基于知識組件的船舶空調通風系統(tǒng)原理圖快速生成方法

楊亢亢，肖鵬安，李偉光

中國艦船研究設計中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

空調通風系統(tǒng)是船舶保障系統(tǒng)中比較復雜的系統(tǒng)之一[1]，主要用于對船舶各類艙室進行空氣調節(jié)、冷卻或通風處理，以滿足船員及設備等對大氣環(huán)境的要求，進而為船舶生命力提供保障。由于船舶空調通風系統(tǒng)包含了大量的設備，因而在設計階段需要耗費大量的人力和物力來繪制原理圖。計及設計變更所帶來的修改和調整問題，空調通風系統(tǒng)的原理圖繪制耗費的工作量約占全船保障系統(tǒng)的40%以上。

針對船舶空調通風系統(tǒng)的設計，國內外學者展開了大量研究。Kumar 等[2]將船舶空調通風系統(tǒng)原理圖中的設備作為模塊來處理，實現了原理圖的快速繪制。 劉偉等[3]利用拓撲圖來表示電氣符號，采用圖的同構算法識別電氣符號，實現了電氣原理圖的快速識別。胡小林等[4]采用塊技術封裝閥件和附件，可在船舶管系原理圖設計時直接插入復用。 朱佳文等[5]定義了輪機原理圖和管路原理圖設計中的二維符號，可通過二維原理圖驅動三維管路放樣等進行開發(fā)應用。Yang 等[6]提出基于PDM 系統(tǒng)的船舶設備屬性接口提交及管理方案來管理設計過程中相關接口屬性信息。上述文獻所提設計方法在一定程度上解決了相關系統(tǒng)的原理圖繪制問題，但未涉及圖元與屬性的關聯(lián)、接口數據的交換以及圖紙管理等問題。

對于船舶設計而言，它是一個循環(huán)、迭代和由粗到細的過程[7-9]。隨著設計階段的不斷深化，空調通風系統(tǒng)原理圖包含的信息會越來越豐富，設備布置和管路放樣也會更加精確。因此，若其他系統(tǒng)或設備出現設計變更，就必須相應地修改或調整空調通風系統(tǒng)原理圖，投入更多時間和精力來修改圖面并確定接口數據。

因此，本文將基于知識組件，提出一種船舶空調通風系統(tǒng)原理圖的快速生成方法，旨在提高原理圖繪制效率，實現快速生成和圖紙信息的有效管理，并通過在實際工程項目中的廣泛應用，對原理圖繪制效率進行驗證。

1 原理圖繪制過程分析

船舶空調通風系統(tǒng)原理圖繪制是采用特定的圖形符號[10]，按照氣流組織的設計要求組合繪制而成。雖然各設計階段對原理圖的繪制要求不盡相同，但其所包含的內容卻隨著設計的深入得到不斷的豐富和細化。以技術設計階段為例，如圖1所示，在空調通風系統(tǒng)原理圖繪制過程中，設計人員需要考慮設備的輸入/輸出信息、設備間的接口信息等。然而，傳統(tǒng)的原理圖只包括了設備間的連接和位置關系，缺少設備屬性和接口屬性等信息，無法支持設備技術要求書和統(tǒng)計報表的編制以及數據信息的提取等。因此，滿足數字化設計要求的該系統(tǒng)原理圖應包含設備圖形符號及其附帶的屬性信息，即可描述為一個三元組：

式中，A={A1,A2,···,Am}，為原理圖中艙室區(qū)域的集合，其中m為艙室數量；D={D1,D2,···,Dn}，為原理圖中設備的集合，其中n為設備數量；P={P1,P2,···,Pn}，為設備屬性的集合。

圖1 船舶空調通風系統(tǒng)原理圖繪制全過程模型Fig. 1 Full procedure model of schematic design for ship air-conditioning ventilation system

2 空調通風系統(tǒng)的知識組件模型

2.1 知識組件定義

組件的概念最早出現在軟件設計領域，它是實現數據、程序或軟件等即插即用的一種封裝方法[11]。在文獻[12-13]中，組件被定義為系統(tǒng)中可替換的物理單元，其封裝了一組可實現的數據接口，無需或經很少的修改便可應用于其他部件，且可重復使用。若將設計過程所涉及的屬性、規(guī)則等知識與組件結合，采用結構化方式封裝形成知識組件，即可實現設計過程與知識的融合[14]。知識組件技術應用于空調通風系統(tǒng)原理圖繪制時，系統(tǒng)的設備被視為具有一組標準化接口、可重復使用的抽象化圖形單元模型，經過知識組件實例化，可實現設備布置、屬性添加和數據交換，進而達到原理圖的快速生成和圖紙信息管理的目的。

知識組件封裝了具體設備模型及知識的數據接口，插入原理圖時，根據給定參數即可實現實例化應用，也可在同一張原理圖中多次實例化應用[15]。作為屬性載體[16]，知識組件有一組標準化的接口，可進行屬性操作，具體定義如下：

