船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)工作圖電子化作業(yè)研究與應(yīng)用

潘榮 王學(xué)營(yíng)

【摘要】船舶的生產(chǎn)設(shè)計(jì)過程涉及到大量圖紙，工作圖作業(yè)是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)指導(dǎo)制造部門裝配船體結(jié)構(gòu)的唯一指示圖，輸出結(jié)果直接面向現(xiàn)場(chǎng)加工和生產(chǎn)。其作業(yè)過程中涉及數(shù)量龐大的圖紙信息處理，由于智能化作業(yè)程度較低，很多時(shí)候還要進(jìn)行紙面作業(yè)，效率低下。本文主要研究工作圖的作業(yè)電子化，建構(gòu)電子作業(yè)平臺(tái)，使得生產(chǎn)信息可以快速錄入，迅速應(yīng)付現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)。

【關(guān)鍵詞】Tribon；電子圖紙；二次開發(fā)；優(yōu)化算法

一、背景

德國(guó)在2013年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上提出了“工業(yè)4.0”的概念，它是繼蒸汽機(jī)的應(yīng)用、規(guī)模化生產(chǎn)和電子信息技術(shù)等三次工業(yè)革命后，以生產(chǎn)高度數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、機(jī)器自組織為標(biāo)志的第四次工業(yè)革命。“工業(yè)4.0”的到來給制造業(yè)帶來了重大的發(fā)展機(jī)遇，特別為轉(zhuǎn)型期的船舶制造和航運(yùn)領(lǐng)域的發(fā)展帶來了重大契機(jī)。

船舶設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的后期處理往往耗費(fèi)大量的人力和物力，在一定程度上阻礙了船企盈利能力的提升。傳統(tǒng)的作業(yè)方式在一定程度上已不能滿足船舶設(shè)計(jì)在高效和智能方面的要求，做出改變刻不容緩。

工作圖作業(yè)是生產(chǎn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，是設(shè)計(jì)指導(dǎo)制造部門裝配船體結(jié)構(gòu)的唯一指示圖，輸出結(jié)果直接面向現(xiàn)場(chǎng)加工和生產(chǎn)。其作業(yè)過程中涉及數(shù)量龐大的圖紙信息處理，由于智能化作業(yè)程度較低，很多時(shí)候還要進(jìn)行紙面作業(yè)，效率低下。同時(shí)，每條船作業(yè)過程中都會(huì)產(chǎn)生大量的紙質(zhì)工作圖，也給圖紙管理增加了壓力。本文研究生產(chǎn)信息的快速錄入機(jī)制，基于TRIBON進(jìn)行二次開發(fā)，通過構(gòu)建電子作業(yè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工作圖的電子化作業(yè)。

二、研究現(xiàn)狀

由于造船圖紙所包含的信息量很大，容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)的遺漏和誤讀。國(guó)內(nèi)很多船廠普遍采用圖紙配合清單的形式來避免錯(cuò)誤的出現(xiàn)，這樣雖然有效地降低了出錯(cuò)的概率，但是直觀性不夠，相應(yīng)降低了現(xiàn)場(chǎng)加工的效率。

目前在船舶行業(yè)內(nèi)，幾乎沒有對(duì)于圖紙電子化作業(yè)的研究。據(jù)了解國(guó)內(nèi)主要船廠和設(shè)計(jì)院的方法基本一致，工作圖初稿在電子平臺(tái)制作結(jié)束后，打印成紙面，后期改正都是在紙面上。川崎重工（KHI）曾經(jīng)在這方面進(jìn)行了一定的開發(fā)，但是效果并不好。而在其他領(lǐng)域，如建筑、飛機(jī)制造等的數(shù)字化設(shè)計(jì)已較為普遍，幾乎可以達(dá)到設(shè)計(jì)過程的全部電子化。由此可見，對(duì)船舶設(shè)計(jì)中的圖紙電子化作業(yè)還處于較為落后的狀態(tài)，有待進(jìn)一步深入研究和應(yīng)用。

三、工作圖電子化研究

（一）最優(yōu)化方法

伴隨著科學(xué)技術(shù)的需要、計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展和優(yōu)化計(jì)算方法的進(jìn)步，最優(yōu)化的應(yīng)用范圍越來越廣。設(shè)計(jì)、操作、工業(yè)過程、生產(chǎn)裝置分析乃至生產(chǎn)計(jì)劃之類的有關(guān)問題，幾乎最后都?xì)w結(jié)為確定某個(gè)目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。

最優(yōu)化算法是研究最優(yōu)解的特征和算法的一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科，最優(yōu)化問題的一般形式是：

（1）

其中，稱S為可行域，，稱f（x）為目標(biāo)函數(shù)。

如果可行域是整n維歐式空間，那么問題稱為無約束最優(yōu)化問題：（2）

（二）二次開發(fā)

Tribon模型數(shù)據(jù)抽取技術(shù)（Data Extraction）是Tribon二次開發(fā)的基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)抽取能夠取得一個(gè)或多個(gè)Tribon對(duì)象的信息。Tribon目前所支持的數(shù)據(jù)抽取方式大致有四種：交互式工具SX700、幾何宏語言、部件模型對(duì)象和VITESSE。

