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协同设计的船舶设计过程模型研究
何泽，邱昌华，王能建
哈尔滨工程大学机电工程学院，哈尔滨150001
摘要：船舶设计过程模型是网络环境下船舶协同设计系统开发的基础。根据船舶设计的特点，提出将船舶设计过程分为三层的方法，即项目层，设计任务层和设计活动层，然后是船舶设计过程模型的形式化定义，分别介绍了船舶设计过程的原则和船舶协同设计（SDPM）系统的体系结构。该方法简化了活动网络，便于设计方案的优化和调整，使设计过程更容易控制和改变，最后讨论了船舶协同设计系统的体系结构。
关键词：船舶设计，船舶设计过程模型，设计任务，设计活动，协同设计
一、引言：
目前，计算机辅助协同设计是虚拟制造，敏捷制造，网络制造等技术进一步发展的基础。并发设计是一种集成设计方法。它强调过程的再造和流程的改进，需要充分考虑后续工作是否可以在产品设计的前期阶段实现，避免不同设计阶段之间的主要修改。协同设计继承了协同设计的精髓，采用计算机技术，多媒体技术和网络通信技术，支持设计人员的工作通信技术，支持设计人员在共享环境中进行系统工作，相互协商与协作，形成分布式 综合设计系统。因此采用协同设计技术改进船舶产品设计系统是提高造船业竞争力的有效措施之一。
船舶产品属于大型综合性产品，结构复杂，技术含量高，产品开发设计难度大，周期长，装备项目多，尤其是船舶产品信息量大，设计阶段是一个是决定产品成本，质量和周期的关键因素。此外，由于产品的多样性和设计时间的紧迫性，往往需要同时设计几种产品，因此船舶设计涉及许多组织和公司，包括船舶代理，造船厂，船舶维修厂，船东，船舶设计院，船级社，材料供应商，船舶设备制造商等。利用网络技术构建支持船舶设计的分布式协同设计系统可实现资源共享，制造相关设计人员，技术人员，船东及各类专家通过搭建平台，克服空间和时间上的困难，支持远程产品协同设计，它们可以虚拟地协同工作。
本文将介绍船舶工作分解结构（SWBS）的概念和主要组成部分,介绍现代船舶工作分解结构（MSWBS）的代码结构的概念和设计方法,将展示船舶设计过程中的SWBS缺陷，然后讨论实际设计过程中船舶设计过程的要求和使用情况。最后提出一个新的SDPM及其形式化定义，其合理性已通过船舶协同设计系统的开发得到了证明。
二、船舶工作结构（SWBS）
20世纪70年代，美国海军提出了根据其功能系统对船舶进行分解的SWBS概念，在区域建造，中间产品和船体 - 装配 - 涂装一体化的概念方面，提出了MSWBS。
SWBS用于整个船舶生命周期，从早期设计和成本研究到生产和后续上架，包括成本，重量，规格，系统功能和有效性，设计，生产和维护。根据功能系统，所有分类组均由三位数字代码定义，例如：
000：一般指导和管理；100：船体结构；200：推进装置；300：电厂；400：指挥和监视；500：辅助系统；600：装备和家具；700：军备；800：整合工程；900：船舶装配和支持服务。
[集团] 100一船体结构
[元素] 101一总体布置- 结构图
[小组] 110一外壳和支撑结构
[元素] 111一壳电镀，水面舰艇和潜艇压力船体
[元素] 112一壳电镀，潜艇无压力船体
[小组] 120一船体结构舱壁
[元素] 121一纵向结构牛头
在此基础上，文献[1]根据区域建设，中间产品和船体舾装一体化的概念提出了现代SWBS。同时，还建立了船舶与海洋工程项目实践与管理信息系统的理论框架，开发原则，具体调查方法。代码结构如图1所示。
项目名称代码 组织结构代码 计划结构代码 产品结构代码
图1 MSWBS代码结构
根据项目内部结构或实施过程，工作分解结构（WBS）将自身分解为易于管理的子项目，然后分解为活动。WBS具有直观且易于分解的优点。但当项目的复杂性增加时，WBS的适用性就会下降。不同的人将对项目进行不同的分解，这将导致WBS分解结构树的不稳定性，这会对WBS的积累和再利用造成危害。知识对于不同活动之间的关系是密切相关的，分解后的局部调整会影响活动网络图的结构，需要重新规划，活动过多时会给规划和控制带来困难。
