戰(zhàn)翌婷， 費夢茹

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

基于知識庫的船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)研發(fā)

戰(zhàn)翌婷1， 費夢茹2

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

基于船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件知識表達與組織機構(gòu)的研究，結(jié)合數(shù)字化設(shè)計技術(shù)與RPD開發(fā)思想，提出支持快速設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型庫的概念及其組織結(jié)構(gòu)。利用知識表達建立船舶的類型庫，以模型庫來封裝船體結(jié)構(gòu)數(shù)字設(shè)計功能，用分布式數(shù)據(jù)庫管理船舶信息，并以此開發(fā)了原型軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了全船結(jié)構(gòu)三維實體模型的快速設(shè)計和修改，通過一艘實船模型的建立得到了驗證。

船體結(jié)構(gòu)；RPD；數(shù)字設(shè)計；模型庫

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機處理的已不僅僅是文字或圖形，對于一個船舶設(shè)計對象，要完整描述它也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不僅僅是它的幾何圖形，還需要描述它的裝配關(guān)系、材料特征、功能特征等等，這些信息在計算機中可統(tǒng)稱為數(shù)字信息。用數(shù)字信息描述的工程對象稱之為對象的數(shù)字化模型[1]。船舶行業(yè)也在大力發(fā)展數(shù)字化設(shè)計與制造，而船舶的數(shù)字化就是以造船過程的知識融合為基礎(chǔ)，以數(shù)字化建模仿真與優(yōu)化為特征，將信息技術(shù)全面應(yīng)用于船舶的產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造、管理、經(jīng)營和決策的全過程，最終達到快速設(shè)計、快速建造、快速檢測、快速響應(yīng)和快速重組的目的[2]。如何采用數(shù)字化技術(shù)使船舶的設(shè)計過程得到最大限度的提高，是本文研究的出發(fā)點。而知識庫技術(shù)完全可以作為輔助船舶設(shè)計和分析的工具，來彌補數(shù)字化技術(shù)在知識推理方面的缺陷。德國羅斯托克大學(xué)開發(fā)了基于知識的船體結(jié)構(gòu)元素設(shè)計，通過從知識庫提取知識,并提供應(yīng)用工具來推斷或計算船舶設(shè)計的基本參數(shù)[3]。尤其在新船型的設(shè)計和開發(fā)中，需要很多專業(yè)知識或規(guī)則，如果能把智能設(shè)計過程融入船舶設(shè)計中，將所需知識存儲在知識庫中，可自動或輔助生成一個新的設(shè)計方案，并通過數(shù)字化手段快速建立可供分析計算的數(shù)字模型，以此來發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題并糾正。滿足快速設(shè)計和快速響應(yīng)修改，由此避免了不必要的時間浪費，提高工作效率，縮短設(shè)計周期，快速高效地完成船舶設(shè)計任務(wù)，也避免了船舶設(shè)計人員在學(xué)習(xí)軟件和使用軟件方面的時間浪費，可以把全部精力投入到船舶設(shè)計過程中來。

1 設(shè)計思想

船舶設(shè)計中大量的知識都存儲在工程師的頭腦中，如何把這些知識挖掘出來，加以整理，給予儲存和繼承是本文研究的核心內(nèi)容。知識是經(jīng)過整理、解釋、選擇和轉(zhuǎn)換的信息，知識的框架表示法可以看成是給一個或一類對象提供結(jié)構(gòu)化表示的特性表的推廣。在框架下設(shè)有若干個結(jié)構(gòu)，有對應(yīng)的取值，即表示特征的值?？蚣鼙硎痉ㄔ诒硎局R的過程中自然形成了一個層次，使對知識的描述可以更具體和詳細(xì)。因此，項目基于框架表示法來進行知識的定義和表達的研究。

