解析船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

賀俊華

（中交四航局江門航通船業(yè)有限公司，廣東江門 529100）

0 引言

當前經(jīng)濟貿(mào)易發(fā)展迅速，船舶作為重要的交通運輸工具之一，對電氣設(shè)計技術(shù)提出了更高要求，不但要求設(shè)計者具備較強的專業(yè)技能，還要擁有一定的經(jīng)驗與創(chuàng)造性，才能更好的設(shè)計出船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)，通過充分運用數(shù)據(jù)識別、故障檢索、應(yīng)力檢測等關(guān)鍵技術(shù)，推動船舶電氣朝著智能化方向發(fā)展，促進電氣系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量提升，滿足行業(yè)發(fā)展需求。

1 船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)的基本要求

在系統(tǒng)設(shè)計方案制定期間，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)功能需求，采集和應(yīng)用相關(guān)材料，借助以往設(shè)計經(jīng)驗對優(yōu)質(zhì)母型船并收后再優(yōu)化處理，更好地尋找目標圖，在資料采集期間找到與當前方案相近的目標圖紙，再根據(jù)設(shè)計圖要求，將目標設(shè)備或元件電氣關(guān)系圖深入整合與應(yīng)用。在技術(shù)設(shè)計研究期間，根據(jù)設(shè)計方案要求分析系統(tǒng)投入使用后可能存在的影響因素，并提出有效的解決措施；通過方案設(shè)計將電氣性能標準數(shù)據(jù)進行確定，統(tǒng)一技術(shù)設(shè)計形式，在關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用環(huán)節(jié)可根據(jù)體系界面操作，分析優(yōu)化后的設(shè)計方法，確保程序與后期檢測相互配合。在方案設(shè)計階段，在關(guān)鍵數(shù)據(jù)確定后可自動與設(shè)計要求、實驗推斷結(jié)果相結(jié)合，制定統(tǒng)一協(xié)調(diào)的發(fā)展目標。在方案應(yīng)用階段，應(yīng)遵循數(shù)據(jù)體系的應(yīng)用規(guī)律，確保計算機繪制結(jié)果與設(shè)計基本要求相符。在生產(chǎn)設(shè)計階段，應(yīng)與不同技術(shù)手段相結(jié)合，將系統(tǒng)設(shè)計中蘊含的專業(yè)技術(shù)整合起來，使最終成果能夠有效運用到設(shè)計階段，減少重復(fù)性工作[1]。

2 船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)的框架構(gòu)建

在系統(tǒng)設(shè)計階段，應(yīng)對開發(fā)周期與成本投入綜合分析，借助第三方軟件繪制圖形，并在Windows系統(tǒng)支持下實現(xiàn)系統(tǒng)功能。整體結(jié)構(gòu)主要包括操作界面、主要程序、數(shù)據(jù)中心等內(nèi)容（圖1）。

圖1 系統(tǒng)框架

2.1 操作界面

該系統(tǒng)的操作界面包括眾多主界面，各主界面下方包含許多子界面，且子界面大多帶有特殊功能。上述界面在系統(tǒng)運行中肩負著不同重任，包括創(chuàng)建系統(tǒng)設(shè)計所需模型、數(shù)據(jù)間交換、創(chuàng)建標準化圖框與符號等。除此之外，部分界面還具備圖紙管理、材料報表總結(jié)、設(shè)計圖繪制等功能，上述均根據(jù)系統(tǒng)需求創(chuàng)建而成，各個部分都是系統(tǒng)中不可或缺的內(nèi)容，通過精準定位與功能劃分，使系統(tǒng)運行更加便捷高效。

2.2 主體程序

該系統(tǒng)中許多界面功能是依靠相應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)，如若失去程序支持，操作界面的相應(yīng)功能便無法應(yīng)用。此類程序不但具有信息整理、繪圖、材料表報與各項管理功能，還可協(xié)助設(shè)計模塊運行，并安排了相應(yīng)接口程序?？梢?，主體程序在該系統(tǒng)中的地位不容忽視[2]。

2.3 數(shù)據(jù)中心

該系統(tǒng)設(shè)計的全部信息均存儲在數(shù)據(jù)中心，包括圖紙、文檔等材料。在系統(tǒng)創(chuàng)建時應(yīng)創(chuàng)建專門的數(shù)據(jù)信息模塊，使應(yīng)用信息充分整合。在該框架中，包含系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)設(shè)計中一旦用到某項數(shù)據(jù)信息或資源，便可從該部分調(diào)取或查閱，主要為部件參數(shù)、標準符號等等。同時，每個項目擁有各自的數(shù)據(jù)庫，主要作用是存儲電氣系統(tǒng)與設(shè)備相應(yīng)信息，可見該框架是整個系統(tǒng)的核心所在。

