摘" " 要：本文以船舶電氣智能設(shè)計為切入點，研究了船舶電氣智能化信息及船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)需求，提出了船舶電氣智能設(shè)計數(shù)字化信息模型的構(gòu)成、船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)框架以及船舶電氣數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)架，可為船舶電氣智能設(shè)計實際應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：船舶電氣；智能設(shè)計；數(shù)字化信息；模型

中圖分類號：U665" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Research on Digital Information Model for Intelligent

Design of Ship Electrical Systems

XIONG Jiguo，" XIONG Yuanyuan

（ COSCO Shipping Heavy Industry （Zhoushan） Co.，Ltd.，" Zhoushan 316131， China ）

Abstract： This article takes the intelligent design of ship electrical systems as the starting point， studies the information of ship electrical intelligence and the requirements of ship electrical intelligence design systems， and proposes the composition of a digital information model for ship electrical intelligence design， the framework of a ship electrical intelligence design system and the architecture of a ship electrical digital information database， which can provide theoretical basis and technical support for the practical application of ship electrical intelligence design.

Key words：" ship electrical;" intelligent design;" digital information; mode

1" " "引言

船舶的設(shè)計和制造是一個非常復(fù)雜的過程，需要投入大量的人力、物力和財力。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，船舶制造業(yè)正在朝著智能化和數(shù)字化的方向發(fā)展。在這個背景下，研究船舶的電氣智能設(shè)計和數(shù)字化信息模型，對于推進(jìn)船舶制造業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型具有重要意義。一方面，電氣自動化技術(shù)在船舶制造業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。船舶作為一個復(fù)雜的系統(tǒng)，其動力、通訊、控制、導(dǎo)航等諸多方面都需要依賴電氣技術(shù)，研究數(shù)字化信息模型，可以更好地設(shè)計智能化的船舶電氣系統(tǒng)，提高系統(tǒng)的可靠性和智能化水平。另一方面，數(shù)字化設(shè)計技術(shù)的發(fā)展為船舶電氣智能設(shè)計提供了新的思路。建立數(shù)字化的船舶信息模型，不僅可以增強(qiáng)設(shè)計的精細(xì)化，也可以通過仿真模擬驗證設(shè)計方案，降低試錯成本。此外，數(shù)字化信息模型還可以與先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)船舶系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能控制。

2" " "船舶電氣智能信息的構(gòu)成

2.1" "船舶電氣數(shù)字化信息模型的現(xiàn)狀

當(dāng)前船舶電氣系統(tǒng)設(shè)計主要依靠三維建模軟件，這些軟件可以較為直觀地呈現(xiàn)船舶電氣設(shè)備的立體模型。但是，這種設(shè)計方式過于注重模型的外觀形態(tài)，往往忽略了設(shè)備的功能性信息。以電氣設(shè)備為例，三維模型包含的信息僅限于名稱、重量、材料等基本屬性，很少涵蓋工作參數(shù)、防護(hù)等級、使用壽命等與功能息息相關(guān)的信息。這使得依靠三維建模軟件設(shè)計的數(shù)字信息模型，存在信息不全面、不精確的問題。要構(gòu)建真正智能化的船舶電氣數(shù)字信息模型，必須緊緊圍繞設(shè)備的使用功能出發(fā)，通過參數(shù)化建模的方式，將設(shè)備的工作特性、環(huán)境適應(yīng)性、維護(hù)規(guī)律等信息融入數(shù)字模型。與此同時，不同電氣設(shè)備之間的匹配關(guān)系、系統(tǒng)協(xié)同性等更高層次的信息也應(yīng)當(dāng)成為建模的內(nèi)容。借助數(shù)字孿生、仿真等前沿技術(shù)手段，可以驗證模型的正確性，實現(xiàn)對船舶電氣系統(tǒng)的全生命周期智能管理。