对于关于设计的项目，由于设计过程中的强大创新，它需要在不同层次上进行变化，因此要求船舶设计过程模型具备局部可调性。同时，并行和协同设计需要标记所有不同活动之间的各种关系和启动条件。虽然WBS无能为力，因此必须寻求一种易于分解，能够在本地进行调整且便于计算机进行流量控制的船舶设计过程分解方法和模型。
三、船舶设计过程分析：
目前，在国内造船企业制造造船计划时，根据船长的经验制定主要、次要和详细的计划和时间表，而不必对造船任务进行分层分解。因此，尽管船舶建造的规划系统似乎从最高层的主要规划到最终的双周滚动式运营规划分层清晰地分解，但各层之间缺乏必要的映射会导致先前的规划不能限制和指导随后的计划，随后的计划也不能主动反馈到先前的计划。因此，实施计划的动态管理将很困难，需要根据现代造船模式对船舶工作分解结构进行研究。
船舶设计包括初步设计，详细设计和生产设计三个阶段，涉及众多设计部门，人员和需要产生大量的图纸和报告。除了图纸之间的顺序之外，还需要持续的协调在不同专业和部门的设计工作中，例如在确定船体区块之前，需要协调单位装配要求，考虑预舾装装置，区块施工条件，工作区域等，任何来自货物保存的变化，船东和船舶检验机构必须及时协调。协调将直接影响船舶的设计周期和质量。
从图2可以看出，船舶设计是一个受时间，经费，质量和制造条件限制的过程，根据设计要求使用一定的资源并与船东，船级社和造船厂合作生成产品数据。
图2 船舶设计功能图
船舶设计资源包括管理人员，技术人员，设计工具，历史设计数据等。在船舶设计过程中，产生船舶产品数据和设计过程数据，船舶产品数据是关于一个或一组事实的描述，概念相关过程和要求，而设计过程数据则来自设计产品数据。
通常设计任务中的所有活动都是按顺序排列的，如建立，验证，修改，审计，确认等。但是有不断的修改形成局部循环。一些设计活动需要同时处理，螺旋桨的一些设计活动是平行的。它应该使设计活动并行，缩短开发时间，并且类似设计任务的设计活动通常是固定的。
四、船舶设计过程模型
船舶设计过程模型的目标是支持多角色协调，协同设计等。计算机支持协同设计是近年来提出的一种新颖的产品开发设计模式，受到国内外众多机构和厂商的重视。同时，它也是一种全面的现代设计技术。协同设计的核心是任务合作。在一项任务开始时，需要考虑后续任务中可能出现的问题，并提供适当的任务分解和分配方法，适时将任务发送给适当的人，并及时在不同部门之间进行沟通。
以下是支持协同设计的船舶设计过程模型的正式定义：
定义1（项目目标）：项目目标G代表组（S，E，T）
S代表项目目标的实际描述；
E代表项目目标的经济指标，表示经费限制；
T代表项目目标的时间指标，表示项目目标的时间限制。
定义2（设计任务）：设计任务T代表组（M，D，A，W，Q，Z）
M代表负责设计任务的人员；
D代表设计任务的时间限制；
A代表设计任务的设计活动集；
W代表设计任务的在前设计阶段的输入文件集；
Q代表设计阶段同类产品的参考文件集；
Z代表设计任务的输出文档集。
定义3（设计活动）：设计活动A代表组（H，D，R，K）
H代表执行设计活动的传教组织；
D代表设计活动的时间限制；
R代表分配给设计活动的资源集合；
K代表设计活动的关系。
定义4（设计活动关系）：设计活动关系可以分为四类：
半序列关系，AND关系，OR关系和循环关系。
例如，对于两个设计活动，半序列关系代表组（Tp，Ts，D），Tp和Ts代表两个子任务或子任务集合，它们的半序列关系指示Ts直到Tp为止才能执行结束，D表示Tp和Ts之间的间隔，Tp = 0表示Tp结束后，Ts立即执行。
AND关系表示组（Ti，Tj，Tp，Ts，D），Ti和Tj表示两个子任务或子任务集合.Ti和Tj具有AND关系表示直到所有这些都完成后才能执行后续子任务 ; Tp和Ts表示Ti和Tj的前后子任务，D表示Ti和Tj之间的时间限制。
OR关系代表群组（Ti，Tj，Tp，Ts，D），与AND关系的区别在于Ti和Tj中的任何一个都完成了可以导致执行下面的操作Ts。
循环关系表示组（T，N，D）.T代表循环执行的子任务或子任务集，N代表T的循环量，D =（Dl，D2，...，Dn）分别描述不同循环之间的间隔。
定义5（项目）：项目P代表组（G，T，M，E，Pf，Pi，R，H）
G代表要实现的项目目标;
T代表属于该项目的所有设计任务集;
M代表项目的管理员;
