二維布置驅(qū)動(dòng)三維建模技術(shù)研究

鄒夢(mèng)瑤 嚴(yán)利民 楊中源 林 蓁

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海200011）

引 言

傳統(tǒng)的船舶設(shè)計(jì)手段主要以二維為主，即在AutoCAD 中繪制各類圖紙（如系統(tǒng)圖、布置圖、結(jié)構(gòu)圖等），然后以各類圖紙作為送審和交付的載體。近年來(lái)，隨著船舶行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷發(fā)展，業(yè)內(nèi)對(duì)于船舶設(shè)計(jì)高效性、專業(yè)協(xié)同性的要求也不斷提升，船舶設(shè)計(jì)手段由傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)向三維數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)正在成為未來(lái)的技術(shù)發(fā)展方向［1-3］。與二維設(shè)計(jì)相比，三維設(shè)計(jì)具有可視化程度高、模型信息集成度高、設(shè)計(jì)協(xié)同性好、可拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)。以船舶艙室布置設(shè)計(jì)為例，采用以船體三維結(jié)構(gòu)模型為背景的艙室布置模型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備干涉檢查，而且可以輔助機(jī)電專業(yè)進(jìn)行放樣設(shè)計(jì)。同時(shí)，由于具有設(shè)計(jì)信息與幾何信息相統(tǒng)一、屬性可擴(kuò)展等特點(diǎn)，包含各專業(yè)設(shè)備的三維艙室布置模型還具有深入進(jìn)行各類仿真分析和計(jì)算的潛能，如機(jī)艙氣流場(chǎng)仿真、重量重心計(jì)算等。在二維設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)過(guò)渡階段，如何利用二維設(shè)計(jì)中成熟的開(kāi)發(fā)工具輔助三維設(shè)計(jì)，在提高三維設(shè)計(jì)效率的同時(shí)借助三維模型的視覺(jué)直觀性驗(yàn)證二維設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性成為船舶設(shè)計(jì)師關(guān)注的主要方向之一。

3DE 平臺(tái)是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的新一代集CAD/CAE/CAM 于一 體的PLM 軟件 平臺(tái)［4］，該 平臺(tái)旨在為企業(yè)提供一體化、智能化的工業(yè)解決方案，可以很好地滿足制造業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)中的需求，為制造業(yè)帶來(lái)全新的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)體驗(yàn)［5-6］。然而，由于用戶軟件使用習(xí)慣和所需功能側(cè)重點(diǎn)不同，再?gòu)?qiáng)大的軟件平臺(tái)也不可能同時(shí)滿足各類用戶的需求。與AutoCAD 相比，3DE 平臺(tái)在船舶行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用起步較晚，相關(guān)專業(yè)功能和設(shè)置仍不完善。因此，結(jié)合船舶設(shè)計(jì)流程中的具體需求對(duì)3DE 平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)研究，已受到國(guó)內(nèi)外許多科研院所、高校和船廠的重視。3DE 平臺(tái)提供多種開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，例如EKL（Enterprise Knowledge Language，知識(shí)工程語(yǔ)言）、VBA（Visual Basic for Applications，Visual Basic 宏語(yǔ)言）、CAA（Component Application Architecture，組件應(yīng)用架構(gòu)）等，不同的語(yǔ)言在開(kāi)發(fā)難易程度上有較大差距。CAA 是達(dá)索產(chǎn)品擴(kuò)展和客戶進(jìn)行定制開(kāi)發(fā)的平臺(tái)［7］，采用面向?qū)ο蟮某绦蛘Z(yǔ)言，本文所提出的方法正是基于CAA 進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1 二維布置驅(qū)動(dòng)三維建模流程

