船舶电气智能设计系统中的数字化及参数化方法研究

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1、船舶电气智能设计系统中的数字化及参数化方法研究 ? 李铭志，蒋如宏，赵永生，马 宁 （上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，上海） 提要智能化是船舶设计系统发展的趋势，数字化和参数化是其实现的重要手段。主要研究了船舶设计系统中数字化和参数化的基本方法。 关键词船舶电气设计 数字化参数化 智能化 中图分类号 文献标识码 引言 在船舶设计过程中，一般都采用查找修改母型 船的设计方法，因目前大多数船舶设计软件在电气设计方面仅具备绘图功能，查找母型船、规范和法规占用大量设计时间，不同专业、不同电气系统、不同设计阶段之间信息脱节，前期设计成果的利用及有效性难以保证等，这些因素都会影响船舶电气设计的效率和质

2、量。 为有效解决上述问题，要求船舶电气设计系统实现智能化。实现智能的前提和基础是建立计算机能够识别和处理的船舶电气信息模型。为了使该信息模型数据结构清晰，电气设计系统运行顺畅，本研究依据面向对象的思想，把船舶电气相关系统分解为不同类别的设计对象，分别对其进行数字化，并对设计功能模块进行参数化，从而建立了用于船舶电气计算机辅助设计、管理和控制的信息模型。 设计对象数字化方法 设计对象是指船体背景、电气器材、电气系统等在船舶电气设计过程中需要考虑的对象。 数字化是指把所有需要系统识别和处理以及需要设计人员考虑的船舶信息变成能够被设计软件识别和处理的计算机表达和存储形式的技术。 设计对象数字化就是针

3、对每一类具体的设计对象，把设计者在设计过程中需要考虑的有关该类设计对象的所有因素作为其属性并以数据表字段的形式定义下来。 项目来源：教育部科技部重大专项（教技函号） 作者简介：李铭志（一），男，硕士研究生。 万方数据 设计对象的分类 根据设计对象的来源和用途，设计对象可以分为船体背景、电气器材和设计管理信息。 在船舶电气设计过程中需要考虑有关船体背景及其属性的情况。电气系统图设计时，为了方便识图需要在图纸上按照设备所处甲板对设备进行划分，并对每个设备标注其所在区域名或确切位置；设备布置时，需要考虑设备所处区域的环境变量。可见，电气设计对甲板只需其名称、坐标，而对区域不但需要其名称、所在甲板还要

4、考虑其环境变量，由于甲板和区域属性的差异，应该把船体背景分为甲板和区域分别考虑其属性。 电气器材包括电缆和电气装备，由于电缆的属性主要是型号、规格以及和前后设备的拓扑关系，而电气装备的属性除了二维符号、三维模型、名称、代码等之外，负荷性装备还包括额定功率、功率因数等属性，鉴于属性的完全不同，电缆和电气装备在数字化过程中需要分开考虑。 为了方便管理，需要把设计管理分作船舶项目、系统、子系统和功能模块四级，并建立结构树，所以它们的属性除了名称和代号以外，还应包括其各自上级代号。另外，目前船舶设计图纸封面上需要注明船名、船东以及设计、审核人员姓名等，所以船舶项目属性还要包括船东、船名、设计单位、建造

5、单位，系统属性也要包括图名、图号以及设计、审核、审定人员姓名等。鉴于它们属性之间的差异，也需要分开进行数字化。 在以上所有对象中，电气装备的属性最多。考虑到在同一艘船上有很多个同类装备的情况比较普遍，因此在很多设计过程尤其计算校验过程中只需要考虑其装备类的共同属性。当然，因为建造的需要，各个装备的布置位置、代号、相互之间的拓扑关系等属性的定义也是必要的。因此，根据数据的使用情况不同，为了使数据简单，电气装备可以分为装备类（部件）和具体装备（设备）来定义其属性。图表示该系统对设计对象的划分及其部分属性。 造船技术年第期（总第期） 甲板：甲板名称、坐标 船体背景 区域：域代号、区域名称、外壳保护等