1) 基本屬性。知識組件基本屬性的集合[17]用來描述知識組件的幾何屬性、功能屬性，可表示為一個二元組。

式中：Pg為知識組件的幾何屬性；Pb為知識組件的功能屬性。

2) 位置屬性。知識組件位置關系屬性的集合用來描述實例化知識組件所在的水密區(qū)、甲板、艙室及坐標屬性，可表示為一個四元組。

式中：La為知識組件實例化時所在的水密區(qū)編號；Ld為知識組件實例化時所在的甲板編號；Lc為知識組件實例化時所在的艙室編號；Lp為知識組件實例化時的坐標信息。

3) 鄰接屬性。知識組件鄰接關系屬性的集合用來描述實例化的知識組件與原理圖中其他設備之間的鄰接關系，可表示為一個二元組。

式中：Tcid為鄰接設備的知識組件分類編號；Ta為鄰接方式。

4) 接口屬性。知識組件輸入輸出關系屬性的集合用來描述與其他系統(tǒng)、零部件之間的接口數據信息，可表示為一個二元組。

式中：Ii為其他系統(tǒng)、零部件之間的輸入接口信息；Io為實例化的知識組件輸出接口信息。

因此，知識組件屬性由分類標識Pid、 基本屬性 、位置屬性、鄰接屬性 和接口屬性組成，表示為CP=(Pid,PC,LC,TC,IC)，模型如圖2 所示。

圖2 船舶空調通風系統(tǒng)的知識組件模型Fig. 2 Model of knowledge component for ship air-conditioning ventilation system

2.2 知識組件實體建模

知識組件實體建模采用自定義實體技術，通過類繼承的方法，在實體模型上派生實體類和類的函數，通過函數驅動實現實體模型的圖形實現[18]?？照{通風系統(tǒng)知識組件實體模型包括標識基類、編號基類、控制點基類、參數基類和動作基類5 類對象，如圖3 所示。

標識基類對象包含實體的分類標識，是知識組件實體的身份標識。編號基類包含實體的設備編號，是知識組件實體實例化時對應的編號。控制點基類包含實體的基點、輸入口基點和輸出口基點，用來控制實體模型自身的定位以及輸入、輸出口定位。參數基類包含實體模型的比例尺、長度、寬度、半徑和外徑等基礎幾何信息，用來控制實體模型的幾何外形。動作基類包含向上、向下、向左、向右和旋轉等操作，用來控制實體模型具體的朝向。

2.3 知識組件實例化

知識組件實例化是指知識組件從組件庫中應用到原理圖中的過程。在該過程中，原理圖中的設備實體通過類函數繼承知識組件所包含的所有屬性，其設備編號則根據原理圖實現自動編號，具體過程如圖4 所示。

圖3 知識組件實體模型的對象類Fig. 3 Object classes of entity model for knowledge components

圖4 知識組件實例化Fig. 4 Instantiation of knowledge component

步驟1：用戶在繪制原理圖時，通過設計中心選擇所需要的知識組件；

步驟2：掃描組件庫，通過組件分類標識來索引知識組件，并將組件屬性傳遞給組件對象，以此獲得組件對象；

步驟3：組件庫返回庫工廠中組件對象的接口指針至原理圖；

步驟4：通過原理圖調用組件對象的接口指針，將組件實體模型插入原理圖中，從而實現組件對象調用。

3 基于知識組件的原理圖快速生成

結合船舶空調通風系統(tǒng)設計特點，基于知識組件的船舶空調通風系統(tǒng)原理圖快速生成業(yè)務模型如圖5 所示，包括系統(tǒng)、區(qū)域和組件3 部分。

圖5 船舶空調通風系統(tǒng)原理圖快速生成業(yè)務模型Fig. 5 Business model of schematic rapid generation of ship airconditioning ventilation system

1) 系統(tǒng)是指按照標準規(guī)范對船舶進行劃分的各級子系統(tǒng)[19]，對應的組織形式為系統(tǒng)結構樹。其中，系統(tǒng)結構樹由具體船舶的各級子系統(tǒng)及其所包含的零部件組成。對全船的空調通風系統(tǒng)而言，可以劃分成若干個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)對應一張原理圖。

2) 區(qū)域是指船舶內部經水密隔艙劃分的具體范圍，對應的組織形式為區(qū)域結構樹，對應的表現形式為數字化總圖。其中，區(qū)域結構樹由具體船舶的各級水密區(qū)及其艙室組成，包括水密區(qū)、甲板、艙室的隸屬關系以及數字化總圖（艙室、甲板）的基本屬性信息。區(qū)域i可以表示為

式 中：Wwi為 水 密 區(qū) 編 號 為i的 水 密 區(qū) 信 息；Wdi為該水密區(qū)對應的甲板層集合；Wci為該水密區(qū)對應的艙室集合。

