船舶电气智能设计系统开发研究

船舶电气智能设计系统开发研究(2010-09-29)来源：船舶工程阅读次数：24次摘要：根据船舶电气设计的现状和特点，分析了船舶电气设计系统在智能化方面的功能需求，提出了基于数据库的软件结构框架，研究了船舶信息数字化、功能模块参数化、图标驱动、参数绘图等关键技术及其实现方法.该研究对船舶设计系统的开发有一定参考价值.0引言船舶电气设计是一个知识密集、多学科交叉、多专业协作的复杂过程.设计方案的确定、分析模型的建立、主要参数的决策、各种设备的评价选优等环节，都需要创造性设计与设计经验的有效结合.同时，现代船舶电气系统越来越复杂，而且要求设计精度高、周期短，既要保证资源的合理利用，又要保证各电气系统的安全运行.另外，电气绘图和各种报表、计算书的生成都需要耗费大量的时间.尽管船舶电气设计存在诸多困难和挑战，同时，在整个船舶设计过程中占有很高的比重，但目前主流的船舶设计系统都只注重船体、结构和轮机的辅助设计功能，往往一个功能强大船舶设计系统，其电气设计方面也只具备绘图功能.目前国内普遍使用Tribon、CADDS5等国际流行船舶设计系统的同时，船舶电气设计大都仍然使用AutoCAD绘图.可见，开发一个智能化的船舶电气设计系统，让计算机在船舶电气设计过程中代替部分人力劳动，实现指导、校验设计并科学管理相关知识资料的研究非常必要和迫切.本文依托于国家科技部教育部重大专项“船舶数字化智能设计系统”，探讨了船舶电气智能系统的功能需求分析，结构框架设计及其关键技术实现.1系统设计1.1功能需求分析要解决设计质量、设计精度、设计周期、资源浪费等方面的问题，就需要能够快速访问和利用相关知识和设计资料，并将大量的估计改为估算，规律性劳动由计算机自动完成，即：1）在方案设计阶段，能够实现对设计资料的科学管理以及再设计.主要包括以下几个方面：（1）能够查找到最理想的母型船并能够便捷地修改成为目标船；（2）能够查找到最贴近设计方案的系统图并便捷地修改成为目标图；（3）能够快速搜索到某型号设备的出厂资料或相关电气系统图.2）在技术设计阶段和生产设计阶段，应实现：（1）用方案设计确定的影响船舶电气性能的主要参数约束技术设计；（2）在每个关键的设计阶段能够在系统运行界面上给出有关设计方法、设计流程、检验标准的指导；（3）在每个关键的设计数据产生时，能够自动对其在安全性、经济性以及与设计方案的一致性等方面进行校验并给出明确的判断结果和参考数据；（4）能够自动生成《电压降计算书》、《船舶电气说明书》、《电气设备汇总表》等计算书、说明书和材料清单；（5）能够实现对规律性较强系统的参数化绘图；（6）用技术设计确定的参数约束生产设计；（7）生产设计阶段能够有效利用技术设计阶段产生的成果，尽量避免重复劳动；（8）实现数据的统一和关联，包括轮机、舾装、总体和电气各专业之间以及电气各系统、文档之间.3）实现和目前主流船舶设计软件的数据互换.1.2结构框架设计考虑到船舶各电气系统规律性不一，新高性能电气控制系统的更新换代，以及软件的扩展能力，本系统在实现常规计算机辅助设计功能以及资料管理、计算书生成、自动校验、数据交换等智能化功能的基础上，针对规律性较强的电力一次系统、照明系统等增设了其参数绘图模块.同时，考虑到软件开发的周期和成本，本系统采取调用第三方绘图软件和Windows应用程序的技术方案，其系统结构框架如图1所示.系统包括操作界面、主程序、参数绘图模块、数据库、资料库五个部分.1）操作界面：包括项目管理、图纸管理、计算书生成、材料报表生成、电气绘图、标准图框生成、标准符号生成、三维模型生成、数据交换以及帮助十个主界面.其中电气绘图又包括页面管理、设计布置、参数绘图、对象编辑四个子界面；计算书生成包括电力负荷计算书和电压降计算书。2）主程序：包括项目、图纸管理，计算书、材料报表生成，电气绘图，辅助设计模块（图纸标准图框生成、设备三维模型和标准符号生成、数据交换、帮助）以及接口程序，其结构如图2所示.3）数据库：包括管理数据库和项目数据库.管理数据库保存部件参数、标准图框、标准符号、典型模板等公用信息和所有项目的参数信息；每个项目都有自己的项目数据库，用于存储其所有电气系统、电气设备以及资料信息.4）资料库：保存所有船舶电气设计过程中涉及、产生的图纸和文档资料.5）参数绘图模块：目前包括电力一次系统图、广播系统图、照明系统图以及照明布置图四个部分。