舶设计领域如果能够成功搭建FORAN与Windchill的协同设计平台,在一定程度上,能提高我国的船舶设计和建造能力,降低生产成本,缩短设计周期,为我国早日实现数字化造船提供新的途径。

责任编辑:程玥
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