雷洪濤，單小芬，諸周亮

(江南造船（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 江南研究院，上海 201913)

0 前 言

隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的飛速發(fā)展，參數(shù)化建模技術(shù)已成為全球最為普遍的應(yīng)用技術(shù)之一，已在航天、汽車等行業(yè)得到廣泛的研究和應(yīng)用，船舶行業(yè)由于其多樣性和復(fù)雜性，對該方面研究較少[1-2]。雖然已經(jīng)取得了部分成果，但仍存在對數(shù)字化設(shè)計(jì)知識管理重視不足、三維建模不充分、零件參數(shù)化程度底、產(chǎn)品模型可重用性差等問題。在船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，往往存在對已有模型進(jìn)行重用的情況，特別是一些模型存在既定的規(guī)范或設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，新創(chuàng)建的模型往往只需要更改部分參數(shù)或提供某些新的參數(shù)[3-4]。在此條件下，若能實(shí)現(xiàn)基于知識驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化模型創(chuàng)建，將極大地提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

針對上述問題，本文通過對船舶設(shè)備基座的研究，提出基于知識驅(qū)動(dòng)的設(shè)備基座參數(shù)化建模方法，將知識工程技術(shù)與參數(shù)化建模技術(shù)相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化、設(shè)計(jì)內(nèi)容的模板化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基座設(shè)計(jì)的高效性、精準(zhǔn)性。

1 知識工程及參數(shù)化設(shè)計(jì)概述

知識工程（簡稱KBE）是以知識信息為研究對象的新興學(xué)科，通過相應(yīng)的知識系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)知識的表達(dá)、獲取以及重用的技術(shù)和方法，主要用于人工智能、專家系統(tǒng)等領(lǐng)域[5-9]?；谥R工程的三維設(shè)計(jì)技術(shù)主要是將產(chǎn)品研發(fā)過程中涉及到的標(biāo)準(zhǔn)、經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)例等以知識庫形式集成起來，用以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)問題的自動(dòng)求解，是構(gòu)成智能化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[10]。

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)主要指將數(shù)字化模型的幾何約束、尺寸約束等信息通過參數(shù)相互關(guān)聯(lián)和約束控制，并將必要參數(shù)進(jìn)行提取，在建模設(shè)計(jì)過程中只需修改提取的參數(shù)，即可達(dá)到數(shù)字化模型快速創(chuàng)建的目的[11-13]。船舶設(shè)備基座具有結(jié)構(gòu)形式固定、相似性強(qiáng)的特點(diǎn)，可通過參數(shù)化建模的方式實(shí)現(xiàn)基座的快速設(shè)計(jì)，但僅憑參數(shù)化建模方法難以滿足復(fù)雜基座結(jié)構(gòu)的特征控制，多參數(shù)協(xié)調(diào)也只能通過人工干預(yù)的方式進(jìn)行判斷。

知識工程相關(guān)技術(shù)的引入，可有效改善參數(shù)化建模存在的不足，不僅可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)之間的相互關(guān)聯(lián)，減少單一參數(shù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的不便，還可方便地對模型全局特征進(jìn)行控制，同時(shí)也可通過知識工程方法對參數(shù)進(jìn)行參數(shù)驗(yàn)證，減少參數(shù)的輸入錯(cuò)誤[14]。從而解除工程師在設(shè)計(jì)過程中大量的查閱量和計(jì)算量，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

2 設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)原理

本文研究的基于知識工程的船舶設(shè)備基座參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，將知識工程技術(shù)與參數(shù)化建模技術(shù)進(jìn)行融合，進(jìn)而達(dá)到設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化、設(shè)計(jì)內(nèi)容的模板化的目標(biāo)。該方法首先分析船舶設(shè)備基座的模型特性，根據(jù)模型特征、參數(shù)化設(shè)計(jì)流程等明確基座設(shè)計(jì)要素；然后構(gòu)建基座設(shè)計(jì)所需的設(shè)計(jì)知識庫，知識庫重點(diǎn)包含結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)知識規(guī)則、模板化基座零部件模型等；最后研究基于知識驅(qū)動(dòng)的基座參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過知識工程技術(shù)獲取所需的模型參數(shù)和知識規(guī)則，基于參數(shù)化建模方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模型的快速生成，達(dá)到基座模型快速設(shè)計(jì)與創(chuàng)建的目的。