傳統(tǒng)艙室布置需要具有一定專業(yè)知識(shí)的人員借助CAD 軟件，不斷反復(fù)、螺旋上升、逐步求精，最后得出比較合理的布置方案［8］。在3DE 平臺(tái)中進(jìn)行艙室布置設(shè)計(jì)時(shí)，原生功能提供的方法是從資源庫(kù)中逐個(gè)調(diào)用設(shè)備或利用平臺(tái)內(nèi)的二維原理圖對(duì)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，將設(shè)備模型實(shí)例化至三維設(shè)計(jì)空間中，再運(yùn)用羅盤等工具依次對(duì)設(shè)備進(jìn)行移動(dòng)或方向調(diào)整，直到三維模型符合艙室布置設(shè)計(jì)的需要［9］。采用從資源庫(kù)中調(diào)用設(shè)備模板的方法時(shí)，速度較慢，無(wú)法批量操作；采用二維原理圖進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，則存在需要?jiǎng)?chuàng)建大量信息關(guān)聯(lián)，操作繁瑣的問(wèn)題。除此之外，以上兩種方法均不能將設(shè)備準(zhǔn)確定位在設(shè)計(jì)位置，需要進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。這些因素均導(dǎo)致采用原生功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)高效的艙室布置設(shè)計(jì)。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文利用CAA 對(duì)3DE 平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提出了一種高效的艙室布置模型生成方法，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息、自動(dòng)導(dǎo)入、模型節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建和屬性擴(kuò)展、模型自動(dòng)調(diào)用及設(shè)備精確定位。與原生功能相比，能夠極大地提升艙室布置的設(shè)計(jì)效率和三維模型的創(chuàng)建速度，具體流程如圖1 所示。

圖1 二維布置驅(qū)動(dòng)三維建模流程

從該流程可知，從AutoCAD 布置圖中生成數(shù)據(jù)源是驅(qū)動(dòng)建模的基礎(chǔ)，運(yùn)用CAA 二次開(kāi)發(fā)工具讀取數(shù)據(jù)源中的信息是關(guān)鍵，根據(jù)信息在3DE 平臺(tái)中進(jìn)行三維布置模型的創(chuàng)建是核心。通過(guò)以上流程可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備庫(kù)資源的檢索，并根據(jù)設(shè)備節(jié)點(diǎn)名稱對(duì)設(shè)備進(jìn)行批量替換，從而實(shí)現(xiàn)三維布置模型的快速生成。如果三維模型的布置不滿足設(shè)計(jì)需要，可直接在三維模型中對(duì)設(shè)備位置進(jìn)行調(diào)整，或者回到二維布置圖中對(duì)二維圖塊進(jìn)行調(diào)整，然后再次生成數(shù)據(jù)源，調(diào)用二次開(kāi)發(fā)工具直接讀取新的設(shè)備位置信息實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模型位置的調(diào)整。通過(guò)以上步驟的反復(fù)迭代完成三維模型的布置。

2 三維設(shè)備布置模型生成

2.1 讀取驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)源

驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)源中主要包含設(shè)備的屬性信息和位置信息，可通過(guò)AutoCAD 成熟的開(kāi)發(fā)工具從布置圖中的圖塊信息中獲取。本文提出的二維布置驅(qū)動(dòng)三維建模方法所需的數(shù)據(jù)源參見(jiàn)圖2 所示表格。

圖2 驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)源表格

屬性信息主要包括設(shè)備中英文名稱、數(shù)量、重量和性能參數(shù)位置信息等；位置信息即設(shè)備在船體三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，其中Pos.X 為沿船長(zhǎng)方向的坐標(biāo)，Pos.Y 為沿船寬方向的坐標(biāo)，Pos.Z 為沿高度方向的坐標(biāo)。為將數(shù)據(jù)源中的信息寫入到設(shè)備屬性中，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行屬性擴(kuò)展，從而使設(shè)備節(jié)點(diǎn)可以承載額外的設(shè)備屬性。

2.2 創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)

3DE 平臺(tái)結(jié)構(gòu)樹(shù)中3DPart 節(jié)點(diǎn)和三維設(shè)備具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)讀取智能驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)源可自動(dòng)計(jì)算二維布置圖中設(shè)備的數(shù)量，在三維建模時(shí)批量創(chuàng)建設(shè)備節(jié)點(diǎn)。雖然，3DE 平臺(tái)提供的原生Spread Sheet 功能可批量創(chuàng)建3DPart 節(jié)點(diǎn)，但是在批量創(chuàng)建時(shí)無(wú)法添加用戶定制的擴(kuò)展屬性。為解決屬性擴(kuò)展的問(wèn)題，可通過(guò)CAA 開(kāi)發(fā)批量創(chuàng)建3DPart 節(jié)點(diǎn)并且在創(chuàng)建的同時(shí)添加擴(kuò)展屬性。CAA 開(kāi)發(fā)批量創(chuàng)建3DPart 節(jié)點(diǎn)，示例代碼如下：

