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        船舶管路布置仿真模型簡化

        2010-07-23 02:34:22鄒玉堂路慧彪
        上海海事大學(xué)學(xué)報 2010年1期
        關(guān)鍵詞:機(jī)艙管路布置

        鄒玉堂,任 光,路慧彪

        (大連海事大學(xué)a.交通與物流工程學(xué)院;b.輪機(jī)工程學(xué)院,遼寧大連 116026)

        0 引言

        船舶機(jī)艙中的設(shè)備數(shù)量多且?guī)缀涡螤顝?fù)雜,管路布置需克服很多約束.利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自動化管路布置,可減少管路設(shè)計的時間,降低成本,確保設(shè)計的精度和效果.

        管路布置實際上是設(shè)計出在1個具有大量分散障礙的環(huán)境下連接空間兩位置(坐標(biāo))間管路最優(yōu)路徑的技術(shù).[1]從1970年開始,工業(yè)上的管路優(yōu)化設(shè)計成為1個研究熱點.管路布置算法的研究可追溯到機(jī)器人移動路徑規(guī)劃技術(shù),即研究移動機(jī)器人如何能無監(jiān)督地(自主)移動,同時穿越周圍環(huán)境并完成任務(wù)的技術(shù).其環(huán)境的表示可從連續(xù)幾何描述轉(zhuǎn)換為基于分解的幾何圖,甚至拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖.任何路徑規(guī)劃系統(tǒng)的第1步都是將連續(xù)的環(huán)境轉(zhuǎn)換成適于所選的路徑規(guī)劃的離散圖.[2]一般可將路徑規(guī)劃技術(shù)分為路線圖法、單元分解法、勢場法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法等4大類.

        1 管路布置的研究現(xiàn)狀

        由于管路布置與機(jī)器人路徑規(guī)劃在任務(wù)性質(zhì)上有較大差別,2者的算法需滿足不同的約束條件,可能遵循不同的布置規(guī)則.圖1和2分別為用可行性圖法分解的在相同障礙下機(jī)器人移動的可能路徑和管路布置的可能路徑.圖中多邊形為移動障礙;各折線為可能的路線;粗線為從起點到目標(biāo)行程最短的路線.由圖1和2可知,由于遵循的規(guī)則不同,結(jié)果差別較大.

        圖1 機(jī)器人移動的可能路徑

        圖2 管路布置可能路徑

        管路布置中的障礙一般指管路周圍的設(shè)備、布置艙壁以及已布置好的管路等.在機(jī)艙中,管路的設(shè)備和元部件成千上萬且形狀各異,非常復(fù)雜.船舶計算機(jī)輔助設(shè)計與仿真以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ),其中布置環(huán)境建模是進(jìn)行管路布置的準(zhǔn)備階段,建模的好壞對布置的算法及最終效果影響很大.在船舶3D管路智能設(shè)計中,必須選擇適當(dāng)?shù)哪P捅磉_(dá)方法并進(jìn)行最大程度的模型簡化,否則會由于要進(jìn)行碰撞檢測的障礙模型表面太多而無法處理,甚至使系統(tǒng)崩潰.因此,一方面要重視布置算法的發(fā)展,另一方面也不能忽視模型簡化和表達(dá)方法的研究.

        2 模型的簡化和表達(dá)

        從20世紀(jì)90年代以來,船舶設(shè)計與仿真領(lǐng)域的學(xué)者在模型應(yīng)用上做了大量工作,并提出許多建模方法.在船舶設(shè)計與仿真的不同領(lǐng)域或不同階段,可能會使用不同模型.

        模型可分為低級(low-level)和高級(highlevel).對于小場景的裝配,如1臺機(jī)器,低級模型比較適用;對整個造船進(jìn)程或大型裝配制造的仿真,需使用高級模型的建模表達(dá)方法.