設(shè)想把多類船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計過程簡化定義成由庫系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計封裝。庫是將程序按功能劃分的邏輯單元，是經(jīng)常使用的設(shè)計功能的封裝。設(shè)計中要解決庫與庫之間并聯(lián)關(guān)系的設(shè)計與分析，庫與庫之間如何相互提供服務(wù)。同時庫應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格的接口，來限制非法數(shù)據(jù)使用屬性過程。如何去定義庫的這些接口和輸入輸出，以及在各個庫文件里定義相應(yīng)的功能類作為各個設(shè)計過程的抽象定義。所以需要對以庫為基礎(chǔ)的整個系統(tǒng)框架的構(gòu)建方法進行研究。設(shè)計船舶產(chǎn)品時，最初考慮此船的主要性能指標(biāo)，然后才考慮實現(xiàn)這些性能的幾何結(jié)構(gòu)，所以在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段，即概念設(shè)計階段，就將產(chǎn)品的主要功能、關(guān)鍵約束、配合關(guān)系等重要信息確定下來。然后根據(jù)船東的設(shè)計要求，確定船舶的主要參數(shù)，據(jù)此調(diào)用基本模型庫中的模型通過構(gòu)件組合和相應(yīng)的參數(shù)驅(qū)動，生成船舶三維模型。首先構(gòu)架結(jié)構(gòu)的整體框架模型，再依次進行分段和構(gòu)件的詳細(xì)設(shè)計。由于框架模型中多層次分布的骨架包含了整個結(jié)構(gòu)模型的主要定位和參數(shù)，這種設(shè)計思路提升了設(shè)計人員對船舶結(jié)構(gòu)的整體設(shè)計能力。此時所對應(yīng)的快速包含兩個含義，一個是模型的快速建立；一個是無須設(shè)計人員過多操作。設(shè)計者只需要輸入主要參數(shù)，其余由計算機自動建立模型。主要考慮參數(shù)化設(shè)計技術(shù)下，所有幾何等特征均通過可變尺寸參數(shù)和約束來控制，尺寸和約束的改變將能快速驅(qū)動相關(guān)三維模型的關(guān)聯(lián)性變更。在數(shù)字模型建立的同時自動增加特征信息，并將得到各種信息保存在數(shù)據(jù)庫中，同樣無須任何人為操作。實現(xiàn)數(shù)字化信息的全方位管理與應(yīng)用。針對此設(shè)計思想，本文提出了快速設(shè)計庫的概念和主要框架。

2 快速設(shè)計庫的設(shè)計

首先根據(jù)設(shè)計要求從知識庫中提取相對應(yīng)的母型船；再根據(jù)母型船和設(shè)計者的經(jīng)驗生成新設(shè)計船舶的主要結(jié)構(gòu)框架；然后根據(jù)規(guī)則庫里的規(guī)范推導(dǎo)出此框架下的主要設(shè)計參數(shù)；最后對快速建立起的結(jié)構(gòu)模型進行強度分析和有限元校核，并將獲得的新結(jié)構(gòu)實例存入母型庫。采用庫結(jié)構(gòu)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上定義系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)。

如圖1所示，把船體結(jié)構(gòu)設(shè)計過程簡化定義成由四庫系統(tǒng)構(gòu)成的設(shè)計封裝，即儲存主要船舶類型信息的知識庫，分成類型庫和規(guī)則庫兩個部分；存儲主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計過程的模型庫；儲存標(biāo)準(zhǔn)型材信息的型材庫以及對所有數(shù)據(jù)信息進行管理的數(shù)據(jù)庫。設(shè)計人員通過類型庫從數(shù)據(jù)庫中檢索并匹配合適的母型船，通過框架表示法定義出船舶的結(jié)構(gòu)型式，并將所得到的設(shè)計參數(shù)放到規(guī)則庫檢驗后生成不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)傳遞到模型庫，構(gòu)件的幾何拓?fù)湫畔⒈槐４嬖跀?shù)據(jù)庫中。構(gòu)件建立時通過型線處理模塊得到其對應(yīng)船體曲面處的形狀曲線，并根據(jù)此形狀曲線繪出精確對應(yīng)此船舶形狀的構(gòu)件輪廓線，來建立構(gòu)件的三維模型。用戶只需通過造型系統(tǒng)的交互界面輸入設(shè)計參數(shù)，得到的是三維模型和數(shù)據(jù)信息。下文將詳細(xì)介紹系統(tǒng)中各庫的設(shè)計。