6、级、特殊气体环境、最高温度、防火级别、层高、宽 ，电缆：线号、系统代码、始设备名、未设备名、总长、型号规格 电气器材一 设计对象 部件：部件代码、部件名，型号、负载类型、额定功率、相制、额定电压、功率冈数、防护所爆、供应商、备注 装备【设备：设备代号、设备名、部件代码、系统代号，所在区域代号、所在甲板名称、布置坐标、标注 ，船舶项目：项目号、船名、建造单位、船东 系统：项目号、系统代号、系统名、图号、图名、设计、审核、核定 设计管理 子系统；子系统代号、子系统名，系统代号 【功能模块：模块代号、模块名、子系统代号 图设计对象分类及属性图 本研究选择属性比较复杂的区域、部件和设备分别说明其数字化

7、的原理。区域数字化 区域是指船上如舱室、主甲板、货舱等环境变量一致，结构连通的空间。 区域的数字化，首先应考虑在船舶电气设计中与区域及其属性有关的设计过程，再针对每一设计过程分析需要的区域属性和区域对该过程的约束性因素，这些需求属性和约束因素的集合加上其代号和名称就是这个区域的数字化模型。 和区域及其属性有关的设计过程包括电气设备布置图设计过程和系统图设计过程，因为设备布置时要考虑该区域的环境变量。系统图设计时要对系统图里每个设备标注其所在的区域名或具体位置。 在电气设备布置图设计的过程中，区域对设计的约束因素包括：容积，用于判断区域空间的大 小是否允许此布置操作；环境变量，用于判断区域环境是

8、否符合此设备的正常工作条件，包括最高气温、潮湿以及布置在其内的设备的外壳防护等级等。在系统图设计过程中，要求对每个设备标注其所在位置，如果布置区域比较小，且该区域里布置的这类设备数量较少时，标注区域名，而当区域比较大或者布置数量比较大的时候，就需要标注肋位号。 根据区域对设计的约束因素和设计对区域属性的需求，对于区域我们需要考虑的因素包括其空间大小（尤其设备比较集中的地方，比如集控室）、名称、防火分割等级、最高气温、潮湿以及布置在其内的设备的外壳防护等级等。如果要达到自动布置的话还必须考虑基点坐标、肋距、所在层等。下面是使用该系统设计的某船部分船体背景属性及其属性值。 表区域属性示例 属性 区

9、域代号区域名称外壳防护等级特殊气体环境最高温度（）防火级别所在层高（） 属性值 肋位 一 宽（） ， 驾驶室蓄电池室 甲板甲板 、 部件数字化 船舶设计过程中部件的使用大致分为三种情况：布置图设计和系统图设计时；自动生成材料表、设备清单时；校验判断时。 三维建模时需要调用部件三维模型、二维布置图设计和系统图设计时需要调用其二维符号。生成材料表和搜索判断时要用型号、规格、供应商。另外，计算校验时还应需要外壳防护等级、防爆等级、 万方数据 负荷设备的功率、额定电流、功率因数和系统定义的负载类型（计算负荷设备最大持续电流时需要）。 上述属性都是电气设计时需要考虑的部件属性，除此之外，部件的数字化模型

10、还必须包括系统数据管理需要考虑的部件属性一一部件代码。部件代码的编码原则是：首先，确保部件代码的唯一性；其次，部件代码要能反映其类别。根据以上原则，确定部件编码的格式，见图。 第一类别是为了实现通过判断船舶设备的部件代码过滤设备并自动绘制电气布置图和材料表，根据目前船舶电气设计对材料报表和电气布置图的一般分类方法进行分类的，见表。 堡兰匣 ； 第类别 图部件编码格式 表部件第一类别代码 无线电设备船用电缆照明灯具报警设备通讯与航行电力设备 第二类别是为了方便建模，在第一类别的基础上进一步对部件按照种类的细化。比如在“”中“”代表航行灯、“”代表信号灯、“”代表床头灯、“”代表角灯等等。序列号是

