船舶设计制造中的数据转换标准分析_万昊天.pdf

第 31 卷 第 1 期2023 年 1 月Vol.31 No.1Jan.,2023船 舶 物 资 与 市 场 MARINE EQUIPMENT/MATERIALS&MARKETING0 引言当前，船舶设计与制造过程中，数据大量扩充，要想提高数据的利用效率，就必须加强数据信息的共享交流。由于当前所使用的技术系统本身间的不兼容性，导致在船舶设计制造中的数据信息传递共享受到严重阻碍，其中的数据信息难以高效共享和利用。因此，必须加强对数据转换标准的分析和研究，突破数据共享壁垒。1 船舶设计制造中数据信息的主要特点在船舶设计系统中，CAD 为主要部分，其中设计、制造以及各部门间所使用的系统各不相同，形成了在船舶设计制造中的数据信息差异化，具体包括以下主要特点：1）存储数据的工具各有不同，因此数据的结构和表达形式也存在不同；2）船舶中数据信息分布区域较广，且大部分数据还需要跨区域使用；3）数据产生平台不同、环境不同，不同企业有自己的设计制造标准和系统，因此数据信息的格式众多、种类繁杂。正是由于船舶设计制造过程中的数据信息具有以上特点，要想使得数据信息能够在船舶系统中更加高效、安全且快速的传播共享，就必须加强对数据信息的标准化设计，以标准的数据转换形式实现。2 船舶设计制造中数据转换标准分析背景在船舶设计制造中，在不同环节上应用计算机辅助船舶设计制造中的数据转换标准分析万昊天（江苏现代造船技术有限公司，江苏 镇江 212003）摘 要：随着 CAD/CAE/CAM/VR 等技术在船舶设计与制造领域的广泛应用，迅速扩大的数据信息量在处理应用中，迫切需要进行交换和共享。本文简单叙述了船舶设计制造中数据信息的主要特点，分析了船舶设计制造中数据转换标准的研究背景，并探究了目前常用的 DXF，STEP 和 IGES 这 3 种数据转换标准，分析了其结构组成和设计形式等，并就其在应用中的优缺点加以研究。关键词：船舶；设计制造；数据转换标准中图分类号：U662 文献标识码：A DOI:10.19727/ki.cbwzysc.2023.01.007引用格式 万昊天.船舶设计制造中的数据转换标准分析 J.船舶物资与市场,2023,31(1):20-22.收稿日期：2022-10-21作者简介：万昊天（1986-），男，本科，工程师，研究方向为船舶生产设计和软件二次开发。技术如 CAD，CAM，CAPP 等技术可有效在规模或效果上缩短船舶产品的开发周期，提高船舶设计制造的效率和整体质量。但在科学技术不断升级发展的背景下，船用软件不断增加，CAD 为主的技术软件不断升级，且应用更加广泛、深入，其技术版本升级所引发的系列相关问题主要呈现出以下方面：1）计算机软件产品的更新速度加快，系统升级速度变快，软件的生命周期延长，这都对船舶设计制造企业提出了更高的要求，只有加强开发产品数据，并使其不依赖相关平台所单独存在，才能够最大程度实现企业各部门内部的长期使用。2）CAD，CAM，CAPP 等技术在发展和应用过程中，大多为相互独立存在的系统，其中的数据信息在其自身应用范围内都有一定的限制，因此，如何实现各技术的相互交流融合，从 CAD 过渡到 CAPP，再从 CAPP 过渡到 CAM，又或者直接从 CAP 过渡至 CAM 是重点考虑的问题，在这一过程中，需要船舶设计制造企业消耗的时间和人力成本，反复操作数据输入、重组和输出等工作，这样一来，企业的船舶设计制造工作效率便会严重受到影响，有所下降1。3）除了技术之间存在差异限制外，技术本身也存在一定差异。CAD 不同系统或 CAM，CAPP 不同系统之间数据交换或共享也受到一定的限制，数据一致性难以高效实现，尤其是在 CAD，CAM，CAPP 信息集成的前提下，要想实现数据信息的共享交流仅依靠当前的 DXF等数据交换格式难以实现，那么企业的不同系统和不同第 1 期 21 平台上的数据信息都无法实现高质量的共享交流。