0 引言
船舶設(shè)計(jì)是船舶產(chǎn)品建造周期中的核心環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)周期占整個(gè)交船期的60%~70%；船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)在整個(gè)船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中有著非常重要的地位，是舾裝各專(zhuān)業(yè)建模工作的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響著后道舾裝建模、船舶建造的準(zhǔn)確性。船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段會(huì)產(chǎn)生大量的交付件（如圖紙、三維模型、指令等），在大多數(shù)造船廠(chǎng)對(duì)這些數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理，僅對(duì)圖紙和文件進(jìn)行簡(jiǎn)單管理，下游生產(chǎn)部門(mén)很難獲取完整且準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，給采購(gòu)配套和生產(chǎn)準(zhǔn)備帶來(lái)了很多困擾。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)各大造船廠(chǎng)一直在尋求統(tǒng)一管理設(shè)計(jì)制造過(guò)程中大量技術(shù)資料的方案，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)制造過(guò)程的跟蹤和信息的反饋，提高船舶設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低設(shè)計(jì)成本。
物料清單（Bill of Material，BOM）是定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的技術(shù)文件，又稱(chēng)為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)表或產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)。BOM包含企業(yè)的核心數(shù)據(jù)，是產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）系統(tǒng)的重要管理對(duì)象。目前各大船廠(chǎng)主要是基于圖紙目錄進(jìn)行數(shù)據(jù)的管理，尚未提出準(zhǔn)確的BOM模型定義及BOM轉(zhuǎn)換機(jī)制，對(duì)三維模型、切割指令等非圖紙數(shù)據(jù)的管理較弱。這里主要針對(duì)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理、各種BOM定義不清晰的問(wèn)題，通過(guò)分析船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的特點(diǎn)定義船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的BOM模型及其轉(zhuǎn)換方法，并結(jié)合Teamcenter軟件平臺(tái)構(gòu)建船舶產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化、過(guò)程化管理，有效保證數(shù)據(jù)的完整性、正確性和一致性，從而提高船舶產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。
1 船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
船舶設(shè)計(jì)建造是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，分為初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)設(shè)計(jì)等多個(gè)階段。對(duì)于船廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)設(shè)計(jì)是其設(shè)計(jì)任務(wù)的主要部分。船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)是在詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，按照現(xiàn)代化科學(xué)管理的要求，根據(jù)工廠(chǎng)的生產(chǎn)條件和技術(shù)水平，以合理的建造方法為指導(dǎo)，根據(jù)工藝階段和施工區(qū)域的生產(chǎn)與管理需要，繪制工作圖、管理表及提供相關(guān)的施工信息，用以指導(dǎo)和組織生產(chǎn)的設(shè)計(jì)過(guò)程，即解決“如何造船”的問(wèn)題。
國(guó)內(nèi)船廠(chǎng)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)有：①設(shè)計(jì)流程長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多，包括結(jié)構(gòu)建模、組立圖設(shè)繪、套料、加工圖設(shè)繪、涂裝設(shè)計(jì)、焊接設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)抽取等多個(gè)環(huán)節(jié)，且各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)之間存在相互依賴(lài)的關(guān)系；②設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)體量大，零件數(shù)以十萬(wàn)計(jì)，圖紙數(shù)以萬(wàn)計(jì)，此外還有大量的模型和指令。
