基于知識(shí)組件的船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖快速生成方法

楊亢亢，肖鵬安，李偉光

中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢 430064

0 引 言

空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)是船舶保障系統(tǒng)中比較復(fù)雜的系統(tǒng)之一[1]，主要用于對(duì)船舶各類艙室進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)、冷卻或通風(fēng)處理，以滿足船員及設(shè)備等對(duì)大氣環(huán)境的要求，進(jìn)而為船舶生命力提供保障。由于船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)包含了大量的設(shè)備，因而在設(shè)計(jì)階段需要耗費(fèi)大量的人力和物力來(lái)繪制原理圖。計(jì)及設(shè)計(jì)變更所帶來(lái)的修改和調(diào)整問(wèn)題，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的原理圖繪制耗費(fèi)的工作量約占全船保障系統(tǒng)的40%以上。

針對(duì)船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了大量研究。Kumar 等[2]將船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖中的設(shè)備作為模塊來(lái)處理，實(shí)現(xiàn)了原理圖的快速繪制。 劉偉等[3]利用拓?fù)鋱D來(lái)表示電氣符號(hào)，采用圖的同構(gòu)算法識(shí)別電氣符號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電氣原理圖的快速識(shí)別。胡小林等[4]采用塊技術(shù)封裝閥件和附件，可在船舶管系原理圖設(shè)計(jì)時(shí)直接插入復(fù)用。 朱佳文等[5]定義了輪機(jī)原理圖和管路原理圖設(shè)計(jì)中的二維符號(hào)，可通過(guò)二維原理圖驅(qū)動(dòng)三維管路放樣等進(jìn)行開(kāi)發(fā)應(yīng)用。Yang 等[6]提出基于PDM 系統(tǒng)的船舶設(shè)備屬性接口提交及管理方案來(lái)管理設(shè)計(jì)過(guò)程中相關(guān)接口屬性信息。上述文獻(xiàn)所提設(shè)計(jì)方法在一定程度上解決了相關(guān)系統(tǒng)的原理圖繪制問(wèn)題，但未涉及圖元與屬性的關(guān)聯(lián)、接口數(shù)據(jù)的交換以及圖紙管理等問(wèn)題。

對(duì)于船舶設(shè)計(jì)而言，它是一個(gè)循環(huán)、迭代和由粗到細(xì)的過(guò)程[7-9]。隨著設(shè)計(jì)階段的不斷深化，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖包含的信息會(huì)越來(lái)越豐富，設(shè)備布置和管路放樣也會(huì)更加精確。因此，若其他系統(tǒng)或設(shè)備出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更，就必須相應(yīng)地修改或調(diào)整空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖，投入更多時(shí)間和精力來(lái)修改圖面并確定接口數(shù)據(jù)。

因此，本文將基于知識(shí)組件，提出一種船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖的快速生成方法，旨在提高原理圖繪制效率，實(shí)現(xiàn)快速生成和圖紙信息的有效管理，并通過(guò)在實(shí)際工程項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用，對(duì)原理圖繪制效率進(jìn)行驗(yàn)證。

1 原理圖繪制過(guò)程分析

船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖繪制是采用特定的圖形符號(hào)[10]，按照氣流組織的設(shè)計(jì)要求組合繪制而成。雖然各設(shè)計(jì)階段對(duì)原理圖的繪制要求不盡相同，但其所包含的內(nèi)容卻隨著設(shè)計(jì)的深入得到不斷的豐富和細(xì)化。以技術(shù)設(shè)計(jì)階段為例，如圖1所示，在空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖繪制過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員需要考慮設(shè)備的輸入/輸出信息、設(shè)備間的接口信息等。然而，傳統(tǒng)的原理圖只包括了設(shè)備間的連接和位置關(guān)系，缺少設(shè)備屬性和接口屬性等信息，無(wú)法支持設(shè)備技術(shù)要求書(shū)和統(tǒng)計(jì)報(bào)表的編制以及數(shù)據(jù)信息的提取等。因此，滿足數(shù)字化設(shè)計(jì)要求的該系統(tǒng)原理圖應(yīng)包含設(shè)備圖形符號(hào)及其附帶的屬性信息，即可描述為一個(gè)三元組：

