船廠工藝三維布局工具的開發(fā)與應(yīng)用

胡世南

(中船第九設(shè)計(jì)研究院工程有限公司， 上海 200063)

0 引 言

參數(shù)化三維設(shè)計(jì)在汽車、機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟，市場(chǎng)上已有多款成熟的滿足上述領(lǐng)域需求的三維設(shè)計(jì)軟件。然而在建筑與工程領(lǐng)域，尤其是與造船行業(yè)緊密相關(guān)的船廠設(shè)備車間基建工程領(lǐng)域，基于模型的三維設(shè)計(jì)還處在起步階段。尤其在工程項(xiàng)目前期方案階段，尚沒有一種能夠滿足設(shè)計(jì)人員進(jìn)行工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)的三維設(shè)計(jì)工具，本文介紹對(duì)此類設(shè)計(jì)工具的開發(fā)與應(yīng)用過程。

1 開發(fā)三維布局工具的必要性

筆者所在單位是一家以船廠工程基建設(shè)計(jì)為主營(yíng)業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)院，主要負(fù)責(zé)進(jìn)行船廠廠區(qū)、車間工藝規(guī)劃和廠房建筑以及重型造船設(shè)備設(shè)計(jì)與建設(shè)工作。

為響應(yīng)國(guó)家“供給側(cè)改革”的號(hào)召，造船產(chǎn)業(yè)亟待升級(jí)，未來造船業(yè)將更多體現(xiàn)信息化、自動(dòng)化和智能化的特點(diǎn)。因此，未來的船廠工程建設(shè)將著力于實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)、智能裝備、精益工藝以及高效管理的深度集成，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

如圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)工程的“V字模型”理論，此類工程項(xiàng)目成功實(shí)施的關(guān)鍵在于工藝專業(yè)的前期工作，主要是基于業(yè)主需求所進(jìn)行的集成方案論證，既包括軟件集成方案，也包括物理設(shè)備空間布局以及生產(chǎn)物流規(guī)劃方案。其中，后者越來越呈現(xiàn)出多維度、復(fù)雜化的特點(diǎn)，原有的二維布局圖很難對(duì)方案進(jìn)行準(zhǔn)確的描述，亟需用更形象化、立體化的三維模型替代。然而在工藝人員進(jìn)行方案論證的過程中，需要盡快響應(yīng)業(yè)主需求從而調(diào)整方案，而現(xiàn)有三維設(shè)計(jì)軟件操作相對(duì)繁瑣，難以勝任。因此，迫切需要一種能夠快速完成三維布局的設(shè)計(jì)輔助工具，其應(yīng)具備操作簡(jiǎn)單高效、可快速變更方案等特點(diǎn)。此外，為滿足未來工業(yè)廠房三維設(shè)計(jì)的大趨勢(shì)，該工具還應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)為三維模型附加可被讀取信息的功能。

圖1 船廠智能化車間改造項(xiàng)目“V字模型”示例

2 三維布局工具開發(fā)過程和功能介紹

為滿足上述需求，進(jìn)行船廠工藝三維布局工具研發(fā)的探索與技術(shù)準(zhǔn)備工作，主要通過相關(guān)技術(shù)路線、完善軟件系統(tǒng)構(gòu)架、進(jìn)行具體程序腳本開發(fā)、建立模型數(shù)據(jù)庫以及通過具體項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)測(cè)與修正，基本完成布局工具的開發(fā)工作。

2.1 布局工具的基本原理與架構(gòu)

船廠工藝三維布局工具以建模軟件SketchUp[1]為基礎(chǔ)平臺(tái)，使用Ruby語言進(jìn)行二次開發(fā)。SketchUp軟件是一款通用于建筑方案設(shè)計(jì)的三維建模軟件，它操作簡(jiǎn)單便捷，同時(shí)開放了強(qiáng)大、完善的Ruby API，可以通過編寫腳本程序?qū)崿F(xiàn)軟件自帶的所有操作功能。

布局工具安裝在如圖2和圖3所示的SketchUp的Tools目錄下，并以其界面下的插件形式存在。工具的主要構(gòu)成為：Ruby腳本程序、預(yù)制的.skp組件模型庫以及Excel參數(shù)配置表格。各模塊之間的關(guān)系如圖4所示。

