船廠工藝快速布局工具2.0的開發與應用

胡世南，丁煒杰

(中船第九設計研究院工程有限公司，上海 200063)

0 引 言

在國內船舶工業高質量發展的背景下，船廠基建工程越來越重視前期的工藝布局與規劃。工藝布局不僅影響船廠投產后的運轉效果，而且影響工程建設的成本。由于船廠的工藝規劃具有一定的特殊性，在行業內缺少適用于船廠工藝快速布局的工具軟件，因此團隊開發一種船廠工藝快速布局工具，并針對該工具在生產中的使用反饋進行有針對性的升級。

1 開發背景

在船廠工程建設的前期需要進行船廠車間工藝規劃設計。船廠車間工藝規劃設計的主要任務是根據船廠綱領產品的生產制造流程與生產物料數量，進行船廠生產資源要素(人、機、料、法、環)的規劃。工藝規劃設計的成果主要體現為車間空間體量、車間內工位劃分、工藝設備選型與布局方案等內容，是船廠車間廠房進行土建、公用設計及設備安裝與集成的依據與基礎。

與采用二維計算機輔助設計(Computer Aided Design,CAD)工具相比，采用三維建模方式進行車間工藝布局具有明顯的優勢，三維表達方式更直觀、更美觀、更符合人們的視覺習慣,讓每個人均可輕松讀懂布局規劃內容[1]。

由于各行業工廠布局均具有相對特殊的需求，在國內外的軟件市場上很難找到一種適用于所有工程行業的布局工具，因此需要根據行業特點進行布局工具的定制化開發。例如，SJTU-SANY數字化工廠技術聯合實驗室開發三維工廠布局規劃平臺(VR-Layout)，該平臺為操作者提供逼真的交互式虛擬漫游環境，是一款專業的工廠三維布局軟件工具[2]。

船廠工藝布局具有自身的特點與需求，選擇自主三維快速布局工具的技術路線。經相關開發工作，形成船廠工藝快速布局工具1.0。布局工具1.0在船廠工程設計應用中顯著提升設計深度與響應速度，但在使用過程中發現一些問題：沒有形成完整的模型庫，制約建模內容與功能的可擴展性；只能進行單向參數化建模，若需要對模型進行修改，則操作過程非常繁瑣。上述問題制約布局工具1.0的使用效率，因此在其基礎上進行船廠工藝快速布局工具2.0的開發，重點解決基于構件模型庫的參數化建模及基于數模關聯的雙向參數化建模技術。

2 系統架構與主要功能

2.1 系統架構

船廠工藝快速布局工具2.0是一種使用Ruby語言、在SketchUp平臺上進行二次開發的插件工具。SketchUp軟件是一款通用于建筑方案設計的三維建模軟件，操作簡單便捷，同時開放強大、完善的Ruby應用程序編程接口(Application Programming Interface,API)[3]。SketchUp的Ruby API可幫助開發者擴展SketchUp的功能以滿足各自不同的使用需求，創建文本格式的腳本文件并將其放置于SketchUp的插件目錄下[4]。布局工具2.0采用該開發方式，其系統架構如圖1所示。

圖1 布局工具2.0的系統架構

布局工具2.0各構成模塊之間的關系如圖2所示。在進行某型設備的布局建模過程中，運行設備建模程序控件，該控件調用該設備的正向建模腳本，進行參數的錄入與解析；建模腳本根據數據解析結果從設備模型構件庫中加載相應的設備構件模型，組合為所需要的設備模型并布置在車間指定位置。

圖2 布局工具2.0的主要構成模塊及其相互關系

2.2 主要功能

船廠工藝快速布局工具2.0以SketchUp插件的形式存在，包括6類工具條，如圖3所示，實現車間廠房環境，物流設備，船體車間生產加工設備、船用管子車間設備，船廠船塢與碼頭等設施，外場門式起重機、碼頭起重機等大型設備，船廠陸域設施(道路、廠房體塊、辦公建筑體塊、公用動力站房等)的快速布局功能。

圖3 布局工具2.0的6類建模插件工具條

3 關鍵技術

3.1 基于構件模型庫的參數化建模技術

3.1.1 參數化建模原理

SketchUp支持通過Ruby語言腳本實現所有的操作命令，在理論上可通過Ruby語言腳本從零創建所有模型。但這樣的方式會帶來大量的代碼編寫工作，且每一種設備需要專門對應一段代碼程序。為提高軟件開發效率，在布局工具2.0中主要采取預制構件拓撲法，在開發過程中按照工藝設備與建筑結構件的幾何特征與變形特征，將模型按照空間拓撲關系拆分為預制構件，如圖4所示。在創建非標設備模型的過程中調取相應設備構件，基于幾何參數對相應構件進行拉伸、復制和移動等操作，組裝為完整的設備三維模型，使用該方法不僅可保證模型的精細度，而且可有效控制模型體量[5]。

