船舶舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙視圖布局優(yōu)化

陳飛亞， 顧曉波，2， 吳紅潔

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

船舶舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙視圖布局優(yōu)化

陳飛亞1， 顧曉波1，2， 吳紅潔1

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

為解決船舶舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙中的視圖布局通常由設(shè)計人員手工進行，浪費工時且效率低下這一問題，提出一種圖紙視圖布局優(yōu)化方法。根據(jù)船舶舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙的布局規(guī)則及約束，基于對不規(guī)則二維圖形的矩形包絡(luò)方法，結(jié)合改進的最高水平線法對節(jié)點圖進行布局優(yōu)化，并同步引入視圖比例修改功能。該視圖布局優(yōu)化合法可使圖面利用率更高，同時提高自動出圖效率。

舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙；布局優(yōu)化；最高水平線法

0 引 言

布局問題就是把一些物體按一定的規(guī)則和要求合理地布置在一個空間內(nèi)，按布局的維數(shù)可分為一維、二維和三維布局問題[1]，其中對二維布局問題的研究主要集中在矩形及不規(guī)則零件的下料，鮮有涉及圖紙的視圖布局優(yōu)化。目前零件下料問題的研究雖具有共性，在一定程度上可供借鑒，但直接應(yīng)用于舾裝生產(chǎn)設(shè)計出圖仍面臨困難；另一方面，目前的出圖方式仍以交互式出圖為主，相應(yīng)的排版布局方式也是繪圖人員手工進行的，為提高出圖的自動化程度，研究圖紙視圖布局優(yōu)化勢在必行，其將成為自動出圖系統(tǒng)中重要的組成部分。

1 舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙的基本規(guī)則和約束

解決圖紙優(yōu)化布局的問題，首先需要分析影響布局的基本規(guī)則和約束條件[2]。與其他工程圖紙的布局有所不同，船舶生產(chǎn)設(shè)計圖紙對視圖位置和比例等有特殊要求。首先，對于船舶舾裝件安裝圖和零件制作圖而言，必然存在常規(guī)三視圖，即主視圖、左視圖和俯視圖，它們之間有相互對齊和比例相同等約束條件。依據(jù)出圖標(biāo)準(zhǔn)及成圖習(xí)慣，在整張圖紙的左上角開始排布三視圖，三視圖的可選比例比較固定，一般是1∶50，1∶20，1∶10等。其次，船舶生產(chǎn)設(shè)計圖紙中的剖視圖、節(jié)點圖也必須按一定順序進行排布。同一類型的節(jié)點鄰近排布，其次再按節(jié)點1，節(jié)點2，……的順序依次排布。再次，各圖塊之間的距離應(yīng)該均勻，保證圖塊布置合理且美觀，圖塊的總面積應(yīng)盡可能大以充滿圖紙，便于充分利用圖紙區(qū)域。

2 排圖區(qū)域分析

排圖區(qū)域指的是圖框范圍內(nèi)可用于排圖的區(qū)域。由于不同的船廠對于標(biāo)題欄有各自的標(biāo)準(zhǔn)，故本文將A3圖紙中標(biāo)題欄按工程制圖標(biāo)準(zhǔn)簡化為圖框右下角140 mm×32 mm的矩形，這時排圖區(qū)域就是圖框矩形中減去標(biāo)題欄矩形所得到的區(qū)域，如圖1所示。

圖1 A3圖紙視圖布置區(qū)域

將A4圖紙首頁中標(biāo)題欄簡化為圖紙下方50 mm×180 mm的矩形，圖紙上方的反向圖號及版本說明簡化為42 mm×180 mm的矩形，如圖2所示。

圖2 A4圖紙視圖布置區(qū)域

3 二維不規(guī)則視圖預(yù)處理及其三視圖類型分析

3.1二維不規(guī)則視圖預(yù)處理

由于視圖塊包括標(biāo)題、圖形件號及相應(yīng)尺寸等，使得其形狀復(fù)雜，二維視圖的布局必須首先考慮幾何形狀的表示方法。在一些文獻中，一般都對不規(guī)則形狀的圖形進行矩形包絡(luò)，比較這些矩形的面積，最小者確定為最小包絡(luò)矩形，然后以最小包絡(luò)矩形代替原不規(guī)則圖形進行優(yōu)化排樣或排布[3]。針對船舶生產(chǎn)設(shè)計圖紙，可以將上述矩形包絡(luò)方法進一步簡化。通過對不同分段安裝圖及制作圖紙的分析，可將視圖塊簡化為長、寬分別沿x、y軸方向的矩形。

