船舶電氣智能設(shè)計數(shù)字化信息模型分析

趙亮 張銘

摘 要：目前，計算機技術(shù)在船舶電氣方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸偏向于工程數(shù)據(jù)管理和三維建模，取智能化設(shè)計已經(jīng)在個別模塊得到了初步實現(xiàn)。然而從整體上而言，在船舶領(lǐng)域至今還未能形成完整統(tǒng)一的產(chǎn)品模型，跨階段集成化的設(shè)計環(huán)境還沒有實現(xiàn)。一個新的數(shù)據(jù)模型的建立，在施工設(shè)計、詳細設(shè)計、方案設(shè)計等過程中需要用戶對某些數(shù)據(jù)信息和模型信息進行反復(fù)的采集和識別。信息的大量重復(fù)處理或者信息的不連續(xù)將會使設(shè)計質(zhì)量受到嚴重的影響，會削弱計算機技術(shù)的輔助作用。該文圍繞船舶電氣智能設(shè)計數(shù)字化信息模型展開了較為詳細的分析，重點研究了系統(tǒng)設(shè)計功能需求、電氣信息的構(gòu)成、信息集成、船舶電氣數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)架等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：智能設(shè)計 船舶電氣化 數(shù)字化模型 信息集成

中圖分類號：U662.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）09（b）-0046-02

1 船舶電氣化智能設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計功能需求分析

要實現(xiàn)船舶的設(shè)計周期短、精度高、質(zhì)量好以及資源的合理利用等目標，需要有大量的數(shù)據(jù)作支撐，而船舶電氣化智能設(shè)計系統(tǒng)能夠?qū)λ璧淖兞繑?shù)據(jù)進行合理的估算，使船舶設(shè)計的各個方面形成規(guī)律性的自動化完成。對于設(shè)計方案的決算，首先需要將合適的母型船改造成目標船，并將相應(yīng)的圖紙修正成改造后的目標圖紙，將其作為出廠資料的電氣系統(tǒng)圖紙。制定設(shè)計方案，確定船舶電氣性能主要約束數(shù)據(jù)，針對每個系統(tǒng)的運行界面制定出相應(yīng)的檢驗標準、設(shè)計流程、設(shè)計方法，保障參考數(shù)據(jù)兼具安全性與經(jīng)濟性。最后還需要形成較為完整的規(guī)范性數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和統(tǒng)一性，這個過程中數(shù)據(jù)的交互就依賴于數(shù)字化信息系統(tǒng)的操作。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計框架結(jié)構(gòu)分析

由于船舶的獨特性，以至于船舶電氣的結(jié)構(gòu)設(shè)計框架在電氣系統(tǒng)的規(guī)律上是存在不同程度的差異的，從設(shè)計與開發(fā)的成本角度出發(fā)，基本的船舶電氣智能化設(shè)計系統(tǒng)主要包括資料庫、數(shù)據(jù)庫、參數(shù)繪圖、主程序、操作界面等方面，這些方面屬于一個相互聯(lián)系的整體，具有統(tǒng)一性，信息的交互和連接需要利用數(shù)字化信息系統(tǒng)的高效運作來實現(xiàn)，而且數(shù)字化信息系統(tǒng)對于系統(tǒng)建設(shè)、船舶電氣智能系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)都發(fā)揮著非比尋常的功能。

1.3 數(shù)字化信息系統(tǒng)模型對智能設(shè)計的重要意義

數(shù)字化信息系統(tǒng)模型在船舶電氣智能系統(tǒng)的設(shè)計過程中發(fā)揮著重要的作用，其意義主要體現(xiàn)在以下兩個方面：第一，信息交互和連接的實現(xiàn)需要數(shù)字化信息系統(tǒng)。智能設(shè)計系統(tǒng)的核心是通過信息的有效連接、交互、加工、處理，完成智能化、自動化的操作，而數(shù)字信息系統(tǒng)能夠有效的滿足信息之間的交互需求。第二，整個系統(tǒng)的正常運行需要數(shù)字化信息系統(tǒng)。船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)追求系統(tǒng)的智能、高速、自動化操作，但是如果沒有數(shù)字化信息系統(tǒng)作為依托的話，容易造成信息的遺漏或閉塞，使系統(tǒng)的智能化操作受到限制[2]，也會因為不能及時的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的問題而導(dǎo)致系統(tǒng)運行負擔的加重，甚至會存在安全隱患。