        高級模型幾何精度較低,但可表達(dá)更多的幾何或非幾何信息,屬完整信息模型.如1臺機(jī)器利用高級模型可能會表達(dá)成1個柱體,使大場景的模型數(shù)量大量減少,雖然在視覺上與實物差別較大,但不影響整體仿真的效果.隨著模型信息完整的概念得到擴(kuò)展,1個3D實體模型的表達(dá)不僅包括對1個產(chǎn)品幾何特性的描述,還包括公差及配合等非幾何特性的工程信息,甚至是用于分析的數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)中的所有支持?jǐn)?shù)據(jù)(如修訂、注釋、部件表、測試要求、材料說明和工藝等信息),且數(shù)據(jù)集應(yīng)在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)得到控制和共享.對于應(yīng)用機(jī)艙管路布置中的模型,還需將協(xié)同設(shè)計約束、設(shè)備供應(yīng)商說明書、設(shè)計參數(shù)和其他當(dāng)前CAD系統(tǒng)尚不能處理的設(shè)計數(shù)據(jù)包括到產(chǎn)品模型中.

        2.1 模型簡化的原則

        (1)簡化后的模型數(shù)量最少;

        (2)簡化模型具有簡單幾何空間性質(zhì),最好是長方體、柱體、球體或多面體;

        (3)簡化后的模型可精確地反映設(shè)備自身的空間位置;

        (4)簡化后的模型可精確地反映管路接口的空間位置;

        (5)考慮到協(xié)同設(shè)計的需要,簡化的模型必須是可編輯的模型;

        (6)同一設(shè)備在布置的不同階段的各種形式與模型反映的對象信息應(yīng)統(tǒng)一、邊界條件應(yīng)對應(yīng)、在環(huán)境中的坐標(biāo)應(yīng)對應(yīng),以便在不同階段作模型替代.

        2.2 模型簡化的步驟

        2.2.1 初步簡化

        初步簡化的目的是得到低級模型,保留原設(shè)備的主要幾何特性,但幾乎不包括幾何之外的信息.使用自由形式幾何體表達(dá)障礙,需要為檢測障礙的邊界進(jìn)行大量的計算工作,不適用智能設(shè)計算法.但此類模型在仿真設(shè)計中也非常重要,用在后期的可視及虛擬仿真中,可體現(xiàn)更高的真實性和仿真的相似性,在制作設(shè)備模型庫時經(jīng)常用到.圖3為1個空氣瓶經(jīng)初步簡化后的模型.

        圖3 空氣瓶初步簡化模型

        2.2.2 深度簡化

        初步簡化模型對3D布置的智能算法很復(fù)雜.由于3D布置考慮的是設(shè)備、平臺或管路所占的空間體積,而不是具體形狀,在實際布置時可對模型作進(jìn)一步簡化,見圖4.

        圖4 空氣瓶深度簡化

        簡化模型的輪廓包圍盒采用軸平行包圍盒[3](Axis-Aligned Bounding Boxes,AABB),雖然該包圍盒較松散,但求取方法和碰撞檢測簡單,因而很常用.

        設(shè)模型頂點坐標(biāo)所含最大和最小值分別為Xmax,Xmin,Ymax,Ymin,Zmax和 Zmin,以點 (Xmin,Ymin,Zmin)和點(Xmax,Ymax,Zmax)之間的線段作為 1 條對角線構(gòu)建長方體,見圖5.

        圖5 構(gòu)建軸平行包圍盒

        實際使用時,軸平行包圍盒比較安全,但一些模型的包圍盒重疊而實際設(shè)備卻未發(fā)生干涉,見圖6.

        圖6 包圍盒重疊時的2種狀態(tài)

        這種確定各單位立方體的邊界最大和最小值,即最左前下點和最右后上點的坐標(biāo),以表示設(shè)備或管路的位置與空間大小的方法稱為邊界法.在智能布置中,可用邊界法表示模型空間信息,再用數(shù)據(jù)庫保存與模型有關(guān)的其他信息,如接口的位置、方向以及管路最小安全距離等.