3) 組件是指按照標準規(guī)范對船舶進行劃分的某一類具體設備[20]，對應的組織形式為組件結構樹，對應的表現形式為類庫文件。其中，組件結構樹由具體船舶中各級組件組成，包括各級組件的隸屬關系。類庫文件是知識組件實體模型的CAD 文件，其中每個模型包含2 個標準化接口：組件分類標識和設備編號。組件i可以表示為

式中：C_IDi為組件分類標識；E_IDi為組件實例化時的設備編號；CPi為組件屬性信息集合。

由圖5 可知，數字化總圖為原理圖設計提供了船舶總體布置圖背景信息，類庫文件通過標準化接口實現了知識組件與屬性信息的融合及原理圖的數字化設計，其業(yè)務數據傳遞與交換模型如圖6 所示。

4 原型系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)設計

基于知識組件的空調通風系統(tǒng)原理圖快速生成原型系統(tǒng)是在PDM 和AutoCAD 的基礎上開發(fā)的，其中PDM 端負責整個系統(tǒng)的數據管理與維護，AutoCAD 端通過知識組件調用實現原理圖快速生成，如圖7 所示。

若是新產品首次繪制原理圖，則需在PDM 端創(chuàng)建產品代號，并配置該產品所需的系統(tǒng)結構樹、區(qū)域結構樹、組件結構樹和接口結構樹。根據系統(tǒng)瀏覽器中空調通風系統(tǒng)子系統(tǒng)列表，設計人員可選擇繪制的子系統(tǒng)名稱和編號，在AutoCAD端通過圖紙定義創(chuàng)建圖紙； 通過選擇區(qū)域瀏覽器中對應的艙室，實現數字化的艙室總圖背景調用； 通過組件瀏覽器中設計中心，實現知識組件的調用。完成原理圖的繪制后，通過更新信息實現AutoCAD 端和PDM 端數據同步，設計人員便可在PDM 端發(fā)起跨專業(yè)的發(fā)熱量和電力負荷提交流程，也可實現按艙室或系統(tǒng)生成設備清單及訂貨明細表。

PDM 端采用B/S 架構開發(fā)，負責整個系統(tǒng)的數據管理與維護。AutoCAD 端采用C/S 架構開發(fā)，通過調用知識組件，實現設備、閥件和附件的布置。AutoCAD 端與PDM 端之間通過XML 格式實現數據通信，如圖8 所示。原型系統(tǒng)界面如圖9～圖10 所示。

圖6 數據傳遞與交換模型Fig. 6 Model of data transmission and exchange

圖7 基于知識組件的原理圖快速生成流程圖Fig. 7 Flowchart of schematic rapid generation based on knowledge components

4.2 應用實例

圖8 原型系統(tǒng)架構Fig. 8 Architecture of the prototype system

圖9 原型系統(tǒng)主界面Fig. 9 Main interface of invocation

圖10 原型系統(tǒng)知識組件調用界面Fig. 10 Interface of invocation for knowledge components

在某工程型號空調通風系統(tǒng)原理圖繪制中，分別采用傳統(tǒng)方法和新方法進行了測試，兩種方法的工時統(tǒng)計如圖11 所示。首次使用新方法繪制原理圖時，需建立空調通風系統(tǒng)的設備、閥附件組件庫，該組件庫建立完成后可重復使用。每張圖紙與PDM 中系統(tǒng)瀏覽器的子系統(tǒng)關聯(lián)，圖紙中設備、閥附件通過設備編號與子系統(tǒng)的設備列表清單相互對應，從而實現了圖紙所有圖面信息的在線管理。因此，相比于傳統(tǒng)方法，用在繪制草圖、標注、接口提交、統(tǒng)計、修改等步驟的工時統(tǒng)計得到了大幅縮減。經統(tǒng)計，新方法的繪制效率提升了43.5%，在接口數據、統(tǒng)計和修改方面優(yōu)勢明顯。其中，圖紙標注和明細統(tǒng)計實現自動統(tǒng)計生成，避免了人工統(tǒng)計環(huán)節(jié)，準確率可達100%，保證了設計質量。

圖11 工時統(tǒng)計對比Fig. 11 Comparison of labor-hours

5 結 語

本文提出了一種基于知識組件的船舶空調通風系統(tǒng)原理圖快速生成方法，將該系統(tǒng)的設備封裝成具有一組標準化接口的知識組件，并對知識組件模型和屬性進行了定義。通過自定義實體技術，實現了知識組件的實體建模，設計了知識組件實例化過程。結合船舶空調通風系統(tǒng)的設計特點，分析了基于知識組件的系統(tǒng)原理圖快速生成業(yè)務模型和數據交換模型。在此基礎上，以Auto-CAD 和PDM 系統(tǒng)為開發(fā)平臺，開發(fā)了基于知識組件的船舶空調通風系統(tǒng)原理圖快速生成原型系統(tǒng)，并在實際工程型號設計中進行了廣泛的應用驗證。結果表明，該原理圖生成方法大幅提升了圖紙繪制效率及其管理水平。