1 ENOVIA VPM C/S架構
ENOVIA VPM是法國達索公司的三維協同設計產品，VPM(Virtual Product Lifecycle Management)意為虛擬產品生命周期管理，是基于CATIA平臺的一個既能滿足三維協同設計又能滿足虛擬產品生命周期管理的解決方案，它以設計產生的設計數據為核心，是一項實現對設計產品相關數據、設計過程進行一體化集成管理的技術。
基于ENOVIA VPM的三維協同設計平臺是一個典型的Client／Server架構的軟件系統。客戶端系統由CATIA、ENOVIA VPM客戶端版軟件兩個部分組成，其中CATIA通過ENOVIA VPM客戶端插件與服務器端進行數據交換，使用ENOVIA VPM 中的ENOVIA Portal負責產品生命周期管理和項目節點樹管理。服務器端系統由ENOVIA VPM服務器端、Oracle數據庫軟件構成。服務器端的數據有兩類數據及存儲方式，第一類是各種關系數據，如人員、組織、上下文數據、文檔、模型屬性數據，存放在Oracle數據庫的關系表中；第二類是加密后三維模型文件，以文件方式存放在電子倉服務器中。
應用CATIA／ENOVIA VPM技術搭建水電工程三維協同設計C／S架構平臺，分為數據層、協同應用管理層和多專業三維協同設計層，見圖1。
圖1 ENOVIA VPM三維協同設計平臺的C/S架構
數據層和協同應用管理層是應用服務器端。數據層包括三維參數化模型、知識模板庫、各種關系數據如人員、組織、上下文、權限、模型屬性、設計流程等。協同應用管理層負責審核客戶端請求，執行對數據層的數據讀取與修改，負責三維設計流程控制，包括設計、校核、評審、發布過程和文件版本的升級等。多專業三維協同設計層是應用客戶端，包括測繪、地質、壩工、施工、機電、金結等專業基于ENOVIA VPM同一數據庫進行本專業的三維設計與參數化建模，并進行結構分析計算校核、碰撞檢測、設計會商、二維出圖等工作。
2 數據節點與角色權限
2．1 數據節點類型和狀態
三維設計需要明確三維模型及二維圖紙的目錄和節點，設計數據節點在三維協同設計過程中有不同的數據類型和數據狀態。
2.1.1 數據類型
在VPM三維協同設計系統中，設計節點的數據主要分為三種類型：文檔( Document)、參考(Reference)、實例( Instance)。文檔為實際物理對象，描述零部件的幾何特征和屬性。參考描述鏈接關系，一個參考對應于一個文檔，為一對一關系。實例是顯示在CATIA結構樹上的對象，描述在同一結構樹下的空間坐標位置，實例對應于參考，為多對一的關系，在同一結構樹中對零部件進行拷貝只會改變實例，其他不會變化。
2.1.2 數據狀態
設計、校核、審查設計流程控制過程對應于VPM中所處設計階段不同的4種數據狀態，有“設計中”、“待校核”、“待審查”和“已發布”，數據狀態的升級構成了文檔、參考、實例這3種類型數據的生命周期過程，如圖2所示。
圖2 數據節點的生命周期
2.2 角色與權限配置
水電工程項目勘測設計在人員組織上主要有項目經理、項目總工、專業負責人、專業主設計人、設計人員5種角色，對應三維協同設計項目的角色見表1。
在VPM三維協同設計系統中增加了VPM系統管理員角色，其主要職責是維護系統和工程模型數據，配置項目角色與權限，處理協同設計的各種技術問題。不同的角色因承擔不同的工作，應賦予不同的權限，權限有查看數據的權限、創建與修改模型的權限、提升或降低數據狀態的權限等，具體配置方案見表2。
表2中創建數據權限和修改模型數據權限只賦予給設計角色；項目總工、專業負責人、專業主設人分別賦予Project_Manager、Design_Manager、Checker角色，對擁有的數據具有提升或降低對應設計數據狀態的權限，分別進行設計、校核、審查，他們還應該有分配工作及創建項目設計節點的權限，所以還應賦予Designer角色。項目經理由于不參與具體的三維協同設計工作，所以對本項目的數據只具有查看的權限。
2．3 任務分配與項目節點創建
VPM系統管理員配置完人員角色權限并創建好項目總節點之后，項目總工鎖定擁有的總節點，創建專業子節點，將專業子節點授權給各個專業負責人。專業負責人創建本專業工程部位子節點，將工程部位子節點授權給專業主設計人員。專業主設人員組織具體建筑物的三維設計與建模，創建結構子節點，提出設計參數和建模要求，并將子節點授權給設計人員。設計人員根據設計要求，開展設計并建立三維參數化模型。
3 上下文關聯技術
基于ENOVIA VPM平臺的三維協同設計通過網絡數據庫技術可使各專業三維設計共享同一模型，并實時查看相關專業的設計情況，設計人員可以方便地引用或參考相關設計數據。采用CATIA軟件開展三維協同設計，協同技術上有“發布一引用”、“發布一約束”和“參考”3種關聯模式，對于專業間形狀緊密聯系、相互影響的設計模型采用第一種模式。例如，骨架采用了“發布一引用”關聯技術，定義了工程總體與專業或工程部位的自頂向下的縱向關聯設計模式，見圖3。
圖3 總骨架與專業子骨架“發布一引用”關聯關系