        2.3 具有開關(guān)和維修等作業(yè)約束條件的設(shè)備建模

        管路布置需滿足大量的安全、維修及工藝等方面的要求或約束條件,構(gòu)成智能設(shè)計中的規(guī)則,一般將這些約束表示為設(shè)計的參數(shù),但參數(shù)越多越復(fù)雜,可行性較差.

        管路布置需要為主機(jī)、泵和冷卻等系統(tǒng)的維修、更換零件或檢查等留出工作空間;同時也為臨時存儲零件、消耗品和維修人員提供足夠的艙室面積;最后,需要在特殊組件(如產(chǎn)生熱量的機(jī)械)附近留出空間.大部分與空間和體積有關(guān)的設(shè)計約束,可用自由空間[4](Free-space,F(xiàn)S)建模方法進(jìn)行處理.

        FS建模方法專門用于研究機(jī)艙或復(fù)雜場景設(shè)備規(guī)劃,但其利用體積建模的思想以及為設(shè)備預(yù)留維修、保養(yǎng)和移動等操作所需空間的方法,也可用于機(jī)艙管道布置.[5]圖7為在船舶機(jī)艙的設(shè)備規(guī)劃時為燃油鍋爐留出的FS.

        圖7 燃油鍋爐的FS

        將FS的建模方法經(jīng)選擇和修正后引入到機(jī)艙管路布置中,利用體積建模的方法,將設(shè)備所需的開關(guān)和維修等作業(yè)約束條件轉(zhuǎn)化為可處理的模型,使3D管路智能布置更方便,且滿足更多的設(shè)計約束條件,同時也降低布置算法的復(fù)雜性.

        3 布置平臺的簡化

        3.1 目標(biāo)場景的分割

        如果仿真中的模型尺寸更小,數(shù)量更少,就更便于數(shù)據(jù)的管理,降低算法的復(fù)雜度.保持仿真模型小的方法有2種:(1)簡化模型;(2)分割將要仿真的目標(biāo)場景,使其成為更小的模塊.通過場景分割以降低算法的復(fù)雜度,滿足協(xié)同設(shè)計的要求,在實際操作中很有必要.

        場景分割應(yīng)注意:(1)空間層次劃分的合理性;(2)分場景平臺的邊界條件確定;(3)分場景的局部坐標(biāo)系與船舶整體坐標(biāo)系的對應(yīng)和轉(zhuǎn)化.

        3.2 快速生成布置平臺

        虛擬船舶數(shù)字化模型技術(shù)的發(fā)展使船舶生產(chǎn)設(shè)計的深度和廣度發(fā)生很大變化,不僅包括設(shè)備規(guī)劃和管路綜合布置設(shè)計,還包括對整個船舶裝配過程的完整的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)[6](Computer Integrated Manufacturing System,CIMS).

        理想的3D虛擬船體平臺是經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計后的最終的3D數(shù)字化船舶機(jī)艙或艙室模型,其船艙中的設(shè)備或元部件都為簡化的模型,并按其實際位置放置在船艙模型中.[7]

        現(xiàn)代船舶設(shè)計是多人員、多部門間協(xié)同設(shè)計的1個并行工程,且需要較長時間;另外,船舶設(shè)計是1種交互式的螺旋設(shè)計,涉及許多相互影響、相互制約的因素,各階段、各模型設(shè)計結(jié)果之間也相互影響;還需經(jīng)過從初步到詳細(xì)設(shè)計的多次反復(fù).因此,使用二維CAD進(jìn)行設(shè)計及繪圖仍然十分普遍.