2系统实现本系统选用面向对象程序设计语言VisualBasic以及与Windows紧密结合的关系数据库SQLServer作为实现工具.系统运行界面如图3所示.在系统实现过程中，主要采取了船舶信息数字化、设计资料参数化、图标驱动和参数绘图等关键技术.其具体实现如下：1）船舶信息数字化.这里主要指船舶电气数字化模型的建立.本文遵从面向对象方法学，将船舶看作由各种“对象”组成，通过对各对象的细分、归类并根据设计需要定义其属性、方法和响应事件以满足计算机识别和处理的需求，从而建立设计对象数字化模型.图4表示对象类层次结构（图中MO表示包含关系makeupof的缩写）.2）设计资料参数化.为了实现设计资料的科学管理，本文对船舶项目、电气系统（图纸）采用参数进行量化和标识；为了实现参数绘图，本文对规律性较强系统或功能模块采用参数描述的方法，从而建立了设计资料和功能模块的参数化模型.其中，描述设计资料的参数，主要来自于描述系统功能的特征项，而描述功能模块的参数，则包括图面需要表达、绘图需要考虑的所有项.3）图标驱动.为了提高绘图效率和设计质量，统一和标准化电气符号以整洁图面，本文在船舶电气绘图过程中，采用图标驱动机制.即，通过点击符合设备符号框架的图标，并选择其对应的部件，编辑设备的详细信息进而完成该设备原理或布置设计的方法.其工作流程如图5.图标驱动机制的数据结构如图6（图中AKO表示隶属关系akindof的缩写；Have表示拥有）图7是本系统中应用图标驱动机制进行设计绘图的操作界面.4）参数绘图.对某系统或功能模块，按照其可能包含的最多对象及其需要表达和确定的属性，建立其数模型.在该单元绘制的过程中，设计人员除了可以通过图标驱动方式绘制、修改相关数据之外，还可以通过调用其参数绘图模块，填写、选择或修改模型中的参数值，表达图面内容、相关数据及其格式，进而自动生成目标图、修改数据库，完成整个设计过程.图8是电力一次系统参数绘图过程中参数化生成启动单元的界面.3结论该系统采用参数绘图、数据交换、标准符号生成等模块协助设计，在实现智能设计的同时，满足了系统功能扩充，和行业软件互联以及规范图面的需求.调用第三方软件，使得系统取长补短，节约系统开发时间，也增强了系统的手工绘图和文档处理功能.另外，船舶数字化模型和参数化模型的建立也为数字造船提供了一个可行的参考.其缺点就是程序代码对绘图软件版本的针对性比较强，在移植过程中需要修改代码.目前该系统已在数条船的设计中得到了应用，在对设计资料的科学管理和再利用，对设计方法的指导和对设计结果的自动校验以及参数绘图和自动生成计算书、材料表等功能上表现突出，能够缩短设计周期，降低设计成本，尤其是电缆估算很大程度上降低了因估计误差造成的资源浪费.参考文献：[1]李铭志，蒋如宏，赵永生，等.船舶电气智能设计系统中的数字化及参数化方法研究[J].造船技术，2009(5):39-42.[2]张庆奎，赵良才，黄因慧.船舶全寿期动态信息模型及其系统结构研究[J].中国造船，2004(1):79-83.[3]韩啸.基于产品全生命周期的产品设计资源管理信息系统[J].辽宁科技大学学报，2008(4):155-158.[4]周小健，余冬梅，张聚礼.基于设计模式的软件体系结构研究[J].甘肃工业大学学报，2003(4):99-102.[5]张进.船舶设计中的项目管理模式探讨[J].船舶，2007(1):52-56.[6]卓佳，冯林桥.智能化变电所一次回路CAD系统软件开发[J].广东电力，2006(4):40-44.[7]曾芬芳，赵建立.基于参数化的舰船自动绘图系统[J].造船技术，1995(5):42-45.[8]李俊华，应文烨，陈宾康，等.基于集成知识模型的船舶舱室智能三维布置设计[J].中国造船，2002(2):1-7.[9]王晓升.船舶CAD/CAE系统面向对象数据库的开发[J].船舶工程，2008,30(6):59-61.[10]XinYuShao.Anexpertsystemusingroughsetstheoryforaidedconceptualdesignofship’sengineroomautomation[J].ExpertSystemswithApplications,2009,36:3223-3233[11]HelvaciogluSebnem.Areasoningmethodforashipdesignexpertsystem[J].ExpertSystems,2005,22(2):72-77.