基于AM的船舶開孔管理輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顧曉波, 徐成喜*, 趙 旭

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引 言

船舶建造是一項(xiàng)投入巨大、繁瑣復(fù)雜的系統(tǒng)化工程，包括船體結(jié)構(gòu)、輪機(jī)管系、電氣、鐵舾和通風(fēng)等多個(gè)專業(yè)。項(xiàng)目前期的設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作直接關(guān)系后期的工程建造效率，使用一款可集成多個(gè)專業(yè)模塊于一體的船舶設(shè)計(jì)軟件，處理各專業(yè)之間的布置、協(xié)調(diào)和干涉問題，實(shí)現(xiàn)模型同步可視化，顯得相當(dāng)重要。英國劍維公司研發(fā)的造船和海洋工程設(shè)計(jì)系統(tǒng)(AVEVA Marine，AM)[1]正是其中之一。

AM軟件是整個(gè)船舶開孔管理流程的核心，開孔管理模塊分為2個(gè)。其一是舾裝開孔管理模塊，在選擇板架和管件對象后，填寫孔的類型、凈空和裕量等屬性，確認(rèn)無誤點(diǎn)擊OK。其二是船體開孔管理模塊，根據(jù)規(guī)范對申請開孔進(jìn)行相應(yīng)操作，不符合規(guī)范要求則開孔申請會被駁回。文獻(xiàn)[2]給出AM軟件開孔管理步驟的詳細(xì)介紹，該過程操作繁瑣、工作量大、周期長、效率低，很多地方需要改進(jìn)。為提高AM軟件在船舶開孔管理方面的功能和設(shè)計(jì)人員效率，實(shí)現(xiàn)船舶快速開孔，開發(fā)船舶開孔管理輔助系統(tǒng)十分必要。

1 AM軟件開孔管理模塊

用戶在AM軟件Outfitting(舾裝模塊)的子模塊Pipework中可創(chuàng)建管系，在Structrue子模塊下選擇Panels&Plates可創(chuàng)建面板和板材。管件模型存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在WORLD-SITE-ZONE-PIPE下，其中，面板和板材及創(chuàng)建的虛擬開孔模型均存儲在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)WORLD-SITE-ZONE-STRU-FRAM下，如圖1所示。AM軟件的開孔管理模塊操作流程如圖2所示。

圖1 管件和面板模型存儲結(jié)構(gòu)

圖2 AM軟件開孔管理操作流程

基于AM軟件開孔管理功能的缺陷如下：

(1)不同專業(yè)開孔協(xié)同效率較低。舾裝專業(yè)通過不斷地提交開孔申請或被船體專業(yè)拒絕的開孔申請實(shí)現(xiàn)船舶的開孔設(shè)計(jì)。每個(gè)專業(yè)均相互獨(dú)立導(dǎo)致靜態(tài)的開孔數(shù)據(jù)不能表現(xiàn)不同專業(yè)開孔信息的聯(lián)動(dòng)變化，協(xié)同設(shè)計(jì)的開孔周期變長導(dǎo)致整個(gè)船舶開孔設(shè)計(jì)周期變長。

(2)操作過于繁瑣。在AM軟件中的船舶開孔管理模塊進(jìn)行開孔，可對各種管件貫穿板架的板材進(jìn)行各種開孔，但開孔步驟過多，一個(gè)步驟又分為多個(gè)步驟，使整個(gè)開孔過程較為繁瑣和麻煩，花費(fèi)時(shí)間較多。

(3)界面不夠直觀，需要打開多個(gè)界面。在開孔過程中，打開不止3個(gè)界面，每個(gè)界面需要在不同工具欄的下拉菜單中打開，進(jìn)行填入數(shù)據(jù)、選擇對象和拾取對象等操作，整個(gè)操作過程非常不流暢。

(4)影響開孔數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。打開界面和點(diǎn)擊命令這兩個(gè)基本操作十分費(fèi)時(shí)和分散精力，后續(xù)重要數(shù)據(jù)的輸入選擇較為繁瑣，使設(shè)計(jì)效率低且易出錯(cuò)。

對于AM軟件開孔管理功能的后3個(gè)缺陷，采用參數(shù)化建模和數(shù)據(jù)抽取的方式，使操作步驟減少、界面更直觀，僅需要填入相關(guān)數(shù)據(jù)即可，而不同專業(yè)開孔協(xié)同率較低則通過確定開孔協(xié)同處理流程和規(guī)則數(shù)據(jù)庫方法解決。

2 AM軟件開孔協(xié)同流程和規(guī)則數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

結(jié)合船廠設(shè)計(jì)實(shí)際生產(chǎn)業(yè)務(wù)的需求，從兩個(gè)方面考慮：一是對于開孔管理系統(tǒng)的性能需求從易用性、準(zhǔn)確性、自動(dòng)化程度高和可擴(kuò)展性等方面進(jìn)行分析；二是相應(yīng)地完善AM軟件開孔管理功能的缺陷，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中需要確定開孔協(xié)同流程和規(guī)則數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)。

