基于多維集成知識驅動的開口協同設計方法研究

韓海榮， 劉偉， 朱佳文， 楊亢亢

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

0 引 言

隨著造船工業的不斷發展，知識工程在艦船設計方面的應用也越來越廣，船舶設計過程中有成千上萬的貫穿開口管理需求。開口設計是一個典型的跨專業、跨業務部門、跨單位的協同設計業務。簡單的一個開口需要滿足多方面的需求，任何一方的要求不能滿足都需要重新協調修改，因開口修改造成的返工量也非常巨大，嚴重影響產品質量和研制周期。針對船舶開口方面的研究，主要集中在開口對結構性能影響以及開口后對結構的加強等方面，關于海量開口的設計和管理尚沒有相關可查閱的資料。本文在分析船舶開口業務流程的基礎上，梳理出開口協同設計知識體系，構建開口協同設計知識庫，將多維集成開口知識封裝在開口設計工具中，形成開口協同設計知識組件，在開口設計之初通過知識推送和規則檢查減少不合理設計需求，對于提高開口設計質量和提高設計效率具有重要意義。

1 開口協同設計知識體系構建

船體貫穿開口是為滿足某些設備安裝運行、人員通行、物資轉運流通、通風排氣等需求而需要改變原有的船體結構的一種設計行為。全船的門窗梯蓋、電梯通道、設備檢修口等均需貫穿開口。由此可見，船體貫穿開口主要包括開口需求提出、結構開口出圖、鋼板切割三個關鍵步驟。每一個開口都涉及到設備責任人、結構設計師、船廠建造工藝師三方需求的協調和平衡。這種跨專業、跨單位、跨階段的協調，問題曝露越晚，影響范圍越大。因此，需要將可能存在的問題提前解決，以減少后續大面積調整。

如果設備責任人在開口需求提交時就能考慮結構強度和建造工藝的可行性，則能有效減少后續返工調整。受專業所限，設備責任人對結構強度和建造工藝很難主觀掌握。因此，如果能將開口相關的結構強度要求和建造工藝要求集成到開口模板中，在開口需求提交時就通過知識關聯進行質量檢查和提醒。開口知識庫的創建是關鍵，開口基礎知識庫主要包括開口基本類型知識、結構開口原則要求和開口工藝知識。其中開口基本類型知識包括開口類型代號、描述、參數體系、圖例等關鍵要素。

圖1 開口協同設計知識體系

2 基于集成知識的開口協同設計方法

基于多維集成知識驅動的開口協同設計方法，主要分為兩大階段，即開口基礎知識庫建立階段與開口知識應用階段，具體實施流程參見圖2。

2.1 船體構件分類知識庫

為了建立開口知識與船體構件的關聯關系，首先需要建立船體構件分類知識庫。船體構件分類知識包含結構構件類型編碼表和結構構件常用名稱對照表，結構構件類型編碼知識可表示為

圖2 基于多維集成知識驅動的開口協同設計方法步驟流程圖

其中：ti表示構件通用名稱；si表示構件類型編碼。

另外在結構建模過程中，動態記錄每一個構件對應的構件類型，通過創建時選擇構件類型來進行屬性關聯，產生一個結構構件編碼與結構構建類型對應表，圖3為結構構件類型編碼表、結構構件編碼與結構構建類型對應表示例。

2.2 開口基礎知識庫建立

主要包括三方面的知識，常用開口基本類型知識；開口原則知識主要是結構對開口的一些要求；開口工藝知識主要是開口建造可行性的一些要求。

1）開口基本類型知識。開口類型知識模板（KTPT，Knowledge Template of Penetration Type）是包含開口類型代號、開口形狀、描述、關鍵參數列表等知識的開口模板文件，可表示為