2.2" "電氣智能設(shè)計數(shù)字化信息模型的構(gòu)成

1）任務(wù)設(shè)定方面。構(gòu)建船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)，需要明確電氣智能信息的組成內(nèi)容和構(gòu)成方式。首先，電氣智能信息包含設(shè)備參數(shù)、性能指標(biāo)、匹配關(guān)系等功能性信息。這些信息來源于對電氣設(shè)備的測試分析，是實現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。其次，電氣智能信息包含任務(wù)規(guī)劃、資源調(diào)配、數(shù)據(jù)交流等流程性信息[1]。這些信息可以指導(dǎo)智能系統(tǒng)有效調(diào)度資源、優(yōu)化設(shè)計流程。再次，電氣智能信息要實時更新，來自新設(shè)備的開發(fā)應(yīng)用和現(xiàn)有設(shè)備的維護(hù)使用。最后，電氣智能信息構(gòu)成要滿足標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化的要求，方便不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與集成。

在電氣智能信息構(gòu)成中，一方面要收集充分的設(shè)備數(shù)據(jù)，建立完備的功能模型;另一方面要設(shè)定清晰的任務(wù)流程，對資源與流程進(jìn)行智能調(diào)度。電氣智能信息構(gòu)成需要電氣、計算機(jī)、通信等多領(lǐng)域協(xié)同，遵循統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)與交換標(biāo)準(zhǔn)，支持船舶電氣系統(tǒng)的協(xié)同智能。構(gòu)建高質(zhì)量的電氣智能信息模型，是實現(xiàn)船舶電氣智能設(shè)計的關(guān)鍵，如圖1所示。

2）設(shè)計環(huán)節(jié)。在船舶電氣智能設(shè)計過程中，要合理規(guī)劃設(shè)計團(tuán)隊的分工與協(xié)作，充分發(fā)揮電氣智能信息的支撐作用[2]。具體來說，可以由系統(tǒng)設(shè)計組負(fù)責(zé)確定船舶電氣系統(tǒng)的總體框架和功能指標(biāo)，提出船舶電氣智能化的設(shè)計需求。設(shè)備設(shè)計組根據(jù)設(shè)計需求，搜集設(shè)備性能參數(shù)，建立電氣設(shè)備的數(shù)字化信息模型。軟件開發(fā)組則依托設(shè)備信息模型，開發(fā)電氣系統(tǒng)的智能控制、監(jiān)測、優(yōu)化算法。數(shù)據(jù)分析組基于海量運維數(shù)據(jù)，持續(xù)優(yōu)化設(shè)備信息模型和控制算法。通過各專業(yè)團(tuán)隊的分工協(xié)作，可以高效構(gòu)建精細(xì)化的電氣智能信息模型。在分工協(xié)作過程中，要建立標(biāo)準(zhǔn)化的模型表達(dá)方式，明確信息傳遞接口，保證不同組間信息互通互聯(lián)。同時，要制定設(shè)計評審制度，完善質(zhì)量管理體系，對設(shè)計成果進(jìn)行全面審核。重要的是落實人員的責(zé)任制，各組人員在電氣智能信息構(gòu)成中負(fù)責(zé)對應(yīng)模塊的設(shè)計與優(yōu)化?？沙掷m(xù)的設(shè)計理念要貫穿始終，通過持續(xù)優(yōu)化電氣智能信息模型，實現(xiàn)船舶電氣系統(tǒng)的持續(xù)適應(yīng)性。總之，船舶電氣智能設(shè)計需要多方協(xié)同參與電氣智能信息的構(gòu)建。合理的分工與協(xié)作有利于提高設(shè)計效率，降低成本。優(yōu)化的管理與評審機(jī)制可以保證設(shè)計質(zhì)量。充分發(fā)揮團(tuán)隊成員作用是電氣智能信息有效構(gòu)成的保障。

3）電氣功能和模塊信息方面，這涉及到資料收集[3]。構(gòu)建船舶電氣系統(tǒng)的智能化，需要收集電氣設(shè)備和功能模塊的全面信息。這些信息可以分為文檔信息和參數(shù)信息兩大類。文檔信息包括設(shè)備說明書、規(guī)格書、系統(tǒng)圖、布置圖、計算書和材料表等[4]。這些提供了設(shè)備的工作原理、接口參數(shù)、使用材料等詳盡文字及圖形信息。文檔信息是實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的基礎(chǔ)。參數(shù)信息則涵蓋設(shè)備的功能參數(shù)、精度指標(biāo)、響應(yīng)特性、損耗程度等數(shù)字信息。參數(shù)信息反映設(shè)備的實際工作特性。

