韓冬梅，李 勇，張志勇

(中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

在艦船生命周期中，設計、制造、分析、測試、維護等過程采用不同的軟件系統(tǒng)，隨之產生了在各系統(tǒng)間數據傳遞和管理的問題。為了解決艦船生命周期不同階段所使用軟件間數據的互通性，美國已經為不同型號的艦船研制了集成的產品數據環(huán)境(IPDE)，IPDE中各個軟件間實現數據互通必不可少的要素則是艦船通用信息模型 (Ship Common Information Model，SCIM)。美國從2000年就在國家造船計劃的指導下，通過集成艦船建造環(huán)境的建立開發(fā)SCIM。SCIM定義了各個系統(tǒng)數據轉換到集成產品數據環(huán)境所必須的最少量實體和屬性［1］，是各系統(tǒng)間數據轉換的依據，從而為數據的互通提供一種最佳解決方案。

1 SCIM概念

艦船通用信息模型SCIM是一個關于艦船產品的模型，該模型涵蓋了艦船從設計、分析、制造、測試、服役、管理、維護、報廢等全生命周期的所有數據和信息［1］。同時它又是一個基于 STEP ISO10303標準的通用模型，明確了產品數據交換的基本規(guī)則，可被各個專業(yè)領域共用，只要不同專業(yè)軟件系統(tǒng)遵循SCIM規(guī)定的數據格式，產生一種雙方都可識別的中間文件，便可以有效的實現集成數據環(huán)境中信息傳遞和重用，使得在艦船設計建造集成的環(huán)境中，不同軟件系統(tǒng)間無縫銜接，實現數據以統(tǒng)一的、或中間格式進行交互。

1)集成的產品數據環(huán)境——IPDE

IPDE最初是美國為“弗吉尼亞”級潛艇研制過程中采用的集成產品與過程開發(fā) (Integrated Product and Process Development，IPPD)方法提供支持。后來，IPDE在美國海軍新一代“圣安東尼奧”級兩棲船塢運輸艦開發(fā)中得到了進一步的應用。

IPDE將業(yè)務過程、計算機系統(tǒng)和相關服務集成到一起，構建了覆蓋艦船設計、制造、試驗、保障和管理等全壽命周期的基礎公共數據環(huán)境，集中管理產品全壽命周期各階段產生的各種數據，支持產品全生命周期各階段不同應用系統(tǒng)之間產品數據的傳遞和共享，使研制人員能夠協同地為共同的業(yè)務目標工作，提高了艦船設計、建造和維護的效率，降低艦船生命周期總成本。IPDE提供了一個實時環(huán)境下的通用數據結構，其體系結構可以同時滿足政府和承包商的數據要求，其特征是可以以電子格式同時開發(fā)、收集和重復使用數據，并保證數據的完整性、有效性［2－3］。

圖1 IPDE的功能模型Fig.1 Function model of IPDE

2)SCIM與IPDE的關系

艦船產品模型跨越了艦船生命周期的每個階段，存在于很多系統(tǒng)、應用和數據倉庫中，這些不同系統(tǒng)在對產品進行全方面管理的同時，也要依靠IPDE環(huán)境中通用信息，更重要的是產品模型可以重復利用。IPDE能夠維護產品模型各部分之間及產品模型與數據對象間的聯系，這也是IPDE規(guī)范中互通性需求以及主要軟件程序間數據交換的基本要求。而互通性需求主要體現在數據交換方面，基礎是艦船通用信息模型的定義。SCIM中確定了由IPDE維護的最少量信息，要求船廠IPDE間通過統(tǒng)一的數據交換格式實現數據的有效互通。從圖2中可以看出，SCIM是IPDE中數據有效轉換的基礎［4］，為IPDE提供底層支撐。SCIM是從IPDE規(guī)范中分離出來的，且可以獨立于IPDE規(guī)范而升級或修訂。