圖3 結構構件類型編碼表、結構構件編碼與結構構建類型對應表示例圖

2）結構開口原則要求。通過協同設計工作平臺收集開口相關的知識，結構設計師結合開口的一些標準規范及設計經驗提出特定區域或者構件上開口約束條件。如“T型材腹板上只允許開圓形或長圓形孔”；“T型材面板上不允許開孔”；“球扁鋼上不允許開孔”；“除了輕圍壁上門的開口，其余開口角隅都應倒圓，倒圓半徑不小于開口寬度的0.1倍”。

3）開口工藝知識。通過廠所協同設計工作平臺收集建造工藝師對開口的要求，建造工藝師結合工藝規范和工藝條件提出哪些區域哪種類型的開口工藝上是做不到或者很難做到的。

2.3 開口知識表示

庫管理員將開口搜集到的開口知識，轉換為結構化表達式。比如開口圓角約束知識“除了輕圍壁上門的開口，其余開口角隅都應倒圓，倒圓半徑不小于開口寬度的0.1倍”，該條知識可表達為 {if Part_Type＜＞"0"or Pene_Type＜＞"01",R≥0.1*Min（P）}，在該表達式里Part_Type為構件代碼，來自第1步創建的結構構件類型編碼知識庫；Pene_Type為開口類型代碼，P為開口參數中除倒圓半徑外的參數列表，R為倒圓半徑，來自于第2.2節開口基本類型知識庫中對應的參數。

2.4 構件類型與開口知識的關聯

將第2.3節表達的每一條結構化開口知識與第2.1節對應的開口構件類型及第2步開口基本類型進行關聯。如將第2.3節轉換完成的開口知識 {if Part_Type＜＞"0"or Pene_Type＜＞"01",R≥0.1*Min（P）}（對應的知識描述為“除了輕圍壁上門的開口，其余開口角隅都應倒圓，倒圓半徑不小于開口寬度的0.1倍”）與第2.1節構件類型中除“輕圍壁”外的所有構件類型關聯，與第2.2節的開口類型中除“門開口”外的所有開口類型關聯。

2.5 創建開口知識組件

構建多維集成知識驅動的開口知識組件，該知識組件集成開口設計所需的開口基本類型、開口形狀圖例（根據選擇的開口類型顯示）、Para_list（根據選擇的開口類型顯示具體列表）、Point（X、Y、Z）、Direction（XY、YZ、ZX、User_D）、開口所依附結構構件選擇等開口需求信息，同時封裝結構開口原則要求和開口工藝知識，用戶在該集成工具中僅通過選擇和輸入參數即可進行基于知識模板的參數化設計。

如用戶選擇的開口類型為門開口，在Para_list中填入的參數為（L=1800，B=800，R=50），選擇開口所在的結構構件代碼為ZH_0005，開口編碼為030502-262。

圖4 結構構件類型編碼表、結構構件編碼與結構構建類型對應表示例圖

2.6 規則匹配和約束檢查

基于第2.5節完成的開口初步設計，系統按照圖3的流程進行規則匹配，首先通過第2.1節中的結構構件編碼與結構構建類型對應表確定編碼ZH_0005的構件對應的類型為主橫艙壁，系統通過檢索該開口所在的構件類型關聯了規則 {if Part_Type＜＞"0"or Pene_Type＜＞"01",R≥0.1*Min（P）}（對應的知識描述為“除了輕圍壁上門的開口，其余開口角隅都應倒圓，倒圓半徑不小于開口寬度的0.1倍”），R=50＜0.1*min(1000,800)，因此規則不滿足。

2 .7 結果提交

系統遍歷所有規則后，會將所有不滿足的規則展示給開口需求提交人，以便于及時修改。

3 結 語

本文提出的基于多維集成知識驅動的開口協同設計方法，能夠實現在開口需求提出之初就進行校核檢查，減少設計返工量，有利于提高產品設計效率；同時該方法對于不滿足要求的開口可以給出具體的提示信息，讓系統設計師在設計過程中逐漸學習和掌握開口強度知識和工藝知識，消化為自己的知識，有利于提高設計質量，也可以培養多元化設計師。

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