鄒玉堂，任 光，路慧彪

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

0 引言

船舶機艙中的設備數(shù)量多且?guī)缀涡螤顝碗s，管路布置需克服很多約束.利用人工智能技術進行自動化管路布置，可減少管路設計的時間，降低成本，確保設計的精度和效果.

管路布置實際上是設計出在1個具有大量分散障礙的環(huán)境下連接空間兩位置(坐標)間管路最優(yōu)路徑的技術.［1]從1970年開始，工業(yè)上的管路優(yōu)化設計成為1個研究熱點.管路布置算法的研究可追溯到機器人移動路徑規(guī)劃技術，即研究移動機器人如何能無監(jiān)督地(自主)移動，同時穿越周圍環(huán)境并完成任務的技術.其環(huán)境的表示可從連續(xù)幾何描述轉換為基于分解的幾何圖，甚至拓撲結構圖.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)劃技術分為路線圖法、單元分解法、勢場法和數(shù)學規(guī)劃法等4大類.

1 管路布置的研究現(xiàn)狀

由于管路布置與機器人路徑規(guī)劃在任務性質上有較大差別，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器人移動的可能路徑和管路布置的可能路徑.圖中多邊形為移動障礙;各折線為可能的路線;粗線為從起點到目標行程最短的路線.由圖1和2可知，由于遵循的規(guī)則不同，結果差別較大.

圖1 機器人移動的可能路徑

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備、布置艙壁以及已布置好的管路等.在機艙中，管路的設備和元部件成千上萬且形狀各異，非常復雜.船舶計算機輔助設計與仿真以三維數(shù)字模型為基礎，其中布置環(huán)境建模是進行管路布置的準備階段，建模的好壞對布置的算法及最終效果影響很大.在船舶3D管路智能設計中，必須選擇適當?shù)哪Ｐ捅磉_方法并進行最大程度的模型簡化，否則會由于要進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方法的研究.

2 模型的簡化和表達

從20世紀90年代以來，船舶設計與仿真領域的學者在模型應用上做了大量工作，并提出許多建模方法.在船舶設計與仿真的不同領域或不同階段，可能會使用不同模型.

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

高級模型幾何精度較低，但可表達更多的幾何或非幾何信息，屬完整信息模型.如1臺機器利用高級模型可能會表達成1個柱體，使大場景的模型數(shù)量大量減少，雖然在視覺上與實物差別較大，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展，1個3D實體模型的表達不僅包括對1個產品幾何特性的描述，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)以及生產中的所有支持數(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)集應在產品全壽命周期內得到控制和共享.對于應用機艙管路布置中的模型，還需將協(xié)同設計約束、設備供應商說明書、設計參數(shù)和其他當前CAD系統(tǒng)尚不能處理的設計數(shù)據(jù)包括到產品模型中.

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，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)同設計的需要，簡化的模型必須是可編輯的模型;

(6)同一設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統(tǒng)一、邊界條件應對應、在環(huán)境中的坐標應對應，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障礙，需要為檢測障礙的邊界進行大量的計算工作，不適用智能設計算法.但此類模型在仿真設計中也非常重要，用在后期的可視及虛擬仿真中，可體現(xiàn)更高的真實性和仿真的相似性，在制作設備模型庫時經常用到.圖3為1個空氣瓶經初步簡化后的模型.

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雜.由于3D布置考慮的是設備、平臺或管路所占的空間體積，而不是具體形狀，在實際布置時可對模型作進一步簡化，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.

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

圖5 構建軸平行包圍盒

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

圖6 包圍盒重疊時的2種狀態(tài)

這種確定各單位立方體的邊界最大和最小值，即最左前下點和最右后上點的坐標，以表示設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 具有開關和維修等作業(yè)約束條件的設備建模

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，構成智能設計中的規(guī)則，一般將這些約束表示為設計的參數(shù)，但參數(shù)越多越復雜，可行性較差.

管路布置需要為主機、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;同時也為臨時存儲零件、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(如產生熱量的機械)附近留出空間.大部分與空間和體積有關的設計約束，可用自由空間［4](Free-space，F(xiàn)S)建模方法進行處理.