2.1 開孔協(xié)同流程

舾裝專業(yè)開孔和船體專業(yè)開孔是不斷交互的過程。舾裝專業(yè)人員打開基于AM軟件的開孔管理輔助系統(tǒng)，通過系統(tǒng)界面輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，創(chuàng)建虛擬開孔，根據(jù)開孔規(guī)則對擬提交的開孔申請進(jìn)行審核，將符合開孔規(guī)范的開孔申請?zhí)峤恢链w專業(yè)人員，對不符合開孔規(guī)范的開孔重新創(chuàng)建虛擬開孔。船體專業(yè)人員收到舾裝專業(yè)人員提交的開孔申請，根據(jù)開孔規(guī)則進(jìn)行審核，對不滿足規(guī)范要求的開孔申請直接拒絕并反饋至舾裝專業(yè)人員，舾裝專業(yè)人員對不滿足規(guī)范要求的開孔信息進(jìn)行修改更新，重新提交開孔申請至船體專業(yè)人員審核。對滿足規(guī)范要求的開孔申請，船體專業(yè)人員通過開孔需求完成開孔，并將開孔數(shù)據(jù)信息保存在AM軟件的數(shù)據(jù)庫中。該過程不斷循環(huán)，最終形成開孔協(xié)同流程。

2.2 開孔協(xié)同規(guī)則數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為縮短不同專業(yè)協(xié)同開孔周期，提高不同專業(yè)開孔協(xié)同效率，根據(jù)開孔協(xié)同流程，保證開孔信息的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)信息的交互和共享，需要?jiǎng)?chuàng)建開孔協(xié)同規(guī)則數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫用于存儲不同專業(yè)開孔規(guī)則數(shù)據(jù)信息，包含各專業(yè)的人員信息和不同位置的開孔規(guī)則。人員信息主要包含身份證號碼、專業(yè)和姓名等識別身份的信息。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)介紹不同位置的開孔規(guī)則。

以在1個(gè)肋距或縱骨間距內(nèi)開圓孔為例，如圖3所示。開孔尺寸不補(bǔ)強(qiáng)的情況為(D1+D2+…)≤60%S且≤25%H，Di≤25%H，Ci≥40%H，Pi>相鄰兩孔直徑和，其中，Di為各開孔直徑，S為肋骨或縱骨間距，H為梁腹板高度，Ci為各開孔下邊緣至梁面板距離，Pi為相鄰兩孔的中心距。開孔尺寸補(bǔ)強(qiáng)的情況分為3種：①25%H20%H；②Di>25%H，25%H60%S，Di≤50%H，Ci>25%H。

圖3 開圓孔

將不同位置開孔規(guī)則的數(shù)據(jù)和屬性記錄在數(shù)據(jù)庫中，方便系統(tǒng)隨時(shí)調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)不同專業(yè)在開孔管理時(shí)對不滿足規(guī)范的要求進(jìn)行相應(yīng)的提示。根據(jù)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)范式[4]，采用Microsoft SQL Server關(guān)系型數(shù)據(jù)庫建立開孔協(xié)同規(guī)則數(shù)據(jù)庫。

3 二次開發(fā)開孔管理輔助系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境搭建

開孔管理輔助系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境基于AM軟件平臺，該軟件具備解決復(fù)雜工程設(shè)計(jì)和管理的能力，可提高設(shè)計(jì)效率、增強(qiáng)數(shù)據(jù)安全性。為滿足客戶需求，AM軟件提供友好界面和豐富接口，方便用戶通過二次開發(fā)解決使用中的需求問題[5]。通過Visual Studio編寫程序，確定C#為開發(fā)的程序語言[6]，程序生成.CS文件添加至AM軟件提供的執(zhí)行插件文件Addin configuration file中。在開發(fā)的程序語言成功運(yùn)行后，啟動(dòng)AM軟件可看見開發(fā)的功能界面，如圖4所示。