11、考虑到电气部件种类的繁多，为了避免重复备用的两位数字。设备数字化 几乎所有电气设计过程都关系到设备，包括布置图、系统图以及各种计算文档的设计过程。布置图设计时，需要对每个设备标注设备代号；系统图设计时同样需要标注其布置位置或区域名，同时，各种校验计算需要调用其类属性；各种计算文档和材料报表都需要按照系统和部件统计设备数量。因此，设备属性包括对应于设备类的部件代码，对应于系统图的设备代号和所属子系统代号，对应于布置图的区域代号、标注（设备所处肋位号）、所在甲板和布置坐标。设备代号是系统图设计时确定的具有唯一性的设备代码，是布置图里设备的标注文字，也是各个专业之间判断调用设备时使用的唯一识别码。编

12、码格式见图。 其中模块号是取系统、子系统和功能模块中最 万方数据 二羔兰二口一童 ！一 ： 。 ！ ！ 一一一一一。一 支路号 一。一 图设备编码格式 低一级的代号。 参数化方法 要实现高级搜索母型船、高级搜索最切近设计目的的参考图纸，就要从它们的属性中提炼或根据传统思维抽象出能够区分它们的特征项；要在方案设计阶段对每个系统确定其重要参数并根据这些参数对后续设计进行约束检验，就要归纳出能够描述它们的特征项；另外，要实现对规律性较强的系统功能模块参数化绘图，就要详细分解出能够定义它们以及相应绘图效果的特征项。所有这些特征项的 值，称之为参数，确定这些特征项的过程叫参数化。 针对搜索、约束检验和参

13、数绘图三类不同目的的参数化过程，其参数化方法也不尽相同，参数绘图不但要考虑图纸里包含的所有设备、电缆以及模块的属性和在图纸里需要表达的内容，而且要考虑图纸的布局；系统后续设计的约束检验和搜索查找是考虑系统的主要构成或主要功能。本文主要研究船 舶项目、电气系统和功能模块的参数化方法。船舶项目参数化 查找最相似的母型船以及生成船舶电气规格书、船舶电气说明书的总则部分都需要通过确定船舶项目的参数来完成。 查找母型船是根据影响船舶电气配置主要因素的相似程度，模糊判断选择最靠近目标的船舶资料。影响船舶电气配置的主要因素包括：船舶类型、装载（工作能力）、航区、自动化标志、电力推进、主机、主电源和大型机械设

14、备。 船舶电气规格书、船舶电气说明书的总则部分还需要对人级船级社、挂旗国、辅助电源设备及其电制、配电设备等进行描述。 所有上述这些参数的集合称作船舶项目的参数化模型。 电气系统参数化 电气系统参数主要用于组合搜索查找详细切近的参考资料和描述每个系统的设计方案并约束、检验后续设计，保证后续设计和设计方案的一致性。 搜索系统和约束检验后续设计郡是考虑电气系 统的主要构成或主要功能。由于描述不同电气系统的构成和功能的具体方面都不相同，所以每个电气系统的参数化模型都不一样。下面以内部通信系统为例说明其参数化过程。 内部通信系统参数化，首先看它的构成，包括数字综合通信系统、广播系统、自动电话系统、对讲电

15、话系统等。另外，上述这些构成还有它们自己的构成和功能参数，数字综合通信系统还包括广播、自动电话、对讲电话等。功能上数字综合通信系统包括通用报警、卫星电话、移动电话、岸线、音频信号等；广播系统包括紧急讲话、通用报警、喊话一路优先、短路过载保护等。所有这些能够表达系统主要构成和功能的参数集合到一起，就是内部通信系统的参数化模型。 电气功能模块参数化 电气功能模块是指有一定通用性的，在电气图 纸里多次出现的，能够实现特定功能的电气模块。比如电机启动单元模块、舱室照明模块等。 电气功能模块的参数化，是指对规律性比较强，重复比较多的功能模块通过对其所属设备、电缆、图形特点等特性的详细分析，分别定义成不同