式中，A={A1,A2,···,Am}，為原理圖中艙室區(qū)域的集合，其中m為艙室數(shù)量；D={D1,D2,···,Dn}，為原理圖中設(shè)備的集合，其中n為設(shè)備數(shù)量；P={P1,P2,···,Pn}，為設(shè)備屬性的集合。

圖1 船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖繪制全過(guò)程模型Fig. 1 Full procedure model of schematic design for ship air-conditioning ventilation system

2 空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的知識(shí)組件模型

2.1 知識(shí)組件定義

組件的概念最早出現(xiàn)在軟件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，它是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、程序或軟件等即插即用的一種封裝方法[11]。在文獻(xiàn)[12-13]中，組件被定義為系統(tǒng)中可替換的物理單元，其封裝了一組可實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)接口，無(wú)需或經(jīng)很少的修改便可應(yīng)用于其他部件，且可重復(fù)使用。若將設(shè)計(jì)過(guò)程所涉及的屬性、規(guī)則等知識(shí)與組件結(jié)合，采用結(jié)構(gòu)化方式封裝形成知識(shí)組件，即可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程與知識(shí)的融合[14]。知識(shí)組件技術(shù)應(yīng)用于空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖繪制時(shí)，系統(tǒng)的設(shè)備被視為具有一組標(biāo)準(zhǔn)化接口、可重復(fù)使用的抽象化圖形單元模型，經(jīng)過(guò)知識(shí)組件實(shí)例化，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備布置、屬性添加和數(shù)據(jù)交換，進(jìn)而達(dá)到原理圖的快速生成和圖紙信息管理的目的。

知識(shí)組件封裝了具體設(shè)備模型及知識(shí)的數(shù)據(jù)接口，插入原理圖時(shí)，根據(jù)給定參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)實(shí)例化應(yīng)用，也可在同一張?jiān)韴D中多次實(shí)例化應(yīng)用[15]。作為屬性載體[16]，知識(shí)組件有一組標(biāo)準(zhǔn)化的接口，可進(jìn)行屬性操作，具體定義如下：

1) 基本屬性。知識(shí)組件基本屬性的集合[17]用來(lái)描述知識(shí)組件的幾何屬性、功能屬性，可表示為一個(gè)二元組。

式中：Pg為知識(shí)組件的幾何屬性；Pb為知識(shí)組件的功能屬性。

2) 位置屬性。知識(shí)組件位置關(guān)系屬性的集合用來(lái)描述實(shí)例化知識(shí)組件所在的水密區(qū)、甲板、艙室及坐標(biāo)屬性，可表示為一個(gè)四元組。

式中：La為知識(shí)組件實(shí)例化時(shí)所在的水密區(qū)編號(hào)；Ld為知識(shí)組件實(shí)例化時(shí)所在的甲板編號(hào)；Lc為知識(shí)組件實(shí)例化時(shí)所在的艙室編號(hào)；Lp為知識(shí)組件實(shí)例化時(shí)的坐標(biāo)信息。

3) 鄰接屬性。知識(shí)組件鄰接關(guān)系屬性的集合用來(lái)描述實(shí)例化的知識(shí)組件與原理圖中其他設(shè)備之間的鄰接關(guān)系，可表示為一個(gè)二元組。

式中：Tcid為鄰接設(shè)備的知識(shí)組件分類編號(hào)；Ta為鄰接方式。

4) 接口屬性。知識(shí)組件輸入輸出關(guān)系屬性的集合用來(lái)描述與其他系統(tǒng)、零部件之間的接口數(shù)據(jù)信息，可表示為一個(gè)二元組。

