宋一淇，王佩瑜，常守明，符安邦

1 中國艦船研究設(shè)計中心，湖北武漢430064

2 武昌船舶重工有限責(zé)任公司，湖北武漢430060

0 引 言

三維設(shè)計作為提高船舶設(shè)計制造效率和質(zhì)量的有效手段，以及作為數(shù)字樣船及虛擬仿真技術(shù)的基礎(chǔ)，正在被越來越廣泛地應(yīng)用于船舶的設(shè)計制造過程中。目前，國內(nèi)許多設(shè)計院所、船廠都已在設(shè)計制造過程中應(yīng)用了三維CAD/CAM 系統(tǒng)，如國外引進(jìn)的CADDS5，TRIBON，F(xiàn)ORAN，CATIA，以及國產(chǎn)的東欣、SB3DS 等［1］。

隨著三維CAD/CAM 系統(tǒng)應(yīng)用的推廣和深入，對其數(shù)據(jù)利用的需求逐漸增多，利用的形式越來越多樣化，而其系統(tǒng)本身的通用化功能往往難以滿足用戶對三維數(shù)據(jù)多樣化及個性化利用的要求。同時，由于對底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究是進(jìn)行二次開發(fā)的前提和基礎(chǔ)，使得對三維CAD/CAM 系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)，而對船體結(jié)構(gòu)底層數(shù)據(jù)的研究更是重中之重［2-4］。

FORAN 系統(tǒng)采用與Oracle 數(shù)據(jù)庫高度集成的方式，使用Oracle 數(shù)據(jù)庫全程管理其船舶三維模型。其數(shù)據(jù)表數(shù)量眾多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。但其Oracle數(shù)據(jù)庫完全向用戶開放，為對其底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究和開發(fā)利用提供了可能。

1 FORAN 系統(tǒng)簡介

FORAN 系統(tǒng)是由西班牙SENER 集團(tuán)開發(fā)，專門用于船舶與海洋工程設(shè)計制造的三維軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)在全球應(yīng)用廣泛，自2005年進(jìn)入中國市場后，也得到了成功的應(yīng)用［5-7］。

FORAN 系統(tǒng)涵蓋了總體、船體、舾裝、電氣、艙室布置等各專業(yè)的三維設(shè)計功能，可用于船舶的概念設(shè)計、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)計等各個設(shè)計環(huán)節(jié)［8］。

該系統(tǒng)各專業(yè)之間的設(shè)計相對獨(dú)立，每個專業(yè)均由多個模塊構(gòu)成，功能全面，且隨著版本的升級，其模塊功能不斷完善，模塊數(shù)量也相應(yīng)增加。其中，船體結(jié)構(gòu)專業(yè)主要由6 個模塊組成（V60R3.0 版），其關(guān)系如圖1 所示。

圖1 船體專業(yè)各模塊之間的關(guān)系Fig.1 The relationship between hull subsystem modules

從圖中可以看出，由FHULL 模塊創(chuàng)建的船體結(jié)構(gòu)三維模型直接存儲至Oracle 數(shù)據(jù)庫中，作為其他船體專業(yè)模塊的數(shù)據(jù)來源。

本文即針對FORAN 系統(tǒng)Oracle 數(shù)據(jù)庫中由FHULL 模塊創(chuàng)建的三維模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)展開研究，為三維數(shù)據(jù)的深度利用提供基礎(chǔ)及條件。

2 船體結(jié)構(gòu)建模方法

船體結(jié)構(gòu)三維建模主要在FHULL 模塊中進(jìn)行。而其基礎(chǔ)庫的創(chuàng)建則是在NORM 模塊中完成，如材料庫、型材庫、板材庫、肘板庫、各類孔庫、端部削斜庫、貫穿切口及補(bǔ)板庫、剖口庫等。此外，F(xiàn)HULL 模塊中Block 的定義也是在NORM 模塊中進(jìn)行。

