船舶管路布置仿真模型簡化

鄒玉堂，任 光，路慧彪

(大連海事大學(xué)a.交通與物流工程學(xué)院;b.輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連 116026)

0 引言

船舶機(jī)艙中的設(shè)備數(shù)量多且?guī)缀涡螤顝?fù)雜，管路布置需克服很多約束.利用人工智能技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)化管路布置，可減少管路設(shè)計(jì)的時(shí)間，降低成本，確保設(shè)計(jì)的精度和效果.

管路布置實(shí)際上是設(shè)計(jì)出在1個(gè)具有大量分散障礙的環(huán)境下連接空間兩位置(坐標(biāo))間管路最優(yōu)路徑的技術(shù).［1]從1970年開始，工業(yè)上的管路優(yōu)化設(shè)計(jì)成為1個(gè)研究熱點(diǎn).管路布置算法的研究可追溯到機(jī)器人移動(dòng)路徑規(guī)劃技術(shù)，即研究移動(dòng)機(jī)器人如何能無監(jiān)督地(自主)移動(dòng)，同時(shí)穿越周圍環(huán)境并完成任務(wù)的技術(shù).其環(huán)境的表示可從連續(xù)幾何描述轉(zhuǎn)換為基于分解的幾何圖，甚至拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖.任何路徑規(guī)劃系統(tǒng)的第1步都是將連續(xù)的環(huán)境轉(zhuǎn)換成適于所選的路徑規(guī)劃的離散圖.［2]一般可將路徑規(guī)劃技術(shù)分為路線圖法、單元分解法、勢場法和數(shù)學(xué)規(guī)劃法等4大類.

1 管路布置的研究現(xiàn)狀

由于管路布置與機(jī)器人路徑規(guī)劃在任務(wù)性質(zhì)上有較大差別，2者的算法需滿足不同的約束條件，可能遵循不同的布置規(guī)則.圖1和2分別為用可行性圖法分解的在相同障礙下機(jī)器人移動(dòng)的可能路徑和管路布置的可能路徑.圖中多邊形為移動(dòng)障礙;各折線為可能的路線;粗線為從起點(diǎn)到目標(biāo)行程最短的路線.由圖1和2可知，由于遵循的規(guī)則不同，結(jié)果差別較大.

圖1 機(jī)器人移動(dòng)的可能路徑

圖2 管路布置可能路徑

管路布置中的障礙一般指管路周圍的設(shè)備、布置艙壁以及已布置好的管路等.在機(jī)艙中，管路的設(shè)備和元部件成千上萬且形狀各異，非常復(fù)雜.船舶計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與仿真以三維數(shù)字模型為基礎(chǔ)，其中布置環(huán)境建模是進(jìn)行管路布置的準(zhǔn)備階段，建模的好壞對布置的算法及最終效果影響很大.在船舶3D管路智能設(shè)計(jì)中，必須選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ捅磉_(dá)方法并進(jìn)行最大程度的模型簡化，否則會(huì)由于要進(jìn)行碰撞檢測的障礙模型表面太多而無法處理，甚至使系統(tǒng)崩潰.因此，一方面要重視布置算法的發(fā)展，另一方面也不能忽視模型簡化和表達(dá)方法的研究.

2 模型的簡化和表達(dá)

從20世紀(jì)90年代以來，船舶設(shè)計(jì)與仿真領(lǐng)域的學(xué)者在模型應(yīng)用上做了大量工作，并提出許多建模方法.在船舶設(shè)計(jì)與仿真的不同領(lǐng)域或不同階段，可能會(huì)使用不同模型.

模型可分為低級(low-level)和高級(highlevel).對于小場景的裝配，如1臺(tái)機(jī)器，低級模型比較適用;對整個(gè)造船進(jìn)程或大型裝配制造的仿真，需使用高級模型的建模表達(dá)方法.