圖2 艦船全生命周期數據集合Fig.2 Data acquisition throughout the ship lifecycle

2 SCIM內涵

2.1 SCIM產生背景

SCIM的開發(fā)、原型及測試都源于美國國家造船計劃NSRP于2001年啟動的集成造船環(huán)境項目(Integrated Shipbuilding Environment，ISE)［4］。該項目解決了包含標準、軟件工具和組織在內的協同問題，如XML，STEP標準，推動了造船產品數據標準的開發(fā)以及艦船建造信息模型的建立，并在美國造船相關的組織和機構中進行了該模型用法的展示、培訓。

目前，NSRP所支持的ISE項目仍在繼續(xù)，以期創(chuàng)建一個便于艦船整個生命周期中數據交換和協同的環(huán)境，數據在各軟件系統(tǒng)中實現自然過渡促使項目的研究重點落實為創(chuàng)建一個標準的集成后勤環(huán)境(Integrated Logistic Environment，ILE)。因此，在ILE創(chuàng)建過程中深入研究和開發(fā)了SCIM。

2.2 SCIM內容

SCIM是一個描述數據如何表達和使用的抽象模型，它提供了一個數據模型和具有關聯關系的框架。所謂框架是一種表達某領域中一組概念間關系的數據模型，如SCIM所使用的XML模式表達了結構和內容的定義方式。SCIM如同一本數字詞典，其中的中間產品數據模型相當于詞典中的詞匯，用來支持艦船建造生命周期所有階段的數據。

SCIM文件總計15章，SCIM所涵蓋的功能領域主要包括產品數據管理和變更管理基本原則、全艦結構構模、結構布局、結構詳細設計、管系功能設計、管系結構設計、通風采暖空調 (HVAC)功能設計、HVAC結構設計、電氣功能設計、電氣結構設計、通用部件獲取和產品生命周期支持等［5］。SCIM詳細描述了上述每個功能領域文件的數據交換內容，明確船廠與海軍間互換的產品模型數據，定義了需要交換的數據類型及數據屬性。SCIM文件目錄中內容包括概述、數據定義條款、用法指南和執(zhí)行協議，每個實體的內容包括實體名稱、定義、目的、動機、結構、信息需求、特性、執(zhí)行結果、XML等。

圖3 SCIM文件定義的內容Fig.3 Content definition of SCIM document

2.3 SCIM的建立

SCIM是基于STEP應用協議標準和NSPR.ISE(Integrated Shipbuilding Environment)項目開發(fā)計劃之上建立的。STEP標準要求各個應用系統(tǒng)在交換、傳輸、存儲數據的時候必須滿足應用協議的要求。如果2個系統(tǒng)遵從同一個應用協議，它們之間就可以進行數據交換。

SCIM模型的開發(fā)依賴于STEP標準的應用協議，同時還結合艦船產品的特點和使用需求建立的一套更加完整的數據轉換模型，以滿足艦船全生命周期各階段數據的互通。因此在SCIM中，其模型的屬性和特性仍然隸屬于STEP應用協議標準的相關屬性和特征，并以此實現數據交換的要求。

SCIM對應艦船產品全生命周期，其采用STEP中的應用協議也對應著生命周期的不同階段，圖4中對照IPDE不同階段，說明了SCIM中使用的STEP 應用協議［6］。

圖4 SCIM對應的STEP應用協議Fig.4 The STEP application protocol used in SCIM

從圖中可以看出，STEP標準的艦船應用協議主要有AP203(控制設計配置)、AP215(船舶布局)、AP216(船舶模型形式)、AP218(船舶結構)、AP224(為工藝規(guī)劃進行的機械產品定義)、AP227(車間空間布局)、AP233(系統(tǒng)工程數據表示)、AP238(CNC加工集成)、AP239(產品生命周期維護)、AP240(工藝規(guī)劃)，共10個。

2.4 SCIM數據轉換過程

由于IPDE中的產品數據模型要求能夠在艦船整個生命周期內傳遞和轉換，因此在設計和建造階段需要一套PDM軟件以本地格式存儲和維護產品模型數據，但是在生命周期任何階段，產品模型數據都要轉換成外部系統(tǒng)可識別和獲取的格式。這些轉換工作就要遵循SCIM定義的共用數據集，確定艦船IPDE必須獲取的一些信息及如何通過中間文件來有效地進行產品模型數據交換［7］。