收集電氣設(shè)備的文檔信息和參數(shù)信息，建立標(biāo)準(zhǔn)化的信息表達(dá)，是構(gòu)成電氣智能信息庫的首要環(huán)節(jié)。船舶電氣系統(tǒng)包含眾多模塊，只有對模塊的輸入輸出特性、功能響應(yīng)都有充分的了解，才能進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化配置和協(xié)調(diào)控制。與此同時，信息庫需要實時更新，收集新設(shè)備和更新現(xiàn)有設(shè)備的參數(shù)，以指導(dǎo)電氣系統(tǒng)的持續(xù)智能化升級。

總之，電氣智能信息構(gòu)成需要全面收集設(shè)備文檔和參數(shù)信息。標(biāo)準(zhǔn)化信息表達(dá)是支持設(shè)備協(xié)同與系統(tǒng)優(yōu)化的基礎(chǔ)。動態(tài)更新信息庫是保證船舶電氣智能化的關(guān)鍵。

3" " 船舶電氣化智能設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計

3.1" 系統(tǒng)設(shè)計功能需求分析

構(gòu)建船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)，需注重滿足智能設(shè)計的功能性需求。首先，系統(tǒng)需能夠搜集和處理大規(guī)模船舶設(shè)計數(shù)據(jù)，進(jìn)行智能化的參數(shù)估算和方案優(yōu)化，提高設(shè)計精度和質(zhì)量。其次，系統(tǒng)需能夠?qū)崿F(xiàn)船舶電氣系統(tǒng)的數(shù)字孿生和仿真模擬，驗證設(shè)計方案，優(yōu)化系統(tǒng)匹配，縮短設(shè)計周期。另外，系統(tǒng)需具備知識庫學(xué)習(xí)能力，通過不斷積累設(shè)計經(jīng)驗和規(guī)律，實現(xiàn)設(shè)計自動化。最后，系統(tǒng)需統(tǒng)一電氣設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，建立參數(shù)化設(shè)計流程，形成設(shè)計手冊、設(shè)備表等標(biāo)準(zhǔn)化出廠資料。

總體而言，船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)需具備數(shù)據(jù)驅(qū)動、數(shù)字孿生、知識自動學(xué)習(xí)和設(shè)計流程標(biāo)準(zhǔn)化等功能。系統(tǒng)設(shè)計要以提升設(shè)計效率、質(zhì)量、安全性為目標(biāo)，實現(xiàn)對設(shè)計全過程的智能決策和優(yōu)化。充分利用大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，賦能電氣工程設(shè)計，是船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)的發(fā)展方向。

3.2" "系統(tǒng)設(shè)計框架結(jié)構(gòu)分析

船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)可以采用模塊化的框架結(jié)構(gòu)。首先，系統(tǒng)需要設(shè)計友好的人機(jī)交互界面，通過該界面用戶可以輸入設(shè)計需求，配置設(shè)計參數(shù)，查看設(shè)計結(jié)果；其次，系統(tǒng)核心是基于優(yōu)化算法和知識庫的設(shè)計主程序，它承擔(dān)智能設(shè)計計算和優(yōu)化的任務(wù)；再次，系統(tǒng)需要包含標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)備參數(shù)數(shù)據(jù)庫和歷史案例資料庫，為主程序提供設(shè)計依據(jù)；最后，系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)具備參數(shù)化的設(shè)計流程和規(guī)范化的設(shè)計文檔生成功能。