        在實際設(shè)計中,舾裝部門一般在得到有關(guān)機(jī)艙或要布置的艙室的1個平面輪廓及一部分相關(guān)數(shù)據(jù)后開始布置,因此,可以利用幾個平面輪廓及相關(guān)數(shù)據(jù),快速建立1個布置平臺的3D模型.步驟如下:

        (1)從各層布置圖中提取機(jī)艙各層平臺的形狀、位置和高度信息,見圖8;(2)建立各平臺模型并放置到適當(dāng)位置,自下而上的3層分別為花鋼板、平臺和甲板,見圖9;(3)建立船殼模型,完成機(jī)艙邊界建模;(4)為船殼添加艙室.圖10為添加集控室、分油機(jī)室和燃油艙等機(jī)艙布置區(qū)域模型.

        圖8 各層平臺信息

        圖9 各層平臺建模

        圖10 機(jī)艙布置區(qū)域模型

        4 實例

        以某船的海水冷卻系統(tǒng)為優(yōu)化設(shè)計的對象說明簡化過程,圖11為布置平臺的位置.

        圖11 布置平臺的位置

        在高度方向上,管路最好布置在花鋼板下、雙層底上.快速建成的布置位置的船體近似模型見圖12.海水冷卻系統(tǒng)中的設(shè)備包括低位海水箱1,高位海水箱2,停泊冷卻海水泵3,主海水泵4和主海水泵5,附件設(shè)備包括閥件和過濾器等.管路中的設(shè)備信息見表1.各設(shè)備的接口信息見表2.添加設(shè)備后的布置環(huán)境見圖13.

        圖12 船體近似模型

        表1 管路中的設(shè)備信息 mm

        表2 設(shè)備接口信息

        圖13 連接設(shè)備在艙中的位置

        影響管路布置的周邊設(shè)備包括副空氣瓶1,主空氣瓶2,主空氣瓶3,控制空氣瓶4,汽笛空氣瓶5,霧笛空氣瓶6,雜用空氣瓶7,海水淡化裝置海水泵8,制淡裝置海水泵9,消防泵10,蒸餾水艙自由空間11,總用泵12和艙底泵13等.管路周邊的設(shè)備信息見表3.添加周邊設(shè)備后的管路布置環(huán)境見圖14.由圖可知,許多設(shè)備的邊界很近,設(shè)備間的縫隙不足以布置管路(由最小安全距離判斷).可將設(shè)備再次進(jìn)行簡化、合并,減少障礙模型的數(shù)目.設(shè)備合并后的布置環(huán)境見圖15.

        表3 管路周邊的設(shè)備信息 mm

        圖14 添加周邊設(shè)備后的管路布置環(huán)境

        圖15 設(shè)備合并后的布置環(huán)境

        利用上述方法進(jìn)行環(huán)境布置及障礙模型簡化可優(yōu)化算法,減少算法復(fù)雜度.圖16為運用相關(guān)算法將表1,2和3中簡化后的模型數(shù)據(jù)計算后得到的路徑布置優(yōu)化解.

        圖16 路徑布置優(yōu)化解

        5 結(jié)論

        船舶機(jī)艙仿真布置環(huán)境的快速建模主要利用智能優(yōu)化算法進(jìn)行船舶管路的自動布置,其對船舶機(jī)艙管路布置的效果有重要影響,直接關(guān)系布置算法的可行性和效率;其最大的困難在于一方面要降低模擬場景的復(fù)雜度,另一方面要保持仿真場景與真實布置環(huán)境的相似性,同時滿足布置約束.

        本文在已有的研究基礎(chǔ)上,結(jié)合船舶機(jī)艙布置的實際情況,提供1種船舶管路布置仿真模型簡化方法.利用完整信息模型表示障礙,克服為檢驗?zāi)P瓦吔缍M(jìn)行的大量計算;通過對布置環(huán)境的分割,快速建立近似布置平臺,使模型數(shù)量最少.該方法可比較方便地應(yīng)用于機(jī)艙仿真布置環(huán)境的快速建模中,并為后續(xù)的設(shè)計提供有效的平臺.

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