船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評價系統(tǒng)研究及工程應(yīng)用

1、船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)研究及工程應(yīng)用韋乃琨 楊潤黨 徐東 謝子明摘要 為了在船舶設(shè)計階段對船舶產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)果進行評估，提出了開發(fā)船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)（SPNavis）。本文分析了系統(tǒng)需要具備的功能，提出了技術(shù)架構(gòu)，解決了異構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、虛擬裝配、動態(tài) 剖切等各種關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)了虛擬評估系統(tǒng)，用于解決虛擬環(huán)境下艙室布局評估與優(yōu)化、建造過程可裝配 性與可維修仿真等問題。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多艘船舶的設(shè)計檢查，與傳統(tǒng)CAD軟件相比，具有明顯的優(yōu)勢。關(guān)鍵字： 虛擬評估 船舶產(chǎn)品 海量數(shù)據(jù) 虛擬裝配 動態(tài)剖切1 引言常用船舶設(shè)計系統(tǒng)主要用于船舶產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計， 使用交互式手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入完 成設(shè)計

2、。 由于設(shè)計系統(tǒng)本身包含了大量信息， 產(chǎn)品設(shè)計信息與生產(chǎn)設(shè)計信息割裂， 無法使用 于多通道集群系統(tǒng)等特點，導(dǎo)致處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時效率低、操作難度大、檢查手段弱、擴展 能力有限。 船舶產(chǎn)品虛擬漫游系統(tǒng)就是為了解決船舶設(shè)計系統(tǒng)存在的不足而量身定制的， 解 決軟大數(shù)據(jù)量組織、存儲、保存技術(shù)，多通道集群管理技術(shù)，并行渲染技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，開 發(fā)船舶設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)，能應(yīng)用于大型圖形工作站、圖形集群、微機等硬件，為設(shè)計結(jié)果 評估提供仿真環(huán)境。2 船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)功能需求及技術(shù)架構(gòu)2.1 功能需求2.1.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為了保證仿真的真實性， 確保設(shè)計與仿真數(shù)據(jù)的一致性， 仿真數(shù)據(jù)都源于船舶設(shè)計系統(tǒng)。 開

3、發(fā)常用船舶設(shè)計系統(tǒng)，如 Tribon 、 CADD、S SPD及 SB3DS與虛擬仿真的接口，為船舶產(chǎn)品 的設(shè)計和虛擬評估提供數(shù)據(jù)。2.1.2 海量數(shù)據(jù)處理能力船舶產(chǎn)品具有海量數(shù)據(jù)的特點， 一艘七萬噸的散貨船包含的管子超過 5,000 根，電纜超 過 100 千米，船體和鐵舾件超過兩萬個零件，艦船包含的零件數(shù)目則更大。因此，為了滿足 實時、快速地完成船舶產(chǎn)品的設(shè)計和評估工作，要求系統(tǒng)具備處理海量數(shù)據(jù)的能力。2.1.3 設(shè)計虛擬評估船舶產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，艙室眾多，大型艦船的艙室多達數(shù)千個，還有其它許多如指揮塔、 導(dǎo)航、通訊、探測、生命、推進等許多系統(tǒng)和模塊，在前期初步設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用虛擬仿 真技術(shù)

4、， 對大型船舶各個系統(tǒng)和模塊的布置進行仿真和交互式漫游， 驗證這些系統(tǒng)布置的合35理性。船舶的舾裝根據(jù)專業(yè)劃為管系、電裝、輪機、外舾、內(nèi)舾和風(fēng)管，分布在船體的各個區(qū) 域，在不同的階段進行安裝。生產(chǎn)設(shè)計時，各專業(yè)的設(shè)計人員根據(jù)布置圖和原理圖等資料， 分別進行設(shè)計，存在大量相互干涉的情況，要求設(shè)計虛擬評估軟件按區(qū)域?qū)Ω髟O(shè)計專業(yè) / 系 統(tǒng)進行綜合評估，縮短設(shè)計周期，減少設(shè)計差錯。船舶產(chǎn)品的分段 / 總段劃分對于提高艦船的建造質(zhì)量、縮短造船周期、現(xiàn)代化改裝具有 重要意義。在初步設(shè)計階段，設(shè)計者就開始分段/ 總段劃分設(shè)計，利用設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)，結(jié)合劃分原則，如艦船功能設(shè)計區(qū)域、船廠吊裝能力和作業(yè)流程、