圖2 布局工具在SketchUp安裝目錄下的配置方式

圖3 布局工具以SketchUp 2015插件的形式存在

圖4 布局工具的主要構(gòu)成模塊及其相互關(guān)系

2.2 布局工具的主要功能介紹

布局工具的核心功能是快速生成車間工藝布局的三維模型，該功能可以通過2種方法實(shí)現(xiàn)。

(1) 一鍵生成法。如圖5所示，首先填寫Excel表格，預(yù)先配置車間內(nèi)的關(guān)鍵參數(shù)，主要包括廠房建筑結(jié)構(gòu)形式，車間內(nèi)設(shè)備類型、型號(hào)、數(shù)量、位置等，最后點(diǎn)擊建模控件，實(shí)現(xiàn)模型的一鍵生成。

圖5 通過配置Excel表格一鍵生成廠房布局模型

(2) 交互定義法。如圖6所示，首先通過鼠標(biāo)點(diǎn)選的方式對(duì)模型的位置和主尺度進(jìn)行定義，然后在彈出的對(duì)話框中對(duì)模型類型、產(chǎn)品型號(hào)、結(jié)構(gòu)形式等屬性進(jìn)行定義，最后生成相應(yīng)模型。

圖6 通過對(duì)話框交互完成起重機(jī)三維布局

布局工具還可以為模型附加屬性信息，如圖7所示，附加信息可通過選取模型后點(diǎn)擊控件的方式進(jìn)行查詢。

3 三維布局工具開發(fā)與應(yīng)用

3.1 三維模型快速生成的實(shí)現(xiàn)方式

SketchUp軟件支持通過Ruby腳本實(shí)現(xiàn)所有操作命令，因此在三維環(huán)境下實(shí)現(xiàn)快速建模的方式有很多種。一種方式是通過如圖8所示的點(diǎn)、線、面、體推拉放樣等方式創(chuàng)建模型。這種方式完全模擬SketchUp軟件中的建模過程，缺點(diǎn)是要通過編寫大段的Ruby程序代碼來實(shí)現(xiàn)模型的創(chuàng)建，并且建模深度受程序代碼編寫量的限制。另一種方式是預(yù)制設(shè)備模型，并通過檢索模型文件名調(diào)入三維場(chǎng)景中。但是這種方式的缺點(diǎn)是模型不能根據(jù)參數(shù)的變化而調(diào)整型式和尺寸，而船廠車間內(nèi)往往存在大量的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，其型式和尺寸多樣，若將所有規(guī)格全部做成預(yù)制模型會(huì)嚴(yán)重占用存儲(chǔ)空間。

圖8 完全由命令創(chuàng)建模型的建模方式

經(jīng)過實(shí)踐與總結(jié)，三維布局工具最終采用如圖9所示的預(yù)制組件拓?fù)浞▌?chuàng)建非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，即按照工藝設(shè)備和建筑結(jié)構(gòu)件的幾何特征和變形特征，將模型按照空間拓?fù)潢P(guān)系拆分成預(yù)制組件。在創(chuàng)建非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備模型的過程中首先調(diào)取相應(yīng)設(shè)備組件，再基于幾何參數(shù)對(duì)相應(yīng)組件進(jìn)行拉伸、復(fù)制、移動(dòng)等操作，最終組裝成完整的設(shè)備三維模型。此種方法既能保證模型的精細(xì)度，又能夠有效控制模型體量。

圖9 預(yù)制組件拓?fù)浞ǖ慕７绞?/p>

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，則可以通過檢索設(shè)備型號(hào)采用直接調(diào)用完整設(shè)備模型的方式進(jìn)行建模。

3.2 快速布局功能的實(shí)現(xiàn)和流程的優(yōu)化

如前文所述，布局工具主要提供2種創(chuàng)建三維工藝布局的方式，一鍵生成法是基于通過Ruby腳本調(diào)用Win32OLE庫讀取Excel表格中的數(shù)據(jù)，一次性將車間的建筑結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)備模型創(chuàng)建完畢。這種方式只在SketchUp 2015之后的版本才能實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是建模過程簡(jiǎn)單快捷，可快速生成多種建筑結(jié)構(gòu)形式的廠房方案，如圖10所示。此外，這種方式可較容易實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的跨平臺(tái)傳遞。