2 數(shù)字化信息模型的設(shè)計

2.1 電氣信息的構(gòu)成

從智能輔助設(shè)計、信息統(tǒng)一、資料管理利用、并行協(xié)同設(shè)計等方面分析，電氣信息需要包括設(shè)備信息、電氣功能模塊信息、設(shè)計任務(wù)信息、設(shè)計流程信息以及與電氣設(shè)計相關(guān)的其他專業(yè)相關(guān)的信息。

2.1.1 設(shè)計流程

為了保證信息的及時執(zhí)行，滿足設(shè)計傳遞的需要，在保證設(shè)計質(zhì)量的基礎(chǔ)上縮短設(shè)計周期，需要對設(shè)計的流程和要素進行清楚的了解。電氣智能設(shè)計主要包括的流程如下：第一，任務(wù)。任務(wù)指的是在船舶設(shè)計的某一個特定階段內(nèi)，在之前完成任務(wù)提交的信息模型的基礎(chǔ)上所開展以完善信息模型、生成新的設(shè)計成果過程的新的設(shè)計活動。第二，約束。約束是指上一設(shè)計階段設(shè)計產(chǎn)生的相關(guān)內(nèi)容、承建廠的生產(chǎn)能力、掛旗國海事局的法規(guī)、入級船級社的設(shè)計規(guī)范以及其它專業(yè)和任務(wù)的需求等對這項任務(wù)中的相關(guān)參數(shù)的約束。第三，條件。條件主要是指由其他任務(wù)產(chǎn)生的結(jié)果，是為實現(xiàn)這項任務(wù)的啟動而必須具備的內(nèi)容。第四，資源。資源是指可以被利用的歷史資料、設(shè)備信息、專家咨詢以及母型船資料等與該任務(wù)相關(guān)或相似的材料。第五，結(jié)果。結(jié)果就是指作為最后成果進行存檔的或者需要傳遞給其他任務(wù)的數(shù)據(jù)或資料。第六，關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)就是指與該任務(wù)的生成結(jié)果相關(guān)的或者和執(zhí)行條件相關(guān)的其他任務(wù)。

2.1.2 設(shè)計活動

協(xié)同設(shè)計具有便捷、高效的特點，能夠異地及時地對產(chǎn)品模型進行協(xié)調(diào)、評價和分析，能夠?qū)⒃O(shè)計周期縮短并降低設(shè)計成本[3]。協(xié)同設(shè)計與并行設(shè)計不同，協(xié)同設(shè)計更強調(diào)任務(wù)單元內(nèi)部的協(xié)作模式，追求不同角色的協(xié)同工作，從協(xié)同設(shè)計的需求角度出發(fā)，設(shè)計活動又包括了啟動條件、結(jié)束標準、設(shè)計結(jié)果、參與人員及其角色。其中啟動條件指的是任務(wù)啟動必須要具備的條件，主要由在任務(wù)的執(zhí)行過程中必須到場的工作人員以及必備的設(shè)計資料等。結(jié)束標準指的是這項任務(wù)生成文檔的完成情況和必須確定的參數(shù)，也可以看作是任務(wù)完成的標志。設(shè)計結(jié)果指的就是任務(wù)最終生成的數(shù)據(jù)的文檔。而參與人員及其角色就是指參與這項任務(wù)的審核、管理、設(shè)計人員以及他們在這項任務(wù)中充當?shù)慕巧?，例如校驗、審核、審定、設(shè)計人員，還包括船級社、船東等等。

2.1.3 電氣功能模塊信息

電氣功能模塊包括電氣系統(tǒng)、子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)所屬的模塊，是一個集成概念，而電氣功能模塊主要設(shè)備的功能、性能參數(shù)，圖形信息以及其中的設(shè)備信息，總模塊的性能參數(shù)、功能等是實現(xiàn)參數(shù)化繪圖，對龐大的設(shè)計資料進行科學(xué)管理，以方面設(shè)計人員快速找到最恰當?shù)哪感痛?，提高設(shè)計效率等功能的基礎(chǔ)。按照需求，每個功能模塊需要包括文檔、性能參數(shù)、功能參數(shù)和子集等內(nèi)容。文檔包括材料表、計算書、布置圖、系統(tǒng)圖、規(guī)格書、說明書等。性能參數(shù)，是指用來描述該模塊性能的參數(shù)，如電力推進系統(tǒng)的損耗、輻射、精度、靈敏度等。而功能參數(shù)，是用來描述該模塊功能的參數(shù)，如綜合通訊系統(tǒng)的岸線、內(nèi)部通話、插線、對外喊話、廣播找人、電話會議等。子集一般是該模塊的子模塊，如果沒有子模塊的話，子集指的就是所屬的文檔信息、圖形、設(shè)備信息。