式中：Ii為其他系統(tǒng)、零部件之間的輸入接口信息；Io為實(shí)例化的知識(shí)組件輸出接口信息。

因此，知識(shí)組件屬性由分類標(biāo)識(shí)Pid、 基本屬性 、位置屬性、鄰接屬性 和接口屬性組成，表示為CP=(Pid,PC,LC,TC,IC)，模型如圖2 所示。

圖2 船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的知識(shí)組件模型Fig. 2 Model of knowledge component for ship air-conditioning ventilation system

2.2 知識(shí)組件實(shí)體建模

知識(shí)組件實(shí)體建模采用自定義實(shí)體技術(shù)，通過(guò)類繼承的方法，在實(shí)體模型上派生實(shí)體類和類的函數(shù)，通過(guò)函數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)實(shí)體模型的圖形實(shí)現(xiàn)[18]。空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)知識(shí)組件實(shí)體模型包括標(biāo)識(shí)基類、編號(hào)基類、控制點(diǎn)基類、參數(shù)基類和動(dòng)作基類5 類對(duì)象，如圖3 所示。

標(biāo)識(shí)基類對(duì)象包含實(shí)體的分類標(biāo)識(shí)，是知識(shí)組件實(shí)體的身份標(biāo)識(shí)。編號(hào)基類包含實(shí)體的設(shè)備編號(hào)，是知識(shí)組件實(shí)體實(shí)例化時(shí)對(duì)應(yīng)的編號(hào)?？刂泣c(diǎn)基類包含實(shí)體的基點(diǎn)、輸入口基點(diǎn)和輸出口基點(diǎn)，用來(lái)控制實(shí)體模型自身的定位以及輸入、輸出口定位。參數(shù)基類包含實(shí)體模型的比例尺、長(zhǎng)度、寬度、半徑和外徑等基礎(chǔ)幾何信息，用來(lái)控制實(shí)體模型的幾何外形。動(dòng)作基類包含向上、向下、向左、向右和旋轉(zhuǎn)等操作，用來(lái)控制實(shí)體模型具體的朝向。

2.3 知識(shí)組件實(shí)例化

知識(shí)組件實(shí)例化是指知識(shí)組件從組件庫(kù)中應(yīng)用到原理圖中的過(guò)程。在該過(guò)程中，原理圖中的設(shè)備實(shí)體通過(guò)類函數(shù)繼承知識(shí)組件所包含的所有屬性，其設(shè)備編號(hào)則根據(jù)原理圖實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編號(hào)，具體過(guò)程如圖4 所示。

圖3 知識(shí)組件實(shí)體模型的對(duì)象類Fig. 3 Object classes of entity model for knowledge components

圖4 知識(shí)組件實(shí)例化Fig. 4 Instantiation of knowledge component

步驟2：掃描組件庫(kù)，通過(guò)組件分類標(biāo)識(shí)來(lái)索引知識(shí)組件，并將組件屬性傳遞給組件對(duì)象，以此獲得組件對(duì)象；

步驟3：組件庫(kù)返回庫(kù)工廠中組件對(duì)象的接口指針至原理圖；

步驟4：通過(guò)原理圖調(diào)用組件對(duì)象的接口指針，將組件實(shí)體模型插入原理圖中，從而實(shí)現(xiàn)組件對(duì)象調(diào)用。

3 基于知識(shí)組件的原理圖快速生成

結(jié)合船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，基于知識(shí)組件的船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖快速生成業(yè)務(wù)模型如圖5 所示，包括系統(tǒng)、區(qū)域和組件3 部分。

圖5 船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖快速生成業(yè)務(wù)模型Fig. 5 Business model of schematic rapid generation of ship airconditioning ventilation system

1) 系統(tǒng)是指按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)船舶進(jìn)行劃分的各級(jí)子系統(tǒng)[19]，對(duì)應(yīng)的組織形式為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)。其中，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)由具體船舶的各級(jí)子系統(tǒng)及其所包含的零部件組成。對(duì)全船的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)而言，可以劃分成若干個(gè)子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)一張?jiān)韴D。

