基于知识组件的船舶空调通风系统原理图快速生成方法

杨亢亢，肖鹏安，李伟光

中国舰船研究设计中心，湖北 武汉 430064

0 引 言

空调通风系统是船舶保障系统中比较复杂的系统之一[1]，主要用于对船舶各类舱室进行空气调节、冷却或通风处理，以满足船员及设备等对大气环境的要求，进而为船舶生命力提供保障。由于船舶空调通风系统包含了大量的设备，因而在设计阶段需要耗费大量的人力和物力来绘制原理图。计及设计变更所带来的修改和调整问题，空调通风系统的原理图绘制耗费的工作量约占全船保障系统的40%以上。

针对船舶空调通风系统的设计，国内外学者展开了大量研究。Kumar 等[2]将船舶空调通风系统原理图中的设备作为模块来处理，实现了原理图的快速绘制。 刘伟等[3]利用拓扑图来表示电气符号，采用图的同构算法识别电气符号，实现了电气原理图的快速识别。胡小林等[4]采用块技术封装阀件和附件，可在船舶管系原理图设计时直接插入复用。 朱佳文等[5]定义了轮机原理图和管路原理图设计中的二维符号，可通过二维原理图驱动三维管路放样等进行开发应用。Yang 等[6]提出基于PDM 系统的船舶设备属性接口提交及管理方案来管理设计过程中相关接口属性信息。上述文献所提设计方法在一定程度上解决了相关系统的原理图绘制问题，但未涉及图元与属性的关联、接口数据的交换以及图纸管理等问题。

对于船舶设计而言，它是一个循环、迭代和由粗到细的过程[7-9]。随着设计阶段的不断深化，空调通风系统原理图包含的信息会越来越丰富，设备布置和管路放样也会更加精确。因此，若其他系统或设备出现设计变更，就必须相应地修改或调整空调通风系统原理图，投入更多时间和精力来修改图面并确定接口数据。

因此，本文将基于知识组件，提出一种船舶空调通风系统原理图的快速生成方法，旨在提高原理图绘制效率，实现快速生成和图纸信息的有效管理，并通过在实际工程项目中的广泛应用，对原理图绘制效率进行验证。

1 原理图绘制过程分析

船舶空调通风系统原理图绘制是采用特定的图形符号[10]，按照气流组织的设计要求组合绘制而成。虽然各设计阶段对原理图的绘制要求不尽相同，但其所包含的内容却随着设计的深入得到不断的丰富和细化。以技术设计阶段为例，如图1所示，在空调通风系统原理图绘制过程中，设计人员需要考虑设备的输入/输出信息、设备间的接口信息等。然而，传统的原理图只包括了设备间的连接和位置关系，缺少设备属性和接口属性等信息，无法支持设备技术要求书和统计报表的编制以及数据信息的提取等。因此，满足数字化设计要求的该系统原理图应包含设备图形符号及其附带的属性信息，即可描述为一个三元组：

式中，A={A1,A2,···,Am}，为原理图中舱室区域的集合，其中m为舱室数量；D={D1,D2,···,Dn}，为原理图中设备的集合，其中n为设备数量；P={P1,P2,···,Pn}，为设备属性的集合。

图1 船舶空调通风系统原理图绘制全过程模型Fig. 1 Full procedure model of schematic design for ship air-conditioning ventilation system

2 空调通风系统的知识组件模型

2.1 知识组件定义

组件的概念最早出现在软件设计领域，它是实现数据、程序或软件等即插即用的一种封装方法[11]。在文献[12-13]中，组件被定义为系统中可替换的物理单元，其封装了一组可实现的数据接口，无需或经很少的修改便可应用于其他部件，且可重复使用。若将设计过程所涉及的属性、规则等知识与组件结合，采用结构化方式封装形成知识组件，即可实现设计过程与知识的融合[14]。知识组件技术应用于空调通风系统原理图绘制时，系统的设备被视为具有一组标准化接口、可重复使用的抽象化图形单元模型，经过知识组件实例化，可实现设备布置、属性添加和数据交换，进而达到原理图的快速生成和图纸信息管理的目的。

知识组件封装了具体设备模型及知识的数据接口，插入原理图时，根据给定参数即可实现实例化应用，也可在同一张原理图中多次实例化应用[15]。作为属性载体[16]，知识组件有一组标准化的接口，可进行属性操作，具体定义如下：

