0 前言
船舶设计研发是船舶制造企业业务过程的起点，也是企业各业务单元信息流的源头。因此设计研发信息化往往成为船舶制造业开展信息化建设的突破口。而在设计研发信息化中，信息化应用系统建设是最大的难点，也是决定其成败的关键。开展设计信息化应用系统建设应立足于对目前企业设计研发业务存在问题的分析，以解决实际问题为目标，同时考虑目前的信息化系统建设现状，长远规划，分步实施，使信息化建设与常规业务开展协调一致进行。
1 设计部现状及存在问题
1.1 信息化系统建设现状及存在问题
该船厂设计研发业务信息化系统现状如表1所示，从内部来看，其信息化系统建设尚存在欠缺点，从整个企业角度看，设计研发业务已形成信息孤岛，难以和其他业务单元形成有效的信息流通。
表1 信息化系统应用现状
该厂设计部部署了采用B/S架构的设计数据管理软件，该系统实现了PDM中图文档管理的部分功能，但其与Tribon没有进行集成，在存储图纸时，需要出图后导出DXF图纸，较为繁琐。
1.2 设计研发业务现状及存在问题
业务问题会给信息化系统建设带来阻碍，同时信息化系统的欠缺与不足也会成为设计深度、广度、准确度提升所不可逾越的鸿沟。这里主要从三个方面总结该厂设计研发业务中存在的问题。
1.2.1 设计信息编码体系
设计信息编码体系的制定工作量较大，与设计部的人员配置不足形成矛盾，因而设计部并没有开展该项工作，而是顺延到物资部门进行，但该编码仅由分管不同类型物资的主管凭个人经验制定，无固化标准。
1.2.2 历史设计数据梳理
该厂设计部对如下三种不同的历史数据的梳理情况如下：
●三维设计模型：该厂针对生产设计的参数化三维模型数据库建立尚存欠缺，只是进行了一部分的端切、型材以及小型零部件的模型数据库建立，而消防设备、管舾装件以及门窗等设备未能实现参数化驱动。
●图纸：设计数据管理软件可以实现基本的图纸管理功能，但由于没有实现与CAD的集成，无法保证存档图纸的实时更新与完整性，单船主管采用纸质图纸存档的情况依然存在，这些因素都大大降低了存档图纸对后续船舶设计工作的参考价值。
●设计错误：该厂生产设计的错误率较高，以某型散货船为例，即便排除内部协调修改的错误，生产设计错误仍可达760余处；针对错误率汇总分析只是停留在收集、汇总错误阶段，没有形成错误分析文件供后续设计工作参考。
1.2.3 设计流程
该厂的设计流程中存在如下问题：
●设计流程存在冗余环节：各专业间CAD系统的异构导致船体专业与其他专业间设计信息流转实时性差、数据损失严重，使得设计流程中增加了不必要的环节。例如，机装、甲装、电装、舾装专业需要以船体专业建立的模型为背景，但由于上述限制，这些专业需要在于SPD中进行船体及舾装件的快速建模的基础上，才可开展设计工作。
●设计更改流程未能规范化管理：在设计更改方面，由于没有软件支持，在发生设计更改时，由设计部下发纸质修改通知单，具体的部门间协调工作由造船管理部完成，无固化的设计更改流程。
2 设计研发业务改进及对信息化系统的要求
2.1 设计信息编码体系
如图1所示，设计信息编码体系是企业内其他编码体系通过映射机制集成的根源[1]。该厂可借鉴SFI船舶编码标准来制定设计信息编码体系，同时考虑项目类型及信息化系统建设对编码体系的影响，该编码体系应随着船舶项目和信息化系统建设的更迭不断完善、深化。
图1 设计信息编码体系构成及主导作用
构建设计信息编码体系是进行设计研发业务信息化系统建设的必备基础，同时也对信息化系统提出了要求：为了保障设计信息编码体系在全厂信息编码体系中的主导作用，需要将现有的设计信息孤岛与后续业务单元相贯通，即在设计部内部，应通过实施统一的CAD系统来打破船体专业与其他专业的信息交流屏障；在整个企业中，通过部署PDM并实现PDM系统与CAX、ERP之间的集成来使ERP的使用扩展到设计业务中，连接起从设计到物资及后续环节的信息流通渠道。
2.2 历史设计数据梳理
对应前面对该厂在历史设计数据梳理方面的现状及问题分析，应在信息化应用系统的推动下，在三维设计模型、图纸、设计错误三个方面进行改进：
●三维设计模型：应在实施CAD、PDM并实现二者集成的基础上，构建形成设计研发业务的产品资源体系；针对舾装件、小型设备、型材端切等，建立参数化驱动模型，使各专业共享数据模型资源，提高协同设计效率。
●图纸：以CAD的出图模块与PDM的图纸入库功能无缝集成为技术基础[2]，充分利用PDM的电子图档管理功能，实现设计图纸的实时入库、更新、查询、版本管理。
●设计错误：设计错误的统计、整理与分析通常意义上需借助知识管理平台实现，但考虑到知识管理系统在国内船舶行业应用尚无成熟的解决方案，可借助PDM来在局部上实现该功能，其余部分以业务模型构建为主；实际上，PDM的诸多模块与知识管理系统存在功能重叠，知识管理平台也是以PDM的图文档管理、产品结构管理、项目管理等模块为基础来实现其功能的[3]。
2.3 设计流程再造
开展设计业务信息化系统建设需要设计流程再造作为其指导思想和业务基础。结合上面对该厂设计研发业务现状的分析，其进行设计流程再造存在两个关键点：