FHULL 模塊分為Shell and decks（曲面模式）和Internal structure（平面模式）兩種建模方式［9］。其中：Shell and decks 用于外板、甲板等曲面形式的板架結(jié)構(gòu)的建模；Internal structure 用于船體所有平直形式板架結(jié)構(gòu)的建模。FHULL 模塊的建模流程如圖2 所示。

圖2 FHULL 模塊建模流程Fig.2 Modeling process of FHULL

從圖中可以看出，F(xiàn)HULL 模塊建模的主要內(nèi)容為各類板和骨材等實(shí)體模型，以及表示結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的非實(shí)體模型，如Section（承載結(jié)構(gòu)建模的平面）、Strutural element（結(jié)構(gòu)平直分段）、Zone（船體曲面分段）等。此外，Block（船體立體分段）和Surface（船體曲面）也對表征結(jié)構(gòu)層次關(guān)系至關(guān)重要，但前者是在NORM 模塊中進(jìn)行定義，后者則是在總體型線中進(jìn)行定義。

不同于基于結(jié)構(gòu)樹式的模型管理模式，F(xiàn)ORAN系統(tǒng)采用的是基于特征的模型管理模式，其模型的層次關(guān)系反映在模型的屬性中，即將模型所屬的Block，Section，Structural element，Surface 和Zone 等作為屬性附加給模型。這些表征結(jié)構(gòu)層次關(guān)系的屬性與表征模型本身特征的屬性，如名稱、材料、規(guī)格、位置等，一起構(gòu)成了結(jié)構(gòu)底層數(shù)據(jù)。

因此，對結(jié)構(gòu)底層數(shù)據(jù)的研究實(shí)質(zhì)上是對結(jié)構(gòu)模型各種屬性在Oracle 數(shù)據(jù)庫中存儲方式及其相互關(guān)系的研究。

3 結(jié)構(gòu)模型底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

3.1 相關(guān)數(shù)據(jù)表

FORAN 系統(tǒng)Oracle 數(shù)據(jù)庫中與結(jié)構(gòu)相關(guān)的數(shù)據(jù)表多達(dá)數(shù)十張，其中與FHULL 相關(guān)的也有二十余張。這些表主要可分為基礎(chǔ)信息表和各類結(jié)構(gòu)件的屬性信息表兩類。其中：基礎(chǔ)信息表包含了建模所需的標(biāo)準(zhǔn)板/型材、開孔、材料以及Block等通用信息，這些信息通過表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系供其他數(shù)據(jù)表引用；各類結(jié)構(gòu)件的屬性信息表既包含模型的名稱、幾何信息、重量重心等直接反映模型特征的屬性信息，也包含材料和Block 的Oid（對象標(biāo)識）等與基礎(chǔ)信息表相關(guān)聯(lián)的信息。此外，還有反映結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)層次關(guān)系的數(shù)據(jù)表。

對于上述數(shù)據(jù)表，其中基礎(chǔ)信息表多由NORM 模塊進(jìn)行定義，但其是FHULL 建模的基礎(chǔ)，是分析結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)關(guān)系不可或缺的部分。而各類結(jié)構(gòu)件的屬性信息表中，受設(shè)計深度的影響，部分表可能為空。而且，其中如表示結(jié)構(gòu)件幾何形狀及其與輔助線之間關(guān)系的數(shù)據(jù)表等與數(shù)據(jù)的深度利用關(guān)系不大。此外，各類結(jié)構(gòu)件的屬性信息表中的屬性信息還有不同程度的重復(fù)。因此，研究結(jié)構(gòu)底層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵就在于對與FHULL模塊所建模型密切相關(guān)的表進(jìn)行分析。

通過使用FHULL 模塊的兩種模式進(jìn)行板和骨材的相關(guān)建模操作，同時結(jié)合SQL 語句監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的變化情況，進(jìn)而分析表的變化與模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系。經(jīng)過對表的內(nèi)容進(jìn)行初步分析，確定了其中與結(jié)構(gòu)層次關(guān)系及結(jié)構(gòu)特征屬性密切相關(guān)的表，如表1 所示。