2 船體物料項(xiàng)的定義
一般情況下，BOM由主物料項(xiàng)、次物料項(xiàng)和BOM屬性組成。針對(duì)船體設(shè)計(jì)建造的特點(diǎn)，應(yīng)用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)定義船體BOM相關(guān)的物料項(xiàng)及物料項(xiàng)間的關(guān)系，為后續(xù)船舶BOM結(jié)構(gòu)模型定義提供支撐。
2.1 物料項(xiàng)定義
物料項(xiàng)是企業(yè)一切有形的設(shè)計(jì)、采購(gòu)、制造及銷(xiāo)售對(duì)象的總稱(chēng)，是構(gòu)成BOM結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確定義船體生產(chǎn)各類(lèi)物料項(xiàng)是定義船體BOM結(jié)構(gòu)模型的前提。
從船體物料項(xiàng)的用途分析，可將物料項(xiàng)分為直接用于產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)和服務(wù)產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)兩大類(lèi)。
1)直接用于產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)即傳統(tǒng)意義上的物料（包括原材料、零件、組立、焊縫、焊材及油漆等），是船體工藝BOM和船體采購(gòu)BOM的重要組成部分。每個(gè)物料項(xiàng)都是一個(gè)獨(dú)立的個(gè)體，具有自己的屬性和版本。該類(lèi)物料項(xiàng)一般具有基本屬性、工藝屬性及計(jì)劃屬性等。以船體零件為例，其基本屬性有材質(zhì)、長(zhǎng)度、寬度、厚度、質(zhì)量、重心及型材截面類(lèi)型等；其工藝屬性有切割余量、收縮余量等；其計(jì)劃屬性有計(jì)劃切割時(shí)間、計(jì)劃加工時(shí)間及計(jì)劃裝配時(shí)間等。
2)服務(wù)產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)主要是指船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的產(chǎn)物（如二維圖紙、三維模型、切割指令等），既是當(dāng)前造船廠(chǎng)進(jìn)行船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)分工的基礎(chǔ)，又是當(dāng)前船舶產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)重點(diǎn)管理的對(duì)象。與直接用于產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)類(lèi)似，該類(lèi)物料項(xiàng)也具有自己的屬性和版本，其中屬性包括基本屬性、計(jì)劃屬性等。以二維圖紙為例，其基本屬性有圖號(hào)、工程號(hào)、圖紙類(lèi)型、設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)及設(shè)計(jì)階段等，其計(jì)劃屬性有計(jì)劃開(kāi)始時(shí)間、計(jì)劃完成時(shí)間等。
2.2 物料項(xiàng)間關(guān)系
根據(jù)作用的不同，可將物料項(xiàng)之間的關(guān)系分為“使用”、“被使用”、“引用”及“被引用”4種。
2.2.1 使用
使用關(guān)系用于表示存在裝配關(guān)系的物料項(xiàng)之間，父物料項(xiàng)包含子物料項(xiàng)的關(guān)系。若物料項(xiàng)A是由物料項(xiàng)B及其他物料項(xiàng)裝配而成的，則稱(chēng)物料項(xiàng)A通過(guò)“使用”關(guān)系與物料項(xiàng)B關(guān)聯(lián)，物料項(xiàng)A可通過(guò)“使用”關(guān)系找到物料項(xiàng)B。例如，組立可通過(guò)“使用”關(guān)系找到下層的零件。
2.2.2 被使用
被使用關(guān)系用于表示存在裝配關(guān)系的物料項(xiàng)之間，子物料項(xiàng)屬于父物料項(xiàng)的關(guān)系。如“2.2.1”節(jié)所述，物料項(xiàng)B通過(guò)“被使用”關(guān)系與物料項(xiàng)A關(guān)聯(lián)，物料項(xiàng)B可通過(guò)“被使用”關(guān)系找到物料項(xiàng)A。例如，零件可通過(guò)“被使用”關(guān)系找到上層的組立。
2.2.3 引用
引用關(guān)系是指存在引用關(guān)系的物料項(xiàng)之間，主物料項(xiàng)與從物料項(xiàng)的關(guān)系。若物料項(xiàng)C通過(guò)某種非裝配關(guān)系與物料項(xiàng)D關(guān)聯(lián)，則稱(chēng)物料項(xiàng)C與物料項(xiàng)D之間存在“引用”關(guān)系。例如，為使用戶(hù)更好地理解設(shè)計(jì)，某分段二維圖紙C引用了對(duì)應(yīng)的三維模型D，二維圖紙C可通過(guò)“引用”關(guān)系找到三維模型D。
2.2.4 被引用
被引用關(guān)系是指存在引用關(guān)系的物料項(xiàng)之間，從物料項(xiàng)與主物料項(xiàng)的關(guān)系。如“2.2.3”節(jié)所述，若物料項(xiàng)D通過(guò)某種非裝配關(guān)系與物料項(xiàng)C關(guān)聯(lián)，則稱(chēng)物料項(xiàng)D與物料項(xiàng)C之間存在“被引用”關(guān)系。例如，某分段二維圖紙C引用了對(duì)應(yīng)的三維模型D，三維模型D可通過(guò)“被引用”關(guān)系找到二維圖紙C。