圖4 預制構件拓撲法建模原理

3.1.2 工藝設備模型庫的編碼體系

預制構件拓撲法實現的關鍵在于從模型庫中調用設備構件模型，采用合適的構件調用方法會顯著提升插件程序的建模效果。布局工具2.0貫徹成組技術理念，通過建立工藝設備模型庫的編碼體系，對建模程序進行優化。

設備模型庫的編碼體系就是一種根據工藝設備形態特征、設備規格類型及建模參數等要素進行設備構件模型命名的規則。以船體車間的門式板材切割機為例，其構件模型由4位代碼組成：第1位是部位碼，表示該構件屬于設備的具體部位；第2位是特征碼，表示該部位具有的幾何特征；第3位和第4位是規格碼，表示設備的規格類型。因此，代碼C101為等離子切割機的割矩頭本體，如圖5所示。

圖5 設備構件編碼表原理示例

板材切割機的建模程序代碼如圖6所示。建模程序通過字符運算，將輸入的選項參數轉化為構件模型的模型名，從數據庫中調用同名模型構件，經幾何變換后組合為相應的切割機設備。按照這樣的方法，僅需要200行代碼即可實現幾十種不同規格與類型切割設備的參數化建模功能，且不需要修改程序代碼，按命名規則將新的構件模型添加至模型構件庫即可實現新設備的參數化建模。

圖6 板材切割機的建模程序代碼

3.2 基于數模關聯的雙向參數化建模技術

參數化建模是在20世紀80年代末逐漸占據主導地位的一種CAD方法，是參數化設計的重要過程。在參數化建模環境中，零件由特征組成[6]。布局工具1.0的參數化建模方式為單向，實用性較差。布局工具2.0通過Ruby語言開發實現工藝設備雙向參數化建模功能，如圖7所示。

圖7 工藝設備雙向參數化建模的實現原理

在進行設備的第一次建模過程中，正向建模腳本在完成模型創建后，通過如圖8所示的程序命令將輸入的設計參數附加至創建的模型。

圖8 實現建模參數與模型關聯功能的代碼

若需要對已完成建模的設備進行修改，僅需要在選中該設備模型后點擊設備更新控件。該控件自動讀取模型附帶的建模參數，調用反向建模腳本。反向建模腳本自動讀取在上一次建模時輸入的參數，并彈出參數修改界面，在設計人員完成參數修改后，反向建模腳本即可自動生成新模型，并將新建模參數與模型進行關聯，如圖9所示。

圖9 設備參數化反向修改功能實現過程

4 使用效果與工程實例

4.1 建模效率提升情況

在布局工具2.0的開發過程中，共經歷3輪技術迭代。以某四聯跨雙層行車的船體分段車間三維建模為對象，分別對升級前、第一輪升級后、第二輪升級后、第三輪升級后的布局工具進行建模效率測試，如圖10所示。經設計人員實操測試，布局工具2.0第三輪的整體布局效率可達布局工具1.0的2.9倍。

圖10 布局工具2.0建模效率提升情況示例

4.2 工程實例

某船廠鋼結構車間生產線工藝方案投標項目需要對多條自動化生產線進行方案論證，每條生產線均包含復雜的加工設備與物流設備，如圖11所示。為進行高效的方案論證，設計人員使用廠房布局工具條快速生成鋼結構車間，使用物流設備工具條和船體加工設備工具條完成車間內的地面輥道、起重機、運輸臺車、焊接門架等設備的三維布局，整個過程僅用時0.5 d；以該布局模型為基礎，與船廠進行工藝方案的討論與優化。使用參數化布局工具的反向修改控件，可在方案討論會的現場對生產線布局方案進行快速變更與優化，顯著提升方案溝通與設計方案優化的效率，僅通過1次方案討論會，設計方與船廠即對設計方案基本達成共識。

圖11 某船廠鋼結構車間生產線工藝方案投標項目

在某船舶配套園區改造規劃項目中，為進行多方案對比論證，設計人員使用總圖布局工具對園區的現狀布局進行三維快速建模，如圖12所示。在該模型基礎上，使用反向修改控件生成多套改造方案布局，實現基于模型的多方案對比論證，整個過程僅用時1 d，在不影響項目進度的前提下顯著提升方案論證效果。

圖12 某船舶配套園區改造規劃項目的三維多方案論證

5 結 語

通過應用參數化與編碼等關鍵技術，船廠工藝快速布局工具2.0在人機交互界面、模型庫標準化、建模效率等方面顯著地提升船廠規劃設計質量與效率，在船廠工程規劃設計項目中得到廣泛應用。該工具可在設備構件庫、操作流程及內部程序架構等方面進一步完善，在船廠規劃中發揮更大作用。