3 規(guī)則庫的設(shè)計

船舶規(guī)則庫主要是基于規(guī)范和經(jīng)驗的知識表示，把設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計規(guī)則的結(jié)構(gòu)和方法定義成規(guī)則類，把具體的規(guī)則定義成規(guī)則類的實體，用這些規(guī)則實體構(gòu)建動態(tài)表從而組成知識庫，通過規(guī)則庫得到最后的設(shè)計參數(shù)。規(guī)則類由規(guī)則編號，規(guī)則重要程度、約束類型、約束編號、公式編號、結(jié)論等組成。規(guī)則類中的公式是規(guī)則計算的核心，對應(yīng)公式類，公式類中包括計算參數(shù)和計算結(jié)果，計算參數(shù)從數(shù)據(jù)庫中得到，計算結(jié)果返回到規(guī)則類中，作為規(guī)則庫中的結(jié)論輸出。

如圖2所示，對船舶設(shè)計過程進行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，把一切用到的公式、經(jīng)驗、規(guī)則都做計算機處理。首先母型船的參數(shù)被輸入到數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計者輸入檢索要求就可以得到相關(guān)信息，再由設(shè)計者指定變換公式，得到設(shè)計船的主要參數(shù)。根據(jù)母型船的型線由程序通過變換直接建立設(shè)計船的型線并光順處理。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)母型船結(jié)構(gòu)參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范得到新設(shè)計船的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進行校核和有限元計算，對不滿足規(guī)則要求的參數(shù)進行調(diào)整，直至滿足要求為止。得到設(shè)計參數(shù)后可利用程序快速建立起全船3D結(jié)構(gòu)模型，來得到中縱強度等需求的圖紙和信息，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合和設(shè)計主要在類型庫中進行。

4 類型庫的設(shè)計

類型庫是用框架表示法的多層次結(jié)構(gòu)，以類型匹配和相關(guān)知識分析，定義出船舶的結(jié)構(gòu)型式。即將知識庫中存在的船舶類型下的結(jié)構(gòu)定義成知識單元，單元中對應(yīng)的各個構(gòu)件定義為具體知識。當(dāng)給出船舶資料進行知識定義時，建立知識的更新與淘汰機制。用知識活性來描述知識單元的重要程度。并以知識價值為表征，知識價值越大，表明該結(jié)構(gòu)知識單元的活性越高。最終在知識庫中儲存大量的船舶典型結(jié)構(gòu)的數(shù)字化建立過程，選擇了一類知識單元就確定了船舶結(jié)構(gòu)構(gòu)件的組合方式，以及構(gòu)件的位置和裝配關(guān)系。類型庫設(shè)計中把大量的不同類型的船舶結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程劃分成由各種構(gòu)件組合而成的形式，來封裝各種類型船舶的設(shè)計過程。把這些過程作為結(jié)構(gòu)化的特性表的擴展，每類結(jié)構(gòu)采用一個框架表示，每個框架有一個框架名，表示要描述的內(nèi)容，在框架下設(shè)有若干個子結(jié)構(gòu)，有對應(yīng)的取值，即結(jié)構(gòu)參數(shù)。設(shè)計中先定義出一類船的結(jié)構(gòu)化表示，每個基本結(jié)構(gòu)類型定義成一個框架，在框架下設(shè)有若干個結(jié)構(gòu)構(gòu)件對象，及此對象的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過繼承、引用和派生得到可以應(yīng)用的船舶結(jié)構(gòu)類。這樣在結(jié)構(gòu)的設(shè)計和建模過程中自然形成了一種層次，使對船舶設(shè)計過程的描述即可以很概括，抽象，也可以很具體，詳細(xì)。

如圖3所示，整個設(shè)計過程從確定目標(biāo)，即參數(shù)信息；到設(shè)計方案，通過類型庫得到結(jié)構(gòu)形式；一直到評價方案，校核計算的過程。由設(shè)計者給出基本設(shè)計參數(shù)，從中抽取符合設(shè)計規(guī)范的快速設(shè)計所需要的參數(shù)，由類型庫生成結(jié)構(gòu)形式框架，以此框架順序給出參數(shù)調(diào)用構(gòu)件庫的構(gòu)件建立模型，快速建立起3D結(jié)構(gòu)模型，再進行計算和分析的過程。選擇了一種類型就確定了一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件模型的組合方式，如油船，散貨船等，然后選擇基本結(jié)構(gòu)形式，這樣確定了基本的構(gòu)件和這些構(gòu)件的位置，組合關(guān)系，類型庫再通過傳遞參數(shù)調(diào)用各獨立的構(gòu)件庫中對應(yīng)的構(gòu)件類文件。