在VPM項目總節點下，建立工程三維設計總體控制骨架，總骨架由水工專業設計，由項目總工負責組織會商、評審，并創建和發布。總骨架創建完成并發布之后，各主設計人引用總骨架的信息，創建各個專業的子骨架，繼續向下派生，直至關聯到具體的零件實體。又例如，形狀聯系緊密的專業間，通過“發布一引用”技術保證設計間的相互聯系，見圖4。
圖4機墩坑與機組外形“發布一引用”關系
廠房機墩坑的設計模型是參考水機專業提供的機組外形曲面剪切得到的，在水輪機選型未確定情況下仍然可以進行廠房機墩坑設計。水輪機選型確定后。經與廠房專業會商確定其外形并發布。廠房專業人員通過更新引用機組外形曲面后，即可以得到新的廠房機墩坑模型。
對于位置相互緊密接觸的模型，采用“發布一約束”模式進行位置關聯，主要應用于自底向上零件裝配，例如金屬結構專業。
對于大數據模型或難實現關聯的模型，采用“參考”模式，通常是下游專業參考上游專業提交的成果進行設計。例如，對于機電設備布置，通過“參考”與建筑結構關聯的參考平面來定位。機電設備及管線布置設計時，因模型數據量很大，一般采用關聯性較“引用”或“約束”模式弱的“參考”模式，零件結構亦采用呈示發布，因看不到零件內部結構樹，其整個模型數據量較小，能順利地進行設計和修改。但因關聯性較弱，其設計結果必須進行實時干涉碰撞檢查，排除設計的碰、錯等問題。
4 三維設計、校核及審查流程控制技術
三維協同設計平臺上，三維模型、技術文檔以文檔、實例、參考3種類型的數據存儲在VPM數據庫中，其設計流程定義與傳統設計管理環節中的設計、校核、審查等流程相對應，每個數據節點三維模型都要經過三維設計——三維校核——審查——發布的過程，模型數據有“設計中”、“待校核”、“待審查”、“已發布”4種不同的狀態，每種狀態反映了每個水工建筑物設計所處的不同階段。設計人員完成設計和模型后提交校核。主設人校核設計和三維模型，若同意，則提交至審查人員；若不同意，則將意見返回至設計人員，設計人員按要求進行修正。審查人員進行設計審查，若同意，提交設計和模型至批準發布狀態，流程結束；若不同意，則返回至設計人員，設計人員重新開始設計流程。下面以某水電工程機電專業三維協同設計為例來說明。
(1)機電專業主設人建立任務子節點。機電專業主設人在CATIA＼ENOVIA VPM客戶端環境下打開機電專業總節點，分別為機電專業內部的水機／電氣一次／電氣二次／暖通專業建立任務子節點，將各子節點的權限轉移給相應的設計人員。
(2)設計人員開展詳細設計。機電設計人員在VPM協同設計系統中鎖定自己的工作節點，將設計需要參考的廠房三維數據和自己的任務節點同時在CATIA中打開，“參考”廠房進行設備布置，通過“RUN”完成管路三維幾何空間的走向布置。管路、橋架、通風路徑走向布置完成之后，根據預定義的設計規則、設計標準，在“路徑”上直接定位放置或調整各管路上的部件。
設計人員在完成設計后，將設計成果及設計說明視圖PVR節點的狀態提升為“待校核”，并將權限轉移給該專業的主設人。
(3)設計校審。專業主設人鎖定相應的節點，選擇PVR節點應用CATIA DMU審查工具創建校核視圖，并應用2D標注工具對設計中的問題進行相關信息批注。對有問題的設計批注完成之后，主設人將該節點的數據狀態降級到“設計中”，并通知相關設計人員進行修改。設計人員鎖定相關任務節點，打開PVR數據，查看批注信息，然后根據要求進行設計及模型的修改。
(4)機電專業內部碰撞檢查。由于機電布置的管路錯綜復雜，在設計過程中會出現不同專業管路之間的碰撞，利用CATIA DMU干涉檢查功能，進行機電專業內部及專業之問的碰撞檢查。專業主沒人打開由設計人員創建的說明視圖文件PVR節點，進行專業內部干涉檢查，從碰撞信息列表查看到碰撞位置和涉及到的模型。
專業主設人將發生碰撞的模型進行批注并給出修改意見。設計人員修改完成后，重新提升設計節點狀態為“待校核”，再次進行設計校核。若校核檢查無誤，將所有節點的狀態提升到“待審查”進行審查；若審查通過，則將所有節點狀態提升為“已發布”，設計流程結束。
(5)機電專業與廠房專業之間的碰撞檢查。主設人員創建包括機電和廠房數據的PVR節點，運用CATIA DMU干涉檢查功能檢查兩個專業之間的碰撞關系。若有碰撞，由機電專業發起，項目總工組織會商，商討碰撞解決方案，機電專業主設人將修改方案記錄在PVR中。例如，橋架與廠房梁發生了碰撞，會商的結果是修改橋架的布置，避開廠房梁結構。設計人員將設計修改完成后，重新進行校審流程。
5 結語
目前國內水利水電行業已逐步探索和使用三維協同設計技術，但是由于水電工程固有的復雜性，建設周期較長，涉及專業眾多，在三維協同設計方面仍沒有定式，同時缺乏相關的標準、質量體系文件和技術指導手冊，給該項技術的推廣普及帶來巨大障礙，亟需給出有參考價值的范例。
為此，本文將CATIA“發布一引用”上下文關聯技術應用于模型幾何形狀緊密關聯的水工結構三維協同設計，將“參考”模式應用于模型數據量很大的機電設備及管線布置三維協同設計中，通過定義設計模型4種不同的狀態進行“設校審”流程控制，以保證三維設計成果的質量。本文對CATIA／ENOVIA VPM三維協同技術在水電工程中的應用進行了初步研究，旨在推動水電工程三維協同設計的普及。
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