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一种新的船舶细分方法及其在船舶布局设计的约束管理中的应用

摘 要：通常，船舶的舱室和空间被建模为体积实体，或者借助于舱壁和甲板建模为体积实体。根据我们的经验，两个实体并不能直接独立地建模，并且从其中一个视图（体积）自动转换到另一视图（平面）是不可能的。本文介绍了一个简单而有效的方法，其中船舶设计者可以随意混合使用体积和平面。另外，这种建模方法是应用于管理船舶细分约束的新工具。由于相当多的数值约束是已知的，可以在列表中定义它们并且分配给特定的细分元素。例如，舱壁位置或所需的舱体体积或甲板区域。为了在设计过程中评估船舶布局设计，我们开发了一种约束管理工具。设计者可以修改或添加约束，并且该工具也支持在设计过程中管理这些约束。如果船体形式改变，所有提交的项目将根据新的细节更新。如果其中一个约束不符合条件，则可以在随时选择进行调整或替换，并且这种变化的影响是直观的。设计人员还可以要求工具箱提供符合输入约束条件的船舶布局设计。当设计者使用约束管理程序时，程序可以快速地进行可行的船舱设计，并且防止设计者犯错误。这意味着船舶布局模型是可用的、正确的，早期可以在其上在执行概率破坏稳定性计算和重量估计。这种方法已经在计算机程序中实现，因此本文讨论了实际的设计实例。

关键词：设计（船）; 计算机设计; 研究

引言

在2008年至2011年，在荷兰联合产业研究项目，Batized Innovero（见http://www.marin.nl/web/JIPs-Networks/Public/INNOVERO-1.htm）开始实施，该项目旨在改进船舶设计过程，从而减少产生可行的船设计所需的时间。总之，在该项目中开发了一个基础设施，其中由知识管理工具（特别是Quaestor，例如van Hees 2009）进行的软件代理联合共同处理各种设计任务。Innovero的一个重要需求是，适用的软件代理范围不一定限定于专用的海军建筑分析软件，但应考虑包括通用计算机辅助设计（CAD）系统，例如犀牛，鹰或Autocad，这一要求的结果非常广泛，无法在一份会议文件中全面讨论; 因此，我们关注另一个主题，船舶内部几何的表示和利用。原因是传统的表示内部几何的方法（房间，空间，包房，场地）被开发用于海军建筑分析任务，例如计算坦克校准表或损伤稳定性，这些表示不一定适合在设计阶段使用，例如，使用通用CAD系统，因此他们必须重新考虑Innovero的用途。

这种新的考虑，和随后重新设计内部的几何表示是本文的两个主要主题之一。 第二个主题是利用该表示工具来指导船舶设计者遵守多个几何约束的设计和功能。

2. 船舶的内部形状表示

2.1 内部形状表示的设计要求

在Innovero项目中，提出了一种表示方法的要求清单。 大多数需求或多或少与实际相关，例如：

bull;与荷兰SARC公司应用PIAS的海军建筑分析软件兼容（或可转换为兼容的格式）。 如果需要表示转换，则不应导致过度模型，因为它们可能在长时间计算的情况下影响计算效率，例如计算概率性损伤稳定性。

bull;能够与各种船体表示结合应用，例如表面模型，实体模型或线框模型。 如果仅在横截面上限定船体，则后者甚至可能相当稀疏。

bull;应用的方法及其基础实体应容易理解并且全面，以便与通用CAD软件的宏或脚本一起使用。

然而，最重要的要求与软件本身无关，而是尽可能地帮助船舶设计者。问题是，对于设计者来说一些设计或定义任务的焦点在空间上是非常轻松的，但是，很多其他任务则更需要基于平面的焦点。总而言之，使用“焦点”来解决基本建模实体更容易直接通过其边界来建模舱室，此外，在其他情况下，通过舱壁和甲板进行建模更合适。 显然，平面和空间是相互关联的，所以我们需要解决他们的二元性。

2.2. 表示内部几何的方法

Lee等人（于2003年，2009年）调查了当今流行的海军构架软件工具中应用的表示方法，并将它们被分为两类：

bull;由其边界定义的空间。 这种方法不适合我们的目标，因为它们缺乏对现实平面的明确定义或引用，所以空间和平面之间的对偶性没有得到解决。 （“实际平面”是指在船舶上确实存在的平面或其一部分，很明显，这样的平面不一定必须在平面和船体之间的完全交叉点上延伸。）

bull;应用了隔室边界线框模型。 虽然在这种情况下空间和平面之间存在一些关系，但是它们的相反关系并不存在，所以二元性不能完全解决。

Lee et al在2009年提出了一种基于非几何实体模型的数据结构（图1）作为解决的一种方案。 这种类型的实体模型，歧管和非歧管， Mauml;ntyla在1988年进行了深入研究，但是总论是，非歧管模型可以描述仅具有外边界的对象，而具有非歧管只能表示具有内部结构的对象也可以被建模。 这样的“实体模型”可能看起来相当抽象，但是例如Koelman在2003年表明，实际应用可以建立在它们之上。然而，这些表示方法非常复杂，其中非歧管方法比歧管版本复杂一个数量级。 因为简洁性在2.1节中被列为一个重要的要求，所以我们认为这类方法不太适合我们的问题。