2.1.4 設(shè)備信息

在整個數(shù)字化系統(tǒng)中，設(shè)備信息具有非常重要的作用，指的是在設(shè)計過程中各個專業(yè)產(chǎn)生的描述設(shè)備的信息和需要考慮的信息，以及設(shè)計，具體包括五大類：第一，電氣參數(shù)：電氣設(shè)計中需要的最高溫度、功率因數(shù)、額定電流、額定電壓、額定功率等信息；第二，總體參數(shù)：總體設(shè)計需要的質(zhì)量質(zhì)心、尺寸外形等信息；第三，輪機參數(shù)：輪機設(shè)計關(guān)注的額定流量等信息；第四，舾裝參數(shù)：舾裝設(shè)計中關(guān)注的布置地位、拉力等信息；第五，通用參數(shù)：例如布置坐標、規(guī)格、型號等多個專業(yè)都需要的設(shè)備信息。

2.1.5 其他專業(yè)相關(guān)信息

主要是指在布置設(shè)備時所需要的布置區(qū)域參數(shù)，包括區(qū)域名稱和環(huán)境變量。其中區(qū)域名稱就是指按照常規(guī)劃分區(qū)域的名稱，例如監(jiān)控室、船長室、居住區(qū)、機艙區(qū)、甲板區(qū)等。而環(huán)境變量就是指描述該區(qū)域環(huán)境的參數(shù)，包括空間參數(shù)、裝修級別、防風雨級別、防火級別、噪音、振動等。

2.2 船舶電氣信息的集成

由于模型中涉及到的信息內(nèi)容較多，所以該文采取自上而下、分層分塊的信息集成方式，將船舶電氣信息分成用于電氣系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)備信息、表達船舶電氣系統(tǒng)的產(chǎn)品信息以及主管流程和數(shù)據(jù)管理的管理信息三個模塊，并分別集成各個模塊內(nèi)部的信息，之后依據(jù)各模塊間的聯(lián)系實現(xiàn)總體集成。

2.2.1 管理信息集成

在工作流理論的基礎(chǔ)上，建立管理信息模型，對數(shù)據(jù)控制、任務(wù)、流程等相關(guān)信息進行集成。管理信息模型的建立目的在于，在任務(wù)結(jié)束之后，控制程序能夠及時準確地給相關(guān)任務(wù)發(fā)送設(shè)計數(shù)據(jù)，并且判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否滿足啟動條件。如果滿足，就會通知相關(guān)人員開始進行該項任務(wù)。該模型可如下表示：

Task = { Remark Word_Time Work_Group Link_Task Data_Bound Design_Result Start_Qulification Start_Qulification Module_Code Task_Name Task_Code } （1）

式中Remark代表備注；Word_Time代表所需工時；Link_Task={T1，T2，T3…Ti}代表相關(guān)任務(wù)的代碼；Data_Bound={B1，B2，B3…Bk}代表源于生產(chǎn)能力、前期設(shè)計等方面的約束條件；Design_Result={R1，R2，R3…Rn}代表設(shè)計結(jié)果；Start_Qulification={Q1，Q2，Q3…Qm}代表啟動任務(wù)的條件；Module_Code代表任務(wù)所處的電氣功能模塊的代碼；Task_Code 代表任務(wù)名；Task_Code 代表任務(wù)編碼。而：

Word_Group = {Member_Role Member_Name Member_Code Group_ Code } （2）

式中Member_Role代表在該團隊里成員擔當?shù)慕巧?；Member_Name 表示成員名；Member_Code 表示成員的工號；Group_Code 表示團隊編碼。其中Member_Role的構(gòu)成可以用下式表示：

Member_Role = { Other Owner Surveyor Approver Approver Checker Designer } （3）

式中Other表示其他參與人員；Owner表示船東；Surveyor表示船檢；Approver 表示審定人員；Checker表示校驗人員；Designer表示設(shè)計人員。