圖10 廠房形式的一鍵修改

然而這種方式也有局限性，工藝專業(yè)在進(jìn)行前期方案設(shè)計(jì)的過程中，需要一個(gè)反復(fù)推敲論證的過程，在此過程中，設(shè)計(jì)人員更關(guān)注與工藝流程、工藝布局直接相關(guān)的設(shè)備配置情況。從人機(jī)工程的角度分析，在Excel的參數(shù)配置環(huán)境下，設(shè)計(jì)人員面對(duì)的是大量的抽象數(shù)據(jù)(如圖11所示)，很難集中精力進(jìn)行工藝布局的優(yōu)化工作，即使通過VBA開發(fā)出圖形化的參數(shù)輸入界面，也難以再現(xiàn)工藝方案反復(fù)推敲的過程。因此，這種方式更適合基于已有二維設(shè)計(jì)成果快速創(chuàng)建三維布局模型。

圖11 車間布局的參數(shù)表格

如果進(jìn)行全新項(xiàng)目的工藝方案推演，更適合采用交互定義法進(jìn)行工藝設(shè)備模型的創(chuàng)建。以圖12所示的船廠管子切割-法蘭安裝-焊接生產(chǎn)線的三維布局工具為例，首先點(diǎn)擊布局工具組件，使用鼠標(biāo)在三維空間內(nèi)進(jìn)行定位操作，程序讀取始末兩點(diǎn)坐標(biāo)運(yùn)算出生產(chǎn)線的起始位置和主輥道軸線的方向。隨后彈出對(duì)話框選取生產(chǎn)線的類型，選擇 “大、中、小”3種管徑類型，隨后彈出的對(duì)話框內(nèi)會(huì)以下拉列表的方式提供相應(yīng)的設(shè)備配置選項(xiàng)。完成參數(shù)配置后，工具會(huì)通過解析輸入的參數(shù)調(diào)取相應(yīng)的設(shè)備組件組裝成完整的生產(chǎn)線，最后按照之前通過鼠標(biāo)定位確定的空間向量移動(dòng)到預(yù)定位置完成整條生產(chǎn)線三維模型的布局操作。

圖12 用“交互定義法”完成設(shè)備布局

為應(yīng)對(duì)更為復(fù)雜的生產(chǎn)線布局工作，布局工具將設(shè)備進(jìn)行分類，包括生產(chǎn)加工設(shè)備和生產(chǎn)物流設(shè)備。在設(shè)計(jì)過程中，工藝人員可以按照生產(chǎn)綱領(lǐng)選取相應(yīng)的加工設(shè)備模型進(jìn)行布置，然后調(diào)取相應(yīng)的物流設(shè)備對(duì)生產(chǎn)線上的各個(gè)工位進(jìn)行連接。通過這種方式對(duì)工藝方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，更符合工藝方案設(shè)計(jì)的思路和流程，也更便于方案的推敲、調(diào)整和逐步優(yōu)化。如圖13所示，布局工具還包括了可擴(kuò)展的先進(jìn)加工和物流設(shè)備布局模塊，如可變相輸送小車、搬運(yùn)/焊接機(jī)器人等，以應(yīng)對(duì)船廠自動(dòng)化、智能化升級(jí)改造項(xiàng)目的需求。

圖13 布局工具包含的布局模塊

3.3 布局工具數(shù)據(jù)傳遞

三維快速布局功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)的有效傳遞，包括參數(shù)的輸入、解析和模型屬性的附加。

3.3.1 數(shù)據(jù)的輸入

如圖14所示，布局工具的2種布局方式對(duì)應(yīng)2種參數(shù)的輸入方式。其中一鍵生成廠房布局方法的關(guān)鍵在于對(duì)Excel表格內(nèi)參數(shù)的批量讀取，首先需要根據(jù)廠房的布局規(guī)律設(shè)計(jì)合理的表格結(jié)構(gòu)，同時(shí)要編寫與表格結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的參數(shù)讀取腳本程序。通過對(duì)話框進(jìn)行參數(shù)輸入的關(guān)鍵是建立導(dǎo)航流程，且采用下拉列表進(jìn)行參數(shù)輸入，這樣既可以減少手工操作，也可以簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)。

圖14 實(shí)現(xiàn)2種參數(shù)輸入方式的程序代碼

3.3.2 程序內(nèi)部數(shù)據(jù)解析和轉(zhuǎn)換

如圖15所示，為實(shí)現(xiàn)模型組件的創(chuàng)建、導(dǎo)入以及變換等功能，主要的數(shù)據(jù)解析和變換方式包括以下幾類：

(1) 數(shù)組運(yùn)算。主要用于從Excel中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)匯集成數(shù)組，以供程序自動(dòng)調(diào)用數(shù)組中的相應(yīng)元素。