另一篇文章是Alonso et al在 2008年发表的，可是遗憾的是其中没有讨论许多实现细节，但从中可以看出，所描述的软件系统允许多种表示方法。 概念上最简单的方法是由六个平面限定的隔间，但是还有另一种基于“初始空间的连续分割”的方法，具有进一步的细节：“从第一级隔间定义，系统允许迭代细分 由用户定义的平面创建的隔间（“在大多数情况下，隔间由根据船舶的主要地理方向定向的六个表面限制。在x轴上限定后舱和前舱，在y轴上的限定左舷和右舷，以及在z轴上限定下限和上限。这个过程可以根据需要重复多次，也可以获得所需的细分细节。这当然是一个有创造性的想法。

2.3. BSP方法

从第2.1节的最重要的设计要求开始，我们可以得出结论，处理空间和平面之间的对偶性的问题，“空间”部分可以通过常规方法来实现。 然而，对于“现实平面”的建模来说，问题出现在什么是表示和定义这些平面最方便的方法。此外，最方便的意思是哪种方法本质上适合于“逻辑”，和平均船舶设计者的期望。 2006年，在与船舶设计师和设计师小组的讨论中大家认为“空间分裂理念”是相当直观的;用该方法把空船体用平面分成两部分，这两个所得到的空间随后被其它平面分成两部分，用这种方法直到获得细分 得到我们看到的船舱。如果我们超越它的特定实现领域，这个“空间分裂想法”类似于众所周知的二进制空间分割（BSP）方法，其中空间被递归地分成两个闭合单元，。BSP方法（参见http://en.wikipedia.org/wiki/Binary_space_partitioning for an introduction）源自交互式计算机游戏（特别是诸如射击游戏和足球游戏的游戏），但是也被用于建模。

通常，用二叉树表示递归细分，其也是计算机程序中的合适的内部表示。 图1中给出了平面中的BSP应用的示例。 其中右侧的阴影二维（2D）图通过平面a至f（其形成图右侧的树的节点）递归地分割，并且单元1至7（其形成 树的叶子）。

BSP的示例和其他应用可以在以下文献中找到：

·BSP的一般描述，其性质和许多基本算法在例如Thibault（1987），de Berg et al。 （1998），Schneider和Eberly（2003），Naylor（1998），van den Bergen（1999）

在Thibault和Naylor（1987），Naylor（1992），Jiang（1996），Schneider和Eberly（2003），Ghali（2008）中讨论了B-rep实体模型到BSP的转换。

bull;Vanecek（1991）提出了B-rep和BSP之间的集成。

bull;在Buchele和Roles（2001）中，对于具有曲线边界的物体，以及Thibault和Naylor（1987）和Comba和Naylor（1996）的多面体，提出了将BSP转换为B-rep实体模型。

bull;Thibault和Naylor（1987）和Naylor等人讨论了使用BSPs的布尔运算。 （1990）。

2.4. 应用BSP方法在船舶内部建模

我们得出结论，BSP方法可能符合2.1节的要求; 它能够表示平面以及立体，支持“空间分割”的直观方法，在概念上易于理解，而前面部分的参考文献提供了足够的工具来转换成其他表示方法。 另外如第2.2节所述，从Alonso等人的短语 （2008年）可以发现他们的方法有点类似于BSP方法，这让我们很欣慰，我们不是唯一的航行在船舶中的“空间分裂”方法的未知水域的航行者。然而，本地BSP表示并不总是向船舶设计者呈现船舶布局的最佳实体，因为在BSP树中，舱室或平面可以被细分为许多较小的子舱室或子平面，这妨碍了设计的全面概述。因此，程序用户设计了一个数据结构让船舶设计师与熟悉的船体交互：

