海洋钻机三维设计数据库与模型规划研究

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随着数字化技术在各行业广泛应用[1-2]，海洋钻机的各类数据信息系统也在不断开发[3]，随着工程全生命周期管理理念的不断完善，数字孪生技术重要性日益凸显，并针对数字孪生的建模、信息物理融合、交互与协作及服务应用等方面展开了研究[4]。

而三维设计作为数据产生的源头和重要载体，其数据库和模型规划对数字化成果和应用范围有显著的限制作用，因此海洋钻机如果应用数字孪生技术进行设计、采办、生产、维保全周期的管理，需要对三维设计数据库与模型规划研究。

1 三维设计数据库规划
1.1 三维设计数据：工程数据、模型布置数据、软件定制数据
海洋工程主要使用AVEVA公司的三维设计软件PDMS及海克斯康公司的三维设计软件SP3D进行三维设计，2个软件均采用较为成熟的协同设计平台。

协同设计平台的数据库是所有三维设计开展的基石，混乱和不规范的数据库会直接导致三维设计的各类问题，同时降低工作效率，所以应对三维设计数据库进行规划。

三维设计数据包括工程数据、模型数据、软件定制数据。

工程数据应至少包括材料和设备的设计参数、规格、编码、标准等。

模型数据主要指各类模型库。

软件定制数据主要指图纸版面的参数、工程项目信息等。

工程数据及软件出图数据受设计和管理因素影响较大，不适合进行规划，模型数据库通用性较强，应重点开展模型数据库的规划。

协同设计平台是各个专业进行设计的平台，所以需满足相关专业的设计布置要求。

为协同设计的顺利开展，主要工作：（1）建立公司级的工程对象属性库；（2）建立二三维工程对象属性传递规则；（3）建立管道、设备、暖通等元件数据库；（4）建立桥架元件数据库；（5）定制项目材料表；（6）定制适应各专业的DRAFT出图规则；（7）制定ISO图出图规
则。

[5]
1.2 海洋钻机三维设计主要数据库结构
以PDMS软件管道数据库结构为例，从其组成上来讲，基本可以分为管道元件库／ 等级库，螺栓／ 螺栓等级库，材料库，保温库，特性库，支架库，此外还包括COCO表、管嘴等级等部分内容。

由于其具有严格的层次和树状结构，因此各个部分之间的关系可以用“图1”来概括。

比如，在Design模块进行3D建模时，是对管道等级库进行直接操作，而管道等级库则是参考了元件库、材料库、特性库，而元件库中又是参考了螺栓库。

这些“参考”关系体现了PDMS管道数据库严格、细密的逻辑关系。

[6]
图1 数据层次关系
1.3 设计规格的发展趋势
近几年海洋开发逐渐向深海开发过渡，各类复杂开发方案及新技术的使用促使管道材料规格不断拓展，管道规格数据库应考虑新材料和材料经济性等方面的因素，由原四位编码库拓展为六位编码库，增加压力分档和材料等级的区分。

所以，管道元件库的规划应提前考虑技术和材料的发展趋势，保留必要的冗余。

海洋钻机三维设计数据库与模型规划研究
张发 
杜志胜
中海油能源发展装备技术有限公司设计研发中心 天津 300452
摘要：随着数字化技术和数字孪生技术的不断应用和工程全命周期管理理念的不断完善，海洋钻机的各类数据信息系统也在不断地开发。

为了解除三维设计数据库和模型规对数字化成果和应用范围的限制，本文对海洋钻机三维设计数据库与模型规划开展了深入的研究，并得出相关规划研究成果。

 
关键词：三维设计 数据库 三维模型 模型转换接口
Research for 3D design database and model planning of offshore drilling rig
Zhang Fa ，Du Zhisheng 
CNOOC EnerTech Equipment Technology Research & Design Center ，Tianjin 300452
Abstract：With the continuous application of digital technology and digital twin technology and the continuous improvement of the concept of whole-life cycle management of engineering，various data and information systems of offshore drilling rig are also being continuously developed. In order to relieve the limitation of 3D design database and model rules on digital application results and application scope，the 3d design database and model planning of offshore drilling rig are studied deeply，and the related research results are obtained.
Keywords：3D design；Database；3D model；Model conversion interface
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图2 管道等级代号最新编码组成图
1.4 数据存储方案
如未开发相关管理系统，数据的存储应制定相应的规划方案。

一般采用工作站+服务器的存储模式。

工作站存储工程数据（包括设计文件、计算数据等），服务
器存储模型数据，并进行模型存储、备份等工作。

图3 服务器管理层级
1.5 工程编码与物资编码的关联
随着企业物资数据管理需求的日益增长，中国海洋石油集团公司于2013年开展物资标准化及采购标准化工作，梳理企业涉及的各类物资并进行归类。

基于物资管理的推进，工程阶段的设备及材料编码规则需要与物资采购管理编码的规则产生对应关系。

三维设计的数据库应对工程编码与物资编码的关联提供必要的信息储备及对接数据库。

2 三维设计模型规划2.1 三维设计模型
三维设计是通过三维系统软件（ PDMS、SP3D 等） ，基于数据库平台，通过三维模型开展管道、设备、结构、电仪讯、暖通和安全等专业的布置和设计工作。

三维软件主要功能模块包括项目管理模块、应用模块、元件库和等级库模块、设模块、设计分析模块和出图模块，其中典型的设计专业数据模块有：设备、管道、结构、暖通、电缆桥架、支吊架等[7]。