5、同類系統(tǒng)在分段/ 總段的高耦合性、艙室完整性和結(jié)構(gòu)特點等，支持船舶產(chǎn)品的分段/ 總段可視化劃分仿真和評價，提供直觀的仿真方案。2.1.4 建造過程仿真 現(xiàn)代船舶中，舾裝作業(yè)面廣，工程量大，為了提高建造質(zhì)量，縮短建造周期，最大限度 地把舾裝作業(yè)提前到作業(yè)環(huán)境較好的車間， 積極擴大單元和奮斗預(yù)舾裝率， 提高總段預(yù)舾裝 率。要求船舶設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)不僅支持船舶建造各階段的船體建造仿真， 還支持舾裝作業(yè) 的交互式仿真， 檢驗建造工藝的可行性和合理性， 支持裝焊順序和裝配路徑的快速修改和仿 真，為預(yù)舾裝率的提高提供技術(shù)保障。2.1.5 維修和改裝作業(yè)仿真 現(xiàn)代艦船設(shè)計不僅要滿足船舶的可制造性， 還需要滿

6、足可維修和快速換裝的要求。 由于造船 CAD系統(tǒng)中，不具有船舶產(chǎn)品的動態(tài)裝配過程的設(shè)計，尤其是對狹小艙室設(shè)備的安裝， 零部件的安裝等， 無法在設(shè)計過程中進行有效的檢查， 而虛擬制造和裝配過程可以進行設(shè)計 的驗證。 因此，要開展船舶產(chǎn)品主要設(shè)備可維性作業(yè)進行仿真， 區(qū)域舾裝零件拆裝作業(yè)仿真， 為船舶的快速維修和改裝提供各種技術(shù)方案。2.1.6 托盤自動劃分 目前， 生產(chǎn)設(shè)計中， 各類托盤中的每個對象都是設(shè)計人員通過手工方式來確定的， 花費 大量的時間，且出錯的頻率很大，延長了設(shè)計時間，增加了建造成本。要求船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估軟件通過交互方式，按區(qū)域/階段/ 專業(yè)對舾裝進行快速劃分，并支持舾裝對象

7、屬性的快速調(diào)整，實現(xiàn)托盤自動化劃分，并具備生成管子零件明細表、 管子支架制造明細表、 閥件、 附件托盤管理表、 設(shè)備明細表、 托盤管理表等各類報表的功能。2.2 技術(shù)架構(gòu) 船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖 1 所示，系統(tǒng)包含文件操作、 交互設(shè)備接入、 虛擬裝配等功能模塊。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換集成平臺實現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，并導(dǎo)入設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)， 是設(shè)計評估的基礎(chǔ)。虛擬評估系統(tǒng)能夠訪問、修改、更新設(shè)計系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，從而實現(xiàn)設(shè)計36和工藝數(shù)據(jù)的同步修改，減少設(shè)計返工時間，充分發(fā)揮兩種系統(tǒng)的優(yōu)勢。較大規(guī)模修改返回設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 集成平臺數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)接口規(guī)范設(shè)計評估系統(tǒng)設(shè)計與仿真環(huán)境集成三維 / 立體

8、顯示文件操作更新設(shè)計與評估系統(tǒng)修改數(shù)據(jù)子功能數(shù)據(jù)統(tǒng)計 動態(tài)剖切數(shù)據(jù)庫訪問與修改動畫制作與播放碰撞檢測與響應(yīng)多種漫游方式多通道輸出與管理外觀修改模型位置記錄與顯示交互設(shè)備接入模型選擇、顯示與操作虛擬裝配視點保存與快速切換參數(shù)化虛擬人三維測量圖 1 船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)3 船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)3.1 異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對常用船舶設(shè)計系統(tǒng)（ TRIBON、 CADDS、5 SB3DS等）的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、幾何造型、顏色、材 質(zhì)信息以及各類屬性信息進行解密、 抽取盒轉(zhuǎn)換。 根據(jù)船舶設(shè)計系統(tǒng)與虛擬仿真系統(tǒng)數(shù)據(jù)匹 配的原則，對數(shù)據(jù)進行重構(gòu)，制定數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)方案，實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的基本

9、處理 流程如圖 2 所示。37圖 2 船舶產(chǎn)品虛擬仿真數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案3.2 海量數(shù)據(jù)的動態(tài)與靜態(tài)碰撞檢測技術(shù)碰撞檢測技術(shù)用于檢查操作者、 設(shè)備及零部件之間的動態(tài)干涉， 該技術(shù)是虛擬評估系統(tǒng) 的基本功能。 在船舶模型數(shù)據(jù)量極大， 常規(guī)的碰撞檢測技術(shù)已不能滿足要求， 必須解決海量 數(shù)據(jù)的快速、精確、可控精度碰撞檢測問題。靜態(tài)碰撞檢測技術(shù)采用層次包圍盒技術(shù)， 最底層的精確模型檢測提供兩種技術(shù)： 基于特 征和基于高精度的面片。 基于特征是精確檢測， 需要虛擬評估系統(tǒng)訪問設(shè)計系統(tǒng)的底層模型 信息，目前支持國內(nèi)自行開發(fā)的 SB3DS和 SPD。Tribon 、CADDS5設(shè)計的模型，由于設(shè)計數(shù)據(jù) 保密和