16、的特性类。实现能够在点选、填写已定义好参数类值的情况下，自动生成或修改功能模块的原理图，比如电机启动单元、舱室照明、广播、报警等系统图。下面就以电机启动模块为例，说明功能模块的参数化方法。 归纳启动模块所有可能需要图面表达的内容有以下八类：模块符号、模块代号、未标注电缆型号、规格等块参数；电动合闸、分励脱扣、低压脱扣以及开关整定值等描述开关类型的参数；各种紧急切断、优先脱扣、过电流保护、顺序自启动、一启动等描述系统切断启动方式的参数；描述电机符号、电机位置以及供电电缆的电机参数；描述本地遥控启停符号、位置、连接电缆等的遥控启停参数；描述自动启停和应急停止的符号、电缆、位置的特殊启停参数；描述需

17、要延伸到报警系统信息名称、连接电缆的延伸报警参数；描述需要发送到信号检测系统信息名称、连接电缆的信号采集参数。 所有这些需要图面上表达的参数，加上文字高度、文字样式、图形单元颜色、之间距离等图形特性值，就是整个模块的参数化模型。图是该系统关于电机启动单元参数化绘图的部分界面。 万方数据 造船技术年第期（总第期） 图参数化绘图界面示例 结论 通过对设计对象数字化，对船舶项目、电气系统 和电气功能模块参数化，分别建立了其数字化、参数化模型，从而建立了信息全面、结构简单、格式统一的船舶电气信息模型。这个模型的建立，满足了计算机对设计对象有效识别和处理的信息模式需求，有助于解决各专业、各系统、各设计阶

18、段之间信息关联的问题，有助于实现用计算机代替部分人工劳动。依托”船舶数字化智能设计系统”项目，以数字化和参数化方法为基础开发的船舶电气智能设计系统，实现了对设计资料的科学管理和再利用，实现了对设计方法的指导和对设计结果的自动校验，实现了自动绘图和自动生成计算书等功能。该系统已在数条船的设计中得到了应用，并证明了用该系统进行船舶电气设计，能够缩短设计周期，降低设计成本，避免了因估计造成的大量资源浪费。 参考文献 韩啸基于产品全生命周期的产品设计资源管理信息系 统辽宁科技大学学报，（）： 卓佳智能化变电所一次回路系统软件开发广东 电力，（）： 张华锋基于双向混合推理机的知识库系统微计算机信 息，（

19、）： 周嫒，冯林桥，张午阳面向对象的图示化变配电所二次 系统的智能设计系统低压电器，（）： 孙武船舶电气设计当中常见的问题处理机电设备， ，（）： 中国船舶工业总公司船舶设计实用手册北京；国防工业出版社， 王懂意船舶设计建造专家系统介绍造船技 术，（）： 曾芬芳，赵建立基于参数化的舰船自动绘图系统造船 技术，（）： 作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：李铭志， 蒋如宏， 赵永生， 马宁上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200030造船技术MARINE TECHNOLOGY2009，(5)0次 参考文献(8条) 1.韩啸 基于产品全生命周期的产品设计资源管理

20、信息系统 2008(4) 2.卓佳 智能化变电所一次回路CAD系统软件开发 2006(4) 3.张华锋 基于双向混合推理机的知识库系统 2008(11) 4.周媛.冯林桥.张午阳 面向对象的图示化变配电所二次系统的智能设计系统 2006(9) 5.孙武 船舶电气设计当中常见的问题处理 2002(6) 6.中国船舶工业总公司 船舶设计实用手册 1997 7.王懂意 船舶设计建造专家系统-Tribon介绍 1996(1) 8.曾芬芳.赵建立 基于参数化的舰船自动绘图系统 1995(5) 相似文献(10条) 1.会议论文 计青山.叶继英 CATIA V5在船舶电气设计中的应用 2007 CATIA系