表1 船體結(jié)構(gòu)主要相關(guān)表Tab.1 Main datasheets related to hull structure

3.2 表的內(nèi)容分析

對數(shù)據(jù)表內(nèi)容的分析是基于底層數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)。其分析的內(nèi)容包含表中字段本身的意義，以及字段的值所代表的具體含義。

通常，大多數(shù)字段的名稱就直接反映了字段所代表的含義，如字段Density 即代表密度。而對于無法從名稱中分析其含義的字段，則要結(jié)合對字段值的具體分析確定其含義。

對于字段的值，根據(jù)其自身體現(xiàn)數(shù)據(jù)含義的直接程度，主要可分為3 類：第1 類是可以直接反映數(shù)據(jù)含義的值，如描述信息、名稱等，這類值有的是設(shè)計者的輸入信息，有的是根據(jù)設(shè)計者設(shè)定的規(guī)則創(chuàng)建或是根據(jù)輸入數(shù)據(jù)自動計算所得，數(shù)據(jù)具有實(shí)際的意義，可直接明了地體現(xiàn)出值的含義；第2 類是與其他表相關(guān)聯(lián)的值，如字段Block_oid，Material_oid 的值等，這類值多是由數(shù)據(jù)表自動生成的各種Oid，數(shù)據(jù)本身并無實(shí)際含義，需要通過該值從其關(guān)聯(lián)的表中解讀出其含義；第3 類是間接反映結(jié)構(gòu)特征的值，如字段Part_type，Symmetry 的值等，這類值由系統(tǒng)定義，設(shè)計者不可更改，一般為一組特定值，并與用戶建模的某些操作相對應(yīng)。例如，用戶在曲面模式下創(chuàng)建一塊板，系統(tǒng)就會將其相應(yīng)表中字段Part_type 的值設(shè)為9。這類字段較少，但卻是字段值分析的難點(diǎn)，也是分析的重點(diǎn)。

本節(jié)將通過建模操作對數(shù)據(jù)表的字段及值進(jìn)行正向分析，同時結(jié)合使用具體的字段值逆向驗(yàn)證相關(guān)模型等方法，得到表1 中數(shù)據(jù)表內(nèi)容的詳細(xì)分析結(jié)果。

1）基礎(chǔ)信息表。

基礎(chǔ)信息表有3 張，其內(nèi)容分析的結(jié)果如表2所示。其中，表Std_profile 為型材庫對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。除表2 中所述的截面和材料相關(guān)字段外，還有表示庫存的字段，可供每種型材定義最多4 種不同長度規(guī)格的庫存相關(guān)信息。表Block，Material分別為定義立體分段和鋼材材料所對應(yīng)的數(shù)據(jù)表。

2）結(jié)構(gòu)屬性信息表。

結(jié)構(gòu)屬性信息表有5 張。其中：Prd_part，Prd_expl_part 和Inp_single_part_db 包含了所有板和骨材的相關(guān)屬性信息；而Inp_plate_att_db 和Prd_plate_att 則僅包含板的相關(guān)屬性信息。其內(nèi)容分析的結(jié)果如表3 所示。

表Inp_single_part_db 中字段數(shù)量較多，一部分為板和骨材通用的字段，還有一部分是僅屬于其中一者的字段。其中：字段Area，Thick 為板特有的；而Length，Kse_oid 則為骨材特有的。例如，在板的記錄條中，字段Area，Thick 的值不為0，而Length 的值為0，同時Kse_oid 的值為空。反之，在骨材的記錄條中，字段Area，Thick 的值為0，而Length 和Kse_oid 的值不為0。

表2 基礎(chǔ)信息表的主要字段說明Tab.2 The description of main fields in datasheets of basic information

表3 屬性信息表的主要字段說明Tab.3 The description of main fields in datasheets of structure attributes

一般而言，板和骨材的命名會依據(jù)一定的規(guī)則自動生成，如板以“P***”命名，而骨材則以“L***”命名等，其是區(qū)分構(gòu)建類型的最直觀的依據(jù)。但是，在某些特殊情況下，會出現(xiàn)全部以數(shù)字命名的結(jié)構(gòu)件，造成無法區(qū)分結(jié)構(gòu)的類型。因此，上述字段就成為了該數(shù)據(jù)表中區(qū)別記錄條所表示的結(jié)構(gòu)類型的準(zhǔn)確依據(jù)。