高級模型幾何精度較低，但可表達(dá)更多的幾何或非幾何信息，屬完整信息模型.如1臺(tái)機(jī)器利用高級模型可能會(huì)表達(dá)成1個(gè)柱體，使大場景的模型數(shù)量大量減少，雖然在視覺上與實(shí)物差別較大，但不影響整體仿真的效果.隨著模型信息完整的概念得到擴(kuò)展，1個(gè)3D實(shí)體模型的表達(dá)不僅包括對1個(gè)產(chǎn)品幾何特性的描述，還包括公差及配合等非幾何特性的工程信息，甚至是用于分析的數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)中的所有支持?jǐn)?shù)據(jù)(如修訂、注釋、部件表、測試要求、材料說明和工藝等信息)，且數(shù)據(jù)集應(yīng)在產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)得到控制和共享.對于應(yīng)用機(jī)艙管路布置中的模型，還需將協(xié)同設(shè)計(jì)約束、設(shè)備供應(yīng)商說明書、設(shè)計(jì)參數(shù)和其他當(dāng)前CAD系統(tǒng)尚不能處理的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)包括到產(chǎn)品模型中.

2.1 模型簡化的原則

(1)簡化后的模型數(shù)量最少;

(2)簡化模型具有簡單幾何空間性質(zhì)，最好是長方體、柱體、球體或多面體;

(3)簡化后的模型可精確地反映設(shè)備自身的空間位置;

(4)簡化后的模型可精確地反映管路接口的空間位置;

(5)考慮到協(xié)同設(shè)計(jì)的需要，簡化的模型必須是可編輯的模型;

(6)同一設(shè)備在布置的不同階段的各種形式與模型反映的對象信息應(yīng)統(tǒng)一、邊界條件應(yīng)對應(yīng)、在環(huán)境中的坐標(biāo)應(yīng)對應(yīng)，以便在不同階段作模型替代.

2.2 模型簡化的步驟

2.2.1 初步簡化

初步簡化的目的是得到低級模型，保留原設(shè)備的主要幾何特性，但幾乎不包括幾何之外的信息.使用自由形式幾何體表達(dá)障礙，需要為檢測障礙的邊界進(jìn)行大量的計(jì)算工作，不適用智能設(shè)計(jì)算法.但此類模型在仿真設(shè)計(jì)中也非常重要，用在后期的可視及虛擬仿真中，可體現(xiàn)更高的真實(shí)性和仿真的相似性，在制作設(shè)備模型庫時(shí)經(jīng)常用到.圖3為1個(gè)空氣瓶經(jīng)初步簡化后的模型.

圖3 空氣瓶初步簡化模型

2.2.2 深度簡化

初步簡化模型對3D布置的智能算法很復(fù)雜.由于3D布置考慮的是設(shè)備、平臺(tái)或管路所占的空間體積，而不是具體形狀，在實(shí)際布置時(shí)可對模型作進(jìn)一步簡化，見圖4.

圖4 空氣瓶深度簡化

簡化模型的輪廓包圍盒采用軸平行包圍盒［3](Axis-Aligned Bounding Boxes，AABB)，雖然該包圍盒較松散，但求取方法和碰撞檢測簡單，因而很常用.

設(shè)模型頂點(diǎn)坐標(biāo)所含最大和最小值分別為Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，Zmax和 Zmin，以點(diǎn) (Xmin，Ymin，Zmin)和點(diǎn)(Xmax，Ymax，Zmax)之間的線段作為 1 條對角線構(gòu)建長方體，見圖5.

圖5 構(gòu)建軸平行包圍盒

實(shí)際使用時(shí)，軸平行包圍盒比較安全，但一些模型的包圍盒重疊而實(shí)際設(shè)備卻未發(fā)生干涉，見圖6.

圖6 包圍盒重疊時(shí)的2種狀態(tài)

這種確定各單位立方體的邊界最大和最小值，即最左前下點(diǎn)和最右后上點(diǎn)的坐標(biāo)，以表示設(shè)備或管路的位置與空間大小的方法稱為邊界法.在智能布置中，可用邊界法表示模型空間信息，再用數(shù)據(jù)庫保存與模型有關(guān)的其他信息，如接口的位置、方向以及管路最小安全距離等.

