船型設(shè)計(jì)與性能分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃金鋒

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北武漢 430064

1 引 言

艦船設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的工程，涉及眾多的信息系統(tǒng)。如何在嚴(yán)格的流程管控下實(shí)現(xiàn)這些信息系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的共享和交互，以支持并行、協(xié)同的艦船設(shè)計(jì)，是一項(xiàng)十分重要的工作。船型設(shè)計(jì)和性能分析就是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

當(dāng)前在船型設(shè)計(jì)中常用的軟件是澳大利亞的Maxsurf，它是一套完整的用于船舶設(shè)計(jì)、分析和建造的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，其核心模塊是船型設(shè)計(jì)Maxsurf模塊［1］。而性能分析系統(tǒng)則主要使用的是總體設(shè)計(jì)單位自主研發(fā)的Shipcad系統(tǒng)，該系統(tǒng)積累了大量基于艦船設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)的，包括靜水力、穩(wěn)性、不沉性及艙容計(jì)算等在內(nèi)的常規(guī)計(jì)算評(píng)估功能。

在艦船設(shè)計(jì)中，為求得最佳船型，需要設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)多輪方案的更改迭代才能最終確定滿足產(chǎn)品需求的最佳總體方案。然而，由于Maxsurf和Shipcad軟件的底層結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)格式和開發(fā)環(huán)境的不一致，導(dǎo)致船型設(shè)計(jì)后的結(jié)果無(wú)法直接傳遞給Shipcad進(jìn)行性能計(jì)算，需要設(shè)計(jì)人員花費(fèi)大量的時(shí)間和精力對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行手工提取和整理。

為解決數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的技術(shù)難題，在進(jìn)行廣泛的討論和深入的研究之后，確定了數(shù)據(jù)接口的技術(shù)解決方案和實(shí)施途徑：首先制定Maxsurf系統(tǒng)向Shipcad系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口文件；然后在Maxsurf系統(tǒng)中提取三維模型數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)插值、數(shù)學(xué)變換和數(shù)據(jù)整理后，轉(zhuǎn)換為接口文件規(guī)定的格式；最后導(dǎo)入到Shipcad系統(tǒng)，進(jìn)行性能計(jì)算分析。

本文首先詳細(xì)定義了Maxsurf系統(tǒng)與Shipcad系統(tǒng)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的接口文件，通過(guò)對(duì)Maxsurf開發(fā)環(huán)境和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究，開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口軟件，從而實(shí)現(xiàn)了Maxsurf／Shipcad系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)共享與轉(zhuǎn)換。

2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)方案

2.1 船型曲面的復(fù)雜性

Maxsurf船型設(shè)計(jì)采用一整套用一個(gè)或多個(gè)真正的三維NURBS曲面 （非二維NURBS曲線）進(jìn)行三維船體曲面建模。NURBS曲面模型為：

式中，di，j為控制頂點(diǎn)；wi，j為控制頂點(diǎn)的權(quán)因子；Ni，k（u）與 Nj，l（v）分別為 u、v 兩個(gè)方向的 B 樣條基函數(shù)；k、l分別為基函數(shù)在u、v兩個(gè)方向的次數(shù)。

在船型曲面的設(shè)計(jì)過(guò)程中，要將船型曲面的數(shù)據(jù)傳遞給性能分析系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估以得到合理的方案，必須對(duì)曲面模型進(jìn)行處理，才能供性能分析系統(tǒng)使用。從公式（1）中可以看出，NURBS曲面是用控制點(diǎn)來(lái)控制曲面的質(zhì)量，但性能分析系統(tǒng)卻需要用曲面上的擬合點(diǎn)來(lái)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估。因此，需對(duì)擬合點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取與轉(zhuǎn)換。

船體曲面的特點(diǎn)是輪廓形狀復(fù)雜，在曲面內(nèi)部一般還包括部分平面。因此，一些剖面曲線由直線與曲線組成，并且部分剖面曲線凹凸相間，從而導(dǎo)致剖面線存在切點(diǎn)甚至是折點(diǎn)，整個(gè)曲面存在折線，容易形成重點(diǎn)等，從而增加了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的難度。