2.2 三维模型层级规划及命令规则
若使用三维设计软件进行创建模型时，位号设备命名的最高的层次应为EQUIP层，要求非撬内设备及撬块均应统一命名在EQUIP层（风机、风闸除外），撬内设备命名在EQUIP层的下一层。

（避免出现有的设备名称命名到ZONE级，有的设备名称命名到EQUIP 级，建模不规范使后期处理导入时不能实现设备和相应文件间的关联）。

确保3D模型中所涉及的设备位号要与设计文件、位号关联关系表完全一致，以保证能实现彼此间的关联。

三维模型中结构铺板与结构件要放在不同的ZONE 内，以方便后期配色等处理。

按照以下层级结构进行建模（见图4-5），如存在异地协同工作时，不能按照
以下层级结构进行，特殊情况可报业主项目组及总体
管理组，以适合特殊情况的方式建模。

图4 
机械专业层级
图5 配管专业层级
2.3 三维模型数据库引用规则
创建三维模型时应遵从一定的数据库引用规则。

数据库规划时设置了相应的访问权限，所以在实际工程项目中三维模型数据库的引用应制定规则。

项目创建时引用公司级模型数据库，项目运行时引用项目模型数据库，仅能对项目模型数据库进行修改。

2.4 三维模型格式及模型导出导入要求
软件之间的模型导入与导出的模型文件格式应进行规划，推荐的文件格式为TXT、RVM。

例如：由BOCAD模型导出导入PDMS模型
1）导出需在项目根目录新建absi文件夹
图6 导出操作界面
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导入：
图7 导入操作界面
2.5 三维模型建模深度
为保证元件选型和材料代码的一致性，各工程和设备应采用统一的三维图元库进行三维模型设计工作。

三维模型包含整体模型和按照项目要求进行切割的分块模型。

模型分割的原则一般是按照模块钻机的物理空间分层切割，或根据项目的要求进行模型分割。

三维模型的建模及深化要求和完工设计文件保持统一性；模型的外观尽量和设备资料保持相似性、尺寸要求和设备提供尺寸保持一致性。

海洋钻机典型建模深度要求见表1。

2.6 三维模型转换接口规划
（1）建模软件接口：指与其他三维建模软件的转化接口，规划使用软件的清单。

如结构建模软件、支吊架建模软件、设备建模软件等。

（2）浏览模型接口：可以实现三维模型能够通过浏览模型接口转化成利于展示和审查的浏览模型以及适用于渲染及二次建模软件的模型复用。

（3）计算软件接口：指软件能够与结构计算、工艺计算、管道应力计算等软件之间设有转换的接口。

3 结论与建议
海洋钻机三维设计数据库应至少包括工程数据、模型数据、软件定制数据，应重点对模型数据进行规划，同时为了满足复杂的工程需求及发展趋势，应采用冗余的数据系统，为了保证其他数字孪生技术的应用，应将工程数据与物资数据相关联，从而实现全生命周期的管理。

为了保证后期三维模型的使用效果和复用，海洋钻机三维模型应对建模层级、数据库引用规则、模型格式、建模深度、转换接口进行规划。

同时适当拓展相应的模型数据，以期望为模型数据向生产仿真、作业培训、事故模拟、方案决策等方面提供应用基础。

表1 建模深度
内容深度要求
备注
机械全部机械设备维修吊梁，（具体设备）
橇和设备根据机械设备布置图和厂家资料
暖通空调，风机（支架），暖风机，风闸，风管，盐雾过滤器
安全
移动式灭火器，消防员装备箱，消防炮，消防软管站，FM200，硫化氢保护站，雨淋阀，洗眼站，逃生通道
同时，导入系统的无逃生通道电气
变压器，配电盘，灯具（关于嵌入式室内灯具的建模方式有待核实），接线箱，交流变频器，谐波滤波器，电气托架及支架，电池，UPS配电盘
电气设备布置图；电气托架只限于完工图；支架根据加设阶段支架布置图仪表
司钻房内部设备、橇内外仪表阀门，各种火气探测报警设备，仪表电缆桥架及支架，火气盘，接线箱。

橇内现场仪表模型可以根据厂家提供的设备资料酌情建立通讯程控系统接线箱，广播告警系统接线箱，通讯机柜，室外电话，室外扬声器，网络交换机，CCTV控制单元，防爆摄像头，内部对讲系统，接线箱。

根据通讯设备布置图管道1/2"以上管线、管件、阀门及支架，各层甲板地漏及对应管线。

结构全部主要结构部件
根据结构完工图舾装
梯子、栏杆、走道，司钻房/工作间等的门窗、墙面、顶板。

根据舾装布置图
参考文献
[1]严俊.数字化造船企业初探[J]. 舰船科学技术，2006，28（1）：5-9.
[2]李平.国外铁路数字化与智能化发展趋势研究[J]. 智能高铁，2019，2：25-31.
[3]胡泽刚.数字化信息系统在海洋模块钻机开发中的应用[J]. 科技通报，2013，29（4）：189-193.
[4]李凯.基于数字孪生技术的数字化舰船及其应用探索[J]. 科技论坛，2018（6）：101-108.
[5]王焱.基于AVEVA 平台的协同设计模式的应用[J]. 
化工设计，2018，28（4）14-15.
[6]袁翔.PDMS 管道数据库在海洋平台项目中的应用[J]. 数字技术与应用，2013（1）：103-104.
[7]王永平.PDMS 三维设计操作手册[M]. 中国寰球工程公司华北规划设计院，2007：130-138.
作者简介
张发（1985-），男，工程师，主要从事海洋工程设计工作。