1) 基本属性。知识组件基本属性的集合[17]用来描述知识组件的几何属性、功能属性，可表示为一个二元组。

式中：Pg为知识组件的几何属性；Pb为知识组件的功能属性。

2) 位置属性。知识组件位置关系属性的集合用来描述实例化知识组件所在的水密区、甲板、舱室及坐标属性，可表示为一个四元组。

式中：La为知识组件实例化时所在的水密区编号；Ld为知识组件实例化时所在的甲板编号；Lc为知识组件实例化时所在的舱室编号；Lp为知识组件实例化时的坐标信息。

3) 邻接属性。知识组件邻接关系属性的集合用来描述实例化的知识组件与原理图中其他设备之间的邻接关系，可表示为一个二元组。

式中：Tcid为邻接设备的知识组件分类编号；Ta为邻接方式。

4) 接口属性。知识组件输入输出关系属性的集合用来描述与其他系统、零部件之间的接口数据信息，可表示为一个二元组。

式中：Ii为其他系统、零部件之间的输入接口信息；Io为实例化的知识组件输出接口信息。

因此，知识组件属性由分类标识Pid、 基本属性 、位置属性、邻接属性 和接口属性组成，表示为CP=(Pid,PC,LC,TC,IC)，模型如图2 所示。

图2 船舶空调通风系统的知识组件模型Fig. 2 Model of knowledge component for ship air-conditioning ventilation system

2.2 知识组件实体建模

知识组件实体建模采用自定义实体技术，通过类继承的方法，在实体模型上派生实体类和类的函数，通过函数驱动实现实体模型的图形实现[18]。空调通风系统知识组件实体模型包括标识基类、编号基类、控制点基类、参数基类和动作基类5 类对象，如图3 所示。

标识基类对象包含实体的分类标识，是知识组件实体的身份标识。编号基类包含实体的设备编号，是知识组件实体实例化时对应的编号。控制点基类包含实体的基点、输入口基点和输出口基点，用来控制实体模型自身的定位以及输入、输出口定位。参数基类包含实体模型的比例尺、长度、宽度、半径和外径等基础几何信息，用来控制实体模型的几何外形。动作基类包含向上、向下、向左、向右和旋转等操作，用来控制实体模型具体的朝向。

2.3 知识组件实例化

知识组件实例化是指知识组件从组件库中应用到原理图中的过程。在该过程中，原理图中的设备实体通过类函数继承知识组件所包含的所有属性，其设备编号则根据原理图实现自动编号，具体过程如图4 所示。

图3 知识组件实体模型的对象类Fig. 3 Object classes of entity model for knowledge components

图4 知识组件实例化Fig. 4 Instantiation of knowledge component

步骤1：用户在绘制原理图时，通过设计中心选择所需要的知识组件；

步骤2：扫描组件库，通过组件分类标识来索引知识组件，并将组件属性传递给组件对象，以此获得组件对象；

步骤3：组件库返回库工厂中组件对象的接口指针至原理图；

步骤4：通过原理图调用组件对象的接口指针，将组件实体模型插入原理图中，从而实现组件对象调用。

3 基于知识组件的原理图快速生成

结合船舶空调通风系统设计特点，基于知识组件的船舶空调通风系统原理图快速生成业务模型如图5 所示，包括系统、区域和组件3 部分。

图5 船舶空调通风系统原理图快速生成业务模型Fig. 5 Business model of schematic rapid generation of ship airconditioning ventilation system

1) 系统是指按照标准规范对船舶进行划分的各级子系统[19]，对应的组织形式为系统结构树。其中，系统结构树由具体船舶的各级子系统及其所包含的零部件组成。对全船的空调通风系统而言，可以划分成若干个子系统，每个子系统对应一张原理图。

2) 区域是指船舶内部经水密隔舱划分的具体范围，对应的组织形式为区域结构树，对应的表现形式为数字化总图。其中，区域结构树由具体船舶的各级水密区及其舱室组成，包括水密区、甲板、舱室的隶属关系以及数字化总图（舱室、甲板）的基本属性信息。区域i可以表示为