2.2 軟件接口狀況

目前，Maxsurf船型設(shè)計(jì)模塊支持通用的IGES、DXF格式。這兩種格式可以被AutoCAD、CADDS5、FORAN、TRIBON、CFX、FLUENT 等船舶設(shè)計(jì)分析軟件接收［2］。而性能分析系統(tǒng)Shipcad則只支持IDF、TK、TKG等文本格式的文件，通用的IGES、DXF格式所提供的數(shù)據(jù)均不能直接導(dǎo)入使用。因此，必須建立Maxsurf與Shipcad的接口，提高設(shè)計(jì)和分析的協(xié)同工作效率。

2.3 數(shù)據(jù)接口技術(shù)方案

Maxsurf軟件與Shipcad軟件的接口實(shí)際上是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的交接，有直接交接和間接交接兩種。直接交接，即Maxsurf軟件的輸出文件直接作為Shipcad軟件的輸入文件，此時(shí)Maxsurf軟件的輸出文件需符合Shipcad軟件的協(xié)議要求；間接交接則是對(duì)Maxsurf軟件的輸出文件進(jìn)行一定的轉(zhuǎn)換后再作為Shipcad軟件的輸入，此時(shí)，Maxsurf軟件輸出文件中數(shù)據(jù)的排列可按專門的協(xié)議實(shí)現(xiàn)。本文采用間接交接方式，即建立專門的接口文件，按照約定的協(xié)議進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

接口文件是艦船設(shè)計(jì)單位研究確定的作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的文件［3］，主要是在Maxsurf系統(tǒng)中提取模型數(shù)據(jù)信息，經(jīng)過(guò)插值、變換和整理并存儲(chǔ)在接口文件中，以作為Shipcad的輸入。接口文件除詳細(xì)定義了船名、對(duì)稱與否、設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)、設(shè)計(jì)水線寬、設(shè)計(jì)吃水、中部型深、水的密度、平均板厚、船殼系數(shù)等外，還對(duì)剖面信息、艏輪廓點(diǎn)、艉輪廓點(diǎn)和邊界點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的定義和說(shuō)明，數(shù)據(jù)點(diǎn)的具體格式如表1所示。

表1 接口文件協(xié)議格式Tab.1 Protocol format of interface files

3 Maxsurf開發(fā)環(huán)境

Maxsurf的開發(fā)環(huán)境是Maxsurf ActiveX Automation，ActiveX Automation是微軟公司開發(fā)的、跨應(yīng)用程序的、通用的客戶化和集成化技術(shù)。通過(guò)ActiveX Automation，Maxsurf與其他 Windows應(yīng)用程序之間的集成變得更加方便。另外一個(gè)強(qiáng)大的特性是，用戶可以使用常見的、易學(xué)易用的客戶化編程語(yǔ)言和工具，如 VB（Visual Basic）、VC（Visual C＋＋）和JAVA等編寫Maxsurf ActiveX應(yīng)用程序。

Maxsurf中的ActiveX Automation接口與微軟公司出品的Excel和Access中的接口相似。在Maxsurf中實(shí)現(xiàn)的ActiveX Automation不但是Maxsurf軟件的一部分，可以立即與其他編程工具，如VB一起使用，而且是在Maxsurf中實(shí)現(xiàn)VBA（Visual Basic for Applications）的基礎(chǔ)。

因此，對(duì)Maxsurf的二次開發(fā)可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：一是選擇 VB（或 VC、JAVA等）作為Maxsurf應(yīng)用程序的開發(fā)工具，通過(guò)ActiveX Automation接口在VB開發(fā)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)Maxsurf的數(shù)據(jù)獲取與操作；二是可以把Maxsurf與其他標(biāo)準(zhǔn)的 Windows應(yīng)用程序 （Microsoft Excel、Microsoft Word、Microsoft Access、AutoCAD 2000 及更 新版本）通過(guò) VBA 集成［4］，直接在 Windows 應(yīng)用程序的VBA中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問，但是只能針對(duì)特定的Windows應(yīng)用程序。

本文中Maxsurf的開發(fā)主要是以VB為主，通過(guò)界面和程序訪問Maxsurf對(duì)象模型數(shù)據(jù)，然后創(chuàng)建、分析和提取模型數(shù)據(jù)。在VB程序中調(diào)用Maxsurf對(duì)象模型環(huán)境如圖1所示。

