定義到統(tǒng)一模型的船舶三維工藝信息集成

張亞運(yùn)，伍英杰，馬彥軍，田榴敏，肖 赟

（1. 滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司 信息技術(shù)研究所，上海 200129；2. 上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

關(guān)鍵字：集成策略；模型輕量化；三維標(biāo)注；統(tǒng)一模型

0 引言

三維作業(yè)指導(dǎo)書使用定義到統(tǒng)一數(shù)字模型的集成工藝信息對生產(chǎn)環(huán)節(jié)中的中間產(chǎn)品進(jìn)行了數(shù)字化作業(yè)指示。目前，三維作業(yè)指導(dǎo)已廣泛應(yīng)用于航空和汽車工業(yè)，但其在船舶工業(yè)的應(yīng)用才剛剛起步。同時(shí)，國內(nèi)關(guān)于船舶工業(yè)實(shí)施三維作業(yè)指導(dǎo)的研究多集中于作業(yè)指導(dǎo)書的形式、基于國外CAD軟件和三維作業(yè)指導(dǎo)平臺的二次開發(fā)、針對船舶制造中特定生產(chǎn)環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用等方面[1-4]。然而，基于自主造船CAD軟件，從設(shè)計(jì)源數(shù)據(jù)開始進(jìn)行工藝信息的系統(tǒng)集成與開發(fā)，而后在自主三維作業(yè)指導(dǎo)平臺進(jìn)行應(yīng)用實(shí)踐等領(lǐng)域的研究工作尚為空白。

為實(shí)現(xiàn)基于自主造船設(shè)計(jì)系統(tǒng)（Ship Product Design，SPD）的三維工藝信息的系統(tǒng)集成，支撐自主三維作業(yè)指導(dǎo)平臺在船舶工業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐，需要制定合適的工藝信息集成策略，并解決SPD系統(tǒng)的模型、標(biāo)注在三維作業(yè)指導(dǎo)平臺上應(yīng)用時(shí)的模型輕量化、三維標(biāo)注生成等問題。

實(shí)現(xiàn)工藝信息的集成，即將標(biāo)注、屬性等非模型信息定義到統(tǒng)一的工藝模型上，具體表現(xiàn)為將從SPD抽取的模型、標(biāo)注、屬性等數(shù)據(jù)文件相互一一對應(yīng)地關(guān)聯(lián)起來。這里采用在所有數(shù)據(jù)文件中嵌入模型 ID字段信息的方法，以期達(dá)到模型與標(biāo)注、屬性的唯一對應(yīng)，以及各個(gè)信息之間可以直接索引的效果。

為滿足設(shè)計(jì)要求，SPD系統(tǒng)中的船體模型采用直線圓弧樣條曲線的表達(dá)方式，以便在建模過程中支持較高建模精度下的模型編輯功能。但三維作業(yè)指導(dǎo)平臺只會使用三角面片對模型進(jìn)行三維展示，精度也有所降低。由此，結(jié)合SPD系統(tǒng)的具體實(shí)際，采用降低弧線段分割密度的方法對船體模型進(jìn)行輕量化轉(zhuǎn)換，以滿足三維作業(yè)指導(dǎo)的模型顯示需求。

SPD系統(tǒng)擁有對模型進(jìn)行自動(dòng)二維標(biāo)注的功能，暫不支持三維標(biāo)注，但三維作業(yè)指導(dǎo)需要使用三維標(biāo)注對三維模型進(jìn)行說明。這里采用結(jié)合SPD模型對二維標(biāo)注進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法，生成三維標(biāo)注。

通過上述集成策略的使用以及相關(guān)問題的解決，以期實(shí)現(xiàn)基于SPD設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工藝信息集成，能夠在自研三維作業(yè)指導(dǎo)平臺上實(shí)施作業(yè)指導(dǎo)，并使用工程實(shí)例驗(yàn)證上述技術(shù)路線的可行性。

1 信息集成策略

如圖1所示，在獲取到輕量化三維模型、三維標(biāo)注、制造屬性等數(shù)據(jù)后，分別將其按照指定格式存儲為JSON、XML類型的數(shù)據(jù)文件，并通過模型ID將3種信息一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，從而將標(biāo)注、屬性定義到統(tǒng)一的工藝模型上，實(shí)現(xiàn)了工藝信息數(shù)據(jù)集的可檢索、可解析和可結(jié)構(gòu)化組織，為在三維作業(yè)指導(dǎo)平臺上的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。

2 三維模型輕量化

圖1 三維工藝信息集成策略

三維模型本身的復(fù)雜性決定了模型龐大的數(shù)據(jù)量，如果不對三維模型進(jìn)行輕量化，則將使供終端渲染的中間數(shù)據(jù)交換文件過大，對計(jì)算機(jī)資源要求也較高，無法滿足制造現(xiàn)場快速瀏覽三維模型的需求。中性顯示模型數(shù)據(jù)交換采用三角面片表示零件的幾何形狀，具有實(shí)現(xiàn)快速瀏覽的顯著優(yōu)點(diǎn)，本文采用的就是這種數(shù)據(jù)交換模式[5]，即將SPD的三維模型數(shù)據(jù)輸出為三角面片供終端渲染使用。SPD在對三維模型的面片劃分過程中，遇到模型實(shí)體的邊界是曲線時(shí)，要將曲線擬合成近似直線段來進(jìn)行描述，這與輸出模型時(shí)的輕量化控制密切相關(guān)[6]：1）擬合劃分得到的直線段越密集，三角面片數(shù)就越多，精度越高，中間模型文件則越大；2）劃分得到的直線段越稀疏，三角面片數(shù)就越少，精度就越低，中間模型文件就越小。

