基于知识库的船舶结构设计系统研发

战翌婷， 费梦茹

（上海海事大学，上海 201306）

基于知识库的船舶结构设计系统研发

战翌婷1， 费梦茹2

（上海海事大学，上海 201306）

基于船舶结构构件知识表达与组织机构的研究，结合数字化设计技术与RPD开发思想，提出支持快速设计的结构模型库的概念及其组织结构。利用知识表达建立船舶的类型库，以模型库来封装船体结构数字设计功能，用分布式数据库管理船舶信息，并以此开发了原型软件系统，实现了全船结构三维实体模型的快速设计和修改，通过一艘实船模型的建立得到了验证。

船体结构；RPD；数字设计；模型库

随着计算机技术的发展，计算机处理的已不仅仅是文字或图形，对于一个船舶设计对象，要完整描述它也远远不仅仅是它的几何图形，还需要描述它的装配关系、材料特征、功能特征等等，这些信息在计算机中可统称为数字信息。用数字信息描述的工程对象称之为对象的数字化模型[1]。船舶行业也在大力发展数字化设计与制造，而船舶的数字化就是以造船过程的知识融合为基础，以数字化建模仿真与优化为特征，将信息技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程，最终达到快速设计、快速建造、快速检测、快速响应和快速重组的目的[2]。如何采用数字化技术使船舶的设计过程得到最大限度的提高，是本文研究的出发点。而知识库技术完全可以作为辅助船舶设计和分析的工具，来弥补数字化技术在知识推理方面的缺陷。德国罗斯托克大学开发了基于知识的船体结构元素设计，通过从知识库提取知识,并提供应用工具来推断或计算船舶设计的基本参数[3]。尤其在新船型的设计和开发中，需要很多专业知识或规则，如果能把智能设计过程融入船舶设计中，将所需知识存储在知识库中，可自动或辅助生成一个新的设计方案，并通过数字化手段快速建立可供分析计算的数字模型，以此来发现设计问题并纠正。满足快速设计和快速响应修改，由此避免了不必要的时间浪费，提高工作效率，缩短设计周期，快速高效地完成船舶设计任务，也避免了船舶设计人员在学习软件和使用软件方面的时间浪费，可以把全部精力投入到船舶设计过程中来。

1 设计思想

船舶设计中大量的知识都存储在工程师的头脑中，如何把这些知识挖掘出来，加以整理，给予储存和继承是本文研究的核心内容。知识是经过整理、解释、选择和转换的信息，知识的框架表示法可以看成是给一个或一类对象提供结构化表示的特性表的推广。在框架下设有若干个结构，有对应的取值，即表示特征的值。框架表示法在表示知识的过程中自然形成了一个层次，使对知识的描述可以更具体和详细。因此，项目基于框架表示法来进行知识的定义和表达的研究。

设想把多类船舶结构设计过程简化定义成由库系统构成的设计封装。库是将程序按功能划分的逻辑单元，是经常使用的设计功能的封装。设计中要解决库与库之间并联关系的设计与分析，库与库之间如何相互提供服务。同时库应具有标准严格的接口，来限制非法数据使用属性过程。如何去定义库的这些接口和输入输出，以及在各个库文件里定义相应的功能类作为各个设计过程的抽象定义。所以需要对以库为基础的整个系统框架的构建方法进行研究。设计船舶产品时，最初考虑此船的主要性能指标，然后才考虑实现这些性能的几何结构，所以在产品设计的最初阶段，即概念设计阶段，就将产品的主要功能、关键约束、配合关系等重要信息确定下来。然后根据船东的设计要求，确定船舶的主要参数，据此调用基本模型库中的模型通过构件组合和相应的参数驱动，生成船舶三维模型。首先构架结构的整体框架模型，再依次进行分段和构件的详细设计。由于框架模型中多层次分布的骨架包含了整个结构模型的主要定位和参数，这种设计思路提升了设计人员对船舶结构的整体设计能力。此时所对应的快速包含两个含义，一个是模型的快速建立；一个是无须设计人员过多操作。设计者只需要输入主要参数，其余由计算机自动建立模型。主要考虑参数化设计技术下，所有几何等特征均通过可变尺寸参数和约束来控制，尺寸和约束的改变将能快速驱动相关三维模型的关联性变更。在数字模型建立的同时自动增加特征信息，并将得到各种信息保存在数据库中，同样无须任何人为操作。实现数字化信息的全方位管理与应用。针对此设计思想，本文提出了快速设计库的概念和主要框架。