3.2視圖矩形包絡(luò)三視圖類型分析

按照三視圖三維坐標(biāo)的數(shù)量關(guān)系，將其分為3種類型，以xOz面為主視向。

(1) 在圖3中，三維圖塊的坐標(biāo)特征為某2個坐標(biāo)值相近并遠大于第3個坐標(biāo)值。其三視圖如圖4所示，按一般工程圖三視圖“高平齊、寬相等”的規(guī)則排布，會造成在圖紙豎直方向占用區(qū)域遠大于水平方向，對后續(xù)排圖產(chǎn)生不良影響，遂將俯視圖移到第一行主視圖右側(cè)進行布置。

圖3 類型1

圖4 類型1的三視圖布置

圖5 類型2

圖6 類型2的三視圖布置

(2) 在圖5中，其坐標(biāo)特征為某2個坐標(biāo)值相近并遠小于第3個坐標(biāo)值。其三視圖如圖6所示，同樣按一般工程圖的排圖方式會造成子圖排圖不便，遂將俯視圖移到左視圖右側(cè)。

(3) 在圖7中，坐標(biāo)特征為3個坐標(biāo)值相近。其三視圖如圖8所示，均為長寬比接近于1的矩形，故按工程圖三視圖“高平齊、寬相等”的規(guī)則排布。

圖7 類型3

圖8 類型3的三視圖布置

4 基于最高水平線的視圖布局優(yōu)化算法

對于矩形及不規(guī)則零件排樣，常用到最低水平線法，該方法是一種不斷更新水平線集的布局算法，其基本思想是在水平線集內(nèi)搜索高度最低的水平線，將要排放的圖塊布局在最低水平線上并更新水平線集，如果該條線長度不足以排下該圖塊，則將該條水平線封閉并更新水平線集，繼續(xù)搜索下一條水平線[4]。但在舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙的布局中，坐標(biāo)原點位于圖紙左下角，布局卻是從圖紙左上開始進行的，遂將最低水平線法進行改進，提出最高水平線法。

對于船舶生產(chǎn)設(shè)計圖紙，需在圖紙左上排入主視圖、俯視圖和左視圖，將其他待排節(jié)點圖塊按次序裝入列表中。設(shè)這時的待排圖塊分別為D1,D2,D3,…，Di，Di表示當(dāng)前待排圖塊。因矩形包絡(luò)固定，遂以圖形圖塊沿x軸方向的長度進行排樣，算法流程如圖9所示，其中：圖塊沿x軸的長度為l；H表示排布當(dāng)前圖塊后該圖塊頂端的高度值，用于判斷該圖塊排布是否超出圖紙高度范圍。

圖9 最高水平線算法流程

4.1水平線和矩形圖塊數(shù)據(jù)描述與存儲

水平線輪廓需要與矩形長度進行比較，水平線高度同時也是重要的參數(shù)，遂定義1個類lowline，包含3個double類型的參數(shù)，用于描述并存儲水平線的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)。設(shè)第n條lowline(a，b，y),其中a，b分別表示水平線起點、終點的橫坐標(biāo)，y表示水平線的縱坐標(biāo)。初始lowline為排入主、俯和左視圖后的3條水平線，分別為L1(w1+w2+c，W，(H-c))，L2(w1+c,w1+w2+c,H-(h2+2c))，L3(0,w1,H-(h1+h3+3c))，式中：W表示板材的寬度；wi和hi表示第i個圖塊的寬度和高度；c表示圖塊之間的距離(c≥5)。

繪制矩形需要矩形位置參數(shù)(矩形左上頂點坐標(biāo))和矩形形狀參數(shù)(寬度和高度)。遂定義1個類Rec，包括4個double類型的參數(shù)，存儲矩形位置和形狀。

4.2算法實現(xiàn)步驟

(1) 在圖紙左上角排入主視圖、左視圖和俯視圖，得到初始水平線集并按其縱坐標(biāo)排序。

(2) 排放Di時搜索高度最高的水平線進行排放，若有數(shù)條，則選取左邊的一條，判斷該水平線寬度是否大于或等于要排圖塊的寬度。

(3) 如果該段水平線寬度大于或等于要排圖塊的寬度，這時判斷圖塊排入后的最終高度是否超出圖紙范圍：若不超出范圍，則將該圖塊排入，同時更新水平線集；若超出范圍，則將從該圖塊開始及之后的所有未排圖塊排入下一張圖紙。

(4) 若該段水平線寬度小于要排圖塊的寬度，則封閉該段水平線，更新水平線集并重新按高度排序，在更新后的水平線集中繼續(xù)搜索符合條件的水平線，將待排圖塊排入。

(5) 重復(fù)步驟(2)到步驟(4)直至所有待排圖塊均排入圖紙中。

5 修改比例及視圖布局流程

排布視圖時視圖的大小通常是由設(shè)計人員自行確定的，修改視圖比例是為了在清晰地顯示視圖的尺寸等細節(jié)的基礎(chǔ)上適應(yīng)圖幅的大小，因此在實際繪圖過程中，上述單一的視圖布局算法需要配合比例修改來實現(xiàn)。