针对以上船舶设计制造中所存在的数据信息传输共享问题，要想实现数据信息的高度共享交流，则必须建立数据转换标准，对数据产品的表达以标准进行交换。当前我国的船舶设计制造相关软件众多，有我国自主研发的 CAD 或 CASIS 软件，也有从国外引进的 CADDSS系统、KCS 系统等，纵使这些系统在使用中均发挥着重要的作用，但系统间的数据信息却难以实现高效共享，缺少数据交换接口，导致数据信息的交换大多局限在图形信息上，这种信息交流的不便，严重限制了船舶设计制造的效率2。因此，要想提高船舶设计制造质量及效率，缩短制造工期，促进船舶行业的发展，加强分析研究其中的数据交换标准至关重要。3 船舶设计制造中的数据转换标准具体分析3.1 DXF 数据接口DXF 称为图形交换格式。DXF 即为系统中的数据交换文件，虽然其不是实际意义上的数据转换标准，但由于其所存在的系统 AutoCAD 应用广泛，因此，其中的DXF 也因此可成为应用中的数据转换标准。DXF 具有特定格式，且是文本类文件，其在使用过程中容易被其他程序处理，通过高级语言编写程序与系统相互关联，或在 CAD 系统中进行图形文件的标准化交换。1）文件结构。DXF 一般包括标题段、块段、类段、实体段、对象段、符号标段和文件结束 7 段，且各个段还分别由多个段组成，在 DXF 文件中以两行呈现。其中，每段的第一行为组代码，通常为非零整数，是数据类型代码，其含义取决于AutoCAD设定；每段的第二行为组值，是数据的数值，组的类型是由数据的格式所决定3。组代码和组值分别表示数据的含义和数据的具体值，其中具体含义用来描述系统数据的表项、变量和元素等信息，通常组代码固定，其表达的含义也相同，比如“8”代表图层名。2）接口程序设计。DXF 的接口程序设计是在其文件格式设计的基础上进行，可有效跳过在其中非必要的信息，并对必要的重点信息高速获取，在处理中只需要记住相应的顺序即可。总体来说，输出 DXF 文件的程序编写起来难度较大，必须要考虑图形的一致性，以确保适用于 AutoCAD 系统。在编写过程中，结合系统需求，可在 DXF 文件中将多项省略，只需保证图形的合理性和合法性，若是其中标题变量不需设置，则整个标题段都可省略。在编写中，符号表段也可以适当省略，若是不需做出任何处理，整个表段均可省略。在设计过程中，若是图形未出现块定义，那么其中的块段可以省略，若是不可省略，则需将其放置在实体段前，且文件必须以EOF 结尾。3）优缺点。DXF 数据接口在使用中可为 CAD 等技术的应用带来更大便利，但这类文件的开发相对较早，后续更新速度较慢，因此导致其存在一定不足。利用DXF 数据接口不能将产品几何形状完整描述，且相关材料、公差等信息也不能在其中展现，仅对数据结构的属性和几何等信息有所呈现，其他的拓扑信息都难以反馈。在信息描述方面也存在缺陷，DXF 文件较为繁杂，使其传递、处理、存放等过程存在诸多不便，并且，文件格式较为复杂，要想保证文件编写准确，需要消耗大量时间精力。3.2 STEP 标准STEP 标准又称产品样本数据交换标准，其能够在整个周期内的产品进行数据计算机表达、共享和交换等转化电能标准，并以此为基础，制定 CAD 统一的数据交换标准。在应用过程中，产品样本数据主要是指在产品的全部生命周期范围内，对产品的全部数据元素进行定义，包括其设计制造过程、分析检验过程等，并全方位定义构建的拓扑、几何、属性、关系等相关数据，满足设计需求，同时处理部分相关数据信息，提供全面信息以供产品生产、质量检测等工作。在产品的设计制造中，STEP对计算机处理信息表达的方式进行的标准化规定，其与计算机系统相互独立，又能够有效保证系统和应用的一致性4。在 STEP 标准下，以不同技术应用实现数据文件的交换，利用应用程序存储相关数据信息等功能，以规范化的数据语言对产品数据加以描述，使得数据表达的一致性和精确性有所提高。STEP 标准可为 CAD 系统提供重型产品数据，在船体结构、电气、机械等各领域有所应用，且在数据共享中实现多层次标准。