圖2 規(guī)則庫設(shè)計流程

圖3 類型庫設(shè)計流程

5 構(gòu)件庫設(shè)計

構(gòu)件庫就是船體各個構(gòu)件的數(shù)字模型的建立過程的封裝。船舶結(jié)構(gòu)模型單從結(jié)構(gòu)角度講可看作由總段裝配而成的結(jié)構(gòu)物；而總段又是由各個分段按一定結(jié)構(gòu)順序裝配而成；分段是由大的構(gòu)件按照結(jié)構(gòu)規(guī)則進行裝配，大的結(jié)構(gòu)可具體拆分成小的構(gòu)件，如縱骨、肋骨等[4]。因此先將船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件按照其數(shù)字模型的類型進行分類，分類后形成各結(jié)構(gòu)類構(gòu)件。再對各結(jié)構(gòu)類進行搭積木式的排列組合，每個結(jié)構(gòu)類型都定義成組件類，調(diào)用建立的組件函數(shù)和約束，通過設(shè)計參數(shù)的傳遞來建立結(jié)構(gòu)的數(shù)字模型。需預(yù)先定義好知識庫中結(jié)構(gòu)框架對結(jié)構(gòu)構(gòu)件對象的完全映射，并封裝最基本的構(gòu)件類，每個組件中都包括構(gòu)件基本類，定義構(gòu)件的最基本屬性，如幾何形狀，定義參數(shù)，拓?fù)潢P(guān)系，關(guān)聯(lián)關(guān)系，母構(gòu)件鏈表，附屬特征鏈表等。而后通過構(gòu)件基本類的擴展來構(gòu)建子構(gòu)件類。不同的船舶類型共享同一模型庫文件，根據(jù)不同的類型進行不同的組合方式。

如圖4所示，從類型庫中傳遞結(jié)構(gòu)框架和此框架所對應(yīng)的構(gòu)件參數(shù)，并按照框架依次調(diào)用模型庫中對應(yīng)的構(gòu)件類文件，通過傳遞設(shè)計參數(shù)給類文件，進行幾何建模，生成實體模型。當(dāng)設(shè)計人員修改關(guān)鍵變量后，其他相關(guān)變量重新計算，生成新的變量。模型庫里把構(gòu)件的變量化設(shè)計過程封裝成類文件，定義在組件庫里，提供接口，供類型庫調(diào)用。建立的模型，直接計算出剖面模數(shù)和總縱強度。對于構(gòu)件的特征操作是選擇構(gòu)件進行設(shè)計，保存操作類型和模型并對操作的構(gòu)件進行關(guān)聯(lián)保存。建立后構(gòu)件的幾何信息和特征信息被保存在數(shù)據(jù)庫中。

圖4 構(gòu)件庫設(shè)計流程

6 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

采用DPDM (Digital Product Data Management)來管理數(shù)據(jù)信息，DPDM以軟件為基礎(chǔ)，以產(chǎn)品為核心，以數(shù)字化為手段，實現(xiàn)對數(shù)字產(chǎn)品的相關(guān)的數(shù)據(jù)，過程，資源一體化集成管理技術(shù)[5]。系統(tǒng)把存在拓?fù)涞臉?gòu)件之間建立起聯(lián)系，這種聯(lián)系可以是一對一，也可以是一對多。在數(shù)據(jù)庫設(shè)計中單一繼承的泛化關(guān)系可以對子類分別映射表，也可以不定義父類表而讓子類表擁有父類屬性；反之，也可以不定義子類表而讓父類表擁有全部子類屬性。但是對于相同的結(jié)構(gòu)模型在船舶生命周期的不同階段可能具有不同的特征信息和管理信息，所以需要在以模型和數(shù)據(jù)管理的二維信息管理的基礎(chǔ)上加入時間維實現(xiàn)三維空間的船舶信息開發(fā)和模型顯示。通過直接建立的三維模型，應(yīng)用數(shù)據(jù)管理和虛擬顯示技術(shù)增加時間顯示的產(chǎn)品進程顯示。主要用于生產(chǎn)設(shè)計中查看產(chǎn)品的進度，和管理階段查看構(gòu)件的更換情況。以設(shè)計階段的時間維、數(shù)據(jù)表格的信息維、船體結(jié)構(gòu)的模型維相關(guān)聯(lián)，時間維對應(yīng)各設(shè)計階段的各個具體時間段，信息維對應(yīng)數(shù)據(jù)庫中儲存的數(shù)據(jù)表信息，模型是指建立的三維船舶模型，在不同階段有不同的設(shè)計信息，不同的設(shè)計信息表示為模型的不同特征組合。