基于上述4種關(guān)系，得到船體物料項(xiàng)之間的關(guān)系示意見(jiàn)圖1。直接用于產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)之間既存在使用關(guān)系（如整船與組立、整船與零件、組立與零件），又存在引用關(guān)系（如零件與原材料）；直接用于產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)與服務(wù)產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)之間一般只存在引用關(guān)系（如組立與二維圖紙、零件與二維圖紙）；服務(wù)產(chǎn)品制造的物料項(xiàng)之間一般只存在引用關(guān)系（如二維圖紙與三維模型、二維圖紙與切割指令）。
圖1 物料項(xiàng)之間的關(guān)系示意
在工程應(yīng)用中，通過(guò)各種物料項(xiàng)及其關(guān)系的不同組合，可構(gòu)建滿(mǎn)足各種業(yè)務(wù)需求的BOM視圖，如設(shè)計(jì)BOM視圖、制造BOM視圖等，這些視圖即為BOM結(jié)構(gòu)。
3 船體BOM設(shè)計(jì)
BOM是一個(gè)廣泛的概念，階段不同、用途不同，BOM的內(nèi)容也不相同。根據(jù)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)和建造的管理需求，分別構(gòu)建船體EBOM（EngineeringBOM）和船體PBOM（Process BOM）
3.1 船體EBOM
船體EBOM即工程BOM，主要承載設(shè)計(jì)信息，來(lái)源于CAD系統(tǒng)，包含設(shè)計(jì)部門(mén)組織和管理的信息。
根據(jù)TRIBON軟件的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)管理需求，得到船體EBOM示意見(jiàn)圖2。該EBOM從設(shè)計(jì)角度描述船體結(jié)構(gòu)，分為船、分段、板架及零件等4層。第1層為整船，一個(gè)系列船對(duì)應(yīng)一個(gè)EBOM結(jié)構(gòu)；第2層為分段，是船體設(shè)計(jì)分工的基本單位（對(duì)稱(chēng)分段按一個(gè)分段處理），一個(gè)分段由一個(gè)設(shè)計(jì)員建模完成，并與技術(shù)文件關(guān)聯(lián)；第3層為板架，與以零件為基本單位建模的三維設(shè)計(jì)軟件不同，TRIBON建模的基本單位是板架，每個(gè)板架包含一個(gè)或多個(gè)零件；第4層為零件，雖然建模時(shí)不能按單個(gè)零件建模，但可通過(guò)“板架分離”將板架拆分成單個(gè)零件，每個(gè)零件都有自身的屬性（材質(zhì)、質(zhì)量、重心及表面積等）和三維數(shù)模。
3.2 船體PBOM
船體PBOM即工藝BOM，用于描述產(chǎn)品工藝實(shí)施規(guī)劃過(guò)程和制造生產(chǎn)過(guò)程，通過(guò)調(diào)整EBOM結(jié)構(gòu)添加工藝件、工藝路線(xiàn)、工時(shí)定額及工裝等信息。
船體建造包含切割、加工、小組立、中組立、大組立、總組及搭載等工藝過(guò)程，其中：切割、加工是鋼板、型材形成零件的過(guò)程；小組立、中組立、大組立、總組及搭載是零件通過(guò)裝配和焊接逐步形成整船的過(guò)程。為符合不同工藝的特點(diǎn)，將船體PBOM再分為切割PBOM和裝焊PBOM。
1)船體切割PBOM示意見(jiàn)圖3，與EBOM相比，第3層是原材料（鋼板、型鋼等），不再是虛擬的設(shè)計(jì)板架。該BOM模型反映切割、加工物料項(xiàng)間的關(guān)系（如原材料與零件之間的關(guān)系，原材料與切割指令、切割版圖之間的關(guān)系等），可滿(mǎn)足船體切割、加工部門(mén)的需要。同時(shí)，模型、切割指令及圖紙之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，三者中任意一個(gè)對(duì)象發(fā)生更改時(shí)，都可通過(guò)引用或被引用關(guān)系找到另外2個(gè)對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行更改，避免模型、切割指令及圖紙三者版本不一致，給生產(chǎn)造成混亂。
圖2 船體EBOM示意
圖3 船體切割PBOM示意
2)船體裝焊PBOM示意見(jiàn)圖4，該P(yáng)BOM反映從零件到小組立、大組立、總段及巨型總段，再到最后形成整船的整個(gè)過(guò)程。組立與組立之間、組立與零件之間及組立與焊縫之間通過(guò)“使用”關(guān)系關(guān)聯(lián)，分段與工藝文件之間通過(guò)“引用”關(guān)系關(guān)聯(lián)。通過(guò)該BOM模型可快速提取任意組立的信息，輸出各種工程生產(chǎn)需要的報(bào)表。
圖4 船體裝焊PBOM示意
3.3 EBOM到PBOM的轉(zhuǎn)換
PBOM是在船體EBOM的基礎(chǔ)上形成的，EBOM通過(guò)去掉外協(xié)件和外購(gòu)件，增加工藝組合件(如組立)或調(diào)整EBOM的結(jié)構(gòu)，最終形成PBOM。BOM結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換的方式可歸納為增加零件、刪除零件、調(diào)整BOM結(jié)構(gòu)及細(xì)化分解BOM結(jié)構(gòu)等。船體EBOM向船體PBOM轉(zhuǎn)換的過(guò)程見(jiàn)圖5，PBOM中的所有零件都是借用EBOM中的零件，EBOM零件的三維模型和屬性信息自動(dòng)傳遞到PBOM的零件中。若EBOM中的零件信息更改，則PBOM的零件信息也會(huì)更改，保證同一系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)更改的一致性。
圖5 EBOM向PBOM轉(zhuǎn)換過(guò)程
4 基于Teamcenter的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