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

圖7 燃油鍋爐的FS

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

3 布置平臺的簡化

3.1 目標場景的分割

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場景，使其成為更小的模塊.通過場景分割以降低算法的復雜度，滿足協(xié)同設計的要求，在實際操作中很有必要.

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

3.2 快速生成布置平臺

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

理想的3D虛擬船體平臺是經過詳細設計后的最終的3D數(shù)字化船舶機艙或艙室模型，其船艙中的設備或元部件都為簡化的模型，并按其實際位置放置在船艙模型中.［7]

現(xiàn)代船舶設計是多人員、多部門間協(xié)同設計的1個并行工程，且需要較長時間;另外，船舶設計是1種交互式的螺旋設計，涉及許多相互影響、相互制約的因素，各階段、各模型設計結果之間也相互影響;還需經過從初步到詳細設計的多次反復.因此，使用二維CAD進行設計及繪圖仍然十分普遍.

在實際設計中，舾裝部門一般在得到有關機艙或要布置的艙室的1個平面輪廓及一部分相關數(shù)據(jù)后開始布置，因此，可以利用幾個平面輪廓及相關數(shù)據(jù)，快速建立1個布置平臺的3D模型.步驟如下:

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

圖8 各層平臺信息

圖9 各層平臺建模

圖10 機艙布置區(qū)域模型

4 實例

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

圖11 布置平臺的位置

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，附件設備包括閥件和過濾器等.管路中的設備信息見表1.各設備的接口信息見表2.添加設備后的布置環(huán)境見圖13.

圖12 船體近似模型

表1 管路中的設備信息 mm

表2 設備接口信息

圖13 連接設備在艙中的位置

影響管路布置的周邊設備包括副空氣瓶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.管路周邊的設備信息見表3.添加周邊設備后的管路布置環(huán)境見圖14.由圖可知，許多設備的邊界很近，設備間的縫隙不足以布置管路(由最小安全距離判斷).可將設備再次進行簡化、合并，減少障礙模型的數(shù)目.設備合并后的布置環(huán)境見圖15.

表3 管路周邊的設備信息 mm

圖14 添加周邊設備后的管路布置環(huán)境

圖15 設備合并后的布置環(huán)境

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

圖16 路徑布置優(yōu)化解

5 結論

船舶機艙仿真布置環(huán)境的快速建模主要利用智能優(yōu)化算法進行船舶管路的自動布置，其對船舶機艙管路布置的效果有重要影響，直接關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雜度，另一方面要保持仿真場景與真實布置環(huán)境的相似性，同時滿足布置約束.

本文在已有的研究基礎上，結合船舶機艙布置的實際情況，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，克服為檢驗模型邊界而進行的大量計算;通過對布置環(huán)境的分割，快速建立近似布置平臺，使模型數(shù)量最少.該方法可比較方便地應用于機艙仿真布置環(huán)境的快速建模中，并為后續(xù)的設計提供有效的平臺.

［1]SANDURKAR Sunand，CHEN Wei.GAPRUS-genetic algorithms based pipe routing using tessellated object［J].Computers in Industry，1999，38(3):209-223.

［2]SIEGWART R，NOURBAKHSH I R.自主移動機器人導論［M].李人厚，譯.西安:西安交通大學出版社，2006:270-271.

［3]何援軍.計算機圖形學［M].2版.北京:機械工業(yè)出版社，2009:61-66.

［4]CHANG Hsuan，LI Tsaiyen.Assembly maintainability study with motion planning［C]//Proc IEEE Int Conf Robotics＆ Automation(ICRA)，Nagoya，Japan，1995:1012-1019.

［5]SAPIDIS N S，THEODOSIOU G.Informationally-complete product models of complex arrangements for simulation-based engineering:modelling design constraints using virtual solids［J].Eng with Computers，2000，16(4):147-161.

［6]陳寧.計算機輔助船舶舾裝生產設計［M].北京:國防工業(yè)出版社，2006:31-36.

［7]ABAL D，ALONSO F，F(xiàn)REIRE D.Collaborative engineering in the shipbuilding environment［J].J Ship Production，2005，21(1):31-36.