為了使模型的規(guī)模得到有效減少，使其可重用性得到提高，我們把相同角色的權(quán)限和業(yè)務(wù)流程以及任務(wù)的控制流程都設(shè)置成固定不變的?？刂屏鞒虉D如圖1所示，主任設(shè)計師業(yè)務(wù)流程圖用圖2表示。

2.2.2 設(shè)備信息集成

按照專業(yè)船舶設(shè)備信息可以分成電氣屬性（EA）、輪機屬性（MA）、舾裝屬性（FA）、船體屬性（HA）以及幾何尺寸、出廠數(shù)據(jù)、布置位置等通用屬性（GA）。以初步設(shè)計階段的第i個緩存模型QIi為例，其模型可用下式表示：

QIi={} （4）

式中：={Equipment_Code Equipment_Name RP RV RC CosφCurrent_PhaseLoad_Type Electric_Symbol T Module_Code Remark （5）

式中Equipment_Code分別表示設(shè)備編碼；Equipment_Name表示設(shè)備名稱；RP表示額定功率；RV表示額定電壓；RC表示額定電流；cosφ表示功率因數(shù)；Current_Phase表示相制；Load_Type表示負載類型；Electric_Symbol表示電氣符號；T表示持續(xù)運行所能承受的最高溫度；Module_Code表示設(shè)備所在（最低級）電氣功能模塊的代號；Remark表示備注。

={Equipment_Type Equipment_Specification X Y Z Buy_Price Life

Maitain_Price Maintain_Period Material Weight Long Wight High}

（6）

式中Equipment_Type表示設(shè)備型號；Equipment_Specification表示設(shè)備規(guī)格；X、Y、Z表示安裝坐標；Buy_Price表示購買價格；Life表示使用壽命；Maitain_Price表示維修費用；Maintain_Period表示維修周期；Material、Weight、Long、Wight、High分別表示材料、重量以及設(shè)備的長、寬、高。

其中，一些設(shè)備信息和數(shù)值，例如安裝的確切位置、設(shè)置型號、規(guī)格的確定等，都和任務(wù)的啟動條件、約束條件、設(shè)計結(jié)果有關(guān)。設(shè)備和任務(wù)所在的模塊又能從其電氣功能模塊代號屬性反映出來，因此能夠?qū)⒃O(shè)備信息模型、產(chǎn)品信息模型、控制管理模型進行有效的集成。

3 船舶電氣數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫構(gòu)架

在實際操作針對上述公式建立的數(shù)據(jù)庫時，容易出現(xiàn)操作不便或者數(shù)據(jù)冗雜的問題，因此，再實際建立數(shù)據(jù)庫時，還需要依據(jù)“船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)”需求和修正的第三范式（BCNF），根據(jù)數(shù)據(jù)庫軟件需求和優(yōu)化方法對上述公式進行一些改動。

（1）由于在船舶設(shè)計過程中在同一條船上同時布置了幾件甚至幾十件相同設(shè)備的現(xiàn)象，基于Web開放性船舶設(shè)備數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)實意義，本數(shù)據(jù)庫根據(jù)設(shè)備型號分類設(shè)備，建立了包含設(shè)備出廠數(shù)據(jù)在內(nèi)的部件表，并根據(jù)設(shè)備編碼建立了設(shè)備表，設(shè)備繼承部件的屬性值完全可以通過部件編碼開實現(xiàn)。

（2）依據(jù)相同的原理，從電纜表中將電纜類型、電纜型號、電纜規(guī)格分離出來。

（3）數(shù)據(jù)庫增加符號表以方便繪圖，并歸類了相似形狀的部件符號，方便設(shè)計，有利于設(shè)計軟件界面人性化與簡捷。

（4）數(shù)據(jù)庫還建立了其他文檔表以方便《電氣說明書》、《施工工藝》等文檔的管理。

4 結(jié)語

隨著電氣智能化設(shè)計的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，船舶電氣化設(shè)計也逐漸邁向數(shù)字化和智能化。船舶電氣化設(shè)計屬于知識密集型復(fù)雜工程，數(shù)字化信息模型的構(gòu)建對于船舶電氣智能設(shè)計而言相當于核心與靈魂，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在進行方案設(shè)計時，需要在設(shè)計方案的確定、模型的分析建立、以及對各個環(huán)節(jié)的評價等各個方面都進行嚴格的把關(guān)，只有這樣才能取得良好的成效。

參考文獻

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