21、统的主要功能和特点,重点研究CATIA系统中的电气模块在船舶电气设计中的应用,结合EWR实例给出基于CATIA V5船舶电气设计开发的方法和思路。 2.期刊论文 李伟玲.Li weiling AutoCAD2004在船舶电气设计中的应用 -广东造船2004(2) 一引言 随着计算机技术的飞速发展和计算机性能的不断提高,计算机辅助设计(CAD)得到广泛的应用,大量的绘图软件如AutoCAD、MicroStation、Tribon、PTC、Catia等不断涌现并日趋成熟和稳定,使得大多数工程设计人员终于告别了图板,实现了工程制图的电子化. 3.期刊论文 王昭海.Wang zhaohai 船舶电气设

22、计中的几个问题探讨 -广东造船2005(2) 一 前言 随着新的规范的生效,对船舶电气方面提出了不少新要求,其中有一些要求的原则性较强,比较难以入手;有些要求平时接触较少,做起来也比较困难.下面结合自己在工作中的积累,对其中的几个问题整理归纳如下,以期对船舶电气设计及审图方面有所帮助. 4.会议论文 沈涛.陈秀丽 浅议船舶电气设计瞬态计算 2007 本文作者根据日常设计的经验，结合世界上各主要船级社对于船舶电站动态特性的要求，收集、列举了各船级社的相关要求，分析了目前船舶设计中对于电动机起动的几种状态，并给出计算方法和计算结果。同时给出了基于Excel表格的计算方法。可用于各船厂在船舶设计中参

23、考和应用。 5.期刊论文 蒋如宏.李铭志.赵永生.马宁 船舶电气智能设计系统开发研究 -船舶工程2009,31(6) 根据船舶电气设计的现状和特点,分析了船舶电气设计系统在智能化方面的功能需求,提出了基于数据库的软件结构框架,研究了船舶信息数字化、功能模块参数化、图标驱动、参数绘图等关键技术及其实现方法.该研究对船舶设计系统的开发有一定参考价值. 6.期刊论文 120车位滚装船电气设计 -广船科技2001(1) 本文简要介绍了120车位滚装船的电气设计,如何突破原设计水平,达到该船的先进性能的展现,并回顾该船所遇系列技术问题的处理. 7.会议论文 信毓昌.许爱德.王维刚.顾德隆 用CAD技术辅

24、助船舶电气设计与维修 2002 本文介绍用美国ORCAD公司的ORCAD/PSPICE 9.0软件辅助分析、维修的船舶同步发电机电压自动调整系统的方法.此CAD技术是以计算机硬件和系统软件为基本工作平台.实现在计算机上的调用元器件库、连线画图、确定跟踪点等手段去设计电路. 8.会议论文 姚胜华 船舶电气三维设计系统软件开发 2005 本文在详细分析了基于CADDS5软件的船舶电气三维设计软件对三维信息的处理流程与数据流程,描述了现有软件的特点及局限性,提出新软件应该具有的功能.描述了新软件的处理流程与数据流程及其优越性. 9.期刊论文 孙武 船舶电气设计中常见问题的处理 -船电技术2003,23(1) 本文介绍了船舶电气设计中常见的一些问题,并从如何满足规范的角度,给出了这些问题的处理方法,其内容对船舶设计、审图和检验具有一定的指导作用. 10.期刊论文 孙武 船舶电气设计中常见问题的处理 -机电设备2002,19(6) 介绍了船舶电气设计中常见的一些问题,并从如何满足规范要求的角度,给出了这些问题的处理方法,其内容对船舶设计、审图和检验具有一定的指导作用. 本文链接： 下载时间：2010年4月8日