在傳統(tǒng)高中語(yǔ)文作文教學(xué)中，教師作為教學(xué)主體，學(xué)生只能被動(dòng)接受。學(xué)生寫(xiě)好作文后，由教師一一審閱，教師雖是教學(xué)的引導(dǎo)者，但是教師作為一個(gè)個(gè)體，思想也有局限性，因此站在教師的角度和立場(chǎng)去評(píng)判所有學(xué)生的作文，未免太過(guò)片面，而不同的學(xué)生有不同的思想，不同思想的碰撞，會(huì)發(fā)出耀眼的光芒，所以應(yīng)該開(kāi)展學(xué)生之間的互相評(píng)審和自評(píng)，讓學(xué)生在自評(píng)和互評(píng)的過(guò)程中認(rèn)識(shí)自己的不足。通過(guò)學(xué)生的探討，學(xué)習(xí)別人的長(zhǎng)處，認(rèn)識(shí)自己的短處，做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同進(jìn)步。最后，教師和學(xué)生進(jìn)行共同總結(jié)，為了以后更好地寫(xiě)作。

2) 區(qū)域是指船舶內(nèi)部經(jīng)水密隔艙劃分的具體范圍，對(duì)應(yīng)的組織形式為區(qū)域結(jié)構(gòu)樹(shù)，對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)形式為數(shù)字化總圖。其中，區(qū)域結(jié)構(gòu)樹(shù)由具體船舶的各級(jí)水密區(qū)及其艙室組成，包括水密區(qū)、甲板、艙室的隸屬關(guān)系以及數(shù)字化總圖（艙室、甲板）的基本屬性信息。區(qū)域i可以表示為

式 中：Wwi為 水 密 區(qū) 編 號(hào) 為i的 水 密 區(qū) 信 息；Wdi為該水密區(qū)對(duì)應(yīng)的甲板層集合；Wci為該水密區(qū)對(duì)應(yīng)的艙室集合。

3) 組件是指按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)船舶進(jìn)行劃分的某一類具體設(shè)備[20]，對(duì)應(yīng)的組織形式為組件結(jié)構(gòu)樹(shù)，對(duì)應(yīng)的表現(xiàn)形式為類庫(kù)文件。其中，組件結(jié)構(gòu)樹(shù)由具體船舶中各級(jí)組件組成，包括各級(jí)組件的隸屬關(guān)系。類庫(kù)文件是知識(shí)組件實(shí)體模型的CAD 文件，其中每個(gè)模型包含2 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化接口：組件分類標(biāo)識(shí)和設(shè)備編號(hào)。組件i可以表示為

式中：C_IDi為組件分類標(biāo)識(shí)；E_IDi為組件實(shí)例化時(shí)的設(shè)備編號(hào)；CPi為組件屬性信息集合。

由圖5 可知，數(shù)字化總圖為原理圖設(shè)計(jì)提供了船舶總體布置圖背景信息，類庫(kù)文件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口實(shí)現(xiàn)了知識(shí)組件與屬性信息的融合及原理圖的數(shù)字化設(shè)計(jì)，其業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳遞與交換模型如圖6 所示。

4 原型系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于知識(shí)組件的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖快速生成原型系統(tǒng)是在PDM 和AutoCAD 的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，其中PDM 端負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與維護(hù)，AutoCAD 端通過(guò)知識(shí)組件調(diào)用實(shí)現(xiàn)原理圖快速生成，如圖7 所示。

