基于NX平臺的船舶板區域識別算法研究

章志兵，尚云飛，孟凡沖，柳玉起，孔海驕

（1. 華中科技大學，武漢 430074；2. 中國船級社技術研發中心，北京 100007）

在船舶學中，板架通常認為是由一個或多個板區域經焊接而成，不同板區域的材料、厚度等各不相同[1]，因此，快速進行船舶板區域查找，定義其特定的材料、厚度等屬性，對船舶建模過程具有重要意義[2]。在船舶結構上，板縫是板區域之間的邊界，由板縫分割開的兩部分分別屬于不同的板區域，這使得依據板縫識別板區域成為可能。船舶設計單位使用的定義板區域屬性的軟件主要包括 NAPA,TRIBON, PATRAN等，然而，這些軟件目前都是通過手動選取同屬于一個板區域的面來對板區域屬性進行定義，效率較低[3]。

文中提出了一種基于特定屬性邊優先搜索板區域的識別算法，通過定義特定的屬性邊，建立板架面與面之間的分組關系，從而實現搜索板區域的目的[4]。在NX11.0平臺上，使用C++語言實現該算法，并使用實船模型上的板架進行測試，結果表明，該算法能夠快速、準確地識別出船舶板區域[5]。使用該算法，可以有效提高船舶建模過程中的板區域識別，進而提高船舶建模的效率，降低船舶設計周期[6]。

1 船舶板區域識別總體流程

在船舶學中，板架是由一個或多個板區域焊接而成[7]。在計算機圖形學中，板架可以看成是由多個面組合而成，而板區域則對應多個面的一個分組[8]。

在計算機圖形學中，使用邊界表示法對板架進行表示，板架對應一個實體，是面的并集[9]。面是由一個外環和若干個內環來進行描述。內環一定在外環之內，在面上沿著環的方向前進，左側一定在面內，右側一定在面外，通過環可以區分面內和面外。環是由有序邊組成的封閉邊界，相鄰兩邊共享一個頂點，環中的邊不能相交[10]。邊是相鄰鄰面的交集，由邊的起始頂點和終止頂點定義邊的方向。頂點的位置由幾何點來表示，是幾何造型中最基本的元素[11]。

圖1 邊數據結構Fig.1 Edge data structure

邊數據結構見圖1，其中每一條邊記錄了兩個鄰面（左外環和右外環）、兩個頂點、兩端各自相鄰的鄰邊[12]。為了保證每次搜索到的是一整個板區域的面，建立了基于特定屬性邊的板區域搜索算法，通過特定屬性邊得到環與環的相鄰關系，當邊滿足特定屬性時，停止向外搜索；當邊不滿足特定屬性時，繼續向外搜索，找到相鄰的環，直到找到的所有的面的邊都滿足特定屬性或為板架邊界，且無法找到新的相鄰環時，停止一次這樣的搜索過程。這樣，由特定屬性邊及板架邊界圍成的這樣一組面就是一個面的分組，即是需要查找的板區域。板架邊的3種情形見圖2，板架上的邊可能有以下幾種情形： ①板架邊界邊，如圖2中的C和D邊，表示的是板架邊界； ②特定屬性邊，這類邊具有特殊的屬性，用來標識分組的邊界，如圖2中的B邊； ③板架普通邊，這類邊既不是板架邊界，又沒有記錄特殊屬性，因此將其定義為板架普通邊，如圖2中的A邊。基于圖1邊的數據結構，相對于板架普通邊，板架邊界邊只能找到一個內環，而沒有外環，即由板架邊界邊只能找到一個面；而板架普通邊，既存在內環，又存在外環，因此通過板架普通邊可以找到兩個面。需要說明的是，船舶上的板架，若存在開孔結構，如圖2中的E表示開孔，此時，通過孔的邊也只能找到一個面，因此將孔的邊也作為板架邊界邊對待[13]。

