基于Windchill的协同设计系统研究

1 引言
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，但其间的设计管理信息交流不畅、研制进度难以控制。

因此，加快协同平台建设，提高信息流通度，增强设计、生产部门的协同工作，构建一个支持海洋平台工作船产品设计全生命周期的协同工作平台迫在眉睫。

2 海洋平台工作船协同设计的需求分析
通过对海洋平台工作船设计部门的需求访谈，基于企业数字化建设要求，通过实施Windchill协同设计管理平台，满足在产品研制过程中的以下业务需求：
1)用计算机信息化的手段进行设计的管理和控制
海洋平台工作船设计是一个多专业、多系统、大规模的协同工作过程，其周期长、过程复杂。

虽然现在的三维设计体系是根据产品数据流的形成过程而建立的规范化设计流程，但是设计的管理信息流没有充分利用计算机信息化的手段，还是以人工管理为主。

船舶设计过程是一个系统化的创造性的群体思维过程，在设计体系中设计智能的合理分布、设计资源的优化配置和调度、设计过程的动态控制，组织和管理过程复杂。

在实际过程中，管理信息流通不畅，往往造成管理信息和产品信息在时间和空间上的差异，降低了管理信息的效力。

船舶设计过程中由于数据量太大，人工管理工作量较大，容易造成管理不能到位。

特别是在前期技术状态或建造方案更改时，由于管理信息的滞后，可能会造成大量的返工，必须用计算机信息化的手段加强船舶设计的信息管理和过程控制。

2)建立信息共享的协同设计工作环境
船舶三维设计是在产品结构树的控制下，专业设计按系统，生产设计按区域并行设计的数字化生产过程。

各产品设计人员在同一时间、同一设计空间中，在计算机网络的不同界面上设计同一产品。

设计人员必须利用分布式的计算机协同工作机制和数据的并发处理和控制功能，快速、及时地获得同步的产品数据和管理信息，利用管理平台及时发现产品的设计、建造、维护过程中可能出现的冲突：管理人员能够及时获得产品设计过程的各种信息，通过可视化的有效工具，协调设计过程中的各种关系，解决设计过程中出现的问题，对设计过程实施并行、动态、实时控制。

因此，必须建立基于计算机网络的信息共享协同工作环境。

3)对产品数据和相关文档进行有效组织与管理
船舶设计过程中将产生大量的技术文件和数据，设计人员相互之间进行协同工作的必要条件是保证协作数据的有效性、一致性，并行协同工作环境需要对产品数据和相关文档进行有效组织和存取、版本控制、技术状态管理以及维护产品数据之间的关联关系。

设计人员能够根据管理指令快速、及时地获得正确的产品信息，作为完成其工作任务的依据，并把设计输出提交给系统，为后续流程的参与人员及时提供共享信息。

协同过程在以下的四个主要业务过程中体现，见下图：
图1 协同设计主要业务
四个主要业务过程的关系如下图所示，在四个业务过程执行中，系统对协作者提供沟通支持：
图2 协同设计业务间逻辑
A.项目协调与定义
实现船舶设计集成计划定义，是项目执行信息共享的基础。

协作企业首先要进行相关的协作内容、问题处理机制、项目计划大节点等等约定，在此基础上定义企业内部的项目计划，并按照业务规则共享计划信息，从而完成集成计划的定义。

B.协同设计工作流程
计划约束下的船舶设计工作在各专业、各部门内部进行，依照业务规则，设计师在计划时间内将设计数据发布给下游合作伙伴，提高数据共享效率。

通过预发布机制，提高上下游设计工作的并行能力。

C.项目执行信息共享
设计师在开展船舶设计的同时，将任务执行状况反馈在专业项目计划中，通过协同系统，按照业务规则将相关的执行状况反应到项目集成计划。

通过项目集成计划，各部门、各专业、各阶段的设计师可以获得设计工作的相关状态信息，并据此调整自身计划安排。

D.协同变更管理
发生设计变更，通过协作设计中间件向协作方进行问题反馈，协作方确认问题并完成设计更改后，将处理结果进行反馈。

3 基于Windchill的协同设计方案
通过对业务现状和需求的分析，本文提出了基于Windchill的协同设计方案，并描述了该系统的总体框架、管理模型和信息模型。