2 快速设计库的设计

首先根据设计要求从知识库中提取相对应的母型船；再根据母型船和设计者的经验生成新设计船舶的主要结构框架；然后根据规则库里的规范推导出此框架下的主要设计参数；最后对快速建立起的结构模型进行强度分析和有限元校核，并将获得的新结构实例存入母型库。采用库结构作为结构设计基础，在此基础上定义系统组织结构。

如图1所示，把船体结构设计过程简化定义成由四库系统构成的设计封装，即储存主要船舶类型信息的知识库，分成类型库和规则库两个部分；存储主要结构构件设计过程的模型库；储存标准型材信息的型材库以及对所有数据信息进行管理的数据库。设计人员通过类型库从数据库中检索并匹配合适的母型船，通过框架表示法定义出船舶的结构型式，并将所得到的设计参数放到规则库检验后生成不同的结构设计参数传递到模型库，构件的几何拓扑信息被保存在数据库中。构件建立时通过型线处理模块得到其对应船体曲面处的形状曲线，并根据此形状曲线绘出精确对应此船舶形状的构件轮廓线，来建立构件的三维模型。用户只需通过造型系统的交互界面输入设计参数，得到的是三维模型和数据信息。下文将详细介绍系统中各库的设计。

3 规则库的设计

船舶规则库主要是基于规范和经验的知识表示，把设计经验和设计规则的结构和方法定义成规则类，把具体的规则定义成规则类的实体，用这些规则实体构建动态表从而组成知识库，通过规则库得到最后的设计参数。规则类由规则编号，规则重要程度、约束类型、约束编号、公式编号、结论等组成。规则类中的公式是规则计算的核心，对应公式类，公式类中包括计算参数和计算结果，计算参数从数据库中得到，计算结果返回到规则类中，作为规则库中的结论输出。

如图2所示，对船舶设计过程进行数字化转换，把一切用到的公式、经验、规则都做计算机处理。首先母型船的参数被输入到数据库中，设计者输入检索要求就可以得到相关信息，再由设计者指定变换公式，得到设计船的主要参数。根据母型船的型线由程序通过变换直接建立设计船的型线并光顺处理。在此基础上，根据母型船结构参数和结构设计规范得到新设计船的主要结构参数，并进行校核和有限元计算，对不满足规则要求的参数进行调整，直至满足要求为止。得到设计参数后可利用程序快速建立起全船3D结构模型，来得到中纵强度等需求的图纸和信息，对结构构件的组合和设计主要在类型库中进行。

4 类型库的设计

类型库是用框架表示法的多层次结构，以类型匹配和相关知识分析，定义出船舶的结构型式。即将知识库中存在的船舶类型下的结构定义成知识单元，单元中对应的各个构件定义为具体知识。当给出船舶资料进行知识定义时，建立知识的更新与淘汰机制。用知识活性来描述知识单元的重要程度。并以知识价值为表征，知识价值越大，表明该结构知识单元的活性越高。最终在知识库中储存大量的船舶典型结构的数字化建立过程，选择了一类知识单元就确定了船舶结构构件的组合方式，以及构件的位置和装配关系。类型库设计中把大量的不同类型的船舶结构的设计过程划分成由各种构件组合而成的形式，来封装各种类型船舶的设计过程。把这些过程作为结构化的特性表的扩展，每类结构采用一个框架表示，每个框架有一个框架名，表示要描述的内容，在框架下设有若干个子结构，有对应的取值，即结构参数。设计中先定义出一类船的结构化表示，每个基本结构类型定义成一个框架，在框架下设有若干个结构构件对象，及此对象的结构参数，通过继承、引用和派生得到可以应用的船舶结构类。这样在结构的设计和建模过程中自然形成了一种层次，使对船舶设计过程的描述即可以很概括，抽象，也可以很具体，详细。

如图3所示，整个设计过程从确定目标，即参数信息；到设计方案，通过类型库得到结构形式；一直到评价方案，校核计算的过程。由设计者给出基本设计参数，从中抽取符合设计规范的快速设计所需要的参数，由类型库生成结构形式框架，以此框架顺序给出参数调用构件库的构件建立模型，快速建立起3D结构模型，再进行计算和分析的过程。选择了一种类型就确定了一种结构构件模型的组合方式，如油船，散货船等，然后选择基本结构形式，这样确定了基本的构件和这些构件的位置，组合关系，类型库再通过传递参数调用各独立的构件库中对应的构件类文件。