7 船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計實例

上文研究船舶結(jié)構(gòu)的表達方法，實現(xiàn)模型在計算機中的表示，儲存所有構(gòu)件的建立過程，并設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)件三維模型庫。從庫中可以直接調(diào)用已有構(gòu)件模型，通過賦值給接口參數(shù)建立起相應(yīng)的構(gòu)件，這里的接口參數(shù)通過結(jié)構(gòu)體進行傳遞，結(jié)構(gòu)體是在系統(tǒng)的參數(shù)定義模塊中定義，引用時必須先初始化，得到參數(shù)的構(gòu)件類文件進行實例化和擴展處理，生成各構(gòu)件文件。不同的船舶類型共享同一模型庫文件，根據(jù)不同的類型進行不同的組合方式。整體合攏裝配時候，先按照小的分段裝配，再按照艙段生成大的分段，最后生成整船的三維模型。

圖5顯示的是一艘散貨船的結(jié)構(gòu)模型，由各個分段裝配成，如#41-#75，#75-#111等，這些分段是由大構(gòu)件和基本構(gòu)件裝配成。

圖5 船體的結(jié)構(gòu)模型

8 結(jié) 束 語

本文對基于知識庫設(shè)計船舶數(shù)字化模型的方法進行研究，提出基于庫結(jié)構(gòu)的解決辦法，在虛擬的環(huán)境中對船舶進行設(shè)計，避免了不必要的建模時間浪費，也避免了船舶設(shè)計人員在學(xué)習(xí)軟件和使用軟件方面的時間浪費，可以把全部精力投入到設(shè)計過程中來。

[1] 張祥瑞, 何援軍, 嚴(yán)家文. 船體主要結(jié)構(gòu)三維實體模型快速建模方法研究[J]. 東華大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2005, 31(4): 6-10.

[2] 張 雷, 劉光復(fù), 胡 迪. 基于實例推理的產(chǎn)品配置設(shè)計研究[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2008, 31(6): 847-850.

[3] Hao Cui, Turan O, Sayer P. Learning-based ship design optimization approach [J]. Computer-Aided Design, 2012, 44(1): 186-195.

[4] 巍莉潔. 船舶結(jié)構(gòu)與制圖[M]. 北京: 人民交通出版社, 2006: 16-18.

[5] 周祖德. 數(shù)字制造[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004: 6-10.

Research on the Rapid Design System of Ship Structure

Zhan Yiting1, Fei Mengru2
(Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China )

Based on the research of the ship structural members knowledge representation and organization mechanism, combining with digital design technique and RPD development thinking, the concept of structural model library to support rapid design and its organizational structure are put forward. Through building a ship′s type library by using the presentation of knowledge and encapsulating the digital design functionality of the hull structure by using model library and also using distributed database to manage the ship information, a prototype software system is developed. The system achieves rapid design and modification of the three-dimensional solid model of the ship structure, which is demonstrated with a real ship model.

ship structural; RPD; digital design; model library

TP 391.9

A

2095-302X (2014)02-0230-06

2013-04-03；定稿日期：2013-06-08

上海大學(xué)生創(chuàng)新活動計劃資助項目（CXS201108017）

戰(zhàn)翌婷（1980-），女，上海人，講師。主要研究方向為船舶數(shù)字化設(shè)計與制造等。E-mail：ytzhan@shmtu.edu.cn