该方案基于 Windchill Foundation和ProjectLink系统进行构建，通过客户化定制和二次开发来满足协同设计、协同管理的业务需求。

3.1 Windchill简介
Windchill是美国PTC(Parametric Technology corporation)公司推出的基于网络的PLM解决方案，在国内外的汽车、电子和高科技、机械制造、航空航天和国防等行业拥有广泛的用户群。

Windchill提供了强大的产品数据管理、工作流管理、生命周期管理、配置管理、产品可视化协同和企业信息集成工具，使企业能快速地访问到庞大的产品资料库，实现产品和过程信息的共享和可视化。

Windchill采用完全基于Web的可靠而性能优越的体系结构，能够在离散的业务环境中确保产品的安全性和互访性，使产品生命周期中的不同用户可以基于Web浏览器来访问、查看和标记各种产品模型，获取准确和及时的产品信息。

此外，Windchill提供了良好的集成框架，有利于各信息系统的数据共享和业务集成。

Windchill通过提供单一、完整的数字化产品定义手段，支持产品生命周期范围内的产品数据管理、配置管理，以及产品开发过程和变更过程的集中控制和管理。

其核心功能包括全面的产品内容管理、灵活的工作流定制、强大的配置管理、基于CMII的变更管理、可视化协作、与其它系统的集成等。

3.2 系统架构
Windchill协同设计平台为产品设计的整个生命周期提供了协同工作环境，满足在生产设计管理过程中的协同业务需求，为产品的设计-控制-管理提供了统一的平台。

该平台主要由五个子系统构成，包括：项目管理子系统、文件管理子系统、设计过程控制子系统、产品数据管理子系统、设计变更和版本控制管理子系统，以下是系统架构图：
图3 Windchill协同设计平台系统架构
系统描述：
项目管理子系统
项目管理子系统将主要实现生产设计部门的生产设计项目的策划、分发和监控管理，建立虚拟项目协同工作空间。

文件管理子系统
在生产设计的整个过程中，除了与三维模型直接相关的大量生产设计文件外，还有许多文件是作为设计依据和设计输入的，或是为启动生产设计而生成的一些前期策划文件，文件管理子系统主要完成对这些非生产设计文件的管理和控制。

设计过程控制子系统
设计过程控制子系统主要实现基于Optegra Vault的CADDS5多专业设计协作和设计结果数据管理，提供对设计结果进行实时可视化转换的功能，并通过多种工程可视化工具的应用，实现管理层和控制层对生产设计过程的并行实时监控。

产品数据管理子系统
产品数据管理子系统主要是实现以产品结构为核心，组织和管理船舶部件和相关的生产图表及其他相关生产设计技术文档，维护生产设计技术文档和产品结构之间的关系，形成准确、一致和完整的产品数据。

设计变更和版本控制管理子系统
武船生产设计变更管理子系统将采用CMII模型的基本原理，结合武船生产设计的实际运营特征，提供工程变更发生时从问题报告、变更请求、变更通知，再到最后变更任务的一整套方案，实现对变更全过程的信息记录和规范化管理。

并且实现变更前后新旧版本数据的关联和管理。

3.3 管理模型
Windchill生产设计管理平台是建立在企业Oracle数据库基础上，使用Windc hill的解决方案，用于支撑管理层、控制层、执行层三个层次的生产设计活动，数据层则为上述三个层次提供数据存储、访问控制的支持。

