船舶電氣智能設計數字化信息模型分析

趙亮 張銘

摘 要：目前，計算機技術在船舶電氣方面的應用已經逐漸偏向于工程數據管理和三維建模，取智能化設計已經在個別模塊得到了初步實現。然而從整體上而言，在船舶領域至今還未能形成完整統一的產品模型，跨階段集成化的設計環境還沒有實現。一個新的數據模型的建立，在施工設計、詳細設計、方案設計等過程中需要用戶對某些數據信息和模型信息進行反復的采集和識別。信息的大量重復處理或者信息的不連續將會使設計質量受到嚴重的影響，會削弱計算機技術的輔助作用。該文圍繞船舶電氣智能設計數字化信息模型展開了較為詳細的分析，重點研究了系統設計功能需求、電氣信息的構成、信息集成、船舶電氣數字化信息數據庫構架等內容。

關鍵詞：智能設計 船舶電氣化 數字化模型 信息集成

中圖分類號：U662.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0046-02

1 船舶電氣化智能設計系統設計

1.1 系統設計功能需求分析

要實現船舶的設計周期短、精度高、質量好以及資源的合理利用等目標，需要有大量的數據作支撐，而船舶電氣化智能設計系統能夠對所需的變量數據進行合理的估算，使船舶設計的各個方面形成規律性的自動化完成。對于設計方案的決算，首先需要將合適的母型船改造成目標船，并將相應的圖紙修正成改造后的目標圖紙，將其作為出廠資料的電氣系統圖紙。制定設計方案，確定船舶電氣性能主要約束數據，針對每個系統的運行界面制定出相應的檢驗標準、設計流程、設計方法，保障參考數據兼具安全性與經濟性。最后還需要形成較為完整的規范性數據，以實現數據的關聯性和統一性，這個過程中數據的交互就依賴于數字化信息系統的操作。

1.2 系統設計框架結構分析

由于船舶的獨特性，以至于船舶電氣的結構設計框架在電氣系統的規律上是存在不同程度的差異的，從設計與開發的成本角度出發，基本的船舶電氣智能化設計系統主要包括資料庫、數據庫、參數繪圖、主程序、操作界面等方面，這些方面屬于一個相互聯系的整體，具有統一性，信息的交互和連接需要利用數字化信息系統的高效運作來實現，而且數字化信息系統對于系統建設、船舶電氣智能系統的正常運轉都發揮著非比尋常的功能。

1.3 數字化信息系統模型對智能設計的重要意義

數字化信息系統模型在船舶電氣智能系統的設計過程中發揮著重要的作用，其意義主要體現在以下兩個方面：第一，信息交互和連接的實現需要數字化信息系統。智能設計系統的核心是通過信息的有效連接、交互、加工、處理，完成智能化、自動化的操作，而數字信息系統能夠有效的滿足信息之間的交互需求。第二，整個系統的正常運行需要數字化信息系統。船舶電氣智能設計系統追求系統的智能、高速、自動化操作，但是如果沒有數字化信息系統作為依托的話，容易造成信息的遺漏或閉塞，使系統的智能化操作受到限制[2]，也會因為不能及時的發現系統的問題而導致系統運行負擔的加重，甚至會存在安全隱患。

2 數字化信息模型的設計

2.1 電氣信息的構成

從智能輔助設計、信息統一、資料管理利用、并行協同設計等方面分析，電氣信息需要包括設備信息、電氣功能模塊信息、設計任務信息、設計流程信息以及與電氣設計相關的其他專業相關的信息。

2.1.1 設計流程

為了保證信息的及時執行，滿足設計傳遞的需要，在保證設計質量的基礎上縮短設計周期，需要對設計的流程和要素進行清楚的了解。電氣智能設計主要包括的流程如下：第一，任務。任務指的是在船舶設計的某一個特定階段內，在之前完成任務提交的信息模型的基礎上所開展以完善信息模型、生成新的設計成果過程的新的設計活動。第二，約束。約束是指上一設計階段設計產生的相關內容、承建廠的生產能力、掛旗國海事局的法規、入級船級社的設計規范以及其它專業和任務的需求等對這項任務中的相關參數的約束。第三，條件。條件主要是指由其他任務產生的結果，是為實現這項任務的啟動而必須具備的內容。第四，資源。資源是指可以被利用的歷史資料、設備信息、專家咨詢以及母型船資料等與該任務相關或相似的材料。第五，結果。結果就是指作為最后成果進行存檔的或者需要傳遞給其他任務的數據或資料。第六，關聯。關聯就是指與該任務的生成結果相關的或者和執行條件相關的其他任務。