2.3 具有開關(guān)和維修等作業(yè)約束條件的設(shè)備建模

管路布置需滿足大量的安全、維修及工藝等方面的要求或約束條件，構(gòu)成智能設(shè)計(jì)中的規(guī)則，一般將這些約束表示為設(shè)計(jì)的參數(shù)，但參數(shù)越多越復(fù)雜，可行性較差.

管路布置需要為主機(jī)、泵和冷卻等系統(tǒng)的維修、更換零件或檢查等留出工作空間;同時(shí)也為臨時(shí)存儲(chǔ)零件、消耗品和維修人員提供足夠的艙室面積;最后，需要在特殊組件(如產(chǎn)生熱量的機(jī)械)附近留出空間.大部分與空間和體積有關(guān)的設(shè)計(jì)約束，可用自由空間［4](Free-space，F(xiàn)S)建模方法進(jìn)行處理.

FS建模方法專門用于研究機(jī)艙或復(fù)雜場景設(shè)備規(guī)劃，但其利用體積建模的思想以及為設(shè)備預(yù)留維修、保養(yǎng)和移動(dòng)等操作所需空間的方法，也可用于機(jī)艙管道布置.［5]圖7為在船舶機(jī)艙的設(shè)備規(guī)劃時(shí)為燃油鍋爐留出的FS.

圖7 燃油鍋爐的FS

將FS的建模方法經(jīng)選擇和修正后引入到機(jī)艙管路布置中，利用體積建模的方法，將設(shè)備所需的開關(guān)和維修等作業(yè)約束條件轉(zhuǎn)化為可處理的模型，使3D管路智能布置更方便，且滿足更多的設(shè)計(jì)約束條件，同時(shí)也降低布置算法的復(fù)雜性.

3 布置平臺(tái)的簡化

3.1 目標(biāo)場景的分割

如果仿真中的模型尺寸更小，數(shù)量更少，就更便于數(shù)據(jù)的管理，降低算法的復(fù)雜度.保持仿真模型小的方法有2種:(1)簡化模型;(2)分割將要仿真的目標(biāo)場景，使其成為更小的模塊.通過場景分割以降低算法的復(fù)雜度，滿足協(xié)同設(shè)計(jì)的要求，在實(shí)際操作中很有必要.

場景分割應(yīng)注意:(1)空間層次劃分的合理性;(2)分場景平臺(tái)的邊界條件確定;(3)分場景的局部坐標(biāo)系與船舶整體坐標(biāo)系的對應(yīng)和轉(zhuǎn)化.

3.2 快速生成布置平臺(tái)

虛擬船舶數(shù)字化模型技術(shù)的發(fā)展使船舶生產(chǎn)設(shè)計(jì)的深度和廣度發(fā)生很大變化，不僅包括設(shè)備規(guī)劃和管路綜合布置設(shè)計(jì)，還包括對整個(gè)船舶裝配過程的完整的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)［6](Computer Integrated Manufacturing System，CIMS).

理想的3D虛擬船體平臺(tái)是經(jīng)過詳細(xì)設(shè)計(jì)后的最終的3D數(shù)字化船舶機(jī)艙或艙室模型，其船艙中的設(shè)備或元部件都為簡化的模型，并按其實(shí)際位置放置在船艙模型中.［7]

現(xiàn)代船舶設(shè)計(jì)是多人員、多部門間協(xié)同設(shè)計(jì)的1個(gè)并行工程，且需要較長時(shí)間;另外，船舶設(shè)計(jì)是1種交互式的螺旋設(shè)計(jì)，涉及許多相互影響、相互制約的因素，各階段、各模型設(shè)計(jì)結(jié)果之間也相互影響;還需經(jīng)過從初步到詳細(xì)設(shè)計(jì)的多次反復(fù).因此，使用二維CAD進(jìn)行設(shè)計(jì)及繪圖仍然十分普遍.