4 Maxsurf對(duì)象模型結(jié)構(gòu)

目前的應(yīng)用程序，如VB，基本上屬于面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，即操作對(duì)象的語(yǔ)言。每一種用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言來(lái)編程的應(yīng)用程序都有自己獨(dú)特的對(duì)象模型，并且都可以被這種語(yǔ)言所操縱［5］。

用VB 6.0開發(fā)Maxsurf，實(shí)際上就是通過(guò)操縱Maxsurf對(duì)象模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。Maxsurf對(duì)象模型中的大部分對(duì)象都用于描述曲面、標(biāo)記點(diǎn)或網(wǎng)格，或者從Maxsurf模型中查找特性參數(shù)，其中，每一個(gè)對(duì)象分別都有各自獨(dú)立的屬性和方法。Maxsurf對(duì)象模型主要有8種，即Application、Design、Frame of Reference、 Grids、 Surface、 Hydrostatics、Markert和Preference。

本文以調(diào)用Marker對(duì)象模型為主。Marker，即標(biāo)記點(diǎn)，是船體曲面經(jīng)過(guò)縱向、垂向和橫向剖切而生成的曲面擬合點(diǎn)，將這些擬合點(diǎn)抽取出來(lái)，再經(jīng)過(guò)變換處理，即可成為Shipcad所需要的數(shù)據(jù)。Marker對(duì)象模型具體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Marker對(duì)象模型允許訪問Maxsurf中Marker窗口中的屬性，可以設(shè)置和獲取Marker的Position、Offset和 Height，即（x，y，z）坐標(biāo)，也可以獲取站位（Station）、曲面（Surface）標(biāo)識(shí)號(hào)和類型（Type）的屬性。Marker的屬性見表2所示。

表2 Marker屬性表Tab.2 Marker properties list

Marker對(duì)象模型由3部分組成，即Marker、Markers和 MarkerList（圖2）。由圖2可以看出Marker、Markers和 MarkerList之間的邏輯關(guān)系，Markers和MarkerList是訪問Marker的必經(jīng)之路，即Markers和MarkerList是所有Marker的集合，只有通過(guò)Markers和MarkerList的屬性和方法才能確定具體的Marker，然后才能訪問到該Marker的屬性信息。

5 軟件詳細(xì)設(shè)計(jì)

5.1 軟件整體流程

軟件整體流程如圖3所示，具體如下：

1）根據(jù)界面程序主界面輸入的相關(guān)參數(shù)信息，設(shè)置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中需要的變量；

2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件通過(guò)調(diào)用Maxsurf Automation接口，初始化msMaxsurfObj（Maxsurf應(yīng)用程序?qū)ο螅?、msDesignObj （Maxsurf當(dāng)前設(shè)計(jì)對(duì)象）和msMarkersObj（Maxsurf標(biāo)記點(diǎn)集合對(duì)象）；

3）操作msMarkersObj對(duì)象，按站位獲得所有標(biāo)記 （Marker）點(diǎn)信息，將站位信息保存至ArrayList對(duì)象（msStationArrayList）中；

4）對(duì)于每一站位，按x坐標(biāo)位置對(duì)msStationArrayList從小到大進(jìn)行排序；

5）對(duì)于每一站內(nèi)的標(biāo)記點(diǎn)，按z坐標(biāo)進(jìn)行排序；

6）根據(jù)規(guī)則，在每站內(nèi)第一點(diǎn)和最后一點(diǎn)前、后插入額外標(biāo)記點(diǎn)（z坐標(biāo)按拱高系數(shù)計(jì)算）；

7）根據(jù)所有y＝0的標(biāo)記點(diǎn)，提取艏部前后點(diǎn)差值小于艏部差值的標(biāo)記點(diǎn)，并按x坐標(biāo)從大到小排序；

8）根據(jù)所有y＝0的標(biāo)記點(diǎn)，提取艉部前后點(diǎn)差值小于艉部差值的標(biāo)記點(diǎn)，并按x坐標(biāo)從小到大排序；

9）提取每站內(nèi)z坐標(biāo)最大的標(biāo)記點(diǎn)，按x坐標(biāo)從小到大排序；

10）對(duì)于兩次排序后的msStationArrayList集合，按表1格式完成輸出。

在該流程中，第1～3條是從Maxsurf獲取Marker信息，第4～9條是對(duì)數(shù)據(jù)的處理，第10條是文件輸出。

5.2 軟件界面設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口軟件主界面如圖4所示，其包括參數(shù)輸入框和操作按鈕兩部分。