1）文件结构。交换文件结构以正文编码书写为主，包括数据段和头部段，其位于文件开头后，在数据段后设有结束标志。在结构的头部段中，将整个交换文件的信息体现，包括文件名称、作者姓名、文件日期、文件单位和具体描述等；数据段作为文件的主体，主要记录交换产品数据，其中包括数据属性和实体实例，以数据类型和标识符等形式呈现出来。在交换文件当中，有且仅有一个头部段和数据段，且交换文件的首段必须为头部段。2）设计形式。交换文件在设计中，需要清晰的文本编码，以实现不同系统间的数据表达和交换。文件的交换形式主要利用正文二进制编码，对应用协议中的数据万昊天：船舶设计制造中的数据转换标准分析船舶物资与市场第 31 卷 第 1 期 22 信息发挥读写功能。交换结构可利用软件解释语法加以描述，使用 WSN 表达。一般来说，交换结构的实现主要通过 3 种方式，分别为交换结构下的数据交换模型、WSN 描述的交换结构语法以及 EXPRESS 语言结构到交换结构的映射规划。在 CAD 系统之间，要想进行数据交换，需首先利用中性文件生成产品数据，再将中性文件的格式转化成 STEP 交换文件，保证传输模式一致。3）优缺点。STEP 经过多年的应用和发展，逐渐变成了信息集成和产品建模的主要标准，其可在产品全生命周期参与设计工作，并且在虚拟企业和并行工程中也逐渐发展为主流的现代化制造技术，为信息集成提供了重要条件。在 STEP 标准作用下，在不同区域、应用不同计算机辅助计算的设计制造过程都可进行集成化的工作内容，使得不同的制造单元形成统一的整体，并达到同样高效的运行效果，使得多个应用系统之间可实现数据的共享与交流，数据信息也可重复利用。此外，数据集成共享在系统中独立存在，对系统供应商的依赖程度降低，可极大程度地使得产品在系统中的转换管理更加简便，提高船舶设计制造效率。3.3 IGES 标准IGES 标准又称基本图形转换规范，其主要是针对CAD，CAM，CAE 等不同系统间实现信息交换所存在的中性文件格式。利用 IGES 进行交换的过程中，若是从系统 A 传输数据到系统 B，那么应先通过系统 A 中的IGES 前处理器将数据信息转换为 IGES 格式，再将其传输至系统 B，再经过系统 B 中的 IGES 后处理器将所接收的数据转换为该系统适应的数据格式。1）IGES 元素。IGES 可实现不同系统间的数据交换，因此其结构中至少要包括数据组织方式、标准和几何数据等支撑转换过程。IGES 文件格式主要将数据看作为一种元素，在不同系统之间，这些元素独立存在并独立应用，以特定的格式加以映射。IGES 作为一种发展较为成熟的数据转换标准，其中的元素也与系统的发展相同步5。在 IGES 数据交换文件当中，数据信息的基本表示单位即为元素，不同元素具有其独特的类型号。在 IGES 标准中，主要包括结构元素、标注元素、几何元素、实体元素等 5 种类型，且几何元素类型号一般在 100 199。2）IGES文件结构。IGES文件结构主要包括5段或6段，分别为开始段、标志段、元素索引段、全局段、参数据段和结束段。在 IGES 文件中，包括多种不同元素类型，各个元素在数据段和索引段中都有所存在，在索引段，包括一个索引和数据的属性描述信息；数据段则包括元素的特定定义。在结构中，元素索引段的各项格式固定，参数数据段中各项均与元素相关，且不同元素间的参数数据格式与长度有所不同。利用双向指针将各元素的参数数据和索引项相互联系。在文件结构中，每行有 80 个字符，每段存在多行，且每行的 1 72 字符均表示该段主要内容，74 80 字符表示该段的每行序号，73 字符则表示该段段码。3）IGES 优缺点。IGES 标准在当前数据交换中被广泛应用，且应用领域不断拓展。IGES 标准有效拓展了元素的范围，压缩了数据格式，使得其指令功能进一步扩大，使用说明也更为完善，可以针对产品造型中的实体几何表示和边界表示提供支持，并能够在 CAD 等系统软件内广泛使用。但相比较而