船舶电气智能设计数字化信息模型分析

赵亮 张铭

摘 要：目前，计算机技术在船舶电气方面的应用已经逐渐偏向于工程数据管理和三维建模，取智能化设计已经在个别模块得到了初步实现。然而从整体上而言，在船舶领域至今还未能形成完整统一的产品模型，跨阶段集成化的设计环境还没有实现。一个新的数据模型的建立，在施工设计、详细设计、方案设计等过程中需要用户对某些数据信息和模型信息进行反复的采集和识别。信息的大量重复处理或者信息的不连续将会使设计质量受到严重的影响，会削弱计算机技术的辅助作用。该文围绕船舶电气智能设计数字化信息模型展开了较为详细的分析，重点研究了系统设计功能需求、电气信息的构成、信息集成、船舶电气数字化信息数据库构架等内容。

关键词：智能设计 船舶电气化 数字化模型 信息集成

中图分类号：U662.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）09（b）-0046-02

1 船舶电气化智能设计系统设计

1.1 系统设计功能需求分析

要实现船舶的设计周期短、精度高、质量好以及资源的合理利用等目标，需要有大量的数据作支撑，而船舶电气化智能设计系统能够对所需的变量数据进行合理的估算，使船舶设计的各个方面形成规律性的自动化完成。对于设计方案的决算，首先需要将合适的母型船改造成目标船，并将相应的图纸修正成改造后的目标图纸，将其作为出厂资料的电气系统图纸。制定设计方案，确定船舶电气性能主要约束数据，针对每个系统的运行界面制定出相应的检验标准、设计流程、设计方法，保障参考数据兼具安全性与经济性。最后还需要形成较为完整的规范性数据，以实现数据的关联性和统一性，这个过程中数据的交互就依赖于数字化信息系统的操作。

1.2 系统设计框架结构分析

由于船舶的独特性，以至于船舶电气的结构设计框架在电气系统的规律上是存在不同程度的差异的，从设计与开发的成本角度出发，基本的船舶电气智能化设计系统主要包括资料库、数据库、参数绘图、主程序、操作界面等方面，这些方面属于一个相互联系的整体，具有统一性，信息的交互和连接需要利用数字化信息系统的高效运作来实现，而且数字化信息系统对于系统建设、船舶电气智能系统的正常运转都发挥着非比寻常的功能。

1.3 数字化信息系统模型对智能设计的重要意义

数字化信息系统模型在船舶电气智能系统的设计过程中发挥着重要的作用，其意义主要体现在以下两个方面：第一，信息交互和连接的实现需要数字化信息系统。智能设计系统的核心是通过信息的有效连接、交互、加工、处理，完成智能化、自动化的操作，而数字信息系统能够有效的满足信息之间的交互需求。第二，整个系统的正常运行需要数字化信息系统。船舶电气智能设计系统追求系统的智能、高速、自动化操作，但是如果没有数字化信息系统作为依托的话，容易造成信息的遗漏或闭塞，使系统的智能化操作受到限制[2]，也会因为不能及时的发现系统的问题而导致系统运行负担的加重，甚至会存在安全隐患。

2 数字化信息模型的设计

2.1 电气信息的构成

从智能辅助设计、信息统一、资料管理利用、并行协同设计等方面分析，电气信息需要包括设备信息、电气功能模块信息、设计任务信息、设计流程信息以及与电气设计相关的其他专业相关的信息。

2.1.1 设计流程

为了保证信息的及时执行，满足设计传递的需要，在保证设计质量的基础上缩短设计周期，需要对设计的流程和要素进行清楚的了解。电气智能设计主要包括的流程如下：第一，任务。任务指的是在船舶设计的某一个特定阶段内，在之前完成任务提交的信息模型的基础上所开展以完善信息模型、生成新的设计成果过程的新的设计活动。第二，约束。约束是指上一设计阶段设计产生的相关内容、承建厂的生产能力、挂旗国海事局的法规、入级船级社的设计规范以及其它专业和任务的需求等对这项任务中的相关参数的约束。第三，条件。条件主要是指由其他任务产生的结果，是为实现这项任务的启动而必须具备的内容。第四，资源。资源是指可以被利用的历史资料、设备信息、专家咨询以及母型船资料等与该任务相关或相似的材料。第五，结果。结果就是指作为最后成果进行存档的或者需要传递给其他任务的数据或资料。第六，关联。关联就是指与该任务的生成结果相关的或者和执行条件相关的其他任务。