式 中：Wwi为 水 密 区 编 号 为i的 水 密 区 信 息；Wdi为该水密区对应的甲板层集合；Wci为该水密区对应的舱室集合。

3) 组件是指按照标准规范对船舶进行划分的某一类具体设备[20]，对应的组织形式为组件结构树，对应的表现形式为类库文件。其中，组件结构树由具体船舶中各级组件组成，包括各级组件的隶属关系。类库文件是知识组件实体模型的CAD 文件，其中每个模型包含2 个标准化接口：组件分类标识和设备编号。组件i可以表示为

式中：C_IDi为组件分类标识；E_IDi为组件实例化时的设备编号；CPi为组件属性信息集合。

由图5 可知，数字化总图为原理图设计提供了船舶总体布置图背景信息，类库文件通过标准化接口实现了知识组件与属性信息的融合及原理图的数字化设计，其业务数据传递与交换模型如图6 所示。

4 原型系统

4.1 系统设计

基于知识组件的空调通风系统原理图快速生成原型系统是在PDM 和AutoCAD 的基础上开发的，其中PDM 端负责整个系统的数据管理与维护，AutoCAD 端通过知识组件调用实现原理图快速生成，如图7 所示。

若是新产品首次绘制原理图，则需在PDM 端创建产品代号，并配置该产品所需的系统结构树、区域结构树、组件结构树和接口结构树。根据系统浏览器中空调通风系统子系统列表，设计人员可选择绘制的子系统名称和编号，在AutoCAD端通过图纸定义创建图纸； 通过选择区域浏览器中对应的舱室，实现数字化的舱室总图背景调用； 通过组件浏览器中设计中心，实现知识组件的调用。完成原理图的绘制后，通过更新信息实现AutoCAD 端和PDM 端数据同步，设计人员便可在PDM 端发起跨专业的发热量和电力负荷提交流程，也可实现按舱室或系统生成设备清单及订货明细表。

PDM 端采用B/S 架构开发，负责整个系统的数据管理与维护。AutoCAD 端采用C/S 架构开发，通过调用知识组件，实现设备、阀件和附件的布置。AutoCAD 端与PDM 端之间通过XML 格式实现数据通信，如图8 所示。原型系统界面如图9～图10 所示。

图6 数据传递与交换模型Fig. 6 Model of data transmission and exchange

图7 基于知识组件的原理图快速生成流程图Fig. 7 Flowchart of schematic rapid generation based on knowledge components

4.2 应用实例

图8 原型系统架构Fig. 8 Architecture of the prototype system

图9 原型系统主界面Fig. 9 Main interface of invocation

图10 原型系统知识组件调用界面Fig. 10 Interface of invocation for knowledge components

在某工程型号空调通风系统原理图绘制中，分别采用传统方法和新方法进行了测试，两种方法的工时统计如图11 所示。首次使用新方法绘制原理图时，需建立空调通风系统的设备、阀附件组件库，该组件库建立完成后可重复使用。每张图纸与PDM 中系统浏览器的子系统关联，图纸中设备、阀附件通过设备编号与子系统的设备列表清单相互对应，从而实现了图纸所有图面信息的在线管理。因此，相比于传统方法，用在绘制草图、标注、接口提交、统计、修改等步骤的工时统计得到了大幅缩减。经统计，新方法的绘制效率提升了43.5%，在接口数据、统计和修改方面优势明显。其中，图纸标注和明细统计实现自动统计生成，避免了人工统计环节，准确率可达100%，保证了设计质量。

图11 工时统计对比Fig. 11 Comparison of labor-hours

5 结 语

本文提出了一种基于知识组件的船舶空调通风系统原理图快速生成方法，将该系统的设备封装成具有一组标准化接口的知识组件，并对知识组件模型和属性进行了定义。通过自定义实体技术，实现了知识组件的实体建模，设计了知识组件实例化过程。结合船舶空调通风系统的设计特点，分析了基于知识组件的系统原理图快速生成业务模型和数据交换模型。在此基础上，以Auto-CAD 和PDM 系统为开发平台，开发了基于知识组件的船舶空调通风系统原理图快速生成原型系统，并在实际工程型号设计中进行了广泛的应用验证。结果表明，该原理图生成方法大幅提升了图纸绘制效率及其管理水平。