2.3 設(shè)備定位

AutoCAD 二維布置圖生成的數(shù)據(jù)源包含各設(shè)備的位置信息（PosX、PosY、PosZ=0）。如果知道該布置圖對(duì)應(yīng)的空間平面高度，則可以手動(dòng)將POSZ 的數(shù)值設(shè)置為平面高度，則數(shù)據(jù)源中完整表達(dá)了各設(shè)備的空間位置信息。在3DE 平臺(tái)中設(shè)備的位置信息通過(guò)其位置矩陣描述［10］，如圖3 所示，Translation 欄中的數(shù)值表示設(shè)備在空間中相對(duì)三維坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。

通過(guò)CAA 二次開(kāi)發(fā)可批量讀取設(shè)備的位置信息并設(shè)置各方向的距離數(shù)值，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的定位。這種設(shè)備定位的方式與3DE 平臺(tái)原生功能相比，極大提高了設(shè)備布置的效率和位置的準(zhǔn)確性。示例代碼如下：

圖3 位置矩陣

2.4 屬性擴(kuò)展和添加參數(shù)

二維布置智能驅(qū)動(dòng)三維設(shè)計(jì)需要AutoCAD 和3DE 平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并且讀取數(shù)據(jù)源之后需要將數(shù)據(jù)屬性信息記錄在三維模型中。AutoCAD 二維布置圖中一般以圖塊存儲(chǔ)設(shè)備屬性信息，圖塊中的屬性種類可由用戶自定義設(shè)置，如下頁(yè)圖4 所示。在3DE 平臺(tái)中，設(shè)備的屬性信息一般存儲(chǔ)在參考（Reference）屬性和實(shí)例（Instance）屬性中，如下頁(yè)圖5 所示。

由圖4 和圖5 可知，3DE 平臺(tái)中設(shè)備的參考和實(shí)例屬性和AutoCAD 中圖塊的屬性不匹配，無(wú)法直接將數(shù)據(jù)源中的設(shè)備屬性參數(shù)對(duì)應(yīng)地寫入到設(shè)備節(jié)點(diǎn)中，因此需要對(duì)設(shè)備屬性進(jìn)行定制化的擴(kuò)展。3DE 平臺(tái)中屬性擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的角色為Customization Administrator，對(duì)應(yīng)的App 為Data Model Customization。擴(kuò)展屬性部署之后，可以將擴(kuò)展屬性添加到設(shè)備節(jié)點(diǎn)中，示例代碼如下：

圖4 AutoCAD設(shè)備屬性

圖5 3DE平臺(tái)設(shè)備屬性

設(shè)備擴(kuò)展屬性完成之后，需要將數(shù)據(jù)源中的屬性參數(shù)批量寫入到各設(shè)備節(jié)點(diǎn)中，從而使各3DPart 節(jié)點(diǎn)代表不同的設(shè)備。屬性參數(shù)寫入運(yùn)用CAA 中CATCkeObjectAttrWriteServices：SetValueWithString（）方法實(shí)現(xiàn)。完成屬性擴(kuò)展和參數(shù)寫入后，3DE平臺(tái)結(jié)構(gòu)樹(shù)中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)如圖6所示。

圖6 設(shè)備節(jié)點(diǎn)

2.5 庫(kù)資源加載和設(shè)備調(diào)用

通過(guò)以上步驟，僅實(shí)現(xiàn)了設(shè)備節(jié)點(diǎn)的批量創(chuàng)建和設(shè)備屬性的錄入，并未將設(shè)備三維幾何模型生成。為在3DE 平臺(tái)中呈現(xiàn)各設(shè)備節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的三維模型，首先需要對(duì)設(shè)備庫(kù)資源進(jìn)行加載，然后按照設(shè)備節(jié)點(diǎn)的名稱在設(shè)備資源庫(kù)中進(jìn)行查找和調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)三維模型的自動(dòng)批量生成。

