基于知識驅(qū)動的船舶設備基座參數(shù)化設計方法

雷洪濤，單小芬，諸周亮

(江南造船（集團）有限責任公司 江南研究院，上海 201913)

0 前 言

隨著數(shù)字化設計技術的飛速發(fā)展，參數(shù)化建模技術已成為全球最為普遍的應用技術之一，已在航天、汽車等行業(yè)得到廣泛的研究和應用，船舶行業(yè)由于其多樣性和復雜性，對該方面研究較少[1-2]。雖然已經(jīng)取得了部分成果，但仍存在對數(shù)字化設計知識管理重視不足、三維建模不充分、零件參數(shù)化程度底、產(chǎn)品模型可重用性差等問題。在船舶數(shù)字化設計過程中，往往存在對已有模型進行重用的情況，特別是一些模型存在既定的規(guī)范或設計標準的情況下，新創(chuàng)建的模型往往只需要更改部分參數(shù)或提供某些新的參數(shù)[3-4]。在此條件下，若能實現(xiàn)基于知識驅(qū)動的參數(shù)化模型創(chuàng)建，將極大地提高設計效率和設計的準確性。

針對上述問題，本文通過對船舶設備基座的研究，提出基于知識驅(qū)動的設備基座參數(shù)化建模方法，將知識工程技術與參數(shù)化建模技術相結(jié)合，從而實現(xiàn)設計過程的自動化、設計內(nèi)容的模板化，進而實現(xiàn)基座設計的高效性、精準性。

1 知識工程及參數(shù)化設計概述

知識工程（簡稱KBE）是以知識信息為研究對象的新興學科，通過相應的知識系統(tǒng)，實現(xiàn)知識的表達、獲取以及重用的技術和方法，主要用于人工智能、專家系統(tǒng)等領域[5-9]?；谥R工程的三維設計技術主要是將產(chǎn)品研發(fā)過程中涉及到的標準、經(jīng)驗、設計實例等以知識庫形式集成起來，用以實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)相關問題的自動求解，是構(gòu)成智能化設計的基礎[10]。

參數(shù)化設計技術主要指將數(shù)字化模型的幾何約束、尺寸約束等信息通過參數(shù)相互關聯(lián)和約束控制，并將必要參數(shù)進行提取，在建模設計過程中只需修改提取的參數(shù)，即可達到數(shù)字化模型快速創(chuàng)建的目的[11-13]。船舶設備基座具有結(jié)構(gòu)形式固定、相似性強的特點，可通過參數(shù)化建模的方式實現(xiàn)基座的快速設計，但僅憑參數(shù)化建模方法難以滿足復雜基座結(jié)構(gòu)的特征控制，多參數(shù)協(xié)調(diào)也只能通過人工干預的方式進行判斷。

知識工程相關技術的引入，可有效改善參數(shù)化建模存在的不足，不僅可實現(xiàn)多參數(shù)之間的相互關聯(lián)，減少單一參數(shù)驅(qū)動產(chǎn)生的不便，還可方便地對模型全局特征進行控制，同時也可通過知識工程方法對參數(shù)進行參數(shù)驗證，減少參數(shù)的輸入錯誤[14]。從而解除工程師在設計過程中大量的查閱量和計算量，極大地提高了設計效率。

2 設計方法實現(xiàn)原理

本文研究的基于知識工程的船舶設備基座參數(shù)化設計方法，將知識工程技術與參數(shù)化建模技術進行融合，進而達到設計過程的自動化、設計內(nèi)容的模板化的目標。該方法首先分析船舶設備基座的模型特性，根據(jù)模型特征、參數(shù)化設計流程等明確基座設計要素；然后構(gòu)建基座設計所需的設計知識庫，知識庫重點包含結(jié)構(gòu)化設計知識規(guī)則、模板化基座零部件模型等；最后研究基于知識驅(qū)動的基座參數(shù)化設計，通過知識工程技術獲取所需的模型參數(shù)和知識規(guī)則，基于參數(shù)化建模方法實現(xiàn)目標模型的快速生成，達到基座模型快速設計與創(chuàng)建的目的。