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图4 系统管理模型
管理层
主要成员：生产设计管理部门的高层管理人员和专业主管等
主要职责：战略性生产设计管理和资源配置管理
主要工作：生产设计项目的高层计划管理和进度监控
控制层
主要成员：生产设计管理部门的中层管理人员和业务主管等
主要职责：负责生产设计的过程控制、效率、成本及数据质量
主要工作：1.可执衍的项目任务分解、交付定义和管理，2.数据校审管理，3.生产设计并行监控，4.更改管理
执行层
主要成员：专业设计工程师
主要职责：执行项目任务和提交项目交付
主要工作：1.文件管理，2.产品结构创建，3.模型构建，4.图纸设绘，5.项目任务交付，6.协同设计，7.进度报告，8.更改实施，9.生产施工服务
数据层
主要以企业级Oracle数据库为基础，保存和管理Windchill生产设计管理平台的数据，
主要有：
产品数据库：主要存储有组织的生产设计模型、生产设计图表、生产设计文档等
控制信息库：主要存储业务规范、业务流程、校审记录等
管理信息库：主要存储生产设计资源、项目任务分解结构等
资源数据库：主要存储人员、软件、硬件以及可重复使用的标准件、通用件、专用件等
3.4 信息模型
三个层次的生产设计管理是由Windchill生产设计管理平台支撑的，该平台由6个子系统组成。

其中项目管理子系统和设计过程控制子系统主要是跨所有三个层次的，文件管理子系统、产品数据管理子系统和设计更改和版本控制子系统则主要支持控制层和执行层的生产设计工作，生产设计接口子系统主要由执行层使用。

这些子系统都是建构在企业级Oracle数据库平台上。

图5 系统信息模型
3.5 关键技术
(1)项目信息动态发布，实现项目进度共享
不同的专业和部门有不同的项目信息看板，用以记录日程计划和月度计划，但船舶设计是个大协作的过程，需要通过后台机制能够将各项目计划信息同步反映到相关专业计划看板上，方便各专业能够及时了解设计进度。

共享的项目/任务项信息包括：任务名称、执行人、计划开始时间、计划结束时间、当前的设计进度、任务说明、校审团队等。

项目信息的发布采用“设定条件按规则触发”和“指定触发”两种机制，将项目信息对象封装成XML对象，通过S OA P协议发布；系统通过XML解析并形成项目计划节点。

从而实现不同部门项目信息的动态发布。

(2)设计数据共享协同：包括二维图表和三维模型等
产品设计过程会产生大量的二维图表和三维模型，这些数据从创建开始一直到整个生命周期，都需要实现数据共享，能够在不同专业不同设计平台上供设计者审阅、参考，以期达到数据投资回报的最大化。

为实现设计智力成果的共享协同，需要制定统一的数据格式，规范设计流程。

但实际的产品设计会涉及到不同的平台，如Tribon、CADDS5、 AutoCAD、Microsoft Offic e等，这些数据格式不统一，应用平台也不一致，要实现数据的通用性，需要将这些数据进行统一格式转换。

通过调研比较，采用PTC ProductView做为数据浏览的工具，使用对应的模型转换适配器完成数据的转换。

约定三维模型统一转换为ProductView格式，二维图表统一转换为PDF格式，这样可以保证数据的通用性。

但是，数据经过转换势必影响共享的实效性，这种影响在高度协同的设计工作而言是个不小的灾难。

通过配置服务集群，提高数据的批量转换能力，基本解决了这个问题。

(3)信息交流协同：包含及时通讯、点对点文件传输、设计结果可视化评审等
信息交流存在于所有产品设计、管理的所有参与者，交流的介质包含文字、音频、文件甚至桌面等，便捷的信息沟通手段可以进行快速的交流和反馈，可以在网络环境下召开视频会议，评审设计方案，流转校审圈阅，使每个人都可以发表对设计的看法和意见。

能够在安全的前提下提供工程设计成员信息交流、互帮互助等功能，以及面向对象的工程设计可视化效果，将个人的静态单机设计扩展到项目的动态网络设计，减少差错、增强时效、提高设计效率。

4 结束语
协同设计是一个系统工程，不仅仅是一个软件。

任何企业的协同平台的实施都不是一蹴而就的事情，要经历很长的过程。

如何准确地认识、适应、加速这种从单一设计到协同设计的思想转变过程是系统实施成功的关键点。

协同设计系统最重要的难点是数据格式的标准化、流程的灵活度和集成接口的开放化。

本文通过对海洋平台工作船协同设计的需求调研，分析了业务协同在不同设计阶段、不同专业间协同过程中存在的问题，设计了基于Windchill的设计管理协同平台，初步实现了业务流程的协同和数据集成，达到推动协同设计进入实用化的目的。