船體生產設計工作圖電子化作業研究與應用

潘榮 王學營

【摘要】船舶的生產設計過程涉及到大量圖紙，工作圖作業是生產設計的重要環節，是設計指導制造部門裝配船體結構的唯一指示圖，輸出結果直接面向現場加工和生產。其作業過程中涉及數量龐大的圖紙信息處理，由于智能化作業程度較低，很多時候還要進行紙面作業，效率低下。本文主要研究工作圖的作業電子化，建構電子作業平臺，使得生產信息可以快速錄入，迅速應付現場的對應。

【關鍵詞】Tribon；電子圖紙；二次開發；優化算法

一、背景

德國在2013年漢諾威工業博覽會上提出了“工業4.0”的概念，它是繼蒸汽機的應用、規模化生產和電子信息技術等三次工業革命后，以生產高度數字化、網絡化、機器自組織為標志的第四次工業革命。“工業4.0”的到來給制造業帶來了重大的發展機遇，特別為轉型期的船舶制造和航運領域的發展帶來了重大契機。

船舶設計具有數據量大、數據類型多的特點，對數據的后期處理往往耗費大量的人力和物力，在一定程度上阻礙了船企盈利能力的提升。傳統的作業方式在一定程度上已不能滿足船舶設計在高效和智能方面的要求，做出改變刻不容緩。

工作圖作業是生產設計的重要環節，是設計指導制造部門裝配船體結構的唯一指示圖，輸出結果直接面向現場加工和生產。其作業過程中涉及數量龐大的圖紙信息處理，由于智能化作業程度較低，很多時候還要進行紙面作業，效率低下。同時，每條船作業過程中都會產生大量的紙質工作圖，也給圖紙管理增加了壓力。本文研究生產信息的快速錄入機制，基于TRIBON進行二次開發，通過構建電子作業平臺，實現工作圖的電子化作業。

二、研究現狀

由于造船圖紙所包含的信息量很大，容易出現數據的遺漏和誤讀。國內很多船廠普遍采用圖紙配合清單的形式來避免錯誤的出現，這樣雖然有效地降低了出錯的概率，但是直觀性不夠，相應降低了現場加工的效率。

目前在船舶行業內，幾乎沒有對于圖紙電子化作業的研究。據了解國內主要船廠和設計院的方法基本一致，工作圖初稿在電子平臺制作結束后，打印成紙面，后期改正都是在紙面上。川崎重工（KHI）曾經在這方面進行了一定的開發，但是效果并不好。而在其他領域，如建筑、飛機制造等的數字化設計已較為普遍，幾乎可以達到設計過程的全部電子化。由此可見，對船舶設計中的圖紙電子化作業還處于較為落后的狀態，有待進一步深入研究和應用。

三、工作圖電子化研究

（一）最優化方法

伴隨著科學技術的需要、計算機的高速發展和優化計算方法的進步，最優化的應用范圍越來越廣。設計、操作、工業過程、生產裝置分析乃至生產計劃之類的有關問題，幾乎最后都歸結為確定某個目標函數的最優值。

最優化算法是研究最優解的特征和算法的一門應用性很強的學科，最優化問題的一般形式是：

（1）

其中，稱S為可行域，，稱f（x）為目標函數。

如果可行域是整n維歐式空間，那么問題稱為無約束最優化問題：（2）

（二）二次開發

Tribon模型數據抽取技術（Data Extraction）是Tribon二次開發的基礎，通過數據抽取能夠取得一個或多個Tribon對象的信息。Tribon目前所支持的數據抽取方式大致有四種：交互式工具SX700、幾何宏語言、部件模型對象和VITESSE。

VITESSE程序采用Python語言編寫，其具有語法表達簡單，易讀易懂的特點，同時其還具有面向對象編程的特性，編寫效率較高。TRIBON系統為Python編程提供了專門的接口，可對系統數據庫進行數據提取操作。另外，TRIBON系統中植入了VITESSE工具（如圖1），用戶可以方便的在系統內部進行可視化操作。本文中我們使用VITESSE進行相關開發。

圖1 VITESSE可視化工具

（三）作業規則

生產設計作業所涉及的信息量較大，對信息進行處理的工作量也比較繁重。相較于其他船廠，NACKS對設計輸出的要求更高，包含的設計數據更加詳細和多元。

工作圖作業所涉及的約束條件多且雜，作業者要使每一個圖面都滿足上述要求，實質上是在花費大量時間完成技術含量低的重復勞動。

四、工作圖電子化開發

經過對工作圖電子化作業進行研究，并結合船體生產設計的實際作業規則，我們建立了一套相對完善的工作圖電子化作業流程，如圖2所示。

為了使電子化作業方式與原有流程對接，需要開發大量的程序來進行設計支持。程序對電子作業的支持主要體現在電子圖圖面數據的快速整理與添加及電子圖紙的批量打印與格式轉換。

在工作圖的電子化作業中，需要對點、線、面進行坐標、角度等較為復雜的計算，且用到的頻率頗高。對此，我們考慮建立公共函數，將多種類型的科學計算集成到一個模塊，方便使用和維護。

慮到在程序運行過程中需要獲取模型信息，必然會大量的用到數據抽取，我們建立了數據抽取公共函數。將原本針對多種數據類型的離散抽取方法進行了集成，且僅通過一句命令即可獲取各種類型不同的數據結果，大幅提高了程序編寫的效率并縮減了代碼量。

在相關程序的支持下，工作圖作業中的人工作業相應減少，大大提高了電子圖的作成和改正效率。圖3中對比了應用程序進行小組立圖作業的前后對比。

圖3 小組立圖作業前后對比

在出圖環節，我們開發了圖紙的批量打印和批量轉換程序，不僅實現圖紙對現場的快速配布，還和電子圖庫進行對接，生成的電子圖紙可直接上傳E圖庫。

五、工作圖電子化應用

通過推進工作圖的作業電子化，建構了電子作業平臺，使得生產信息可以快速錄入，迅速應付現場的對應。經過一年的研究和開發，相關流程已經在船體生產設計的實船作業中應用，并且有較好的反饋結果，成果顯著：

工作圖電子化使得改正作業效率大幅提升，改正量越大，節省工時越明顯，以NE166船實施情況和NE089比較（見圖4）工作圖占比下降6.1%。而在流用船作業時，基本都是改正作業，對流用船作業影響較大，可以判斷對生產設計部門的設計效率提升發揮重要作用。

表5 NE089和NE166工作圖數據

圖4 NE089和NE166工作圖工時對比

工作圖設計過程中，引入了圖面信息的智能化處理方法，減少了設計者思考與判斷的過程，降低該作業環節的設計難度。讓設計者有更多的時間與精力關注結果，并且在設計基準范圍內的給定一個相對統一的作圖方案，讓設計出圖更專業化，標準化。另外，錄入計算機的信息較手寫字體、符號、線條等信息清晰，可讀，專業，得到制造部門的充分認可，電子查閱便捷，設計對應效率大幅提升，在一定程度上提高了數字化應用程度。

通過對程序的改進和完善，我們已經將這種作業方法移植到AM12中，實現了AM12的支持。

參考文獻

[1]Tribon Training Guide.