2.4 繪圖模塊

該系統(tǒng)借鑒Step繪制流程格式，采用自上向下、逐層分割的方式，將船舶全生命周期分為訂船、設(shè)計與送審、生產(chǎn)與檢驗、運行維護與拆解等內(nèi)容，將其繪制成一個圖畫，再分別繪制各個環(huán)節(jié)的具體內(nèi)容，持續(xù)分解直到最后一層。在繪圖階段，為確保畫面清楚整潔，規(guī)定任務(wù)包利用方框表示，將約束條件添加在任務(wù)包的上方，設(shè)計前提位于任務(wù)包左側(cè)，可將資源設(shè)置在任務(wù)包下方，設(shè)計結(jié)果設(shè)置在任務(wù)包右側(cè)。

3 船舶電氣智能設(shè)計系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用

3.1 數(shù)據(jù)識別與處理技術(shù)

在數(shù)據(jù)識別技術(shù)方面，與船舶管理中參數(shù)功能模塊相結(jié)合，利用數(shù)字識別技術(shù)進行電氣智能設(shè)計，由此提高船舶管理效率。在實際設(shè)計中，應(yīng)創(chuàng)建多功能模塊，并與模塊中參數(shù)信息相結(jié)合，將圖片內(nèi)容清楚準確的表達出來，實現(xiàn)船舶管理繪圖需求。以設(shè)計功能模塊參數(shù)為例，可為電氣智能系統(tǒng)模塊以圖像化方式展示出來，為設(shè)計者數(shù)據(jù)識別提供便利，與原有設(shè)計方案相比。例如，在船舶電氣設(shè)計中，需要對載駁船信息進行修正，船只本身包含信息非常復(fù)雜，想要對此類信息充分處理任務(wù)量較大，需要船舶信息以更明確的方式體現(xiàn)出來。在數(shù)據(jù)處理技術(shù)方面，該項技術(shù)的應(yīng)用可使船舶整體情況充分展示出來，特別是船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計方面特征，可使設(shè)計更具針對性與適配性。在船舶電氣設(shè)計中，為提高電氣設(shè)計有效性，可引入數(shù)字化技術(shù)，將設(shè)計所需的各類信息綜合分析，并以數(shù)字化形式展示出來，如船體結(jié)構(gòu)、噸位、材料等；然后，將上述信息統(tǒng)一整理歸類后存儲到數(shù)據(jù)庫，以此作為電氣設(shè)計的依據(jù)。在信息數(shù)字化儲存方面，設(shè)計者可更加客觀全面地了解設(shè)計對象，滿足方案設(shè)計的應(yīng)用需求。數(shù)字化信息是在若干信息中提取而成，十分精準明確，可為電氣設(shè)計提供依據(jù)[3]。

3.2 故障檢索技術(shù)

在船舶長期運行中難免出現(xiàn)系統(tǒng)故障，如若未能及時檢修，容易使隱患擴大。在該系統(tǒng)創(chuàng)建中，可在項目設(shè)計階段預(yù)測可能存在的故障隱患，并與數(shù)據(jù)庫中的故障發(fā)生數(shù)據(jù)結(jié)合，采集故障發(fā)生時的線索。通過連鎖逆推的方式分析事故發(fā)生原因，并對此類原因的操作細節(jié)進行分析，在智能系統(tǒng)中以關(guān)系樹的形式展示邏輯關(guān)系，借助上述事件分析，解釋最終故障原因與細節(jié)。故障樹具有直觀、邏輯清晰等優(yōu)勢，可應(yīng)用到各類定量分析作業(yè)中，該系統(tǒng)通過故障樹圖表應(yīng)用，預(yù)測后續(xù)可能發(fā)生的故障，并提前制定設(shè)計管理方案，有助于優(yōu)化設(shè)計，有效控制故障事件發(fā)生。