SPD系統(tǒng)采用圓弧直線樣條來描述曲線，以下圖2中的曲線ABC為例，其描述格式為（A點(diǎn)坐標(biāo)（XA,YA），AB段圓弧的半徑R，B點(diǎn)坐標(biāo)（XB,YB），0（標(biāo)識BC兩點(diǎn)之間為直線段），C點(diǎn)坐標(biāo)（XC,YC））。

圖2 SPD圓弧直線樣條曲線

通過設(shè)定圓弧段拱高對圓弧樣條曲線進(jìn)行精度控制步驟如下。

1）設(shè)定圓弧段拱高閥值σ。

2）計(jì)算劃分角度α。只有當(dāng)AB圓弧段的拱高H＞σ時(shí)，AB圓弧才段需要?jiǎng)澐?，劃分的原則是要使得劃分后的 PB段拱高h(yuǎn)≤σ，則劃分角度α＝2arccos(1－σ/R)。

3）計(jì)算劃分段數(shù)N，N＝θ/α向下取整再＋1。

4）計(jì)算所有劃分點(diǎn)PK（K＝1, 2, 3…N）。

由A、B這2個(gè)點(diǎn)確定直線方程為

由方程組計(jì)算O點(diǎn)(XO,YO)，如下：

由極坐標(biāo)計(jì)算圓弧段起始角度θ1與終止角度θ2。

計(jì)算各等分角度Ak為

計(jì)算坐標(biāo)Pk（k＝1,2,3…N）為

如圖3所示是設(shè)定2個(gè)不同σ值的情況下，一塊船體結(jié)構(gòu)板轉(zhuǎn)換成面片模型時(shí)的面片數(shù)對比，其中圖3b)中面片數(shù)約為圖3a)中的40%。所以，使用SPD輸出面向三維作業(yè)指導(dǎo)的輕量化模型時(shí)，一般采用一個(gè)滿足終端顯示精度要求的較大閥值θ來進(jìn)行擬合劃分，從而輸出較輕量化的模型數(shù)據(jù)文件。

圖3 船體板模型三角面片化精度控制

3 三維標(biāo)注生成

基于SPD，為了實(shí)現(xiàn)三維作業(yè)指導(dǎo)平臺快速生成三維標(biāo)注數(shù)據(jù)，本文采用了由已有二維標(biāo)注直接生成三維標(biāo)注的方法。三維標(biāo)注位置由所在標(biāo)注平面法矢和標(biāo)注基點(diǎn)決定，考慮到SPD二維工程圖紙上的視圖模型與三維設(shè)計(jì)模型一一對應(yīng)，且SPD記錄了二維標(biāo)注的局部坐標(biāo)系、對應(yīng)的三維模型所在的三維模型空間坐標(biāo)系和標(biāo)注的二維繪制數(shù)據(jù)等信息，通過計(jì)算得到三維標(biāo)注平面法矢和標(biāo)注基點(diǎn)，便可構(gòu)造出三維標(biāo)注。

3.1 標(biāo)注平面法矢計(jì)算

SPD繪制二維標(biāo)注所在的基準(zhǔn)坐標(biāo)系為O-UVW，二維標(biāo)注繪制于UOV平面上，W為平面法向。O-UVW對應(yīng)于一個(gè)全船三維坐標(biāo)系下的局部坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1，將法向W通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到全船三維坐標(biāo)下,即可得到三維標(biāo)注繪制平面的法向向量W1，如式（6）

3.2 標(biāo)注基點(diǎn)計(jì)算

在二維圖紙中，尺寸標(biāo)注和引線標(biāo)注是最常用的，二者需要轉(zhuǎn)換計(jì)算的標(biāo)注基點(diǎn)有所不同，如下圖所示。

圖4 二維標(biāo)注的標(biāo)注基點(diǎn)

針對船體小組立和管子零件，其標(biāo)注基點(diǎn)的轉(zhuǎn)換計(jì)算策略分別如下。

3.2.1 船體結(jié)構(gòu)三維標(biāo)基點(diǎn)注轉(zhuǎn)換策略

在船體結(jié)構(gòu)的二維標(biāo)注中，尺寸標(biāo)注類型已包含三維標(biāo)注基點(diǎn)數(shù)據(jù)，但引線標(biāo)注僅含有二維標(biāo)注數(shù)據(jù)，所以需要計(jì)算得出三維標(biāo)注基點(diǎn)，如下圖 5所示，計(jì)算引線二維標(biāo)注基點(diǎn)對應(yīng)的三維標(biāo)注基點(diǎn)的步驟如下：

