船厂工艺快速布局工具2.0的开发与应用

胡世南，丁炜杰

(中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

在国内船舶工业高质量发展的背景下，船厂基建工程越来越重视前期的工艺布局与规划。工艺布局不仅影响船厂投产后的运转效果，而且影响工程建设的成本。由于船厂的工艺规划具有一定的特殊性，在行业内缺少适用于船厂工艺快速布局的工具软件，因此团队开发一种船厂工艺快速布局工具，并针对该工具在生产中的使用反馈进行有针对性的升级。

1 开发背景

在船厂工程建设的前期需要进行船厂车间工艺规划设计。船厂车间工艺规划设计的主要任务是根据船厂纲领产品的生产制造流程与生产物料数量，进行船厂生产资源要素(人、机、料、法、环)的规划。工艺规划设计的成果主要体现为车间空间体量、车间内工位划分、工艺设备选型与布局方案等内容，是船厂车间厂房进行土建、公用设计及设备安装与集成的依据与基础。

与采用二维计算机辅助设计(Computer Aided Design,CAD)工具相比，采用三维建模方式进行车间工艺布局具有明显的优势，三维表达方式更直观、更美观、更符合人们的视觉习惯,让每个人均可轻松读懂布局规划内容[1]。

由于各行业工厂布局均具有相对特殊的需求，在国内外的软件市场上很难找到一种适用于所有工程行业的布局工具，因此需要根据行业特点进行布局工具的定制化开发。例如，SJTU-SANY数字化工厂技术联合实验室开发三维工厂布局规划平台(VR-Layout)，该平台为操作者提供逼真的交互式虚拟漫游环境，是一款专业的工厂三维布局软件工具[2]。

船厂工艺布局具有自身的特点与需求，选择自主三维快速布局工具的技术路线。经相关开发工作，形成船厂工艺快速布局工具1.0。布局工具1.0在船厂工程设计应用中显著提升设计深度与响应速度，但在使用过程中发现一些问题：没有形成完整的模型库，制约建模内容与功能的可扩展性；只能进行单向参数化建模，若需要对模型进行修改，则操作过程非常繁琐。上述问题制约布局工具1.0的使用效率，因此在其基础上进行船厂工艺快速布局工具2.0的开发，重点解决基于构件模型库的参数化建模及基于数模关联的双向参数化建模技术。

2 系统架构与主要功能

2.1 系统架构

船厂工艺快速布局工具2.0是一种使用Ruby语言、在SketchUp平台上进行二次开发的插件工具。SketchUp软件是一款通用于建筑方案设计的三维建模软件，操作简单便捷，同时开放强大、完善的Ruby应用程序编程接口(Application Programming Interface,API)[3]。SketchUp的Ruby API可帮助开发者扩展SketchUp的功能以满足各自不同的使用需求，创建文本格式的脚本文件并将其放置于SketchUp的插件目录下[4]。布局工具2.0采用该开发方式，其系统架构如图1所示。

图1 布局工具2.0的系统架构

布局工具2.0各构成模块之间的关系如图2所示。在进行某型设备的布局建模过程中，运行设备建模程序控件，该控件调用该设备的正向建模脚本，进行参数的录入与解析；建模脚本根据数据解析结果从设备模型构件库中加载相应的设备构件模型，组合为所需要的设备模型并布置在车间指定位置。

图2 布局工具2.0的主要构成模块及其相互关系

2.2 主要功能

船厂工艺快速布局工具2.0以SketchUp插件的形式存在，包括6类工具条，如图3所示，实现车间厂房环境，物流设备，船体车间生产加工设备、船用管子车间设备，船厂船坞与码头等设施，外场门式起重机、码头起重机等大型设备，船厂陆域设施(道路、厂房体块、办公建筑体块、公用动力站房等)的快速布局功能。

图3 布局工具2.0的6类建模插件工具条

3 关键技术

3.1 基于构件模型库的参数化建模技术

3.1.1 参数化建模原理

SketchUp支持通过Ruby语言脚本实现所有的操作命令，在理论上可通过Ruby语言脚本从零创建所有模型。但这样的方式会带来大量的代码编写工作，且每一种设备需要专门对应一段代码程序。为提高软件开发效率，在布局工具2.0中主要采取预制构件拓扑法，在开发过程中按照工艺设备与建筑结构件的几何特征与变形特征，将模型按照空间拓扑关系拆分为预制构件，如图4所示。在创建非标设备模型的过程中调取相应设备构件，基于几何参数对相应构件进行拉伸、复制和移动等操作，组装为完整的设备三维模型，使用该方法不仅可保证模型的精细度，而且可有效控制模型体量[5]。