2.1.2 设计活动

协同设计具有便捷、高效的特点，能够异地及时地对产品模型进行协调、评价和分析，能够将设计周期缩短并降低设计成本[3]。协同设计与并行设计不同，协同设计更强调任务单元内部的协作模式，追求不同角色的协同工作，从协同设计的需求角度出发，设计活动又包括了启动条件、结束标准、设计结果、参与人员及其角色。其中启动条件指的是任务启动必须要具备的条件，主要由在任务的执行过程中必须到场的工作人员以及必备的设计资料等。结束标准指的是这项任务生成文档的完成情况和必须确定的参数，也可以看作是任务完成的标志。设计结果指的就是任务最终生成的数据的文档。而参与人员及其角色就是指参与这项任务的审核、管理、设计人员以及他们在这项任务中充当的角色，例如校验、审核、审定、设计人员，还包括船级社、船东等等。

2.1.3 電气功能模块信息

电气功能模块包括电气系统、子系统以及子系统所属的模块，是一个集成概念，而电气功能模块主要设备的功能、性能参数，图形信息以及其中的设备信息，总模块的性能参数、功能等是实现参数化绘图，对庞大的设计资料进行科学管理，以方面设计人员快速找到最恰当的母型船，提高设计效率等功能的基础。按照需求，每个功能模块需要包括文档、性能参数、功能参数和子集等内容。文档包括材料表、计算书、布置图、系统图、规格书、说明书等。性能参数，是指用来描述该模块性能的参数，如电力推进系统的损耗、辐射、精度、灵敏度等。而功能参数，是用来描述该模块功能的参数，如综合通讯系统的岸线、内部通话、插线、对外喊话、广播找人、电话会议等。子集一般是该模块的子模块，如果没有子模块的话，子集指的就是所属的文档信息、图形、设备信息。

2.1.4 设备信息

在整个数字化系统中，设备信息具有非常重要的作用，指的是在设计过程中各个专业产生的描述设备的信息和需要考虑的信息，以及设计，具体包括五大类：第一，电气参数：电气设计中需要的最高温度、功率因数、额定电流、额定电压、额定功率等信息；第二，总体参数：总体设计需要的质量质心、尺寸外形等信息；第三，轮机参数：轮机设计关注的额定流量等信息；第四，舾装参数：舾装设计中关注的布置地位、拉力等信息；第五，通用参数：例如布置坐标、规格、型号等多个专业都需要的设备信息。

2.1.5 其他专业相关信息

主要是指在布置设备时所需要的布置区域参数，包括区域名称和环境变量。其中区域名称就是指按照常规划分区域的名称，例如监控室、船长室、居住区、机舱区、甲板区等。而环境变量就是指描述该区域环境的参数，包括空间参数、装修级别、防风雨级别、防火级别、噪音、振动等。

2.2 船舶电气信息的集成

由于模型中涉及到的信息内容较多，所以该文采取自上而下、分层分块的信息集成方式，将船舶电气信息分成用于电气系统設计的设备信息、表达船舶电气系统的产品信息以及主管流程和数据管理的管理信息三个模块，并分别集成各个模块内部的信息，之后依据各模块间的联系实现总体集成。

2.2.1 管理信息集成

在工作流理论的基础上，建立管理信息模型，对数据控制、任务、流程等相关信息进行集成。管理信息模型的建立目的在于，在任务结束之后，控制程序能够及时准确地给相关任务发送设计数据，并且判断发送的数据是否满足启动条件。如果满足，就会通知相关人员开始进行该项任务。该模型可如下表示：

Task = { Remark Word_Time Work_Group Link_Task Data_Bound Design_Result Start_Qulification Start_Qulification Module_Code Task_Name Task_Code } （1）

式中Remark代表备注；Word_Time代表所需工时；Link_Task={T1，T2，T3…Ti}代表相关任务的代码；Data_Bound={B1，B2，B3…Bk}代表源于生产能力、前期设计等方面的约束条件；Design_Result={R1，R2，R3…Rn}代表设计结果；Start_Qulification={Q1，Q2，Q3…Qm}代表启动任务的条件；Module_Code代表任务所处的电气功能模块的代码；Task_Code 代表任务名；Task_Code 代表任务编码。而：

