李 吉，朱明华，杨义干，唐 能

（江南造船（集团）有限责任公司，上海 201913）

0 引 言

目前国内船舶管系的详细设计与生产设计是分离的，船舶设计单位一般采用AUTO CAD等软件设绘详细设计阶段的原理图，船舶建造单位一般采用Tribon等设计软件建立生产设计三维模型。设计软件的分离、独立造成原理图与三维模型之间无法创建有效的关联关系。这种状态造成以下问题：

1) 设计数据源不统一。设计信息来自原理图和三维模型这2个相互独立的数据源，由于没有统一的基础库，2个数据源对同一对象的描述难以保持一致。

2) 人工信息转换效率低。生产设计人员在建立管路三维模型时需人工获取原理图中零件的标准号、材质和规格等信息，需人工从三维部件库中搜寻与这些信息匹配的对象进行布置。整个过程费时费力，尤其是对于大型船舶而言，其零件量高达数万个，且种类繁多、规格各异，人工进行信息识别转化的效率较低且易出错。

3) 三维模型与原理图校对困难。管路建模完成之后，生产设计人员需校对三维模型与原理图的一致性，确保三维模型中的零件选用与原理图一致、管路三维模型的管路原理（流质流向、主支管分流等）与原理图一致。生产设计人员打开模型逐个零件、逐条管路校对，过程繁琐，效率低下。

4) 设计更改难一致，变更不能追溯。由于设计软件平台不一致，在设计过程中主要以文件的形式传递更改信息，易出现更改不及时、漏更改等问题，且更改过程不能被追溯。

三维体验平台（3D Experience Platform, 3DEXP）为上述问题提供了解决方案。3DEXP采用系统工程的模式进行产品设计，在功能上同时支持原理图设绘和管路三维建模，实现设计软件平台统一。基于3DEXP可创建逻辑对象（系统原理图）与三维对象（管路三维模型）之间的关联，实现管路零件自动筛选匹配和二维、三维智能校对。由驱动实现三维建模，使详细设计信息与生产设计信息集成，形成单一数据源，保证设计更改的一致性和可追溯性。同时，软件通过树结构管理原理图和三维模型，实现结构化的产品数据管理。

1 L2P设计流程和设计准备

1.1 设计流程

基于3DEXP进行管路逻辑到物理（Logical to Physical, L2P）关联设计的流程见图1：首先完成L2P设计准备，包括创建基础库（逻辑部件库和三维部件库）、配置工程资源和创建L2P树结构；然后绘制管路原理图，完成管路原理布置、管路信息定义和管路原理检查；接着运用L2P功能布置设备模型、设计管路走向和布置阀件及管路附件；最后应用智能检查工具检查三维模型与原理图的一致性。

图1 基于3DEXP进行管路L2P关联设计的流程

1.2 设计准备

1.2.1 部件建库

管路系统由设备、管材、阀件和管路附件等零部件组成，在进行管路L2P设计之前，需创建逻辑部件库和三维部件库。逻辑部件库是指用 3DEXP中的逻辑对象表示设备、管路部件等；三维部件库是指用3DEXP中的三维对象表示设备、管路部件等。

1.2.1.1 逻辑部件库

逻辑部件库包含逻辑设备库、逻辑管材库、逻辑阀件库、逻辑仪表库和逻辑管附件库。逻辑对象按零部件实现的功能创建，实现同一功能的零部件创建一个逻辑对象。逻辑部件库中的逻辑对象与实物对象是一对多的关系，一个逻辑对象代表一类部件。例如，一个逻辑止回阀代表所有标准、所有规格具有防止管路中介质倒流功能的阀件。逻辑对象由图形符号、连接点和对象属性组成，其中：图形符号采用船舶行业原理图通用符号；连接点定义逻辑对象与管路的连接信息，如流质的流向等；对象属性定义对象的类型、流质等信息。逻辑部件库和逻辑部件见图2。

图2 逻辑部件库和逻辑部件

1.2.1.2 三维部件库

三维部件库包含三维设备库、三维管材库、三维阀件库、三维管附件库和三维仪表库。三维对象按零部件实物创建，一个实物对应一个三维模型。三维部件库中的三维对象与实物对象是一对一的关系，一个三维对象对应一个实物对象。例如，一个三维止回阀表示一个标准号为GBT 588、通径为DN65、材质为青铜的止回阀。三维管路零部件不仅具有几何模型信息，而且包含管路属性信息，如公称通径、压力级别和流入流出等信息[2]。在3DEXP平台上，三维对象由三维几何体、连接点和对象属性组成，其中：三维几何体描述实物对象的几何外形；连接点定义三维对象与管路连接信息，如连接方式是焊接还是垫片密封、连接方向；对象属性定义三维对象的类型、子类型、标准号、通径、材质和规格型号等。三维部件库和三维部件见图3。