圖4 程序開發(fā)的路徑

3.2 開孔管理輔助系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

二次開發(fā)基于AM軟件的Outfitting模塊，開孔類型主要為圓孔(D)、方孔(HR)、等腰腰形孔(HO)、葫蘆形孔(HOR)和倒圓角方孔(HRM)等。開孔參數(shù)：A為開孔長度；B為開孔寬度；R為開孔倒角半徑；D為圓形孔直徑；R1和R2為葫蘆形孔左右兩邊半徑。開發(fā)重點(diǎn)在于獲取板材和模型的相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，結(jié)合不同的開孔類型填入相應(yīng)開孔參數(shù)，通過參數(shù)化建模[7]和AM軟件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)抽取方法，在獲得滿足開孔的所有數(shù)據(jù)信息后輸入至程序中完成開孔，并將數(shù)據(jù)保存在AM軟件數(shù)據(jù)庫中。界面設(shè)計(jì)是在Visual Studio軟件中創(chuàng)建一個(gè)用戶窗體控件程序，使用DEV控件技術(shù)設(shè)計(jì)界面，使面向用戶交互的界面更美觀。在用戶窗體控件中創(chuàng)建CtrHoleManagement窗體和CtrHoleManagementHull窗體。CtrHoleManagement窗體操作功能：舾裝專業(yè)人員根據(jù)身份證號碼識別進(jìn)入該界面，在獲取板材和模型信息后創(chuàng)建開孔申請，右擊列表，進(jìn)行修改開孔、保存修改、開孔作廢、開孔撤回、補(bǔ)孔申請和模型定位等6種操作。CtrHoleManagementHull窗體操作功能：船體專業(yè)人員根據(jù)身份證號碼進(jìn)入該界面，可查詢所有分段信息，針對開孔相關(guān)數(shù)據(jù)列表信息右擊菜單，進(jìn)行模型查看、補(bǔ)孔退回、Scheme語句預(yù)覽、同意開孔和拒絕開孔等5種操作。開孔管理輔助系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 開孔管理輔助系統(tǒng)界面

以開圓形孔為例，以Element方式讀取或?qū)懭霐?shù)據(jù)庫，通過GetAsString方法拾取類型為HPLATE的板架和類型為BRAN的管件。采用C#編程語言獲得板架的方向Orientation wori與Position wpos和管件中心線上的兩點(diǎn)Position Pipe1與Position Pipe2，管件兩點(diǎn)連成一條直線穿過板架上的一個(gè)板材平面，取平面一點(diǎn)可計(jì)算面與線的交點(diǎn)，交點(diǎn)即為管件貫穿板材的中心點(diǎn)位置，核心代碼如圖6所示。以參數(shù)化建模的方式控制開孔所需要的形狀和尺寸，加上中心點(diǎn)位置，即可快速完成開孔。采用List集合將所有板材和管件的信息保存，將保存的數(shù)據(jù)全部傳遞至AM軟件數(shù)據(jù)庫中，開孔完成，如圖7所示。

圖6 獲取板材和管件信息計(jì)算開孔中心點(diǎn)位置代碼

圖7 開圓孔效果

3.3 工程應(yīng)用

使用基于AM軟件的船舶開孔管理輔助系統(tǒng)分為6個(gè)步驟。舾裝專業(yè)人員打開CtrHoleManagement窗體：①點(diǎn)選板架獲取板架信息；②點(diǎn)選管件獲取管件信息；③點(diǎn)擊板材開孔所需要的開孔類型，通過參數(shù)化建模和從AM軟件數(shù)據(jù)庫中抽取數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)計(jì)算開孔尺寸數(shù)據(jù)信息；④輸入開孔所需要的尺寸參數(shù)；⑤點(diǎn)擊創(chuàng)建按鈕，系統(tǒng)計(jì)算管件貫穿面板中心點(diǎn)位置和開孔尺寸，快速生成開孔模型。船體專業(yè)人員打開CtrHoleManagementHull窗體：⑥選擇待開孔分段和開孔申請，點(diǎn)擊刷新，對符合規(guī)范要求的開孔信息右擊同意申請，開孔完成。

以2 500 TEU集裝箱船為例，按相關(guān)開孔要求分別使用AM軟件開孔管理功能和基于AM軟件二次開發(fā)的船舶開孔管理輔助系統(tǒng)進(jìn)行開孔，并記錄開孔的時(shí)間和數(shù)量，對比兩者的開孔效率。結(jié)果如下：開孔共3 825個(gè)；AM軟件開孔管理模塊的舾裝開孔耗時(shí)234.7 h，船體開孔耗時(shí)115.8 h，共350.5 h；船舶開孔管理輔助系統(tǒng)的舾裝開孔耗時(shí)35.4 h，船體開孔耗時(shí)22.8 h，共58.2 h；與AM軟件開孔管理模塊相比，船舶開孔管理輔助系統(tǒng)在舾裝開孔方面效率提升84.92%，在船體開孔方面效率提升 80.31%， 整個(gè)開孔過程耗時(shí)節(jié)省292.4 h。

綜上所述，船舶開孔管理輔助系統(tǒng)在船舶開孔管理方面具有可行性。

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4 結(jié) 語

通過C#對AM軟件進(jìn)行二次開發(fā)，研究基于AM軟件的船舶開孔管理輔助系統(tǒng)，改變AM軟件開孔管理模塊操作繁瑣、界面不夠直觀、周期長和開孔協(xié)同效率低的缺陷。該系統(tǒng)通過開孔協(xié)同流程和規(guī)則數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)開孔協(xié)同設(shè)計(jì)，結(jié)合參數(shù)化建模和從AM軟件數(shù)據(jù)庫中直接抽取相關(guān)數(shù)據(jù)的方式快速生成開孔模型，可為設(shè)計(jì)人員大幅節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，加強(qiáng)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)能力，確保開孔的準(zhǔn)確性和流程可控，提高船舶開孔管理能力。