2.1 船舶設(shè)備基座模型特征分析

船舶產(chǎn)品由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，需安裝大量的設(shè)備，基座結(jié)構(gòu)樣式和安裝形式也根據(jù)設(shè)備安裝的需求而變化。本文通過對船舶典型基座特性要素進(jìn)行梳理和分析，明確基座設(shè)計(jì)分類依據(jù)和設(shè)計(jì)要求，提煉設(shè)計(jì)所需的結(jié)構(gòu)化、條目化知識規(guī)則，以及各類基座結(jié)構(gòu)特性，為基座知識庫構(gòu)建提供依據(jù)。通過梳理分析，按照基座安裝形式進(jìn)行分類，常用船舶設(shè)備基座類型形式如表1所示。

表1 常用船舶設(shè)備基座形式分類Tab. 1 Classification of common types of ship equipment pedestal

在基座數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，需充分考慮基座的設(shè)計(jì)樣式、力學(xué)性能、安裝位置、注意事項(xiàng)、材料選用等信息，從而來確定大部分船用基座的最優(yōu)形式。以高平面基座設(shè)計(jì)為例，在基座設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)樣式上支撐腳數(shù)應(yīng)大于4，且支撐腳間應(yīng)用角鋼相連接，保證支撐腳可以產(chǎn)生最大的穩(wěn)性，如圖1所示。力學(xué)性能方面，在設(shè)計(jì)過程中需滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，防止變形過大或結(jié)構(gòu)破壞的情況發(fā)生；安裝位置方面，一定要以船體上確定的平臺或甲板作為安裝平面，切勿選擇花鋼板、格柵等不確定的結(jié)構(gòu)為定位和安裝面；材料選用方面，一般的高平面基座選用角鋼材料為主，且面板、腹板寬度一般不超過100 mm，但是如果有特殊要求的可以采用圓管、板材拼接，但需注意強(qiáng)度要求。其他注意事項(xiàng)方面，基座設(shè)計(jì)需避免與其他專業(yè)產(chǎn)生干涉，高平面基座設(shè)計(jì)需充分考慮型材結(jié)構(gòu)與管路布置的空間利用，避免干涉產(chǎn)生。

圖1 高平面基座結(jié)構(gòu)形式Fig. 1 Structural form of high plane pedestal

2.2 船舶設(shè)備基座知識庫建立

知識工程技術(shù)的應(yīng)用離不開知識庫的底層服務(wù)支持，若實(shí)現(xiàn)基于知識工程的船舶設(shè)備基座參數(shù)化設(shè)計(jì)，首先要構(gòu)建基座知識庫。將知識庫中的各類知識進(jìn)行歸納、分類、整理，形成知識單元，并以計(jì)算機(jī)易于讀取和識別的邏輯表示方式進(jìn)行知識的存儲。本文研究的船舶設(shè)備基座知識庫的核心結(jié)構(gòu)主要為知識規(guī)則庫和參數(shù)化模型庫兩部分，知識庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 船舶設(shè)備基座設(shè)計(jì)知識庫結(jié)構(gòu)Fig. 2 Knowledge base structure of ship equipment pedestal design

基座的模型庫主要指根據(jù)基座分類規(guī)則，創(chuàng)建不同類型的基座參數(shù)化知識模型，并將該知識模型作為模型庫知識單元。知識模型在創(chuàng)建過程中對基座的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行規(guī)劃，通過參數(shù)化建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)基座模型的建立，知識模型可以通過參數(shù)、公式、規(guī)則等知識工程對象及各種對象的組合進(jìn)行表達(dá)。模型庫中的模型同時(shí)內(nèi)嵌規(guī)則庫中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、尺寸約束及結(jié)構(gòu)外形特征規(guī)則從而實(shí)現(xiàn)知識驅(qū)動(dòng)生成模型。

基座的規(guī)則庫主要指設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)例等知識的集合。設(shè)備基座的參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中，涉及大量的信息和數(shù)據(jù)，因此需要建立規(guī)則庫來存儲知識規(guī)則。知識規(guī)則庫的創(chuàng)建，主要是把設(shè)計(jì)過程中所涉及到的知識進(jìn)行收集和整理，并按照一定的格式進(jìn)行存儲，形成解決設(shè)計(jì)問題的約束準(zhǔn)則，達(dá)到滿足設(shè)計(jì)過程中按需調(diào)用的需求。

2.3 基于知識驅(qū)動(dòng)的基座參數(shù)化設(shè)計(jì)

基于知識驅(qū)動(dòng)的船舶設(shè)備基座設(shè)計(jì)方法，主要通過知識工程技術(shù)獲取基座設(shè)計(jì)所需的特征模型和參數(shù)，再通過知識的推理和重用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基座設(shè)計(jì)規(guī)則的表達(dá)，達(dá)到通過知識驅(qū)動(dòng)模型創(chuàng)建的目的。所涉及到的推理主要是指，按照單一典型的規(guī)則，推理出包含該規(guī)則的某一類推理過程。目前，知識工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的3種推理方式包括：基于規(guī)則的推理（RBR）、基于實(shí)例的推理（CBR），以及基于模型的推理（MBR）[15]。