若是新產(chǎn)品首次繪制原理圖，則需在PDM 端創(chuàng)建產(chǎn)品代號(hào)，并配置該產(chǎn)品所需的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹(shù)、區(qū)域結(jié)構(gòu)樹(shù)、組件結(jié)構(gòu)樹(shù)和接口結(jié)構(gòu)樹(shù)。根據(jù)系統(tǒng)瀏覽器中空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)子系統(tǒng)列表，設(shè)計(jì)人員可選擇繪制的子系統(tǒng)名稱和編號(hào)，在AutoCAD端通過(guò)圖紙定義創(chuàng)建圖紙； 通過(guò)選擇區(qū)域?yàn)g覽器中對(duì)應(yīng)的艙室，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的艙室總圖背景調(diào)用； 通過(guò)組件瀏覽器中設(shè)計(jì)中心，實(shí)現(xiàn)知識(shí)組件的調(diào)用。完成原理圖的繪制后，通過(guò)更新信息實(shí)現(xiàn)AutoCAD 端和PDM 端數(shù)據(jù)同步，設(shè)計(jì)人員便可在PDM 端發(fā)起跨專業(yè)的發(fā)熱量和電力負(fù)荷提交流程，也可實(shí)現(xiàn)按艙室或系統(tǒng)生成設(shè)備清單及訂貨明細(xì)表。

PDM 端采用B/S 架構(gòu)開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與維護(hù)。AutoCAD 端采用C/S 架構(gòu)開(kāi)發(fā)，通過(guò)調(diào)用知識(shí)組件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、閥件和附件的布置。AutoCAD 端與PDM 端之間通過(guò)XML 格式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，如圖8 所示。原型系統(tǒng)界面如圖9～圖10 所示。

圖6 數(shù)據(jù)傳遞與交換模型Fig. 6 Model of data transmission and exchange

圖7 基于知識(shí)組件的原理圖快速生成流程圖Fig. 7 Flowchart of schematic rapid generation based on knowledge components

4.2 應(yīng)用實(shí)例

圖9 原型系統(tǒng)主界面Fig. 9 Main interface of invocation

圖8 原型系統(tǒng)架構(gòu)Fig. 8 Architecture of the prototype system

圖10 原型系統(tǒng)知識(shí)組件調(diào)用界面Fig. 10 Interface of invocation for knowledge components

在某工程型號(hào)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖繪制中，分別采用傳統(tǒng)方法和新方法進(jìn)行了測(cè)試，兩種方法的工時(shí)統(tǒng)計(jì)如圖11 所示。首次使用新方法繪制原理圖時(shí)，需建立空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備、閥附件組件庫(kù)，該組件庫(kù)建立完成后可重復(fù)使用。每張圖紙與PDM 中系統(tǒng)瀏覽器的子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，圖紙中設(shè)備、閥附件通過(guò)設(shè)備編號(hào)與子系統(tǒng)的設(shè)備列表清單相互對(duì)應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了圖紙所有圖面信息的在線管理。因此，相比于傳統(tǒng)方法，用在繪制草圖、標(biāo)注、接口提交、統(tǒng)計(jì)、修改等步驟的工時(shí)統(tǒng)計(jì)得到了大幅縮減。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，新方法的繪制效率提升了43.5%，在接口數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)和修改方面優(yōu)勢(shì)明顯。其中，圖紙標(biāo)注和明細(xì)統(tǒng)計(jì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)生成，避免了人工統(tǒng)計(jì)環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確率可達(dá)100%，保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

圖11 工時(shí)統(tǒng)計(jì)對(duì)比Fig. 11 Comparison of labor-hours

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于知識(shí)組件的船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖快速生成方法，將該系統(tǒng)的設(shè)備封裝成具有一組標(biāo)準(zhǔn)化接口的知識(shí)組件，并對(duì)知識(shí)組件模型和屬性進(jìn)行了定義。通過(guò)自定義實(shí)體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了知識(shí)組件的實(shí)體建模，設(shè)計(jì)了知識(shí)組件實(shí)例化過(guò)程。結(jié)合船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分析了基于知識(shí)組件的系統(tǒng)原理圖快速生成業(yè)務(wù)模型和數(shù)據(jù)交換模型。在此基礎(chǔ)上，以AutoCAD 和PDM 系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了基于知識(shí)組件的船舶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)原理圖快速生成原型系統(tǒng)，并在實(shí)際工程型號(hào)設(shè)計(jì)中進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用驗(yàn)證。結(jié)果表明，該原理圖生成方法大幅提升了圖紙繪制效率及其管理水平。