這些系統(tǒng)模塊通過數(shù)字化集成平臺連接，共同完成船舶電氣方案設(shè)計。人機(jī)界面發(fā)出設(shè)計任務(wù)，主程序調(diào)用信息庫優(yōu)化設(shè)計，生成規(guī)范文檔。信息流在模塊間高效流轉(zhuǎn)，使復(fù)雜設(shè)計通過智能系統(tǒng)自動化完成。隨著應(yīng)用的不斷積累，系統(tǒng)可自動學(xué)習(xí)，不斷完善信息庫和設(shè)計程序，實現(xiàn)智能設(shè)計能力的持續(xù)進(jìn)化?？傊K化結(jié)構(gòu)、數(shù)字化集成是船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵。合理的框架設(shè)計可以降低系統(tǒng)開發(fā)難度，提高可擴(kuò)展性。數(shù)字化信息流的暢通是系統(tǒng)有效運作的基礎(chǔ)，智能算法和知識積累實現(xiàn)系統(tǒng)的自主優(yōu)化。

3.3" "數(shù)字化信息系統(tǒng)模型對智能設(shè)計的重要意義

數(shù)字化信息系統(tǒng)模型在船舶電氣智能設(shè)計中起著關(guān)鍵作用。首先，它實現(xiàn)了設(shè)計系統(tǒng)中的信息流通與交互，是系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)；其次，數(shù)字化集成可以優(yōu)化信息處理流程，防止信息遺漏和重復(fù)，提升設(shè)計效率；再次，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字化表達(dá)促進(jìn)系統(tǒng)間信息共享和冗余降低；最后，數(shù)字孿生和仿真試驗依賴數(shù)字化模型支持，有助提高設(shè)計質(zhì)量?？傊?，數(shù)字化系統(tǒng)集成是船舶電氣智能設(shè)計的信息支撐，對實現(xiàn)自動化和智能化設(shè)計意義重大[5]。

4" " "船舶電氣數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)架

構(gòu)建船舶電氣數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫，需要考慮數(shù)據(jù)庫的實用性和可擴(kuò)展性。首先，數(shù)據(jù)庫要能夠支持同一艘船上大量相同設(shè)備的信息存儲，可以建立通用設(shè)備部件表，不同設(shè)備實例通過部件編碼引用部件信息，降低數(shù)據(jù)冗余；其次，數(shù)據(jù)庫要能夠關(guān)聯(lián)設(shè)備參數(shù)信息和電纜連接關(guān)系，應(yīng)建立獨立的電纜信息表，通過編碼關(guān)聯(lián)設(shè)備和電纜；再次，數(shù)據(jù)庫還可以增加符號表，建立不同功能部件的通用符號，方便智能設(shè)計軟件調(diào)用；最后，文檔信息也可以納入數(shù)據(jù)庫管理，形成電氣設(shè)計說明書等文檔的數(shù)字化表達(dá)和管理。在數(shù)據(jù)庫具體實現(xiàn)時，要遵循第三范式，采用關(guān)系模型組織數(shù)據(jù)表，并針對船舶電氣特點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。數(shù)據(jù)庫要支持參數(shù)化查詢，提供開放接口，便于二次開發(fā)和信息共享?？傊?，船舶電氣數(shù)字化數(shù)據(jù)庫要綜合考慮實用性、可擴(kuò)展性、兼容性、開放性等方面需求，要識別設(shè)計信息的內(nèi)在聯(lián)系，以參數(shù)化和關(guān)聯(lián)方式建模。