2.1 船舶設備基座模型特征分析

船舶產(chǎn)品由于其結(jié)構(gòu)的復雜性，需安裝大量的設備，基座結(jié)構(gòu)樣式和安裝形式也根據(jù)設備安裝的需求而變化。本文通過對船舶典型基座特性要素進行梳理和分析，明確基座設計分類依據(jù)和設計要求，提煉設計所需的結(jié)構(gòu)化、條目化知識規(guī)則，以及各類基座結(jié)構(gòu)特性，為基座知識庫構(gòu)建提供依據(jù)。通過梳理分析，按照基座安裝形式進行分類，常用船舶設備基座類型形式如表1所示。

表1 常用船舶設備基座形式分類Tab. 1 Classification of common types of ship equipment pedestal

在基座數(shù)字化設計過程中，需充分考慮基座的設計樣式、力學性能、安裝位置、注意事項、材料選用等信息，從而來確定大部分船用基座的最優(yōu)形式。以高平面基座設計為例，在基座設計過程中，設計樣式上支撐腳數(shù)應大于4，且支撐腳間應用角鋼相連接，保證支撐腳可以產(chǎn)生最大的穩(wěn)性，如圖1所示。力學性能方面，在設計過程中需滿足結(jié)構(gòu)強度要求，防止變形過大或結(jié)構(gòu)破壞的情況發(fā)生；安裝位置方面，一定要以船體上確定的平臺或甲板作為安裝平面，切勿選擇花鋼板、格柵等不確定的結(jié)構(gòu)為定位和安裝面；材料選用方面，一般的高平面基座選用角鋼材料為主，且面板、腹板寬度一般不超過100 mm，但是如果有特殊要求的可以采用圓管、板材拼接，但需注意強度要求。其他注意事項方面，基座設計需避免與其他專業(yè)產(chǎn)生干涉，高平面基座設計需充分考慮型材結(jié)構(gòu)與管路布置的空間利用，避免干涉產(chǎn)生。

圖1 高平面基座結(jié)構(gòu)形式Fig. 1 Structural form of high plane pedestal

2.2 船舶設備基座知識庫建立

知識工程技術的應用離不開知識庫的底層服務支持，若實現(xiàn)基于知識工程的船舶設備基座參數(shù)化設計，首先要構(gòu)建基座知識庫。將知識庫中的各類知識進行歸納、分類、整理，形成知識單元，并以計算機易于讀取和識別的邏輯表示方式進行知識的存儲。本文研究的船舶設備基座知識庫的核心結(jié)構(gòu)主要為知識規(guī)則庫和參數(shù)化模型庫兩部分，知識庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 船舶設備基座設計知識庫結(jié)構(gòu)Fig. 2 Knowledge base structure of ship equipment pedestal design

基座的模型庫主要指根據(jù)基座分類規(guī)則，創(chuàng)建不同類型的基座參數(shù)化知識模型，并將該知識模型作為模型庫知識單元。知識模型在創(chuàng)建過程中對基座的結(jié)構(gòu)特征進行規(guī)劃，通過參數(shù)化建模技術實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動基座模型的建立，知識模型可以通過參數(shù)、公式、規(guī)則等知識工程對象及各種對象的組合進行表達。模型庫中的模型同時內(nèi)嵌規(guī)則庫中的設計標準、尺寸約束及結(jié)構(gòu)外形特征規(guī)則從而實現(xiàn)知識驅(qū)動生成模型。

基座的規(guī)則庫主要指設計規(guī)范、設計標準、設計經(jīng)驗、設計實例等知識的集合。設備基座的參數(shù)化設計過程中，涉及大量的信息和數(shù)據(jù)，因此需要建立規(guī)則庫來存儲知識規(guī)則。知識規(guī)則庫的創(chuàng)建，主要是把設計過程中所涉及到的知識進行收集和整理，并按照一定的格式進行存儲，形成解決設計問題的約束準則，達到滿足設計過程中按需調(diào)用的需求。

2.3 基于知識驅(qū)動的基座參數(shù)化設計

基于知識驅(qū)動的船舶設備基座設計方法，主要通過知識工程技術獲取基座設計所需的特征模型和參數(shù)，再通過知識的推理和重用技術，實現(xiàn)基座設計規(guī)則的表達，達到通過知識驅(qū)動模型創(chuàng)建的目的。所涉及到的推理主要是指，按照單一典型的規(guī)則，推理出包含該規(guī)則的某一類推理過程。目前，知識工程領域應用最為廣泛的3種推理方式包括：基于規(guī)則的推理（RBR）、基于實例的推理（CBR），以及基于模型的推理（MBR）[15]。