修改比例及視圖布局流程如圖10所示。k為待排視圖個數(shù)；i為當(dāng)前待排視圖；j為當(dāng)前視圖允許比例，以常見船舶制作圖的允許比例為例，共有8個；H為當(dāng)前視圖排布完后的高度值。

圖10 修改比例及視圖布局流程

(1) 排布第i個視圖時，修改視圖比例為設(shè)定的允許比例j，判斷最高水平線長度是否大于視圖寬度：若大于，視圖比例確定為當(dāng)前比例j，這時判斷圖塊排入后的最終高度是否超出圖紙范圍；若不超出，則將該圖塊排入，同時更新水平線集；若超出范圍，則將存儲當(dāng)前視圖為未排圖塊，插入空白頁進行排布。

(2) 若最高水平線長度小于視圖寬度， 繼續(xù)修改第i個視圖的比例，若所有允許比例都不能排布，則封閉該段水平線，更新水平線集并重新按高度排序，在更新后的水平線集中繼續(xù)搜索符合條件的水平線，將待排圖塊排入。

(3) 重復(fù)(1)和(2)步驟，直至所有待排圖塊均排入圖紙中。

6 算例

應(yīng)用最高水平線算法實現(xiàn)本文優(yōu)化算法的效果，算例所用圖紙為LVA180T09直梯制作圖，該直梯的主視圖、左視圖已足夠?qū)⒊叽绫磉_清楚，遂出圖時省略俯視圖。

各視圖的矩形包絡(luò)尺寸如表1所示，將矩形沿x坐標(biāo)軸的長度定為矩形長度，沿y坐標(biāo)軸的長度定為矩形寬度。

在視圖布置區(qū)域中，除了表1的矩形圖塊等待排元素，還要將對應(yīng)的明細欄、技術(shù)要求等圖塊按成圖習(xí)慣排入。算例中明細欄為180 mm×42 mm的矩形，排布在標(biāo)題欄正上方，視圖布置區(qū)域的左下角排布尺寸為125 mm×20 mm的技術(shù)要求，右下角排布43 mm×100 mm的直梯立體圖，這時還需要檢查其干涉情況，矩形包絡(luò)的布局優(yōu)化如圖11所示。

表1 矩形尺寸 mm

圖11 圖塊矩形包絡(luò)的布局優(yōu)化

具體視圖排布后的效果如圖12所示。

圖12 布局優(yōu)化后效果

7 結(jié) 論

本文研究船舶舾裝生產(chǎn)設(shè)計圖紙的視圖布局優(yōu)化問題，對其三視圖的類型和布置進行分類研究，結(jié)合改進的最高水平線法對其節(jié)點圖進行布局優(yōu)化。雖然利用矩形包絡(luò)方法可擴大視圖范圍，但在一定程度上簡化了問題，最終達到的效果精確地遵循視圖的順序和船舶舾裝的成圖習(xí)慣，縮短出圖時的視圖布局時間，間接提高自動出圖系統(tǒng)的效率。

[1] 王金敏,查建中.布局問題約束的分類及表達[J].計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報,2000,12(5):349-354.

[2] 杜妍辰,周正茂.工程CAD中的排圖優(yōu)化算法[J].工程設(shè)計學(xué)報,2005,12(4):252-256.

[3] 盧齊飛.二維不規(guī)則圖形下料排樣優(yōu)化算法研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué),2013.

[4] 張偉,安魯陵,孫金虎.一種矩形件優(yōu)化排樣算法的研究[J].宇航材料工藝,2010,40(3):23-25.

LayoutOptimizationofDrawingsforShipOutfittingProductionDesign

CHEN Feiya1， GU Xiaobo1，2， Wu Hongjie1

(1. School of Naval Architecture and Ocean Engineering，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003， Jiangsu, China； 2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co.， Ltd.，Zhenjiang 212003， Jiangsu, China)

The layout of ship outfitting design drawings is usually carried out by manual design,which is waste of time and inefficiency.According to the layout optimization problem in ship outfitting production design drawings, the layout rules and constraints of ship outfitting production design drawings are analyzed, and the characteristics and arrangement of three views in outfitting production design drawings are studied. Based on the rectangular envelope method of irregular two-dimensional graph, the layout of the node graph is optimized by the improved highest horizontal method and the function of view scale modification, which improves the utilization efficiency of the graph and the automatic plotting.

outfitting production design drawing； layout optimization； highest horizontal line method

陳飛亞(1991-)，女，碩士研究生，研究方向為船舶先進設(shè)計與制造技術(shù)

1000-3878(2017)05-0066-07

U673

A