VITESSE程序采用Python語言編寫，其具有語法表達(dá)簡(jiǎn)單，易讀易懂的特點(diǎn)，同時(shí)其還具有面向?qū)ο缶幊痰奶匦裕帉懶瘦^高。TRIBON系統(tǒng)為Python編程提供了專門的接口，可對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取操作。另外，TRIBON系統(tǒng)中植入了VITESSE工具（如圖1），用戶可以方便的在系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行可視化操作。本文中我們使用VITESSE進(jìn)行相關(guān)開發(fā)。

圖1 VITESSE可視化工具

（三）作業(yè)規(guī)則

生產(chǎn)設(shè)計(jì)作業(yè)所涉及的信息量較大，對(duì)信息進(jìn)行處理的工作量也比較繁重。相較于其他船廠，NACKS對(duì)設(shè)計(jì)輸出的要求更高，包含的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)更加詳細(xì)和多元。

工作圖作業(yè)所涉及的約束條件多且雜，作業(yè)者要使每一個(gè)圖面都滿足上述要求，實(shí)質(zhì)上是在花費(fèi)大量時(shí)間完成技術(shù)含量低的重復(fù)勞動(dòng)。

四、工作圖電子化開發(fā)

經(jīng)過對(duì)工作圖電子化作業(yè)進(jìn)行研究，并結(jié)合船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的實(shí)際作業(yè)規(guī)則，我們建立了一套相對(duì)完善的工作圖電子化作業(yè)流程，如圖2所示。

為了使電子化作業(yè)方式與原有流程對(duì)接，需要開發(fā)大量的程序來進(jìn)行設(shè)計(jì)支持。程序?qū)﹄娮幼鳂I(yè)的支持主要體現(xiàn)在電子圖圖面數(shù)據(jù)的快速整理與添加及電子圖紙的批量打印與格式轉(zhuǎn)換。

在工作圖的電子化作業(yè)中，需要對(duì)點(diǎn)、線、面進(jìn)行坐標(biāo)、角度等較為復(fù)雜的計(jì)算，且用到的頻率頗高。對(duì)此，我們考慮建立公共函數(shù)，將多種類型的科學(xué)計(jì)算集成到一個(gè)模塊，方便使用和維護(hù)。

慮到在程序運(yùn)行過程中需要獲取模型信息，必然會(huì)大量的用到數(shù)據(jù)抽取，我們建立了數(shù)據(jù)抽取公共函數(shù)。將原本針對(duì)多種數(shù)據(jù)類型的離散抽取方法進(jìn)行了集成，且僅通過一句命令即可獲取各種類型不同的數(shù)據(jù)結(jié)果，大幅提高了程序編寫的效率并縮減了代碼量。

在相關(guān)程序的支持下，工作圖作業(yè)中的人工作業(yè)相應(yīng)減少，大大提高了電子圖的作成和改正效率。圖3中對(duì)比了應(yīng)用程序進(jìn)行小組立圖作業(yè)的前后對(duì)比。

圖3 小組立圖作業(yè)前后對(duì)比

在出圖環(huán)節(jié)，我們開發(fā)了圖紙的批量打印和批量轉(zhuǎn)換程序，不僅實(shí)現(xiàn)圖紙對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的快速配布，還和電子圖庫(kù)進(jìn)行對(duì)接，生成的電子圖紙可直接上傳E圖庫(kù)。

五、工作圖電子化應(yīng)用

通過推進(jìn)工作圖的作業(yè)電子化，建構(gòu)了電子作業(yè)平臺(tái)，使得生產(chǎn)信息可以快速錄入，迅速應(yīng)付現(xiàn)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)。經(jīng)過一年的研究和開發(fā)，相關(guān)流程已經(jīng)在船體生產(chǎn)設(shè)計(jì)的實(shí)船作業(yè)中應(yīng)用，并且有較好的反饋結(jié)果，成果顯著：

工作圖電子化使得改正作業(yè)效率大幅提升，改正量越大，節(jié)省工時(shí)越明顯，以NE166船實(shí)施情況和NE089比較（見圖4）工作圖占比下降6.1%。而在流用船作業(yè)時(shí)，基本都是改正作業(yè)，對(duì)流用船作業(yè)影響較大，可以判斷對(duì)生產(chǎn)設(shè)計(jì)部門的設(shè)計(jì)效率提升發(fā)揮重要作用。

表5 NE089和NE166工作圖數(shù)據(jù)

圖4 NE089和NE166工作圖工時(shí)對(duì)比

工作圖設(shè)計(jì)過程中，引入了圖面信息的智能化處理方法，減少了設(shè)計(jì)者思考與判斷的過程，降低該作業(yè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)難度。讓設(shè)計(jì)者有更多的時(shí)間與精力關(guān)注結(jié)果，并且在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)范圍內(nèi)的給定一個(gè)相對(duì)統(tǒng)一的作圖方案，讓設(shè)計(jì)出圖更專業(yè)化，標(biāo)準(zhǔn)化。另外，錄入計(jì)算機(jī)的信息較手寫字體、符號(hào)、線條等信息清晰，可讀，專業(yè)，得到制造部門的充分認(rèn)可，電子查閱便捷，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)效率大幅提升，在一定程度上提高了數(shù)字化應(yīng)用程度。

通過對(duì)程序的改進(jìn)和完善，我們已經(jīng)將這種作業(yè)方法移植到AM12中，實(shí)現(xiàn)了AM12的支持。

參考文獻(xiàn)

[1]Tribon Training Guide.