2.1.2 設計活動

協同設計具有便捷、高效的特點，能夠異地及時地對產品模型進行協調、評價和分析，能夠將設計周期縮短并降低設計成本[3]。協同設計與并行設計不同，協同設計更強調任務單元內部的協作模式，追求不同角色的協同工作，從協同設計的需求角度出發，設計活動又包括了啟動條件、結束標準、設計結果、參與人員及其角色。其中啟動條件指的是任務啟動必須要具備的條件，主要由在任務的執行過程中必須到場的工作人員以及必備的設計資料等。結束標準指的是這項任務生成文檔的完成情況和必須確定的參數，也可以看作是任務完成的標志。設計結果指的就是任務最終生成的數據的文檔。而參與人員及其角色就是指參與這項任務的審核、管理、設計人員以及他們在這項任務中充當的角色，例如校驗、審核、審定、設計人員，還包括船級社、船東等等。

2.1.3 電氣功能模塊信息

電氣功能模塊包括電氣系統、子系統以及子系統所屬的模塊，是一個集成概念，而電氣功能模塊主要設備的功能、性能參數，圖形信息以及其中的設備信息，總模塊的性能參數、功能等是實現參數化繪圖，對龐大的設計資料進行科學管理，以方面設計人員快速找到最恰當的母型船，提高設計效率等功能的基礎。按照需求，每個功能模塊需要包括文檔、性能參數、功能參數和子集等內容。文檔包括材料表、計算書、布置圖、系統圖、規格書、說明書等。性能參數，是指用來描述該模塊性能的參數，如電力推進系統的損耗、輻射、精度、靈敏度等。而功能參數，是用來描述該模塊功能的參數，如綜合通訊系統的岸線、內部通話、插線、對外喊話、廣播找人、電話會議等。子集一般是該模塊的子模塊，如果沒有子模塊的話，子集指的就是所屬的文檔信息、圖形、設備信息。

2.1.4 設備信息

在整個數字化系統中，設備信息具有非常重要的作用，指的是在設計過程中各個專業產生的描述設備的信息和需要考慮的信息，以及設計，具體包括五大類：第一，電氣參數：電氣設計中需要的最高溫度、功率因數、額定電流、額定電壓、額定功率等信息；第二，總體參數：總體設計需要的質量質心、尺寸外形等信息；第三，輪機參數：輪機設計關注的額定流量等信息；第四，舾裝參數：舾裝設計中關注的布置地位、拉力等信息；第五，通用參數：例如布置坐標、規格、型號等多個專業都需要的設備信息。

2.1.5 其他專業相關信息

主要是指在布置設備時所需要的布置區域參數，包括區域名稱和環境變量。其中區域名稱就是指按照常規劃分區域的名稱，例如監控室、船長室、居住區、機艙區、甲板區等。而環境變量就是指描述該區域環境的參數，包括空間參數、裝修級別、防風雨級別、防火級別、噪音、振動等。

2.2 船舶電氣信息的集成

由于模型中涉及到的信息內容較多，所以該文采取自上而下、分層分塊的信息集成方式，將船舶電氣信息分成用于電氣系統設計的設備信息、表達船舶電氣系統的產品信息以及主管流程和數據管理的管理信息三個模塊，并分別集成各個模塊內部的信息，之后依據各模塊間的聯系實現總體集成。

2.2.1 管理信息集成

在工作流理論的基礎上，建立管理信息模型，對數據控制、任務、流程等相關信息進行集成。管理信息模型的建立目的在于，在任務結束之后，控制程序能夠及時準確地給相關任務發送設計數據，并且判斷發送的數據是否滿足啟動條件。如果滿足，就會通知相關人員開始進行該項任務。該模型可如下表示：

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代表備注；Word_Time代表所需工時；Link_Task={T1，T2，T3…Ti}代表相關任務的代碼；Data_Bound={B1，B2，B3…Bk}代表源于生產能力、前期設計等方面的約束條件；Design_Result={R1，R2，R3…Rn}代表設計結果；Start_Qulification={Q1，Q2，Q3…Qm}代表啟動任務的條件；Module_Code代表任務所處的電氣功能模塊的代碼；Task_Code 代表任務名；Task_Code 代表任務編碼。而：