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，舾裝部門一般在得到有關(guān)機(jī)艙或要布置的艙室的1個(gè)平面輪廓及一部分相關(guān)數(shù)據(jù)后開始布置，因此，可以利用幾個(gè)平面輪廓及相關(guān)數(shù)據(jù)，快速建立1個(gè)布置平臺(tái)的3D模型.步驟如下:

(1)從各層布置圖中提取機(jī)艙各層平臺(tái)的形狀、位置和高度信息，見圖8;(2)建立各平臺(tái)模型并放置到適當(dāng)位置，自下而上的3層分別為花鋼板、平臺(tái)和甲板，見圖9;(3)建立船殼模型，完成機(jī)艙邊界建模;(4)為船殼添加艙室.圖10為添加集控室、分油機(jī)室和燃油艙等機(jī)艙布置區(qū)域模型.

圖8 各層平臺(tái)信息

圖9 各層平臺(tái)建模

圖10 機(jī)艙布置區(qū)域模型

4 實(shí)例

以某船的海水冷卻系統(tǒng)為優(yōu)化設(shè)計(jì)的對象說明簡化過程，圖11為布置平臺(tái)的位置.

圖11 布置平臺(tái)的位置

在高度方向上，管路最好布置在花鋼板下、雙層底上.快速建成的布置位置的船體近似模型見圖12.海水冷卻系統(tǒng)中的設(shè)備包括低位海水箱1，高位海水箱2，停泊冷卻海水泵3，主海水泵4和主海水泵5，附件設(shè)備包括閥件和過濾器等.管路中的設(shè)備信息見表1.各設(shè)備的接口信息見表2.添加設(shè)備后的布置環(huán)境見圖13.

圖12 船體近似模型

表1 管路中的設(shè)備信息 mm

表2 設(shè)備接口信息

圖13 連接設(shè)備在艙中的位置

影響管路布置的周邊設(shè)備包括副空氣瓶1，主空氣瓶2，主空氣瓶3，控制空氣瓶4，汽笛空氣瓶5，霧笛空氣瓶6，雜用空氣瓶7，海水淡化裝置海水泵8，制淡裝置海水泵9，消防泵10，蒸餾水艙自由空間11，總用泵12和艙底泵13等.管路周邊的設(shè)備信息見表3.添加周邊設(shè)備后的管路布置環(huán)境見圖14.由圖可知，許多設(shè)備的邊界很近，設(shè)備間的縫隙不足以布置管路(由最小安全距離判斷).可將設(shè)備再次進(jìn)行簡化、合并，減少障礙模型的數(shù)目.設(shè)備合并后的布置環(huán)境見圖15.

表3 管路周邊的設(shè)備信息 mm

圖14 添加周邊設(shè)備后的管路布置環(huán)境

圖15 設(shè)備合并后的布置環(huán)境

利用上述方法進(jìn)行環(huán)境布置及障礙模型簡化可優(yōu)化算法，減少算法復(fù)雜度.圖16為運(yùn)用相關(guān)算法將表1，2和3中簡化后的模型數(shù)據(jù)計(jì)算后得到的路徑布置優(yōu)化解.

圖16 路徑布置優(yōu)化解

5 結(jié)論

船舶機(jī)艙仿真布置環(huán)境的快速建模主要利用智能優(yōu)化算法進(jìn)行船舶管路的自動(dòng)布置，其對船舶機(jī)艙管路布置的效果有重要影響，直接關(guān)系布置算法的可行性和效率;其最大的困難在于一方面要降低模擬場景的復(fù)雜度，另一方面要保持仿真場景與真實(shí)布置環(huán)境的相似性，同時(shí)滿足布置約束.

本文在已有的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶機(jī)艙布置的實(shí)際情況，提供1種船舶管路布置仿真模型簡化方法.利用完整信息模型表示障礙，克服為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦吔缍M(jìn)行的大量計(jì)算;通過對布置環(huán)境的分割，快速建立近似布置平臺(tái)，使模型數(shù)量最少.該方法可比較方便地應(yīng)用于機(jī)艙仿真布置環(huán)境的快速建模中，并為后續(xù)的設(shè)計(jì)提供有效的平臺(tái).

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