SCIM數據模型轉換時利用STEP Part28、XML等數據文件格式，SCIM相應的文件采用XML格式把來自STEP標準且與艦船領域相關要素組成一個連貫的產品模型元素 (elements)，再將發(fā)出信息的IPDE所產生的相應XML文件通過一個“中間格式”把它“翻譯”成接收IPDE能夠閱讀的XML文件格式，如圖5所示。

圖5 SCIM規(guī)則下的數據訪問和交換Fig.5 Data access and exchange under the rule of SCIM

“中間格式”可以為單獨的數據交換而開發(fā)，也可以通過“中間格式生成器”來開發(fā)。如圖6所示，1個“中間格式生成器”就是1個軟件，它能夠讀出任何2個系統(tǒng)的內容要素和XML映射文件，在這些映射之間生成“中間格式”。從另外一個角度來說，“中間格式”也是1個XSL(可擴展樣式表語言)格式表單，能夠從發(fā)送系統(tǒng)讀出相應XML文件，并生成能被接收系統(tǒng)導入的XML文件。通過“中間格式”的轉換，便可以實現數據模型的交換。

圖6 中間格式生成器軟件Fig.6 Mediator generation software

3 SCIM在美國的研究進展與經驗

3.1 SCIM在美國的研究進展

SCIM在美國集成后勤支持環(huán)境 (ILE)項目中予以研究和發(fā)展。目前，ILE正在評估已建立的SCIM模型，驗證其正確性、有效性，同時還要完成SCIM文件的幾個附加條款。下面將結合ILE工程不同階段的任務來闡述SCIM在美國的研究現狀以及在應用過程中存在的問題。

ILE工程結合“弗吉尼亞”級核潛艇和DDG 1000驅逐艦來評估SCIM，完成SCIM的開發(fā)，并驗證和展示SCIM有能力支撐下一代IPDE的協同工作。ILE項目的任務有2個，第1個任務是支持新一代艦船IPDE的軟件工具和方法，其中包含2個子任務:一是“弗吉尼亞”級核潛艇IPDE數據轉移;二是船廠間結構設計數據與制造系統(tǒng)的數據交換;第2個任務將完成艦船通用信息模型的開發(fā)［5］。

1)ILE工程第一階段的第1個子任務 (1.1)是“弗吉尼亞”級核潛艇IPDE數據的轉移 (由電船公司完成)。

“弗吉尼亞”級核潛艇已經在以CATIA和CDM軟件為主的IPDE環(huán)境中完成了設計工作，由于該艇的設計和建造工作將持續(xù)多年，所以其產品模型必須成功地轉移到以NX和TeamCenter為主的新IPDE中，數據轉移過程如圖7所示。此時的數據轉移使用了海軍產品數據項目 (NPDI)的艦船通用信息模型作為此試點項目的基礎，通過數據轉移這一子任務表明NPDI SCIM是保障船廠和海軍信息互通的一種有效方法，證實了SCIM文件中各章節(jié)內容符合海軍和船廠明確的數據交換方案需求。

圖7 IPDE中管系數據轉移Fig.7 Pipe data transition in IPDE

為此，電船公司開發(fā)了適合于數據轉移的信息模型，且將此信息模型與SCIM的管系和結構模型作了對比，并對數據轉移模型進行了改進和完善。此外，還開發(fā)了中間轉換器將管系和結構數據從已轉移的數據模型映射到SCIM數據格式中，并對SCIM數據格式支持“弗吉尼亞”數據轉移的效果進行評估。

2)ILE工程第一階段的第2個子任務 (1.2)是結合DDG1000驅逐艦和“福特”級航母完成船廠間結構設計數據與制造系統(tǒng)的互操作。

此階段任務由英格爾斯船廠、紐波特紐斯船廠、諾·格技術服務公司、產品數據服務公司共同完成。該任務以結構設計數據與制造系統(tǒng)的互操作為主要內容，在DDG 1000驅逐艦和“福特”級航母的設計和制造上應用SCIM來交換結構產品模型。目的是展示SCIM作為維護船廠和海軍互通性手段的應用，在多家船廠開發(fā)環(huán)境中發(fā)布共享數據存在的困難，同時證明和展示SCIM在當前項目中的能力，為SCIM的改進提出建議。此外，在結構設計數據與制造系統(tǒng)數據交換時，還進行了以下工作，如確定業(yè)務環(huán)境和內容、明確業(yè)務功能要求和結構模型要求、SCIM的應用、從設計環(huán)境中導出數據、驗證SCIM。