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

式中Member_Role代表在該團隊里成員擔當的角色；Member_Name 表示成員名；Member_Code 表示成員的工號；Group_Code 表示團隊編碼。其中Member_Role的構成可以用下式表示：

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

式中Other表示其他參與人員；Owner表示船東；Surveyor表示船檢；Approver 表示審定人員；Checker表示校驗人員；Designer表示設計人員。

為了使模型的規模得到有效減少，使其可重用性得到提高，我們把相同角色的權限和業務流程以及任務的控制流程都設置成固定不變的。控制流程圖如圖1所示，主任設計師業務流程圖用圖2表示。

2.2.2 設備信息集成

按照專業船舶設備信息可以分成電氣屬性（EA）、輪機屬性（MA）、舾裝屬性（FA）、船體屬性（HA）以及幾何尺寸、出廠數據、布置位置等通用屬性（GA）。以初步設計階段的第i個緩存模型QIi為例，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分別表示設備編碼；Equipment_Name表示設備名稱；RP表示額定功率；RV表示額定電壓；RC表示額定電流；cosφ表示功率因數；Current_Phase表示相制；Load_Type表示負載類型；Electric_Symbol表示電氣符號；T表示持續運行所能承受的最高溫度；Module_Code表示設備所在（最低級）電氣功能模塊的代號；Remark表示備注。

={Equipment_Type Equipment_Specification X Y Z Buy_Price Life

Maitain_Price Maintain_Period Material Weight Long Wight High}

（6）

式中Equipment_Type表示設備型號；Equipment_Specification表示設備規格；X、Y、Z表示安裝坐標；Buy_Price表示購買價格；Life表示使用壽命；Maitain_Price表示維修費用；Maintain_Period表示維修周期；Material、Weight、Long、Wight、High分別表示材料、重量以及設備的長、寬、高。

其中，一些設備信息和數值，例如安裝的確切位置、設置型號、規格的確定等，都和任務的啟動條件、約束條件、設計結果有關。設備和任務所在的模塊又能從其電氣功能模塊代號屬性反映出來，因此能夠將設備信息模型、產品信息模型、控制管理模型進行有效的集成。

3 船舶電氣數字化信息數據庫構架

在實際操作針對上述公式建立的數據庫時，容易出現操作不便或者數據冗雜的問題，因此，再實際建立數據庫時，還需要依據“船舶電氣智能設計系統”需求和修正的第三范式（BCNF），根據數據庫軟件需求和優化方法對上述公式進行一些改動。

（1）由于在船舶設計過程中在同一條船上同時布置了幾件甚至幾十件相同設備的現象，基于Web開放性船舶設備數據庫的現實意義，本數據庫根據設備型號分類設備，建立了包含設備出廠數據在內的部件表，并根據設備編碼建立了設備表，設備繼承部件的屬性值完全可以通過部件編碼開實現。

（2）依據相同的原理，從電纜表中將電纜類型、電纜型號、電纜規格分離出來。

（3）數據庫增加符號表以方便繪圖，并歸類了相似形狀的部件符號，方便設計，有利于設計軟件界面人性化與簡捷。

（4）數據庫還建立了其他文檔表以方便《電氣說明書》、《施工工藝》等文檔的管理。

4 結語

隨著電氣智能化設計的快速發展和廣泛應用，船舶電氣化設計也逐漸邁向數字化和智能化。船舶電氣化設計屬于知識密集型復雜工程，數字化信息模型的構建對于船舶電氣智能設計而言相當于核心與靈魂，發揮著至關重要的作用。在進行方案設計時，需要在設計方案的確定、模型的分析建立、以及對各個環節的評價等各個方面都進行嚴格的把關，只有這樣才能取得良好的成效。

參考文獻

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nate+Spring架構的船舶數字化平臺的設計與實現[J].計算機應用與軟件，2008，25（2）：178-180.

[2] 李銘志，蔣如宏，趙永生，等.船舶電氣智能設計系統中的數字化及參數化方法研究[J].造船技術，2009（5）：39-42.

[3] 單海校，劉國平.“船舶電氣與通信”省級精品課程實踐教學的探索與改革[J].中國水運：下半月，2008（12）：265-266.