图3 三维部件库和三维部件

1.2.2 工程资源配置工程资源配置（见图4）是指将设计需用到的资源组合到一起，便于设计人员调用。设计资源包括：

图4 工程资源配置

1) 各类模型的组成元素，如逻辑部件库、三维部件库；

2) 设计过程中需使用的各种设计规则，如零部件件号自动命名规格、管子断管规则和最小直管段长度设定等；

3) 二次开发工具、三维模型与原理图一致性检查工具等；

4) 设计过程中需应用的标准，如二维图纸大小、原理图图框和字体标注标准等。

资源集就是将各类资源组织在一起，实现某项功能。例如三维设计资源集，将三维建模需使用的部件和设计规则等组织在一起。资源组合成资源集之后，通过3DEXP 中的DATASETUP功能将资源集与设计工程绑定，使设计员在该工程下设计时能方便地调用指定的资源。在进行L2P关联设计时，需在工程项下配置以下3种资源集：

1) 管系三维建模资源集，管系三维建模需使用的设计资源，如三维部件库、三维管材库、管路三维走向规则和零部件批量布置规则等；

2) 管系原理图资源集，说明管系设计需使用的设计资源，如逻辑部件库和逻辑部件添加规则；3) 原理图资源集，组织原理图的图框资源，如纸张大小和图框版式等。

1.2.3 结构树搭建

结构树是在3DEXP环境中使用树结构的形式将工程数据以结构化形式组织起来的表达方式。3DEXP使用RFLP（Request，Function，Logical，Physical）的树结构实现原理图与三维模型的关联。在L（Logical）节点下构建原理图结构树；在 P（Physical）节点下构建三维模型结构树。一个原理图对应一个逻辑总节点，一个管路系统的三维模型对应一个物理总节点，使用“Implement Relation”进行关联。总节点关联完成之后，原理图设计人员在逻辑总节点下添加逻辑对象，创建管路原理图；生产设计人员在物理总节点下采用L2P的方法放置三维模型，创建该系统的三维模型。图5为RFLP结构树。

2 原理图设计

2.1 逻辑管路走向

管路原理设计主要完成管路系统走向的设计，根据管路系统的功能需求确定该系统需使用的设备（设备类型、设备规格等）、流质在管路中的流向和实现管路功能需使用的阀件等要素。设计人员首先从逻辑设备库中调用逻辑设备进行布置，然后使用逻辑管线对设备进行连接，接着在管路上布置阀件和仪表，最后调整各逻辑部件在图面上的位置，并在图面上添加必要的文字说明，初步完成管路系统走向图见图6。

图6 管系原理图

2.2 逻辑对象信息定义

管路系统走向设计完成之后，需确定各逻辑对象具体的参数信息和逻辑部件与三维部件的关系。

2.2.1 逻辑设备

逻辑设备需定义设备的功率、规格、型号、厂商和连接管路端口的通径信息等，以及流质的流向信息。为使程序能在L2P过程中自动将设备的三维模型布置到正确的空间位置，还必须指定逻辑设备对应的三维设备的模型名称和设备在船上的空间位置。

2.2.2 逻辑管线

逻辑管线需定义管材的标准号、材质、通径和规格，并指定对应三维管材的资源集，以便程序在资源集中通过指定的信息找到三维管材。

2.2.3 逻辑阀件和逻辑管附件

逻辑阀件和逻辑管附件需定义部件的标准号、材质、型号和规格，并指定零部件对应的三维模型的资源集，以便程序在指定的资源集中通过部件类型和通径条件筛选出合适的部件，当满足条件的部件的数量大于1个时，由详细设计人员具体指定使用哪个部件。图7为逻辑阀件的属性。

图7 逻辑阀件的属性

2.3 原理图检查

原理图是逻辑部件相互关联的一个整体，根据逻辑部件之间的关联关系，可进行原理图检查。原理图检查主要检查以下3方面的内容：

1) 原理图的连通性。程序根据逻辑对象之间的连接关系判断整个管路是否完整连通。

2) 流向检查。程序根据逻辑部件上定义的流质的流向判读逻辑部件的方向是否正确。

3) 逻辑部件匹配性检查。程序根据逻辑部件的通径值判断其是否与管路的管材匹配。运行原理图检查工具，根据软件提示进行模型修正。

3 管路三维建模

管路三维建模是用三维模型表达管路系统的过程，设计人员根据系统原理图在三维协同环境中布置设备模型、连接设备间的管线、放置管线上的阀件及其他管路附件，完成管路系统的三维建模。在L2P设计环境中，三维建模在P节点下进行，根据逻辑部件与三维模型之间的关系布置各类三维部件。