此外，還可借助知識庫進行校驗與指引。知識庫是將船舶設(shè)計手冊中的規(guī)定與設(shè)計理念結(jié)合起來，根據(jù)條款內(nèi)容與相關(guān)參數(shù)，在算法支持下存儲到數(shù)據(jù)庫中，支持推理程序。以知識庫為基礎(chǔ)開展指引，在關(guān)鍵設(shè)計環(huán)節(jié)中，在系統(tǒng)設(shè)計命令輔助下對產(chǎn)生事件出發(fā)與整體設(shè)計過程、內(nèi)容進行推理判定，使知識庫中內(nèi)容在系統(tǒng)中直接體現(xiàn)出來，包括設(shè)計方式、校驗標準與流程等等。例如，在對饋電回路擔負上限持續(xù)電流計算時，系統(tǒng)便會出現(xiàn)以下界面。通常送交流電機分電箱饋電回路中持續(xù)電流最大值的計算方式：

其中，Ii代表第i臺電機額定電流；Imax是最大電機中的額定電流；Is是備用回路容量。校驗是指在關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)確定后，在知識庫與數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上，以成本控制為依據(jù)，堅持一致性原則進行方案檢驗，還應(yīng)對結(jié)果與參考數(shù)據(jù)進行故障判定。同時，還可智能生成材料清單與計算書，針對不同類型生成書的參數(shù)模板進行定義，在選取計算方式、填寫參數(shù)的情況下獲取數(shù)據(jù)，由此自動生成電壓降計算書，并創(chuàng)建數(shù)字化模型，根據(jù)設(shè)計需求以智能化形式生成不同材料的報表[4]。

3.3 應(yīng)力檢測技術(shù)

該技術(shù)可對船舶系統(tǒng)進行剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)仿真，主要的技術(shù)原理是因缸體受力分析只能顯示外部受力情況，依靠智能華泰運動可采集船舶內(nèi)部零件作用應(yīng)力、變形情況等，對船舶沖擊強度進行分析。值得注意的是，因船舶行駛速度較快，柔性體的應(yīng)用可使剛體反映信息更加明確，使船舶整體運動與受力情況充分體現(xiàn)出來。此外，該項技術(shù)對系統(tǒng)的動力學(xué)仿真，可彌補以往靜力學(xué)仿真中單一狀態(tài)研究的缺陷，使整體運作結(jié)果充分展示出來。通過創(chuàng)建力學(xué)模型進行動力學(xué)仿真，可準確判斷設(shè)計方案是否與系統(tǒng)強度需求相符合。在電壓降計算書生成中，可采用應(yīng)力檢測技術(shù)針對電纜相關(guān)連續(xù)負載電流測算、短路溫升、截面測算等進行校驗，電壓降校驗也可借助該項技術(shù)完成。

3.4 智能模擬技術(shù)

在系統(tǒng)開發(fā)中常常綜合利用多項技術(shù)，通過智能設(shè)計方式設(shè)計時，應(yīng)在前期確定好軟件開發(fā)的各項細節(jié)，以寫文章的方式設(shè)計軟件，先將操作階段可能遇到的問題總結(jié)出來，制定軟件設(shè)計的“大綱”，幫助設(shè)計者理清思路，減少操作中的失誤。在智能模擬技術(shù)應(yīng)用中應(yīng)避免“蝴蝶效應(yīng)”。例如，在某船舶設(shè)計中，在初始條件下的細微變化經(jīng)過一系列演變后便會產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使整個船舶智能控制陷入癱瘓。對此，在智能模擬設(shè)計中應(yīng)精簡軟件設(shè)計內(nèi)容，特別是在復(fù)雜船舶系統(tǒng)中，可將復(fù)雜問題劃分為一個個小模塊，以精細化處理方式設(shè)計模塊。通常該項技術(shù)應(yīng)用需要投入一定資本，每年至少進行兩次船舶檢修。

4 結(jié)論

綜上所述，在船舶行業(yè)與科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展下，船舶電氣智能系統(tǒng)創(chuàng)建顯得十分必要，該系統(tǒng)可將文檔資源、繪圖信息與設(shè)計標準整合起來，根據(jù)輸入?yún)?shù)創(chuàng)建報表，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)識別與處理技術(shù)、故障檢索技術(shù)、應(yīng)力檢測技術(shù)、測繪技術(shù)與智能模擬技術(shù)的優(yōu)勢，滿足船舶產(chǎn)業(yè)智能化、功能化發(fā)展需求。在未來的發(fā)展中，相關(guān)企業(yè)還應(yīng)加強對智能化系統(tǒng)設(shè)計的研究，使船舶電氣設(shè)備布設(shè)更加合理，并逐漸延伸到其他領(lǐng)域，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供不竭動力。