●标准化：将设计流程划分为几个特定阶段，在船型更迭的过程中，不断应用和优化，借助PDM系统形成标准化的设计流程。
●并行化：实施并行设计尤其要求先进的管理技术与信息技术与之相适应，包CAD/CAE/CAPP一体化、PDM等[4]。
以企业调研为依据，结合以上两个关键点，规划了设计业务流程，作为PDM工作流管理的实施基础。如图2所示，基于该流程在设计信息系统的支持下开展并行设计工作，对于整个设计流程再造而言，CAD的二次开发也是必需工作[5]。
图2 设计流程再造
3 信息化系统建设
3.1 信息化系统总体架构及建设路线
如图3所示，在应用系统总体功能框架中，设计层是总体框架的基础和核心，通过对历史数据的统计、挖掘和分析为业务协同层的协调指挥、决策层的管理决策提供准确的数据支持。
图3 应用系统总体功能框架
在明确设计研发系统在整体系统架构中所处的位置后，需要对其中子系统间的相关性进行分析，以对各应用系统实施顺序、对集成应用前瞻性考虑的需求大小作出判断。如图4所示，在设计研发信息化系统中，PDM是汇聚CAX数据的中心，同时，PDM还起到设计信息流通至其他业务单元的“中转”作用[6]。
图4 以PDM为核心的的设计研发系统相关性分析
因此，该厂在进行设计研发业务的信息化系统建设时，若首先考虑PDM的可扩展化部署可以在很大程度上避免后期建设对前期建设的修改；但实际上，企业的信息化应用系统建设很难做到一步到位，一般需要在两轮甚至更多轮循序渐进的过程中不断的摸索与调整，“推翻重建”也难以避免。因此，建议在前几轮建设中，在利用原有应用系统的基础上，本着“急用先行”的原则，首先完成CAD的统一更换；在后期建设中，结合PDM在我国船舶行业的应用现状，前瞻性的开展PDM实施，保证其开放性与长期使用的稳定性，并预留与CAX中间件/接口的开发能力。这样，接下来应用系统建设便可以在原有架构上扩展，以尽可能减少对原有架构的修改。
3.2 以PDM为核心的集成开发
由前面的分析，为了保证设计研发业务信息化系统的整体性，消除内部信息孤岛，开展以PDM为核心的集成开发是十分必要的，而进行集成开发关键在于合理选择系统集成方式并理清系统间的接口数据内容。
3.2.1 系统集成方式选择
在以PDM为核心的应用系统集成方面，表2列举了三种可选集成方法，考虑到该企业设计研发应用系统的不确定性与多样性，建议采用EAI中间件的方式来进行系统集成[7]。
表2 应用系统集成方法对比
考虑到信息化系统建设的阶段性，也可以暂采用系统接口的方式来进行集成开发，后期再过渡到EAI中间件的方式。
3.2.2 与CAX的集成开发
如图5所示，PDM是CAX的信息汇聚点，将以PDM为中心的系统间接口数据内容分析如下[8]：
图5 以PDM为中心的系统间接口数据内容
1）PDM-CAD：CAD和PDM之间共有3类接口数据：
●模型：进行船舶设计时，设计产生的三维模型在PDM中进行统一管理；
●EBOM、图纸、报表：CAD的数据输出不仅包括了所建立的模型，还包括出图模块产生的图纸和报表模块产生的生产设计报表，这些数据都需要在PDM中进行归档管理，PDM则通过EBOM实现与CAD的信息传递；
●设计任务书：生产设计人员在进行设计时首先从PDM中获取设计任务，设计工作完成后，将工作成果上传至PDM提交审核；
在以上三类相关点中，我国多数船舶制造企业只在图纸、报表、设计任务书几个方面实现了CAD与PDM间的信息集成，对于模型和EBOM的集成尚不成熟，因此建议该厂可暂规避此相关点。
同时，在进行与CAD的集成开发时，要保证实现增量式的数据接收方法，因为边设计、边生产、边修改是造船企业最显著的特点，这就意味着CAD数据的抽取要根据技术资料的准备情况不断的对新资料进行增量接收，因此应制定接口规范和描述约定以保证重复接收CAD数据的一致性和可重用性。
2）PDM-CAPP：CAPP和PDM之间共有3类接口数据：
●设计信息：CAPP需要从PDM中获取浏览级的设计信息来进行工艺设计，进而为后续过程提供工艺过程信息；
●设计修改要求：在PDM中的设计更改流程触发时，PDM将设计修改要求传递给CAPP，工艺设计人员在CAPP中完成对应的工艺设计修改；
●MBOM：工艺设计人员在CAPP中完成工艺设计任务后，生成MBOM，为了支持与PDM的信息集成，CAPP产生的工艺过程信息需要分解成基本信息单元存放于PDM的工艺信息库中；
3）PDM-CAE：CAE分析人员根据CAD设计人员的分析申请，从CAE系统上调用PDM服务，从中获取相关 CAD 模型和设计约束条件等信息，分析完成后，将分析结果导入PDM并通知设计人员。
3.2.3 与ERP的集成开发
为了消除设计业务的信息孤岛，势必要进行PDM与ERP的集成开发[9]。如图6所示，PDM向ERP提供的数据有：工艺过程信息（存储在PDM的工艺信息库中）、设计物料清单、图纸、报表。ERP利用PDM提供的这些基础数据，制订主生产计划、物料需求计划、采购计划以及车间作业计划等。PDM除了要向ERP提供信息外，还要从ERP系统中获取设备资源信息和原材料信息，以满足CAPP系统的运行。
