船舶艙室智能虛擬布置設(shè)計(jì)方法與關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、船舶艙室布置設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷反復(fù)、螺旋上升的過程，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是借助于CAD系統(tǒng)提供的鼠標(biāo)、鍵盤等交互方式，反復(fù)設(shè)計(jì)，逐步求精，使得船舶艙室設(shè)計(jì)過程繁瑣冗長，自動(dòng)化程度低。目前在提高船舶設(shè)計(jì)生產(chǎn)的效率方面，已經(jīng)展開了許多工作。CAD/CAM的應(yīng)用，代替了費(fèi)時(shí)的體力工作，提高了設(shè)計(jì)精度，對提高船舶的設(shè)計(jì)和建造效率做出了貢獻(xiàn)。但對于設(shè)計(jì)中存在的問題，有的在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中暴露出來，而有的則在產(chǎn)品實(shí)物建造出來后才暴露出來，不僅延長設(shè)計(jì)建造周期，

2、而且造成巨大損失。關(guān)于船舶布置設(shè)計(jì)的研究尤其是三維空間虛擬布置設(shè)計(jì)的研究在國內(nèi)的研究還不多見，這與船舶設(shè)計(jì)其它方面的研究與發(fā)展水平形成了強(qiáng)烈的反差，制約了船舶設(shè)計(jì)速度和質(zhì)量的提高。因此，在船舶艙室布置設(shè)計(jì)方面尋求新的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)手段以改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)狀態(tài)已成為亟待解決的問題。本文結(jié)合三維布局領(lǐng)域研究成果，運(yùn)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，結(jié)合AI技術(shù)，突破了傳統(tǒng)船舶艙室布置設(shè)計(jì)工作中的局限性。為尋求新的船舶艙室布置設(shè)計(jì)方法奠定了一定的理論和

3、技術(shù)基礎(chǔ)。全文主要做了以下工作： (1)在分析國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能技術(shù)引入船舶艙室布置設(shè)計(jì)中，提出了一種新的有效的基于知識(shí)的船舶艙室布置虛擬設(shè)計(jì)方法。 (2)采用IDEF0方法分析了船舶艙室布置設(shè)計(jì)活動(dòng)，并以機(jī)艙為例，根據(jù)船舶艙室布置對象的不同特點(diǎn)，將艙室布置設(shè)計(jì)對象分為物理對象、空間對象和設(shè)計(jì)約束，明細(xì)化了船舶艙室布置設(shè)計(jì)中所處理的對象。在分析船舶艙室布置設(shè)計(jì)對象和設(shè)計(jì)知識(shí)構(gòu)成

4、的基礎(chǔ)上，將船舶艙室布置設(shè)計(jì)知識(shí)模型分為知識(shí)庫、船舶計(jì)算應(yīng)用程序、實(shí)例庫和CAD數(shù)據(jù)庫四個(gè)部分，其中知識(shí)庫包括4個(gè)規(guī)則庫和兩個(gè)方法庫，采用面向?qū)ο蟊磉_(dá)方法建立集框架、規(guī)則、方法一體的混合知識(shí)描述體系，并介紹了相應(yīng)推理機(jī)制。 (3)在船舶艙室虛擬布置模型中，提出船舶艙室虛擬布置中設(shè)備信息的層次模型，將設(shè)備/零件信息分別存儲(chǔ)在設(shè)備層、特征層、幾何層以及顯示層，通過數(shù)據(jù)映射與約束映射實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息模型中各層次信息的關(guān)聯(lián)。采用更適合工程師

5、習(xí)慣的語義表達(dá)形式來描述船舶艙室設(shè)備空間位置關(guān)系，給出了布置約束的描述方法。提出基于約束的多層次結(jié)構(gòu)的船舶艙室虛擬布置模型表達(dá)方法，在整個(gè)模型中，布置語義與布置約束信息成為信息傳遞、轉(zhuǎn)換的中樞，其它信息被嵌入到實(shí)體模型中以反映整個(gè)模型的布置活動(dòng)。 (4)提出了基于運(yùn)動(dòng)自由度分析的艙室虛擬布置操作方法。根據(jù)設(shè)備之間的約束關(guān)系，通過設(shè)備定位求解調(diào)整設(shè)備的空間位置，使之滿足布置幾何約束，并通過對設(shè)備自由度矩陣運(yùn)動(dòng)信息的調(diào)整與修正，確保

6、設(shè)備在可自由運(yùn)動(dòng)空間中運(yùn)動(dòng)。對設(shè)備定位求解，提出了基于最優(yōu)化方法對約束方程組的數(shù)值求解算法，有效地處理欠約束和過約束狀態(tài)。 (5)研究了建立船舶艙室三維布置設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型的原理和方法，采用能量法對不等式約束進(jìn)行處理，建立了艙室優(yōu)化布置目標(biāo)函數(shù)，采用模糊函數(shù)方法，引入操作維護(hù)方便度評(píng)價(jià)指標(biāo)。模糊函數(shù)的引入，能更好的描述專家模糊知識(shí)，并具有光滑連續(xù)的函數(shù)響應(yīng)曲面；將模式搜索(PS)用于船舶艙室優(yōu)化布置設(shè)計(jì)中，提出了基于PS的船舶

7、艙室布置優(yōu)化算法。 (6)采用圖表示方法描述管路空間，提出船舶艙室三維管路空間距離矩陣表示方法，利用距離矩陣不僅可以描述正交管路圖，而且可以利用距離矩陣建立管路圖結(jié)點(diǎn)之間的正交距離；以管路長度和彎管數(shù)為主要目標(biāo)，建立了管路布置優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)；以Evolver為算法平臺(tái)，提出了基于遺傳算法的船舶艙室管路布置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。 總之，在查閱了大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，本文將AI技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以及船舶CAD技術(shù)相結(jié)合，探索