3)第二階段的任務是完成艦船通用信息模型的開發(fā)

在第一階段中完成了SCIM的評估工作，展示了SCIM具備支持新一代IPDE的能力，第二階段目標是完成SCIM余下七章內容的開發(fā)，即HVAC、電氣功能和結構設計、管子應力和工程分析、結構CAM(放樣和套料)以及最終報告。此外，汲取第一階段過程中的經驗教訓，修訂和更新SCIM，如已經完成的部分將按照要求更新，新章節(jié)中生成的類型將做些修改，保證與第一階段一致。ILE項目組對第二階段任務也進行了劃分:

第1個子任務 (2.1)是修訂SCIM格式。使其更加清晰和容易理解，特別是對船廠內非IT領域的一般工作人員。

第2個子任務 (2.2)是升級現有的SCIM章節(jié)。具體包括產品數據管理、結構模塊化形式、艦船布局、管系結構設計、管系功能設計、通用零件的采購、結構詳細設計、產品生命周期維護等。

第3個子任務 (2.3)是開發(fā)SCIM的其他章節(jié)。包括HVAC結構設計、HVAC功能設計、管子應力分析、電氣結構、電氣功能、工程分析、結構CAM(作為結構詳細設計章節(jié)的附加特征)等。

第4個子任務 (2.4)是文件最終定稿與交付。檢查SCIM文件的所有章節(jié)，確保其清晰、前后一致并容易理解。編寫說明材料，便于美國船廠應用SCIM。最后，交付海軍完整的 SCIM文件，發(fā)布ILE項目的最終報告。

綜上所述，SCIM文件還在編寫中，現已經完成前8章，剩下的7章作為當前ILE項目的一部分仍在繼續(xù)開發(fā)與研究。且美國海軍在ILE工程中，通過“弗吉尼亞”級核潛艇IPDE的數據轉移和結構設計數據與制造系統(tǒng)間的數據互通2個子任務完成了對SCIM的評估，確定了SCIM在新一代IPDE中實現數據互通的支撐作用，下一步的工作主要為證明全部擴展的SCIM框架的有效性;對照STEP框架，證明SCIM框架識別任何缺失屬性和關系的有效性;利用SCIM用戶指南的工程測試案例。

3.2 SCIM的研究經驗

美國SCIM工作組在建立艦船通用信息模型過程中總結了一些經驗，提出了一些建議，結合目前正在研制的艦船產品——DDG 1000驅逐艦、 “福特”級航母、“弗吉尼亞”級核潛艇的產品數據在IPDE環(huán)境中轉移過程，對比實際需求數據與SCIM中定義數據間的差異，不斷在實踐中完善SCIM的完整性、適用性，同時提出在SCIM模型建立時注意事項，總結了豐富的實踐經驗。

1)在SCIM中合并外部參考時允許在AP214文件中完整定義幾何圖形;

2)闡明外部幾何模型的用法規(guī)則。一個實例可能就夠用，但是一般說來，每個CAD零部件都需要一個實例;

3)SCIM文件中含有STEP幾何模型文件;

4)在SCIM文件中定義強制屬性;

5)在SCIM用戶指南中提供示例以解釋說明;

6)為ISO STEP文件提供必要的參考;

7)明確如何在SCIM文件中填加超類屬性;

8)檢查SCIM文件，且從STEP標準中繼承超類屬性的內容時均按照一種方式處理;

9)對SCIM XML框架進行舉例說明;

10)對照STEP框架來證明SCIM文件和框架的有效性，并識別缺失的屬性或關系;

11)在SCIM文件中放入全部擴展的XML框架;