图6 PDM与ERP间接口数据内容
3.3 主要应用系统实施风险分析
分别从业务上线、软件更换、系统集成、二次开发四个指标来分析主要应用系统的实施风险，如表3、表4所示。四个评价指标含义如下：
●业务上线：对于原先没有系统支持的设计业务，在系统实施的最初阶段，难以构建具体的业务框架，且正常的设计业务不能停止，因此新旧体系间的冲突难以避免。
●软件更换：分为业务调整、数据转移两个子指标。
●系统集成：为了保证应用系统功能的有效使用，需要进行与其他应用系统的集成来实现数据的高效互通。
●二次开发：若应用系统局部不能适应企业业务需求，需进行二次开发。
表3 CAD实施风险分析
表4 PDM实施风险分析
3.4 对现有CAD的处理方式
目前在不同专业间应用异构CAD的方式已经严重制约了该厂设计工作的顺利开展，因此必须对现有CAD系统进行统一。CAD的更换应考虑历史设计数据的复用问题，在分析历史设计数据复用价值的基础上，考虑业务的平稳过渡，给出建议的处理方式，如表5所示。
表5 历史数据的复用价值及建议处理方式
图纸数据是企业设计知识积累的基础形式，具备长期利用价值，在更换CAD系统时，保留起来较为容易，在信息化系统建设的前期阶段，可暂时考虑利用现有的图纸管理系统或FTP服务器来进行保留，在部署了PDM系统之后，可以将图纸入库到PDM进行统一梳理。
对于基础数据库，由于现有CAD数据库的封闭性，难以实现到基础数据库到其他CAD系统的转移，即便转移可实现，也必然伴随数据的失真，人工修复的工作量未必比重建的工作量小。因此，必须开展基础数据库的重建。
而工程数据库仅对于系列船存在复用价值，同时考虑企业在更换CAD系统需要经历设计模式的调整期，且须保障此阶段设计、生产工作的正常进行，因此对工程数据库建议采用逐步过渡的方式来进行保留：
●第一阶段：新旧CAD同时开展工作，新CAD组的工作重点应放在设计模式与设计软件的磨合上，旧CAD组重点保障设计工作的正常进展。
●第二阶段：通过虚拟机运行旧CAD的方式来实现工程数据的浏览级保留。
●第三阶段：旧CAD废止，全面采用新CAD系统开展设计工作。
结论
针对某船舶制造企业的设计研发业务现状，找出由于信息化系统建设的不足对设计研发业务产生的制约，结合设计研发业务的改进对信息化系统建设做了较为深入的探讨，为该船企设计研发信息化建设乃至全厂信息化建设作了基础性铺垫。将这些经验与观点在此分享，希望能为国内船企的信息化建设提供借鉴与参考。
[参考文献]
[1]张浩,葛世伦,潘燕华,王平，船舶制造信息资源标准管理模型及其应用研究，船舶工程，2011。
[2]马李晔,杨鹏举,刘天，CAD产品数据管理浅谈，中国电子商情，2008。
[3]Sebastian C. Brandta, Jan Morbachb, Michalis Miatidis，An ontology-based approach to knowledge management in design processes，Computers & Chemical Engineering，2008。
[4]张利,张建军,朱华炳，CIMS环境下PDM与CAD/CAPP并行工程研究，合肥工业大学学报，2000。
[5]W.D. Li, W.F. Lu, J.Y.H. Fuh，Collaborative computer-aided design—research and development status，Computer-Aided Design，2005。
[6]Benoît Eynard, Thomas Gallet, Lionel Roucoules，PDM system implementation based on UML，Mathematics and Computers in Simulation，2006。
[7]Jinyoul Lee, Keng Siau, Soongoo Hong，Enterprise integration with ERP and EAI，Communications of the ACM，2003。
[8]GUO P, JIN J, LIANG G，Study on Information-Sharing-Oriented Integration of PDM, CAX and MRP-Ⅱ，Mechanical Science and Technology，2004。
[9]Jx Gao, Hayder Aziz, Pg Maropoulos，Application of product data management technologies for enterprise integration，International Journal of Computer Integrated Manufacturing，2003。
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