H代表项目组成员;
E表示在执行任务期间发生错误时设置的异常退出;
Pf代表父项目;
Pi代表子项目集;
R代表项目关系，包括父子关系和兄弟关系。
根据上述项目定义，Pf =Phi;表示项目为根项目; Pi =Phi;表示项目为基础项目。
定义6（船舶设计）：船舶设计S代表组（G，P，T，W，R）
P代表所涉及的所有子项目集;
T代表所涉及的所有设计任务集合;
W代表所涉及的所有设计任务关系集;
R代表参与整个工作的所有角色集。
根据上述定义，船舶设计的分解可以在项目，设计任务和设计活动的层面上执行。 从设计任务的定义来看，每个设计任务可以包含多个输入文档和参考文档，构成纬度即当前设计和经度即历史记录的协作关系，同时表达不同项目之间的紧密联系。
项目任务分解和角色分配的过程也是项目团队建立的过程。通过优化算法，工作可以合理安排到相应的人员。由于角色设计活动是时间相关的，角色管理 权限，便于各类人员的管理。上述模型具有以下特点：
1）项目可递归分解为最终的相对独立的子项目，子项目可分为设计任务和设计活动，构成具有设计任务的活动网络图，进行规划，分析，管理等。 还可以根据设计活动网络图进行详细的工作。
2）明确设计任务并发关系，后续关系和协调关系，为协调和并行设计开发提供便利。
3）不同设计任务之间的设计活动是相对独立的，在不影响设计任务的整体要求下，只需要在本地调整设计活动，而不需要对整个船舶设计项目进行重新布局，提高可控性。
4）船舶设计的分解可以同时确定管理人员，设计人员和审计人员。项目团队和设计团队能够建立责任和组织关系。
五、船舶协同设计系统的体系结构
整合船舶协同设计框架的目标是实现产品的远程设计和制造，资源共享，支持不同企业之间的合作，为分散在不同地方的设计人员提供一个协同工作平台，并管理各种产品数据 并将其存储在适当的结构中，最终以最佳的方式和最快的访问速度响应用户的数据请求。
船舶协同设计与开发集成系统，为船舶产品开发提供了资源共享和信息集成的功能。该系统的四个层次描述如下：
1）数据库层：各合作企业的数据库通过互联网形成分布式产品数据库和电库，该层主要负责数据的永久访问。
2）协同服务层：由一组服务器组成，包括Web服务器，FTP服务器，安全服务器，通信服务器，系统监控服务器，数据库接口服务器，日志服务器等，它还提供了远程共享工具和数据资源，工具集成，信息交换等功能。
3）管理层：主要由系统管理员使用的各种管理软件组成，包括用户管理，项目管理，资源管理，工作流管理等。特别是负责权限管理，系统配置和安全，日志管理，系统监控，数据备份和系统更新。
4）船舶设计层：是设计人员完成设计任务的平台，通过相关工作台，各类设计人员通过相关辅助代理完成相应工作。
六、结论
根据船舶设计的特点和计算机应用的现状，提出了一种将船舶设计过程分解为本文中的工程，设计任务和设计活动三层的方法，并建立了支持协同设计和并行设计的船舶设计过程模型，并给出了船舶设计过程模型的形式化定义。通过船舶协同设计系统的开发，证明采用分解方法有利于安排计划和布置进度，设计过程具有更好的可变性，易于管理。
参考文献：
[1]金朝光。船舶生产管理与供应链整合研究[D]。大连：大连理工学院，2002（中文）。
[2]王能建。基于互联网的代理船舶协同设计研究[D]。哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003（中文）。
[3] KOEING P C，CHRISTENSEN W L.海军建设现代工作分解结构的开发与实施：案例研究[J]。船舶工业，1999，15（3）：136-145。
[4]金朝光，林燕，纪卓尚。船舶现代工作分解结构[J]。中国造船，2002，43（4）85-89
[5]高结古，于兆荣。现代造船工程[M]。哈尔滨：哈尔滨工程大学，1998。
贺泽，1977年出生，2000年获得机械制造与设备学士学位，2003年获哈尔滨工程大学机械制造及自动化专业硕士学位，现为机械设计与理论专业博士研究生，研究兴趣为协同设计。
邱长华，男，1944年出生，大连理工大学船舶工程系船舶内燃机专业毕业, 现为
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