12)在SCIM文件中加入XSL文件以證明XML數據文件的有效性。

ILE項目在執(zhí)行和測試SCIM時，確認了SCIM中技術手段的正確性，同時也發(fā)現了一些不足和需要進一步修正和完善。

1)定義適應NPDI規(guī)范的SCIM數據模型的同時需要說明翻譯器的用法。

①SCIM文件最初僅確定為一個數據模型，但ISE以前的工作為SCIM框架確定提供了XML背景和工具，執(zhí)行和測試案例組需要使用一個明確和具體的框架;

②SCIM框架沒有完全擴展，每個實體還未包含超類屬性;

③發(fā)現了缺失屬性。這些缺失屬性都添加到SCIM發(fā)布日志中，且得到了修正。

2)SCIM屬性和關系需要進一步確定其有效性。

3)SCIM需要定義哪些屬性是強制的，必須存在的。

4)SCIM模型缺少STEP中定義的幾何圖形。

5)使用SCIM仍需要訪問ISO STEP文件。

6)需要采用STEP技術實現或完善SCIM框架。

7)需要STEP幾何圖形瀏覽器傳遞SCIM文件。

8)SCIM與從STEP標準中繼承的超類屬性所包含的內容不一致。

9)SCIM沒有清晰定義如何填加超類屬性。

10)SCIM缺少證明XML文件有效性的XML框架 (XSL)文件。

4 美國SCIM研究對我國艦船研制的啟示

通過研究美國開發(fā)艦船通用信息模型的過程，可以清晰地看到，艦船通用信息模型是實現數據交換和數據無縫銜接的必要條件，是IPDE形成的基礎，是保證艦船數字化工程順利開展的前提。同時也可以看出美國對數據標準規(guī)范研究的重視，在研究過程中美國將海軍較為重要的船廠和軟件技術服務公司聯系在一起共同探討SCIM的開發(fā)。另外，SCIM的研究任務緊密結合ILE項目和“弗吉尼亞”核潛艇、DDG 1000驅逐艦2個型號產品的研制，目的性和針對性較強，且研究任務分解細致和任務分配合理。

從我國實際情況來看，盡管各種數字化技術和軟硬件在艦船以及配套產品中廣泛應用，但是缺乏統(tǒng)一的數據格式，不能有效實現研究所與生產制造廠間數據的高效傳遞、及時交換，需要深入研究實現產品生命周期中數據互通、協同作業(yè)的標準數據格式。因此，應該從長遠發(fā)展的角度，從以下幾個方面做準備工作，為我國艦船數字化工程建設的有序、健康發(fā)展奠定穩(wěn)定的基礎。

1)必須認識到數據交換標準和通用信息模型在艦船數字化工程建設中的重要作用，為真正實現數據集成、共享、軟件產品無縫銜接提供保障;

2)由國家有關部門引導，積極地開展和組織相關研究工作，制定長期的數據交換標準研究計劃，加大數據標準研究的投資力度，并通過小范圍的、典型產品的數據交換標準研究，即樣板工程，為其他產品的數字化設計、建造集成起到示范作用;

3)將同類產品的研究所和制造廠，以及軟件服務商結合在一起，共同分步驟、分階段研究符合艦船產品特征的通用數據模型和數據交換標準。結合具體的產品研制，有目的、有針對地開展艦船通用數據交換標準，指導產品通用信息模型的建立和完善;

4)注重艦船產品設計建造流程的梳理和完善，明確每一個業(yè)務流程中每一個步驟的輸入與輸出、相關負責人以及最終的交付物，為通用信息模型的建立和數據交換標準的研究作必要的準備工作，也為產品集成環(huán)境的實現打下良好的基礎。

［1］KASSEL B，COOPER S，MACKENNA A.Rebuilding the NAVSEA early stage ship design environment［R］.Naval Surface Warfare Center Carderock Div Bethesda Md，2010.

［2］李勇，高天孚.國外艦船數字化工程建設的啟示研究［R］.中國國防科技報告，2010，12.LI Yong，GAO Tian-fu.Study on the digital shipbuilding engineering offoreign countries［R］.China Defense Technology Report，2010，12.

［3］NSRP ASE，Navy product data initiative integrated product data environment(IPDE)specification［EB/OL］.http://npdi.nsrp.org/2008 －06 －30.

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