基于多學(xué)科的大型船舶概念設(shè)計(jì)平臺(tái)技術(shù)

林 銳，宋一淇，張 博，李鼎文，齊 翔

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

0 引言

船舶總體設(shè)計(jì)是一項(xiàng)多專業(yè)、跨學(xué)科的系統(tǒng)工程，特別是大型船舶，其設(shè)備、系統(tǒng)眾多，復(fù)雜程度高。而概念設(shè)計(jì)是船舶總體設(shè)計(jì)工作的起點(diǎn)和重要階段，使用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，構(gòu)建大型船舶概念設(shè)計(jì)綜合集成平臺(tái)，對(duì)于解決傳統(tǒng)各學(xué)科相互獨(dú)立，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率低等問(wèn)題，分析船舶概念設(shè)計(jì)中復(fù)雜的耦合關(guān)系，優(yōu)化制約總體方案的強(qiáng)影響參數(shù)，對(duì)比概念設(shè)計(jì)多方案，最終求解得到整體較優(yōu)的方案，具有重要意義，能用較短的時(shí)間和較低的成本，實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)階段大型船舶性能優(yōu)化及效能評(píng)估。

1 平臺(tái)體系架構(gòu)

根據(jù)大型船舶總體、船體、動(dòng)力、電氣等多學(xué)科的設(shè)計(jì)流程和工作特點(diǎn)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)，集成Friendship、Shipflow、CATIA、ISIGHT等商業(yè)軟件和自研程序，構(gòu)建知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，最終實(shí)現(xiàn)基于多學(xué)科的大型船舶概念設(shè)計(jì)平臺(tái)搭建。

平臺(tái)采用B/S架構(gòu)，運(yùn)行于內(nèi)部局域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議采用TCP/IP。客戶端操作系統(tǒng)平臺(tái)基于Windows 2000／XP／9x／NT操作系統(tǒng)，客戶端采用ExtJs開發(fā)用戶界面，服務(wù)器端采用Windows server2003操作系統(tǒng)，采用Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，計(jì)算服務(wù)程序采用Visual C++開發(fā)。其平臺(tái)體系架構(gòu)分為四層（圖1），分別為基礎(chǔ)環(huán)境層、軟件工具層、集成優(yōu)化層以及人機(jī)交互層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成、工具集成和過(guò)程集成，支撐大型船舶總體快速概念設(shè)計(jì)。

圖1 基于多學(xué)科的大型船舶概念設(shè)計(jì)平臺(tái)框架

基礎(chǔ)環(huán)境層屬于平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施，包括計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等。

軟件工具層主要對(duì)大型船舶各學(xué)科概念設(shè)計(jì)成熟應(yīng)用的商用軟件，如:Friendship、Shipflow和自研的學(xué)科模塊程序進(jìn)行封裝和集成。

集成優(yōu)化層主要根據(jù)多學(xué)科間并行協(xié)同的設(shè)計(jì)流程，打通各子模塊間的數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效流轉(zhuǎn)，采用多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化MDF策略和多島遺傳優(yōu)化算法，分兩級(jí)進(jìn)行優(yōu)化，即系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化和子系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化（圖2），為船型子系統(tǒng)優(yōu)化框架，形成自動(dòng)化、集成化迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，最后求解出大型船舶的多學(xué)科概念設(shè)計(jì)的較為優(yōu)化的可行解。

圖2 船型子系統(tǒng)優(yōu)化框架

人機(jī)交互層提供人機(jī)界面，設(shè)計(jì)人員可通過(guò)界面中設(shè)計(jì)向?qū)瓿苫诙鄬W(xué)科的大型船舶概念設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)向?qū)鐖D3所示。主要包括:系統(tǒng)級(jí)參數(shù)輸入，如:航速、續(xù)航力等；各專業(yè)模塊配置參數(shù)設(shè)定；系統(tǒng)運(yùn)行；過(guò)程數(shù)據(jù)監(jiān)控；生成方案展示。

圖3 平臺(tái)界面

優(yōu)化方案快速生成后，可生成三維虛擬樣船、總布置圖、船體結(jié)構(gòu)圖、型線圖，還可根據(jù)計(jì)算生成的概念設(shè)計(jì)方案相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行性能評(píng)估（圖4）。

圖4 基于多學(xué)科的大型船舶概念設(shè)計(jì)平臺(tái)關(guān)系圖

2 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 工具軟件集成

各學(xué)科工具軟件的集成是實(shí)現(xiàn)基于多學(xué)科的大型船舶概念設(shè)計(jì)平臺(tái)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。通過(guò)對(duì)工具軟件進(jìn)行封裝和集成，建立不同工具軟件之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，可以實(shí)現(xiàn)不同工具軟件之間數(shù)據(jù)信息的共享應(yīng)用，消除信息孤島現(xiàn)象。工具軟件分為自研軟件和商用軟件兩類，自研軟件采用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式與平臺(tái)集成，具有良好的開放性、可維護(hù)性、可擴(kuò)展性。商用軟件計(jì)算結(jié)果更加精確，但數(shù)據(jù)接口受限制多，不夠靈活，因此采用專用數(shù)據(jù)格式，編制求解器，打通商業(yè)軟件與平臺(tái)之間接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳遞，避免手工傳輸工作和人工干預(yù)，具體如圖5所示。

圖5 專用數(shù)據(jù)格式求解器

2.2 設(shè)計(jì)流程自動(dòng)化

設(shè)計(jì)流程自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)需要規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，結(jié)合船舶概念設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，分析各專業(yè)間的耦合關(guān)系，封裝工程經(jīng)驗(yàn)方法，深層次的集成工具軟件，引導(dǎo)和驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程的自動(dòng)化。

3 結(jié)論

基于多學(xué)科的大型船舶概念設(shè)計(jì)平臺(tái)的搭建有效避免學(xué)科間解耦依賴經(jīng)驗(yàn)所帶來(lái)的盲目性，減少了因?yàn)楦鱾€(gè)學(xué)科設(shè)計(jì)不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的返工，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)流程化和自動(dòng)化，提高工作效率和改善設(shè)計(jì)質(zhì)量，有效減少人力、物力浪費(fèi)，縮短設(shè)計(jì)周期。

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