庫(kù)資源加載示例代碼如下:

3 二次開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證

在充分理解二維布置智能驅(qū)動(dòng)三維建模詳細(xì)流程的基礎(chǔ)上，筆者嘗試運(yùn)用CAA 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。首先，按照智能驅(qū)動(dòng)流程設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具界面，二次開(kāi)發(fā)工具界面如圖7 所示；然后，通過(guò)查詢CAA 中的函數(shù)方法為各命令按鈕實(shí)現(xiàn)的功能編寫相應(yīng)程序；最后，在開(kāi)發(fā)平臺(tái)中對(duì)程序進(jìn)行編譯驗(yàn)證代碼的正確性。

為充分驗(yàn)證開(kāi)發(fā)工具的適用性，本文以某貨船機(jī)艙三維布置模型生成為例，結(jié)合輪機(jī)專業(yè)機(jī)艙布置圖生成的智能驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)源，通過(guò)CAA 二次開(kāi)發(fā)工具實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙三維模型的快速創(chuàng)建。原始AutoCAD 二維布置圖和3DE 平臺(tái)中生成的三維模型的比較如下頁(yè)圖8 和圖9 所示。

圖7 開(kāi)發(fā)工具界面

圖8 AutoCAD二維布置圖

4 結(jié) 語(yǔ)

我國(guó)船舶制造業(yè)仍處于數(shù)字化設(shè)計(jì)和智能制造的起步階段，諸多問(wèn)題亟待解決，如何利用傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)智能驅(qū)動(dòng)三維建模值得深入探索。3DE平臺(tái)作為當(dāng)前船舶三維設(shè)計(jì)的主流平臺(tái)，為用戶提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。本文針對(duì)如何提高船舶艙室三維建模效率的問(wèn)題，基于3DE 平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，提出了一種二維驅(qū)動(dòng)三維的艙室布置模型生成方法?；谀池洿瑱C(jī)艙三維模型的驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)表明，該方法具有模型生成效率高、定位準(zhǔn)確、節(jié)點(diǎn)屬性可擴(kuò)展性強(qiáng)、界面簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，在充分利用現(xiàn)有二維設(shè)計(jì)資源的基礎(chǔ)上有效提高了船舶三維設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，為船舶三維高效建模提供了一種新的方法。

圖9 三維布置模型

［ 2 ］張凱，謝承福，涂躍紅，等. FORAN 軟件在船舶總體設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］. 中國(guó)艦船研究，2009（4）：76-80.

［ 3 ］盧永進(jìn)，華志剛. 基于FORAN 的船舶管路三維設(shè)計(jì)研究［J］. 船海工程，2012（5）：77-80.

［ 4 ］曾魯山，曾凡明，劉金林. 基于CATIA 和VIRTOOLS技術(shù)的虛擬機(jī)艙漫游研究［J］. 中國(guó)艦船研究，2008（5）：62-64.

［ 5 ］盧永進(jìn)，林悅. CATIA V6 船舶三維設(shè)計(jì)實(shí)例［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2016.

［ 6 ］武振鋒，陳周鋒. 基于CATIA 的CRH380AL 動(dòng)車組頭車三維曲面設(shè)計(jì)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)報(bào)），2013（5）：635-639.

［ 7 ］何旺，柳存根，汪學(xué)峰.船舶機(jī)艙智能布置方法研究［J］.船舶工程，2014（6）：85-88.

［ 8 ］何朝良，杜廷娜，張超. 基于CAA 的CATIA 二次開(kāi)發(fā)初探［J］.計(jì)算機(jī)運(yùn)用，2006（9）：37-40.

［ 9 ］鄒夢(mèng)瑤，管偉元，王充，等. 基于三維體驗(yàn)平臺(tái)的船舶設(shè)備驅(qū)動(dòng)與布置研究［J］. 船舶與海洋工程，2019（2）：72-76.

［10］韓志仁，梁文馨，劉春峰，等.基于CATIA 裝配件位置信息提取與重構(gòu)技術(shù)研究［J］.航空制造技術(shù)，2016，11：103-106.