國(guó)內(nèi)某船廠(chǎng)于2011年年底引進(jìn)Teamcenter，實(shí)現(xiàn)了對(duì)船舶設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)流程的管理。分析船體的制造流程和設(shè)計(jì)流程，梳理船體設(shè)計(jì)與制造相關(guān)的物料項(xiàng)及其相互關(guān)系，制定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)部門(mén)和生產(chǎn)部門(mén)需求的BOM，并結(jié)合Teamcenter平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的管理。
船體EBOM通過(guò)數(shù)據(jù)接口將CAD系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)提交至Teamcenter系統(tǒng)。首先從TRIBON軟件中提取相關(guān)信息，生成ugpart格式的BOM結(jié)構(gòu)；然后調(diào)用三維模型專(zhuān)函程序，生成JT文件；最后通過(guò)接口將BOM結(jié)構(gòu)和JT文件寫(xiě)入到Teamcenter中。圖6為船體某分段EBOM結(jié)構(gòu)，左側(cè)為BOM結(jié)構(gòu)，右側(cè)為其對(duì)應(yīng)的三維模型。左側(cè)BOM結(jié)構(gòu)的每一行代表一個(gè)對(duì)象（分段、板架、船體零件），船體零件關(guān)聯(lián)自身屬性（如材質(zhì)、長(zhǎng)度、寬度、厚度）和三維模型。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維模型與BOM結(jié)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)，同時(shí)支持對(duì)三維數(shù)模進(jìn)行剖切、顯隱及標(biāo)注等，支持板架和零件的快速搜索。
圖6 船體某分段EBOM結(jié)構(gòu)截圖
船體某分段的切割PBOM結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖7，第1層為分段，第2層為船體物資（鋼板、型鋼等），第3層為船體零件。船體物資與自身屬性（切割長(zhǎng)度、劃線(xiàn)長(zhǎng)度等）、切割版圖及切割指令關(guān)聯(lián)，可通過(guò)該結(jié)構(gòu)抽取材料匯總表等清單。發(fā)生工程變更時(shí)，通過(guò)影響分析實(shí)現(xiàn)BOM、切割版圖及切割指令的關(guān)聯(lián)更改，保證數(shù)據(jù)的一致性。
船體裝焊PBOM結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8，該P(yáng)BOM是在EBOM基礎(chǔ)上搭建組立樹(shù)、添加組立流向、確認(rèn)組立父子關(guān)系后最終形成的。在系統(tǒng)中，裝焊PBOM中的零件與EBOM中的零件為同一對(duì)象，關(guān)聯(lián)了自身屬性和三維模型，支持從整船、總段、組立及零件等多個(gè)粒度查看模型。通過(guò)裝焊PBOM可抽取生產(chǎn)所需的各類(lèi)托盤(pán)清單（如零件明細(xì)表），或直接將數(shù)據(jù)發(fā)送到后道物資物流系統(tǒng)中。
圖7 船體某分段的切割PBOM結(jié)構(gòu)截圖
圖8 船體裝焊PBOM結(jié)構(gòu)截圖
通過(guò)實(shí)施和應(yīng)用PDM項(xiàng)目，清晰定義了船體各種BOM；將二維圖紙、三維模型及切割指令等設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)納入到系統(tǒng)中進(jìn)行統(tǒng)一管理，信息透明清晰，解決了船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)管理混亂的問(wèn)題，也為管理決策提供了數(shù)據(jù)支撐；通過(guò)關(guān)聯(lián)更改，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。
5 結(jié)語(yǔ)
研究實(shí)踐結(jié)果表明，基于BOM的船體數(shù)據(jù)管理具有可行性，可有效管理船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（模型、圖紙及指令等），保證其有效性和一致性，實(shí)現(xiàn)在該領(lǐng)域中的突破。未來(lái)可向舾裝專(zhuān)業(yè)拓展，向前道初步設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)延伸，實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶全生命周期數(shù)據(jù)的管理。BOM管理不僅能給企業(yè)帶來(lái)可觀(guān)的直接經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是可使產(chǎn)品信息管理更加規(guī)范化、科學(xué)化、自動(dòng)化。未來(lái)BOM將真正成為產(chǎn)品全生命周期的載體，保證不同視圖的BOM數(shù)據(jù)的完整性、正確性和一致性，有助于實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)的集成、聯(lián)動(dòng)和共享。BOM是連接工程數(shù)據(jù)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的橋梁，是企業(yè)制造集成系統(tǒng)信息共享的關(guān)鍵，可有效消除產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）與企業(yè)資源計(jì)劃（EntERPrise Resource Planning，ERP）等系統(tǒng)之間的鴻溝。
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本文標(biāo)題：基于BOM的船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理技術(shù)研究
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