1）將二維標(biāo)注基點(diǎn)P（UP, VP,0）轉(zhuǎn)換到全船三維坐標(biāo)系下，得到三維點(diǎn)P＇(XP＇,YP＇,ZP＇)，計(jì)算采用式（6）；

2）將垂直于視圖平面的W向量轉(zhuǎn)換到三維模型空間中，得到相應(yīng)三維方向的向量W＇，計(jì)算采用式（6）；

3）三維點(diǎn)P'與W'確定一空間直線L，直線L與三維模型實(shí)體產(chǎn)生一系列的實(shí)體交點(diǎn)，實(shí)體最上端的交點(diǎn)取為二維標(biāo)注基點(diǎn)對應(yīng)的三維標(biāo)注基點(diǎn)。

圖5 船體結(jié)構(gòu)二維標(biāo)注基點(diǎn)轉(zhuǎn)換計(jì)算

3.2.2 管子三維標(biāo)注基點(diǎn)轉(zhuǎn)換策略

SPD系統(tǒng)將三維管路模型在二維標(biāo)注坐標(biāo)平面上投影，三維管路節(jié)點(diǎn)（端點(diǎn)、中點(diǎn)等）投影出的二維節(jié)點(diǎn)，便是二維標(biāo)注的標(biāo)注參考基點(diǎn)。因此，可以將相應(yīng)的三維管路節(jié)點(diǎn)作為二維標(biāo)注的三維標(biāo)注基點(diǎn)。已知二維視圖坐標(biāo)為O'-UVW（其中O'、W項(xiàng)在SPD中默認(rèn)為垂直于視圖平面的(0, 0, 1)），對應(yīng)的三維模型視區(qū)坐標(biāo)系O-XYZ，如下圖6所示，以前視圖的線性標(biāo)注為例，說明三維標(biāo)注基點(diǎn)的計(jì)算步驟。

1）將二維標(biāo)注基點(diǎn)P（UP, VP,0）轉(zhuǎn)換到三維模型空間中，得到三維點(diǎn)P'(XP', Y P', Z P')，計(jì)算采用式（6）；

圖6 管子三維標(biāo)注基點(diǎn)轉(zhuǎn)換計(jì)算（單位：mm）

2）將垂直于視圖平面的W向量轉(zhuǎn)換到三維模型空間中，得到相應(yīng)的三維方向向量W＇，計(jì)算采用式（6）；

3）三維點(diǎn)P'與W'確定空間直線L，求取距離直線L最近的三維管路模型節(jié)點(diǎn)Node，并取為三維標(biāo)注基點(diǎn)。

4 三維工藝信息集成系統(tǒng)開發(fā)與實(shí)例驗(yàn)證

以VS C＋＋為開發(fā)工具，使用面向?qū)ο蟮姆椒▽?shí)現(xiàn)了基于 SPD的三維工藝信息集成接口模塊的開發(fā)。而自研三維作業(yè)指導(dǎo)平臺系統(tǒng)，則通過三維工藝信息集成模塊與SPD實(shí)現(xiàn)信息對接，并使用三維交互、結(jié)構(gòu)樹、屬性表、多視圖等功能進(jìn)行三維作業(yè)指示。

選取了SPD系統(tǒng)的多艘實(shí)船設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，對一系列船體小組立和管子零件模型進(jìn)行了集成轉(zhuǎn)換輸出，將獲取的三維工藝集成信息在三維作業(yè)指導(dǎo)平臺上進(jìn)行工程驗(yàn)證。圖7和圖8

分別選取了一例船體小組立和管子零件在轉(zhuǎn)換前和轉(zhuǎn)換后的結(jié)果進(jìn)行展示，結(jié)果顯示SPD的輕量化幾何模型可以準(zhǔn)確渲染、轉(zhuǎn)換生成后的三維標(biāo)注，并準(zhǔn)確地描述產(chǎn)品的尺寸信息和制造屬性以滿足制造需求。

5 結(jié)論

實(shí)例驗(yàn)證的結(jié)果表明：

1）信息集成策略滿足了將離散的工藝信息定義到統(tǒng)一三維模型的需求，并支持在三維作業(yè)指導(dǎo)平臺上對集成工藝信息的結(jié)構(gòu)化組織和快速索引；

圖7 船體小組立作業(yè)指導(dǎo)書

a) 二維作業(yè)指導(dǎo)書

2）輕量化后的SPD幾何模型滿足了三維作業(yè)指導(dǎo)平臺在終端機(jī)器上的低負(fù)擔(dān)渲染要求；

3）由二維標(biāo)注轉(zhuǎn)換得到的三維標(biāo)注對模型的描述準(zhǔn)確，可見本文中信息集成思路是可行的，且基于自主設(shè)計(jì)系統(tǒng) SPD和自研三維作業(yè)指導(dǎo)平臺的研究思路也為后續(xù)進(jìn)一步拓展研發(fā)提供了有力的技術(shù)基礎(chǔ)支撐。

圖8 管子零件作業(yè)指導(dǎo)書（單位：mm）