3）節(jié)點(diǎn)層次關(guān)系表。

表Bs_design_node 記錄了整個設(shè)計樹的層次關(guān)系，其字段及含義如表4 所示。

表4 表Bs_design_node 字段說明Tab.4 The description of fields in Bs_design_node

該表通過Oid 和Parent_node 兩個字段來組織所有模型的層次關(guān)系。如圖3 所示，“Oid=3001”表示的是Design tree（設(shè)計樹），其子節(jié)點(diǎn)有4 個，分別為Structure，Outfitting，Accommodation 和Structure outfitting。其中，Structure 下還有子節(jié)點(diǎn)Structural elements 等。據(jù)此，可以理清整個模型的層次關(guān)系。對于FORAN 系統(tǒng)來說，由于其基于特征的模型管理模式，還可依據(jù)模型的Block，Surface 和Zone 等屬性信息建立模型層次關(guān)系。

顯然，該表包括了結(jié)構(gòu)、設(shè)備、舾裝、鐵舾件在內(nèi)的所有模型的層次關(guān)系。而字段Model_oid 實(shí)際上表示的是結(jié)構(gòu)模型的標(biāo)識碼。因此，對于其他專業(yè)的模型該字段的值為空。

3.3 表的差異性分析

從前文對表內(nèi)容的分析中，可以看出有些表類型相同，其字段有不同程度的重復(fù)。而進(jìn)一步對其記錄條數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)這些同類表的記錄條數(shù)也不相同。這說明其記錄的結(jié)構(gòu)件的范圍和方式有差別。因此，對同類表差異性的分析就顯得尤為重要。

圖3 表Bs_design_node 的部分信息Fig.3 Part of Bs_design_node

對于Prd_part，Prd_expl_part 和Inp_single_part_db等3張表，其記錄的對象都是板和骨材。但是，Prd_part 和Prd_expl_part 不僅包含F(xiàn)HULL 模塊創(chuàng)建的板和骨材，也包含Structure outfitting（鐵舾件）模塊創(chuàng)建的板和骨材。而Inp_single_part_db則只包含前者。此外，對于在FHULL 中采用對稱方式創(chuàng)建的板或骨材，在Prd_part 中僅為1 條記錄，而其余2 張表則分開記錄。

對于表Inp_plate_att_db 和Prd_plate_att，都表示板的屬性信息，但前者記錄的是采用Internal structure 模式創(chuàng)建的板的相關(guān)數(shù)據(jù)，后者則記錄Shell and decks 模式下創(chuàng)建的板的相關(guān)數(shù)據(jù)。

3.4 表的關(guān)聯(lián)關(guān)系分析

由于用戶對數(shù)據(jù)需求的多樣性，單張數(shù)據(jù)表所含內(nèi)容往往不能涵蓋所有需求，通常需要從多張數(shù)據(jù)表中提取信息。因此，表的關(guān)聯(lián)關(guān)系的分析是基于底層數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)的關(guān)鍵。船體結(jié)構(gòu)主要表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖4 所示。

從圖中可以看出，屬性表、基礎(chǔ)表以及不同屬性表之間都是通過各種Oid 關(guān)聯(lián)在一起。例如，如果要找出表Inp_single_part 中某條記錄所對應(yīng)骨材的截面類型，則可通過關(guān)聯(lián)關(guān)系Inp_single_part.kse_oid=Std_profile.oid 找到表Std_profile 中 相應(yīng)的記錄條，讀取所需的截面信息。

圖4 船體結(jié)構(gòu)主要表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.4 The relationship of main datasheets of hull structure