圖2 板架邊的三種情形Fig.2 Three kinds of edges on plate

船舶板區域識別的總體流程如下： ①步驟1：建立船舶板區域相關的數據結構，首先定義板縫，使用板縫將需要進行板區域識別的板架切割，保證一個面只屬于一個板區域，由切割而新形成的邊定義為板縫邊，再建立板縫邊的數據關系，由邊的數據關系建立整個板架上面的分組關系；② 步驟 2：利用建立好的板縫邊的數據關系，定義優先搜索原則，從一個面出發，根據面、環、邊的關系，搜索出同屬于一個分組的面。一次搜索出來的面的分組就是一個板區域，重復進行此過程，直到板架上的所有面都被搜索完，就得到了板架的面分組關系，完成一個板架上的板區域搜索過程。

2 相關的數據結構

2.1 板架面切割

板架在建模過程中只是簡單的通過對板架邊界進行定義，沒有考慮一個板架是由多個板區域組成，因此，必須首先進行板縫定義，使用板縫將一個板架切割為多個板區域，以保證一個面只屬于一個板區域。

使用板縫線切割板架的示意圖見圖 3，圖 3a顯示，在未進行切割之前，板架只有幾個面組成，由于模型中的面過大，一個面可能屬于多個板區域。用板縫線將板架切開之后，如圖3b所示，切割后的每個面只屬于一個板區域。使用板縫對全船所有板架進行切割，保證每個面只屬于一個板架上的一個板區域。

2.2 切割對應關系的建立

板架在切割后，對切割形成的新邊進行特殊標識，以區分不同的板區域，因此，將切割形成的新邊定義為板縫邊。

圖3 板縫切割板架Fig.3 Seam cutting panel

切割對應關系見圖 4。如圖 4a所示，在進行板縫定義之前，對板架上所有的邊做一次屬性記錄，用來標識板架初始邊。進行一次板縫定義之后，這些初始邊仍然具有初始定義的屬性。即使初始邊被打斷形成多段邊，這些被打斷形成的邊會繼承原有的屬性。只有新生成的邊如圖4b中的新邊，沒有初始邊上的屬性，對于這些邊，認為其是由切割形成的新邊。在這些邊上，記錄上特定的屬性，以標識其為板縫邊。

圖4 切割對應關系Fig.4 Cutting correspondence

2.3 面分組關系建立

利用計算機圖形學中的面、環、邊的關系，在同一個板架上，可以通過任意一個面，根據面的邊，找到其相鄰的面。任意一個面與其相鄰面的關系見圖5。對于任意一個face，可以通過face的環，找到其所有的邊（edge(1)～edge(k)），對于任意一條邊，若不是板架的邊界邊，則可以通過邊的內環與外環關系，找到其相鄰的面，從而找到一個面（face）的所有相鄰的面（face(1)～face(k)）。

圖5 面的相鄰關系Fig.5 Face-to-face relationship

板區域的一組面是由板架邊界、特定屬性邊圍成。在尋找一塊板區域的面時，需要對上述搜索過程進行一些修改。在由面得到其所有的邊之后，需要對邊進行判斷，若該邊是板架邊界邊，或是由2.2過程定義的特定屬性邊，則不進行內環、外環這一搜索過程，這條邊直接跳過，進行下一條邊的判斷、搜索過程。基于特定屬性邊分組的面的相鄰關系見圖6，遍歷圍成 face的邊，若是板架邊界邊如圖 6中的edge(2)，則找不到這樣的face(2)；若是特定屬性邊，雖然存在face(2)，但此時，由于該邊是分組的邊界，因此直接跳過，不向外搜索，直接進行下一條邊的判斷搜索。

圖6 基于特定屬性邊分組的面的相鄰關系Fig.6 Neighboring relationships of faces grouped based on specific attributes