3.1 设备布置

系统原理图中已定义逻辑设备的规格参数、设备对应的三维模型和设备布置的空间位置。在L2P环境下，使用“Logical to Physial”命令指定三维设备在Physical结构树中的父节点。程序在三维设备库中调用逻辑设备对应的三维模型，放置在指定空间的几何中心上。设备通过驱动放置完成之后，程序创建逻辑设备与三维设备之间的实现关系，表明该逻辑设备在三维模型中已存在对应的模型。最后，设计人员使用罗盘等工具调整设备的位置和姿态，将其布置到位。图8为L2P布置设备。

图8 L2P布置设备

3.2 管路布置

设备布置完成之后进行管路放样。系统原理图中已定义管材的标准、规格和材质。在L2P环境下，在原理图中点选需布置的管线，程序自动获取管线的通径值，在管路系统的三维建模资源集中搜索符合该通径值的管材。若资源集中只有1种管材匹配，设计人员可直接使用该管材进行管路布置；若资源集中符合条件的管材多于1个，程序提供满足条件的管材列表，设计人员根据其他信息选择正确的管材进行管路布置。

3.3 阀件和管路附件布置

完成管路布置之后进行管路附件布置。系统原理图中已定义每个逻辑管路附件对应的三维模型。在L2P环境下，设计人员通过三维建模APP中的放置部件命令，用鼠标点选确定阀件在管路上的位置，在原理图上点选需布置的阀件，程序根据逻辑阀件与三维模型的对应关系获取相应的三维模型，布置在鼠标点选的位置。程序创建逻辑阀件与三维阀件的实现关系，记录该逻辑阀件已被布置，在后续布置阀件过程中，已布置的阀件将不能被选中。在整个过程中，生产设计建模人员不必在部件库中查找正确的部件，只需明确阀件的布置位置即可。应用L2P生成的管路三维模型见图9。

图9 应用L2P生成的管路三维模型

3.4 二维、三维一致性检查

使用L2P驱动完成管路三维模型之后，原理图与系统三维模型之间有关联关系，原理图中的零部件与三维模型中的零部件之间也存在关联关系。基于逻辑对象与三维对象之间的关联关系，可实现程序自动检查二维、三维一致性。二维、三维一致性检查的主要内容有：

1) 三维模型是否符合管路原理。检查三维模型的流质流向是否与原理图一致、主支管分布是否正确和阀件顺序是否一致等。

2) 设备是否布置在指定的空间内。检查三维设备的空间位置是否在原理图中指定的空间位置。

3) 阀件是否与原理图一致。检查三维模型中的阀件数量是否与原理图一致，检查各阀件是否与原理图中定义的一致。

4) 管路附件是否与原理图要求一致。原理图中没有法兰、弯头、三通和异径等管路附件，但对这些部件的选用有要求。例如，原理图中使用壁厚为5mm的管子，相应的弯头、三通和异径等管路附件的壁厚必须为5mm。程序检查管路附件是否按原理图中的要求选用。

智能化的检查工具可分选项检查，检查结果直接在模型上显示。图9为L2P生成的管路三维模型。

4 结 语

L2P关联设计是设计模式和设计思路上的一种创新。在三维体验平台中，统一管理二维、三维数据模型，根据二者间的关联关系，运用L2P，直接用二维部件驱动生成三维模型，成效非常显著：

1) 二维、三维基于统一数据库，提升设计的规范性；

2) 二维、三维之间存在紧密而有效的关联关系，实现驱动设计和智能检查, 减少人工干预，提高设计效率和设计质量；

3) 详细设计与生产设计信息集成，形成单一数据源，实现数据共享、重复利用和一致性传递；

4) 设计变更在平台内传递，实现设计更改一致性和可追溯性；

5) 原理图和三维模型通过结构树管理，实现结构化产品数据管理。

目前小区域和阶段的应用能证明该技术方案和设计流程的可行性和准确性，接下来将继续探索研究，逐渐改变现有的设计方式，逐步实现高效、高质量的现代智能设计模式。