5" " "船舶電氣數(shù)字化信息模型建設(shè)進(jìn)展

5.1" "國際進(jìn)展

在國際上，數(shù)字化信息模型在船舶電氣智能化設(shè)計中的應(yīng)用已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，廣泛應(yīng)用于船舶電氣智能設(shè)計中。許多先進(jìn)的船舶制造企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)已經(jīng)建立了完善的數(shù)字化設(shè)計體系，利用數(shù)字化信息模型進(jìn)行船舶電氣系統(tǒng)的設(shè)計、仿真和優(yōu)化。我司在船舶詳細(xì)設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計過程中，應(yīng)用數(shù)字化建模，推行CAD/CAE/CAPP/PDM（計算機(jī)輔助設(shè)計、計算機(jī)輔助工程、計算機(jī)輔助工藝規(guī)劃、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理）技術(shù)，以及數(shù)字化樣船技術(shù)、虛擬仿真設(shè)計和制造技術(shù)、異地協(xié)同設(shè)計技術(shù)等智能化設(shè)計技術(shù)。在設(shè)計階段，利用船舶設(shè)計軟件AM（Aveva Marine）實現(xiàn)船機(jī)電一體化設(shè)計，進(jìn)行數(shù)字模型評審，大幅提高設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，實現(xiàn)船舶殼、舾、涂一體化制造，達(dá)到船舶產(chǎn)品的敏捷制造和精益建造。我司不僅注重模型的精確性和完整性，還注重模型的實用性和可擴(kuò)展性，以適應(yīng)不斷變化的市場需求和技術(shù)發(fā)展。

5.2" "國內(nèi)現(xiàn)狀

在國內(nèi)，數(shù)字化信息模型在船舶電氣智能化設(shè)計中的應(yīng)用還處于起步階段，國內(nèi)也在積極探索數(shù)字化信息模型在船舶電氣智能設(shè)計中的應(yīng)用。雖然近年來我國在船舶制造業(yè)的信息化和智能化方面取得了一定進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平相比，仍存在較大差距。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1）技術(shù)創(chuàng)新能力不足：我國在數(shù)字化信息模型建設(shè)方面的自主創(chuàng)新能力相對較低，許多核心技術(shù)仍依賴進(jìn)口或模仿國外技術(shù)。這導(dǎo)致我國在數(shù)字化信息模型的精度、效率和應(yīng)用范圍等方面存在不足；

2）數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范不統(tǒng)一：由于缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，我國在數(shù)字化信息模型建設(shè)方面存在信息孤島和數(shù)據(jù)冗余等問題。這導(dǎo)致不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換和集成困難重重，影響了設(shè)計效率和準(zhǔn)確性；

3）專業(yè)人才短缺：隨著數(shù)字化信息模型在船舶電氣智能化設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，對專業(yè)人才的需求日益增加。然而，我國在相關(guān)領(lǐng)域的人才培養(yǎng)方面還存在不足，導(dǎo)致專業(yè)人才短缺和人才結(jié)構(gòu)不合理等問題。

5.3" "發(fā)展趨勢

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的不斷深入，數(shù)字化信息模型將在船舶電氣智能設(shè)計中發(fā)揮越來越重要的作用。數(shù)字化模型首先要實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化與參數(shù)化，模塊化與可擴(kuò)展性，智能化與自動化。其次要實現(xiàn)全生命周期管理，協(xié)同設(shè)計與信息共享和持續(xù)學(xué)習(xí)與進(jìn)化。最后要提升市場競爭力和船舶性能。

6" " 結(jié)語

隨著全球科技的不斷進(jìn)步，船舶電氣自動化領(lǐng)域正經(jīng)歷著前所未有的變革與發(fā)展。作為船舶制造行業(yè)的核心組成部分，電氣系統(tǒng)的智能化設(shè)計已成為提升船舶性能、增強(qiáng)市場競爭力的關(guān)鍵所在。本研究通過對船舶電氣智能設(shè)計數(shù)字化信息模型的深入探討，不僅揭示了數(shù)字化信息模型在船舶設(shè)計制造中的重要性，還為其實際應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。數(shù)字化信息模型不僅促進(jìn)了設(shè)計系統(tǒng)中的信息流通與交互，優(yōu)化了信息處理流程，降低了信息冗余，還能夠促進(jìn)設(shè)計團(tuán)隊之間的協(xié)同工作，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。通過構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字化信息模型，我們得以實現(xiàn)對船舶電氣系統(tǒng)的全生命周期管理，從設(shè)計、制造到運維，每一個環(huán)節(jié)都能夠得到智能化的支持和優(yōu)化。

未來，隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的不斷融入，船舶電氣智能設(shè)計數(shù)字化信息模型將發(fā)揮更加重要的作用，為船舶制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入新的活力。

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