图2 规则库设计流程

图3 类型库设计流程

5 构件库设计

构件库就是船体各个构件的数字模型的建立过程的封装。船舶结构模型单从结构角度讲可看作由总段装配而成的结构物；而总段又是由各个分段按一定结构顺序装配而成；分段是由大的构件按照结构规则进行装配，大的结构可具体拆分成小的构件，如纵骨、肋骨等[4]。因此先将船体结构构件按照其数字模型的类型进行分类，分类后形成各结构类构件。再对各结构类进行搭积木式的排列组合，每个结构类型都定义成组件类，调用建立的组件函数和约束，通过设计参数的传递来建立结构的数字模型。需预先定义好知识库中结构框架对结构构件对象的完全映射，并封装最基本的构件类，每个组件中都包括构件基本类，定义构件的最基本属性，如几何形状，定义参数，拓扑关系，关联关系，母构件链表，附属特征链表等。而后通过构件基本类的扩展来构建子构件类。不同的船舶类型共享同一模型库文件，根据不同的类型进行不同的组合方式。

如图4所示，从类型库中传递结构框架和此框架所对应的构件参数，并按照框架依次调用模型库中对应的构件类文件，通过传递设计参数给类文件，进行几何建模，生成实体模型。当设计人员修改关键变量后，其他相关变量重新计算，生成新的变量。模型库里把构件的变量化设计过程封装成类文件，定义在组件库里，提供接口，供类型库调用。建立的模型，直接计算出剖面模数和总纵强度。对于构件的特征操作是选择构件进行设计，保存操作类型和模型并对操作的构件进行关联保存。建立后构件的几何信息和特征信息被保存在数据库中。

图4 构件库设计流程

6 数据库设计

采用DPDM (Digital Product Data Management)来管理数据信息，DPDM以软件为基础，以产品为核心，以数字化为手段，实现对数字产品的相关的数据，过程，资源一体化集成管理技术[5]。系统把存在拓扑的构件之间建立起联系，这种联系可以是一对一，也可以是一对多。在数据库设计中单一继承的泛化关系可以对子类分别映射表，也可以不定义父类表而让子类表拥有父类属性；反之，也可以不定义子类表而让父类表拥有全部子类属性。但是对于相同的结构模型在船舶生命周期的不同阶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数据管理的二维信息管理的基础上加入时间维实现三维空间的船舶信息开发和模型显示。通过直接建立的三维模型，应用数据管理和虚拟显示技术增加时间显示的产品进程显示。主要用于生产设计中查看产品的进度，和管理阶段查看构件的更换情况。以设计阶段的时间维、数据表格的信息维、船体结构的模型维相关联，时间维对应各设计阶段的各个具体时间段，信息维对应数据库中储存的数据表信息，模型是指建立的三维船舶模型，在不同阶段有不同的设计信息，不同的设计信息表示为模型的不同特征组合。

7 船舶结构设计实例

上文研究船舶结构的表达方法，实现模型在计算机中的表示，储存所有构件的建立过程，并设计结构构件三维模型库。从库中可以直接调用已有构件模型，通过赋值给接口参数建立起相应的构件，这里的接口参数通过结构体进行传递，结构体是在系统的参数定义模块中定义，引用时必须先初始化，得到参数的构件类文件进行实例化和扩展处理，生成各构件文件。不同的船舶类型共享同一模型库文件，根据不同的类型进行不同的组合方式。整体合拢装配时候，先按照小的分段装配，再按照舱段生成大的分段，最后生成整船的三维模型。

图5显示的是一艘散货船的结构模型，由各个分段装配成，如#41-#75，#75-#111等，这些分段是由大构件和基本构件装配成。

图5 船体的结构模型

8 结 束 语

本文对基于知识库设计船舶数字化模型的方法进行研究，提出基于库结构的解决办法，在虚拟的环境中对船舶进行设计，避免了不必要的建模时间浪费，也避免了船舶设计人员在学习软件和使用软件方面的时间浪费，可以把全部精力投入到设计过程中来。

[1] 张祥瑞, 何援军, 严家文. 船体主要结构三维实体模型快速建模方法研究[J]. 东华大学学报(自然科学版), 2005, 31(4): 6-10.

[2] 张 雷, 刘光复, 胡 迪. 基于实例推理的产品配置设计研究[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 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] 巍莉洁. 船舶结构与制图[M]. 北京: 人民交通出版社, 2006: 16-18.

[5] 周祖德. 数字制造[M]. 北京: 科学出版社, 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

上海大学生创新活动计划资助项目（CXS201108017）

战翌婷（1980-），女，上海人，讲师。主要研究方向为船舶数字化设计与制造等。E-mail：ytzhan@shmtu.edu.cn