Word_Group = {Member_Role Member_Name Member_Code Group_ Code } （2）

式中Member_Role代表在该团队里成员担当的角色；Member_Name 表示成员名；Member_Code 表示成员的工号；Group_Code 表示团队编码。其中Member_Role的构成可以用下式表示：

Member_Role = { Other Owner Surveyor Approver Approver Checker Designer } （3）

式中Other表示其他参与人员；Owner表示船东；Surveyor表示船检；Approver 表示审定人员；Checker表示校验人员；Designer表示设计人员。

为了使模型的规模得到有效减少，使其可重用性得到提高，我们把相同角色的权限和业务流程以及任务的控制流程都设置成固定不变的。控制流程图如图1所示，主任设计师业务流程图用图2表示。

2.2.2 设备信息集成

按照专业船舶设备信息可以分成电气属性（EA）、轮机属性（MA）、舾装属性（FA）、船体属性（HA）以及几何尺寸、出厂数据、布置位置等通用属性（GA）。以初步设计阶段的第i个缓存模型QIi为例，其模型可用下式表示：

QIi={} （4）

式中：={Equipment_Code Equipment_Name RP RV RC CosφCurrent_PhaseLoad_Type Electric_Symbol T Module_Code Remark （5）

式中Equipment_Code分别表示设备编码；Equipment_Name表示设备名称；RP表示额定功率；RV表示额定电压；RC表示额定电流；cosφ表示功率因数；Current_Phase表示相制；Load_Type表示负载类型；Electric_Symbol表示电气符号；T表示持续运行所能承受的最高温度；Module_Code表示设备所在（最低级）电气功能模块的代号；Remark表示备注。

={Equipment_Type Equipment_Specification X Y Z Buy_Price Life

Maitain_Price Maintain_Period Material Weight Long Wight High}

（6）

式中Equipment_Type表示设备型号；Equipment_Specification表示设备规格；X、Y、Z表示安装坐标；Buy_Price表示购买价格；Life表示使用寿命；Maitain_Price表示维修费用；Maintain_Period表示维修周期；Material、Weight、Long、Wight、High分别表示材料、重量以及设备的长、宽、高。

其中，一些设备信息和数值，例如安装的确切位置、设置型号、规格的确定等，都和任务的启动条件、约束条件、设计结果有关。设备和任务所在的模块又能从其电气功能模块代号属性反映出来，因此能够将设备信息模型、产品信息模型、控制管理模型进行有效的集成。

3 船舶电气数字化信息数据库构架

在实际操作针对上述公式建立的数据库时，容易出现操作不便或者数据冗杂的问题，因此，再实际建立数据库时，还需要依据“船舶电气智能设计系统”需求和修正的第三范式（BCNF），根据数据库软件需求和优化方法对上述公式进行一些改动。

（1）由于在船舶设计过程中在同一条船上同时布置了几件甚至几十件相同设备的现象，基于Web开放性船舶设备数据库的现实意义，本数据库根据设备型号分类设备，建立了包含设备出厂数据在内的部件表，并根据设备编码建立了设备表，设备继承部件的属性值完全可以通过部件编码开实现。

（2）依据相同的原理，从电缆表中将电缆类型、电缆型号、电缆规格分离出来。

（3）数据库增加符号表以方便绘图，并归类了相似形状的部件符号，方便设计，有利于设计软件界面人性化与简捷。

（4）数据库还建立了其他文档表以方便《电气说明书》、《施工工艺》等文档的管理。

4 结语

随着电气智能化设计的快速发展和广泛应用，船舶电气化设计也逐渐迈向数字化和智能化。船舶电气化设计属于知识密集型复杂工程，数字化信息模型的构建对于船舶电气智能设计而言相当于核心与灵魂，发挥着至关重要的作用。在进行方案设计时，需要在设计方案的确定、模型的分析建立、以及对各个环节的评价等各个方面都进行严格的把关，只有这样才能取得良好的成效。

参考文献

[1] 杨波，刘渊，冷文浩.基于Struts+Hiber

nate+Spring架构的船舶数字化平台的设计与实现[J].计算机应用与软件，2008，25（2）：178-180.

[2] 李铭志，蒋如宏，赵永生，等.船舶电气智能设计系统中的数字化及参数化方法研究[J].造船技术，2009（5）：39-42.

[3] 单海校，刘国平.“船舶电气与通信”省级精品课程实践教学的探索与改革[J].中国水运：下半月，2008（12）：265-266.