(2) 邏輯運(yùn)算。根據(jù)建模規(guī)律創(chuàng)建邏輯判斷，根據(jù)輸入條件執(zhí)行相應(yīng)操作。

(3) 字符運(yùn)算。可將字符型數(shù)據(jù)按照規(guī)則重新組合，形成模型組件名代碼，以供程序進(jìn)行檢索調(diào)用。

(4) 代數(shù)運(yùn)算。主要進(jìn)行數(shù)字變量或空間向量的加、減、乘、除、乘方等計(jì)算，驅(qū)動(dòng)程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行復(fù)制、變形、位移等操作。

圖15 布局工具腳本程序中的主要數(shù)據(jù)解析方式

3.3.3 模型屬性信息的附加和讀取

如圖16所示，布局工具以字符運(yùn)算的方式生成模型屬性信息，并通過屬性附加命令實(shí)現(xiàn)其與模型的綁定。同時(shí)，布局工具支持模型信息讀取功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)所選模型屬性信息的讀取。

圖16 實(shí)現(xiàn)模型屬性信息生成和附加的程序代碼

4 實(shí)用案例

在如圖17所示的某海外船廠工程項(xiàng)目中，應(yīng)業(yè)主要求，工藝設(shè)計(jì)人員需提供一套完整的船廠三維模型。在建模的過程中，工藝設(shè)計(jì)人員應(yīng)用了工藝三維布局工具。建模過程如下：

首先打開建模軟件SketchUp，并將船廠總圖導(dǎo)入SketchUp中；創(chuàng)建船體、舾裝、涂裝等加工車間，設(shè)計(jì)人員通過填寫車間建筑參數(shù)表格的方式快速完成上述車間廠房模型的生成，并將模型拖動(dòng)至總圖對(duì)應(yīng)位置上；創(chuàng)建龍門吊、門座吊等外場(chǎng)設(shè)備的三維模型，設(shè)計(jì)人員通過相關(guān)設(shè)備的布局工具，直接在總圖上進(jìn)行拖拉操作為設(shè)備進(jìn)行定位，并通過參數(shù)輸入對(duì)話框設(shè)置設(shè)備規(guī)格和尺寸，進(jìn)而完成整個(gè)廠區(qū)的三維建模。

使用這種方式進(jìn)行建模，只需花費(fèi)設(shè)計(jì)人員不到半小時(shí)的時(shí)間，而如按照原有的方式創(chuàng)建這樣體量的模型，即使是熟練的建筑專業(yè)或規(guī)劃專業(yè)設(shè)計(jì)師，也需花費(fèi)3天時(shí)間。

圖17 某海外船廠的廠區(qū)規(guī)劃方案快速布局

在如圖18所示的某管子車間升級(jí)改造項(xiàng)目中，為讓所有設(shè)計(jì)人員對(duì)車間工藝布局現(xiàn)狀有一個(gè)全面立體的了解，也為給后續(xù)研究工作帶來方便，使用快速布局工具對(duì)該管子車間進(jìn)行了三維重現(xiàn)。首先通過填寫廠房參數(shù)快速創(chuàng)建廠房的建筑和結(jié)構(gòu)模型，然后在此基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果逐一添加行車、半門吊、管子切割設(shè)備、彎管設(shè)備、手工校管焊接設(shè)備等對(duì)象的三維模型，僅用時(shí)20 min。

圖18 某管子車間工藝布局的快速三維再現(xiàn)

5 結(jié) 論

綜上所述，以SketchUp軟件為基礎(chǔ)開發(fā)的船廠工藝三維布局工具能夠滿足工藝專業(yè)在船廠項(xiàng)目的前期用三維方式表達(dá)設(shè)計(jì)方案的需求。在未來的船廠智能化生產(chǎn)線集成項(xiàng)目中，該布局工具還可用于方案的反復(fù)推演。該工具還可在設(shè)備組件庫、操作流程以及內(nèi)部程序架構(gòu)等方面進(jìn)一步完善，在未來的工程項(xiàng)目和科研活動(dòng)中發(fā)揮更大作用。

[1] 丁煒杰，邱宇舟，何迪，等. SketchUp參數(shù)化建模在船廠工藝方案設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探索[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2015，7(5):97-101.