10、技術(shù)封鎖，只能通過面片顯示。對于船舶系統(tǒng)，碰撞檢測分兩類：系統(tǒng)/ 專業(yè)內(nèi)部的碰撞檢測；專業(yè)之間的碰撞檢測，是碰撞檢測的重點。由于專人負責(zé)同一系統(tǒng)/ 專業(yè)的生產(chǎn)設(shè)計，系統(tǒng)內(nèi)部模型的幾何干涉較少，但需要精確碰撞檢測算法。 基于精確面片的包圍盒層次樹算法完全能夠滿足專業(yè)之間模 型的碰撞檢測。3.3 動態(tài)剖切技術(shù)在船體結(jié)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)計基本結(jié)束后， 各舾裝專業(yè)的設(shè)計人員按區(qū)域分別對各專業(yè)進行舾裝 生產(chǎn)設(shè)計。由于設(shè)計系統(tǒng)在設(shè)計過程的溝通方面相對薄弱，機裝綜合布置時，管系、風(fēng)管、 電氣、鐵舾存在干涉的現(xiàn)象非常多。動態(tài)剖切功能提供肋位、水線、船寬方向動態(tài)輸入，實 現(xiàn)指定區(qū)域的快速檢查，排除其它結(jié)構(gòu)的干擾。3.4

11、多通道管理技術(shù)多通道管理技術(shù)是構(gòu)建高沉浸感虛擬現(xiàn)實環(huán)境所必需的一個基本要素， 包括多通道立體 顯示系統(tǒng)設(shè)置、圖像輸入輸出、視錐劃分、圖像邊緣融合、幾何變形算法校正、仿真控制任 務(wù)分配、節(jié)點間數(shù)據(jù)通訊、幀同步鎖定等。3.5 托盤自動劃分按區(qū)域 /階段 /類型，通過交互方式，自動完成托盤劃分，與生產(chǎn)設(shè)計電氣模塊實現(xiàn)無縫結(jié)合，自動生成各類托盤的明細表。383.6 虛擬裝配技術(shù)船舶虛擬仿真模塊為船舶建造仿真應(yīng)用提供統(tǒng)一的開發(fā)框架、 工具庫和程序界面。 在平 臺中集成進行虛擬仿真開發(fā)所必須的文件輸入輸出接口、 場景管理接口， 顯示和聲音輸入輸 出接口，外圍設(shè)備輸入輸出接口和事件仿真控制等基本功能。虛擬裝

12、配的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在方便的交互手段上， 自然的人機交互方式及先進的外圍虛擬 交互設(shè)備的應(yīng)用將有利于提高虛擬裝配系統(tǒng)的可操作性和實用性。精確定位是虛擬裝配的重要部分，是驗證船體、設(shè)備等可裝配性的前提，特別是在交互 式虛擬裝配中， 能夠?qū)崿F(xiàn)吊裝設(shè)備和其它進艙設(shè)備的精確控制， 為精度造船的虛擬仿真提供 技術(shù)支撐。3.7 設(shè)計和工藝庫訪問與修改船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)作為生產(chǎn)設(shè)計的后續(xù)軟件，支持訪問與修改設(shè)計與工藝庫。 在設(shè)計檢查過程，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，在不改變拓撲結(jié)構(gòu)的條件下，對設(shè)計數(shù)據(jù)進行修改， 并保持生產(chǎn)設(shè)計數(shù)據(jù)的同步更新。 對于工藝數(shù)據(jù)， 能夠增加、 修改和更新工藝數(shù)據(jù)庫中所有 相關(guān)的信息。4 工程應(yīng)用船舶產(chǎn)品設(shè)計虛擬評估系統(tǒng)主要用于船舶產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)計階段船舶總布置、 艙室布 置、管系布置和敷設(shè)、電纜布置和敷設(shè)以及各類系統(tǒng)、裝置和設(shè)備的布置仿真作業(yè)評估，以 及船舶建造各階段的仿真。 借助此軟件， 工程師可以在虛擬環(huán)境下快速設(shè)計、 分析和比較多 種設(shè)計方案， 從而明顯減少真實船舶建