本文研究的基于知識驅(qū)動(dòng)的船舶設(shè)備基座參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)方法所用到的推理技術(shù)融合了基于規(guī)則的推理和基于實(shí)例的推理，從而達(dá)到推理結(jié)構(gòu)更為精準(zhǔn)的效果。首先，采用基于實(shí)例的推理方式，基于知識工程的模板匹配技術(shù)，調(diào)用知識模板庫中的模板知識模型，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)模型的重用；再通過基于規(guī)則的推理方式，調(diào)用存放在規(guī)則庫中知識規(guī)則，從而獲取基座創(chuàng)建所需的各項(xiàng)約束參數(shù)和關(guān)系，并將參數(shù)和關(guān)系式傳遞至基座幾何模型，實(shí)現(xiàn)模型的快速生成。通過利用2種推理方式的結(jié)合，不僅可實(shí)現(xiàn)模型和知識的重用，還可準(zhǔn)確快速地定位到所需知識，從而達(dá)到基于知識驅(qū)動(dòng)的基座快速設(shè)計(jì)的目的?；谥R驅(qū)動(dòng)的船舶設(shè)備基座參數(shù)化建模原理框架如圖3所示。

圖3 基于知識工程的參數(shù)化設(shè)計(jì)構(gòu)架示意圖Fig. 3 Schematic diagram of parametric design based on knowledge engineering

基于知識驅(qū)動(dòng)的基座參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法，不僅實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的自動(dòng)化，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容的模板化。在基座模型的創(chuàng)建過程中，將設(shè)計(jì)過程分為若干傳承有序、相互制約、相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計(jì)模塊，并將各類設(shè)計(jì)知識進(jìn)行封裝，通過模板定義實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)過程所需知識的快速推送。同時(shí)，基于規(guī)則的推理方式還可驗(yàn)證輸入?yún)?shù)的準(zhǔn)確性，在參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中，若設(shè)計(jì)人員輸入錯(cuò)的參數(shù)或輸入內(nèi)容與建模規(guī)則產(chǎn)生沖突，可立即反饋修正信息，輔助設(shè)計(jì)人員修正設(shè)計(jì)。

2.4 設(shè)計(jì)方法系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

采用本文的船舶設(shè)備基座設(shè)計(jì)方法，參考參數(shù)化建模技術(shù)、特征建模技術(shù)、知識工程技術(shù)及CAD二次開發(fā)技術(shù)，可開發(fā)基于知識驅(qū)動(dòng)的船舶設(shè)備基座參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能不僅可實(shí)現(xiàn)基座標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)，同時(shí)支持對知識庫的可視化維護(hù)和管理、設(shè)計(jì)知識的檢索與推送功能。設(shè)計(jì)人員只需在設(shè)計(jì)平臺二次開發(fā)的人機(jī)交互界面輸入基座類型、基座參數(shù)、約束條件等信息，系統(tǒng)自動(dòng)完成設(shè)備基座的三維模型布置和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中還可實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)計(jì)知識的推送，輔助設(shè)計(jì)人員快速完成設(shè)計(jì)內(nèi)容。

系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)框架如圖4所示，該快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要基于CAD設(shè)計(jì)平臺進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)，通過面向?qū)ο?、模塊化、交互式的人機(jī)交互開發(fā)界面為設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)交互手段。建模設(shè)計(jì)過程中，開發(fā)程序與知識庫進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，系統(tǒng)自動(dòng)完成知識的獲取、模板調(diào)用、零件重組、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)等過程，最終完成基座模型的創(chuàng)建。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)可將研究的基座參數(shù)化設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)落地應(yīng)用，達(dá)到設(shè)計(jì)流程標(biāo)準(zhǔn)化、設(shè)計(jì)過程自動(dòng)化、設(shè)計(jì)內(nèi)容模板化的目的。

圖4 基座快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能整體框架Fig. 4 Functional framework of pedestal rapid design system

3 結(jié) 語

本文以船舶設(shè)備基座為研究對象，介紹一種基于知識驅(qū)動(dòng)的船舶設(shè)備基座參數(shù)化建模設(shè)計(jì)方法，該方法有效解決了參數(shù)化設(shè)計(jì)靈活度單一的問題，不僅實(shí)現(xiàn)了船舶設(shè)備基座模型的自動(dòng)創(chuàng)建，還實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)知識的積累與重用。有效提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，降低人工設(shè)計(jì)差錯(cuò)。該方法同時(shí)對船舶數(shù)字化設(shè)計(jì)研究具有一定的理論指導(dǎo)意義。