本文研究的基于知識驅(qū)動的船舶設備基座參數(shù)化設計技術方法所用到的推理技術融合了基于規(guī)則的推理和基于實例的推理，從而達到推理結(jié)構(gòu)更為精準的效果。首先，采用基于實例的推理方式，基于知識工程的模板匹配技術，調(diào)用知識模板庫中的模板知識模型，實現(xiàn)目標模型的重用；再通過基于規(guī)則的推理方式，調(diào)用存放在規(guī)則庫中知識規(guī)則，從而獲取基座創(chuàng)建所需的各項約束參數(shù)和關系，并將參數(shù)和關系式傳遞至基座幾何模型，實現(xiàn)模型的快速生成。通過利用2種推理方式的結(jié)合，不僅可實現(xiàn)模型和知識的重用，還可準確快速地定位到所需知識，從而達到基于知識驅(qū)動的基座快速設計的目的。基于知識驅(qū)動的船舶設備基座參數(shù)化建模原理框架如圖3所示。

圖3 基于知識工程的參數(shù)化設計構(gòu)架示意圖Fig. 3 Schematic diagram of parametric design based on knowledge engineering

基于知識驅(qū)動的基座參數(shù)化建模設計方法，不僅實現(xiàn)設計過程的自動化，同時也實現(xiàn)設計內(nèi)容的模板化。在基座模型的創(chuàng)建過程中，將設計過程分為若干傳承有序、相互制約、相互關聯(lián)的設計模塊，并將各類設計知識進行封裝，通過模板定義實現(xiàn)在設計過程所需知識的快速推送。同時，基于規(guī)則的推理方式還可驗證輸入?yún)?shù)的準確性，在參數(shù)化設計過程中，若設計人員輸入錯的參數(shù)或輸入內(nèi)容與建模規(guī)則產(chǎn)生沖突，可立即反饋修正信息，輔助設計人員修正設計。

2.4 設計方法系統(tǒng)功能實現(xiàn)

采用本文的船舶設備基座設計方法，參考參數(shù)化建模技術、特征建模技術、知識工程技術及CAD二次開發(fā)技術，可開發(fā)基于知識驅(qū)動的船舶設備基座參數(shù)化設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能不僅可實現(xiàn)基座標準化、自動化設計，同時支持對知識庫的可視化維護和管理、設計知識的檢索與推送功能。設計人員只需在設計平臺二次開發(fā)的人機交互界面輸入基座類型、基座參數(shù)、約束條件等信息，系統(tǒng)自動完成設備基座的三維模型布置和設計，設計過程中還可實現(xiàn)相關設計知識的推送，輔助設計人員快速完成設計內(nèi)容。

系統(tǒng)功能實現(xiàn)框架如圖4所示，該快速設計系統(tǒng)主要基于CAD設計平臺進行二次開發(fā)實現(xiàn)，通過面向?qū)ο?、模塊化、交互式的人機交互開發(fā)界面為設計人員提供設計交互手段。建模設計過程中，開發(fā)程序與知識庫進行實時交互，系統(tǒng)自動完成知識的獲取、模板調(diào)用、零件重組、參數(shù)化驅(qū)動等過程，最終完成基座模型的創(chuàng)建。該設計系統(tǒng)可將研究的基座參數(shù)化設計方法實現(xiàn)落地應用，達到設計流程標準化、設計過程自動化、設計內(nèi)容模板化的目的。

圖4 基座快速設計系統(tǒng)功能整體框架Fig. 4 Functional framework of pedestal rapid design system

3 結(jié) 語

本文以船舶設備基座為研究對象，介紹一種基于知識驅(qū)動的船舶設備基座參數(shù)化建模設計方法，該方法有效解決了參數(shù)化設計靈活度單一的問題，不僅實現(xiàn)了船舶設備基座模型的自動創(chuàng)建，還實現(xiàn)了設計知識的積累與重用。有效提高了設計質(zhì)量和設計效率，降低人工設計差錯。該方法同時對船舶數(shù)字化設計研究具有一定的理論指導意義。