图4 预制构件拓扑法建模原理

3.1.2 工艺设备模型库的编码体系

预制构件拓扑法实现的关键在于从模型库中调用设备构件模型，采用合适的构件调用方法会显著提升插件程序的建模效果。布局工具2.0贯彻成组技术理念，通过建立工艺设备模型库的编码体系，对建模程序进行优化。

设备模型库的编码体系就是一种根据工艺设备形态特征、设备规格类型及建模参数等要素进行设备构件模型命名的规则。以船体车间的门式板材切割机为例，其构件模型由4位代码组成：第1位是部位码，表示该构件属于设备的具体部位；第2位是特征码，表示该部位具有的几何特征；第3位和第4位是规格码，表示设备的规格类型。因此，代码C101为等离子切割机的割矩头本体，如图5所示。

图5 设备构件编码表原理示例

板材切割机的建模程序代码如图6所示。建模程序通过字符运算，将输入的选项参数转化为构件模型的模型名，从数据库中调用同名模型构件，经几何变换后组合为相应的切割机设备。按照这样的方法，仅需要200行代码即可实现几十种不同规格与类型切割设备的参数化建模功能，且不需要修改程序代码，按命名规则将新的构件模型添加至模型构件库即可实现新设备的参数化建模。

图6 板材切割机的建模程序代码

3.2 基于数模关联的双向参数化建模技术

参数化建模是在20世纪80年代末逐渐占据主导地位的一种CAD方法，是参数化设计的重要过程。在参数化建模环境中，零件由特征组成[6]。布局工具1.0的参数化建模方式为单向，实用性较差。布局工具2.0通过Ruby语言开发实现工艺设备双向参数化建模功能，如图7所示。

图7 工艺设备双向参数化建模的实现原理

在进行设备的第一次建模过程中，正向建模脚本在完成模型创建后，通过如图8所示的程序命令将输入的设计参数附加至创建的模型。

图8 实现建模参数与模型关联功能的代码

若需要对已完成建模的设备进行修改，仅需要在选中该设备模型后点击设备更新控件。该控件自动读取模型附带的建模参数，调用反向建模脚本。反向建模脚本自动读取在上一次建模时输入的参数，并弹出参数修改界面，在设计人员完成参数修改后，反向建模脚本即可自动生成新模型，并将新建模参数与模型进行关联，如图9所示。

图9 设备参数化反向修改功能实现过程

4 使用效果与工程实例

4.1 建模效率提升情况

在布局工具2.0的开发过程中，共经历3轮技术迭代。以某四联跨双层行车的船体分段车间三维建模为对象，分别对升级前、第一轮升级后、第二轮升级后、第三轮升级后的布局工具进行建模效率测试，如图10所示。经设计人员实操测试，布局工具2.0第三轮的整体布局效率可达布局工具1.0的2.9倍。

图10 布局工具2.0建模效率提升情况示例

4.2 工程实例

某船厂钢结构车间生产线工艺方案投标项目需要对多条自动化生产线进行方案论证，每条生产线均包含复杂的加工设备与物流设备，如图11所示。为进行高效的方案论证，设计人员使用厂房布局工具条快速生成钢结构车间，使用物流设备工具条和船体加工设备工具条完成车间内的地面辊道、起重机、运输台车、焊接门架等设备的三维布局，整个过程仅用时0.5 d；以该布局模型为基础，与船厂进行工艺方案的讨论与优化。使用参数化布局工具的反向修改控件，可在方案讨论会的现场对生产线布局方案进行快速变更与优化，显著提升方案沟通与设计方案优化的效率，仅通过1次方案讨论会，设计方与船厂即对设计方案基本达成共识。

图11 某船厂钢结构车间生产线工艺方案投标项目

在某船舶配套园区改造规划项目中，为进行多方案对比论证，设计人员使用总图布局工具对园区的现状布局进行三维快速建模，如图12所示。在该模型基础上，使用反向修改控件生成多套改造方案布局，实现基于模型的多方案对比论证，整个过程仅用时1 d，在不影响项目进度的前提下显著提升方案论证效果。

图12 某船舶配套园区改造规划项目的三维多方案论证

5 结 语

通过应用参数化与编码等关键技术，船厂工艺快速布局工具2.0在人机交互界面、模型库标准化、建模效率等方面显著地提升船厂规划设计质量与效率，在船厂工程规划设计项目中得到广泛应用。该工具可在设备构件库、操作流程及内部程序架构等方面进一步完善，在船厂规划中发挥更大作用。