bull;“舱室”，是船内的封闭空间。

bull; “物理平面”，表示船内的一个现实平面，比如是舱壁或甲板。 物理平面可以是有界的，这意味着它不在船体的整个空间上延伸。

bull;参考平面是虚拟和无界平面，仅用于加速建模和修改操作。

BSP在这三个实体之间形成粘接，并且不能作为单独的实体供程序用户使用。 在图1中更详细地描述了该数据结构。

2.5. 电脑程序

根据所描述的数据结构和工具，产生了计算机程序。该程序是众所周知的PIAS套件的模块，其特征在于：

bull;如果它有两个面; 它可以作为具有图形用户界面（GUI）的独立设计工具工作，或者可以充当服务器以服务于其他进程（或其他代理）。 在后一种方式中，它可以提供例如内部船舶实体的性质，例如甲板或舱壁的形状，或舱体积和惯性矩。

bull;它有多种方式与其他软件交互，这些软件是Innovero应用的知识管理系统或其他最终用户软件，如通用CAD系统。 目前，实现的交互方法是“文件”，命名为“管道”和“TCP / IP”。

bull;它通过包括XML的进程间交互。

bull;它支持船舶隔间的出口，例如以三维（3D）VRML文件格式，或作为用户定义的2D布局平面DXF，其可以作为子层或一般布置计划或罐布置计划。

bull;它有多个导入和导出选项，特别是从和到其他PIAS模块，如完整或损坏稳定性的模块。

bull;它包括用于管理设计约束的工具。这是第3节的主题。

参考图4，给出了 GUI的示例。 它由几个专用窗口组成; 一个呈现船体及其内部的3D概览，三个窗口呈现三个正交部分，并且存在具有物理平面，参考平面和隔间树的列表的窗口。 有趣的是，BSP不包括在该GUI中，因为它与程序的日常使用无关。然而，为了调试的目的，BSP可以可视化， 图5给出了一个例子。

3. 约束管理

3.1. 引言

船舶设计者必须处理船级社和监管机构施加的各种规则和法规。这些规则规定了一般船舶设计的准则。一般来说这些规则规定了舱壁和舱室在总船舶布置，（损坏）稳定性和干舷中的定位要求。不同的主要是用来确定这些确切边界的经验公式。 大多数这些规则可以在不同的规范，文本或数字（静态）索引文件中找到。

除了前面描述的监管规则，设计者必须考虑船东的要求。 这些规则通常规定对舱室容积和尺寸，甲板面积，速度，噪声，建筑成本等的要求，其中一些是以要求列表的形式提前知道的，而其他规则在设计过程中逐渐指定。

开发约束管理工具来收集不同类型的设计约束将是必要的。此外，它必须能够检查几何模型是否符合提交的设计约束。如果不满足一些约束，则必须向设计者给出对冲突区域的反馈。此外，应提供最符合提交的设计约束集的解决方案建议。

3.2. 最先进的

在造船工业中，进行了大量基于知识设计的研究。 然而，据我们所知，没有符合第3.1节所述要求的程序。 在海运业和其他部门进行了一些基于知识的设计的研究; 在Augusto和Kawano（1998）中，使用非线性搜索算法进行了船结构设计优化。 本研究的重点在于船体结构部件的优化。以惩罚函数的形式定义约束的方式可以以相同的方式用于约束管理问题。

Yu等人 （2010）提出了一种新的海洋平台设计方法。该方法通过将布局模型描述为参数化设计，在设计过程期间允许更好的可重用性和隔间布局的可变性。该方法使用2D布置作为基础并且在该2D平面中执行参数改变; 甲板和舱壁高度必须从外部输入，并且在优化程序期间不进行调整。所描述的方法对于简单的舱室布置效果很好，但是不能用于船舱设计，其中垂直细分与横向和纵向细分同等重要。除了布置评估之外，在所描述的方法中还考虑流体静力学和FEM计算。该实现的一般方法可以用于在约束管理系统中添加其他约束，例如初始稳定性和修整要求。

Lee开发了一种智能舱设计系统，支持原油油轮的舱室设计。研究的性质表现出与约束管理问题的许多相似之处。然而，整个约束管理结构只关注原油油轮的设计规则，因此不能处理一般约束。主要使用IF-THEN语句来实现特定规则，这导致具有预定义约束的程序不能容易地处理其他类型的约束。

3.3. 实施

3.3.1。 一般约束描述。

在“待开发”约束管理工具中，理想地考虑了第3.1节中提到的所有类型的规则和要求。 从计算难度的角度考虑，这不会产生任何问题。所有评估都涉及不太复杂的计算。然而，有一些评估目前仍需要相当长的时间来计算。例如，执行概率稳定性计算的不同评估和计算不复杂，但是需要计算的所有不同的可能性使得计算穷尽。 由于评估仍需要几个小时来计算，一些设计约束目前不会考虑。

对于约束管理项目，我们限制自己解决约束问题，只要它可以包括在设计阶段，在允许交互的处理时间。 实施计算密集型评估将导致长的

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