1）參數(shù)輸入框。包括需要寫入型值轉(zhuǎn)換后文件的數(shù)據(jù)和型值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中所需的計(jì)算數(shù)據(jù)：

（1）輸出數(shù)據(jù)：船名、對(duì)稱與否、設(shè)計(jì)水線長(zhǎng)、設(shè)計(jì)水線寬、設(shè)計(jì)吃水、中部型深、水的密度、平均板厚及船殼系數(shù)；

（2）計(jì)算數(shù)據(jù)：拱高系數(shù)、艏部差值和艉部差值。

2）操作按鈕。包括型值轉(zhuǎn)換過(guò)程中所有的功能操作：

（1）型線轉(zhuǎn)換：在參數(shù)輸入框輸入型值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換參數(shù)后，點(diǎn)擊“型線轉(zhuǎn)換”按鈕，程序調(diào)用后臺(tái)算法進(jìn)行型值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換過(guò)程中有轉(zhuǎn)換進(jìn)度提示）；

（2）預(yù)覽：型值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，點(diǎn)擊“預(yù)覽”按鈕，可以查看轉(zhuǎn)換后的型值數(shù)據(jù)；

（3）輸出：型值數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，點(diǎn)擊“輸出”按鈕便會(huì)彈出型值文件文本輸出對(duì)話框，在對(duì)話框中可以設(shè)置輸出的型值文件路徑。

5.3 功能模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口軟件的主要功能由剖線數(shù)據(jù)點(diǎn)提取、數(shù)據(jù)排序、增加插值點(diǎn)、提取艏部輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)、提取艉部輪廓點(diǎn)數(shù)據(jù)、提取邊界點(diǎn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)整理輸出等幾部分組成。以剖線數(shù)據(jù)點(diǎn)提取為例，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

1）獲得標(biāo)記點(diǎn)總數(shù)。每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)橫剖點(diǎn)，獲得標(biāo)記點(diǎn)總數(shù)即得到了需要提取的橫剖點(diǎn)總數(shù)；

2）遍歷所有標(biāo)記點(diǎn)，獲得標(biāo)記點(diǎn)對(duì)象，主要通過(guò)Markerlist或Markers對(duì)象信息獲得每一個(gè)橫剖點(diǎn)的三維坐標(biāo)（x，y，z）；

3）判斷標(biāo)記點(diǎn)是否屬于同一站位，將標(biāo)記點(diǎn)信息保存至標(biāo)記點(diǎn)集合中。

剖線數(shù)據(jù)點(diǎn)提取的流程設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

5.4 實(shí)例驗(yàn)證

在經(jīng)過(guò)詳細(xì)的設(shè)計(jì)和代碼編寫后，Maxsurf和Shipcad的數(shù)據(jù)接口軟件便開發(fā)完畢。為提高程序可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)該軟件進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證。圖6（左）所示為某船舶產(chǎn)品的船型曲面，包括球艏曲面、艏部曲面、艉部曲面和舯部曲面4個(gè)部分，在運(yùn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口軟件之前，根據(jù)Shipcad對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)量的要求，對(duì)4個(gè)曲面的橫剖點(diǎn)進(jìn)行了劃分，軟件運(yùn)行后可生成如圖6（右）所示的船型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口文件。經(jīng)軟件實(shí)例驗(yàn)證，所開發(fā)的接口軟件運(yùn)行可靠，運(yùn)行速度較快，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié) 語(yǔ)

Maxsurf和Shipcad作為先進(jìn)的艦船設(shè)計(jì)分析軟件，其設(shè)計(jì)思想和成熟的分析方法有很多值得研究的地方。以基于接口文件的方法研究船型設(shè)計(jì)系統(tǒng)Maxsurf和性能分析系統(tǒng)Shipcad之間的接口問題，利用ActiveX Automation技術(shù)，采用圖形化語(yǔ)言編程VB實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的提取、變換和輸出，并開發(fā)出相應(yīng)的軟件，實(shí)現(xiàn)了Maxsurf和Shipcad系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞，初步解決了艦船Maxsurf和Shipcad兩系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的壁壘，為艦船集成設(shè)計(jì)平臺(tái)數(shù)據(jù)接口的實(shí)際應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

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