4 材料屬性分析示例

根據(jù)前文的分析，表Inp_single_part_db 僅包含F(xiàn)HULL 模塊所創(chuàng)建的結(jié)構(gòu)件的屬性信息，并且屬性信息較多。因此，可將該表作為結(jié)構(gòu)件材料屬性分析的主表，即從該表出發(fā)解析出每條記錄對應(yīng)結(jié)構(gòu)件的材料屬性。其分析的思路和方法如圖5 所示。

圖5 材料屬性分析方法Fig.5 The analysis method of material attributes

根據(jù)3.3 節(jié)表差異性分析的結(jié)果，選擇表Inp_single_part_db 的字段Kse_oid 作為判斷結(jié)構(gòu)件類型的依據(jù)。首先，對該值進(jìn)行判斷，即如果其值為空，則說明該記錄條表示的是板的數(shù)據(jù)；反之，則表示的是骨材的數(shù)據(jù)。然后，根據(jù)判斷的結(jié)果，分別分析骨材和板的材料屬性。

1）骨材材料屬性的分析。

首先，通過表Inp_single_part_db 和表Std_pro?file 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，查找到Std_profile.materi?al_oid；再通過表Std_profile 和表Material之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，查找到Material.code，該字段的值即為材料屬性。

關(guān)聯(lián)關(guān)系：

Inp_single_part_db.kse_oid=Std_profile.oid

Std_profile.material_oid=Material.oid

2）板材料屬性的分析。

根據(jù)前文的分析結(jié)果，板因在FHULL 模塊中創(chuàng)建模式的不同，其Material_oid 分別存儲在表Prd_plate_att 和Inp_plate_att_db 中。因此，先要對Inp_single_part_db.part_type 的值進(jìn)行判斷，其值為9，說明該板是在Shell and decks 模式下創(chuàng)建；反之，則說明板是在Internal structure 模式下創(chuàng)建。

（1）對于在Shell and decks 模式下創(chuàng)建的板，先通過表Inp_single_part_db 和表Prd_plate_att 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系查找到Prd_plate_att.material_oid，然后通過表Prd_plate_att 和表Material 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系查找到Material.code，獲取板的材料屬性。

其關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

Inp_single_part_db.prd_part_oid=

Prd_plate_att.prd_part_oid

Prd_plate_att.material_oid=Material.oid。

（2）對于在Internal structure 模式下創(chuàng)建的板，先通過表 Inp_single_part_db 和 表Inp_plate_att_db 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系查找到Inp_plate_att_db.material_oid，然后通過表Inp_plate_att_db 和表Material 之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系查找到Material.code，獲取板的材料屬性。

其關(guān)聯(lián)關(guān)系為：

Inp_single_part_db.prd_part_oid=

Inp_plate_att_db.inp_part_oid

Inp_plate_att_db.material_oid=Material.oid。

至此，便可分析出所有骨材和板的材料屬性。

5 結(jié) 語

根據(jù)對FORAN 系統(tǒng)FHULL 模塊船舶結(jié)構(gòu)相關(guān)數(shù)據(jù)表的分析結(jié)果，參考材料屬性的分析方法，可以解析出結(jié)構(gòu)模型所有重要的屬性信息?；谶@些數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)重量重心、材料需求等的統(tǒng)計匯總，甚至可以通過結(jié)構(gòu)的重心和空間位置統(tǒng)計出結(jié)構(gòu)的重量分布。這些需求和用途是超出軟件本身功能之外的。

此外，在HULL 模塊中，結(jié)構(gòu)件有時會出現(xiàn)異常錯誤，造成模型無法讀取，且無法從用戶界面進(jìn)行錯誤處理。結(jié)合結(jié)構(gòu)底層數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，可以確定跟實(shí)體結(jié)構(gòu)件密切相關(guān)的表，以及他們之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，基于此，可以直接從數(shù)據(jù)庫對發(fā)生異常錯誤的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行處理。

因此，對結(jié)構(gòu)底層數(shù)據(jù)的研究結(jié)果是基于結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行二次開發(fā)以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度利用的基礎(chǔ)和前提。同時，對結(jié)構(gòu)底層數(shù)據(jù)的研究思路和方法可為其他專業(yè)模塊底層數(shù)據(jù)的研究提供有益參考。

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