有了上述基于特定屬性邊分組的面的關系，就可以開始一組面的搜索過程了。基于特定屬性邊分組的面的相鄰關系見圖7。為便于表達，圖7中面的左上角f～是人為的對面的編號，沒有其他特殊含義。每個面可能會有以下 3 種狀態：“0”, “1”, “2”，其中狀態“0”是初始狀態，表示此面沒有被搜索過且沒有加入待搜索隊列；狀態“1”表示當前的面已經被加入待搜索隊列中，后續會對此面進行向外搜索，得到與其在同一個區域中的面；狀態“2”表示當前的面已經進行過搜索過程，為結束狀態。對每一個面向外搜索時，搜索與此面的四邊相鄰的面，只將相鄰面中狀態為“0”的面加入到待搜索隊列中，對于狀態為“1”或狀態為“2”的面，不加入待搜索隊列，以避免重復搜索。如圖7a，首先對板架上的所有面進行初始化，所有面上都標記狀態“0”。如圖7b，在板架上任取一個狀態為“0”的面作為種子（seed）面，圖7b中選取的為面f8。如圖7c，從seed面出發，依據圖6所述基于特定屬性邊分組的面的相鄰關系，向外搜索，得到f13, f9, f3,f7這4個面，由于這些面的狀態皆為“0”，因此將其加入到待搜索隊列中，將其狀態改為“1”，同時，由于f8面已進行過搜索過程，因此將其狀態改為“2”。如圖7d，從待搜索的隊列中取出一個面，繼續進行向外搜索的過程。如圖7d中選取到f13面，f13面的4條邊總，有3條邊有鄰面，分別為f8, f12, f14，第4邊為板架邊界邊，因此此邊跳過，同時，f8的狀態為“2”，因此不加入待搜索隊列中，f12, f14的狀態為“0”，因此將其加入待搜索隊列中，將其狀態改為“1”，同時將f13的狀態改為“2”。如圖7e，接下來從待搜索隊列中取出f9面進行向外搜索的過程。f9面只有3個相鄰面：f8, f14, f4，其中f8狀態為“2”，f14狀態為“1”，僅f4狀態為“0”，因此，將f4加入待搜索隊列中，將其狀態改為“1”，同時將f9狀態改為“2”。如圖7f，對f3進行向外搜索過程。與f9類似，搜索到f2面，將其加入待搜索隊列中，更改對應的狀態。如圖7g，接下來對f7面進行向外搜索，f7面相鄰的面有f2, f6, f8, f12，然而，f7與f6面的公共邊標記了特殊的屬性，依據圖6中的分組原則，對于特定義屬性邊，不進行向外搜索過程，因此f6面不會被搜索，而f2, f8, f12面狀態都不為“0”，因此直接將f7面的狀態改為“2”。如圖7f—7k，接下來對f12, f14, f4, f2的搜索過程與f7搜索類似，最終得到的結果見圖7k，此時，待搜索隊列已空，搜索過的這些面的狀態都變為“2”。搜索到的這一組面就是一個面區域，至此，面的分組關系得到了建立。

圖7 面的分組關系建立過程Fig.7 Process of establishing face group relationship

3 船舶板區域識別算法流程

3.1 算法流程

根據建立好的板架面的分組關系，定義如下優先搜索算法，對全船所有板架上的面進行分組（vF為板架上的所有的Face集合，FG為由一個種子面出發搜索到的一個面分組，vFG為一個板架上搜索到的所有板區域的集合，FState記錄面的狀態，分別有“0”,“1”, “2”這3種狀態，qF維護待搜索面的序列，狀態為“1”的面都將被加入到qF中）。

步驟1：建立板架上面的相鄰關系，定義板縫，使用板縫切割板架，在新形成的板縫邊上標識特定的屬性，將一個板架上的所有的面存入vF中，標識vF中的所有的Face狀態為“0”。

步驟2：從vF中任取一個狀態為“0”的Face作為種子（seed）面，若找不到這樣的Face，說明已經搜索完畢，結束這個板架的搜索過程。若找到一個這樣的Face，則進入步驟3。

步驟3：將當前seed加入qF中，并更改其狀態為狀態“1”。

步驟4：判斷qF是否為空，若qF非空，則取出qF中最前面的Face，將此Face加入到FG中，通過此Face，向外搜索，若此Face的邊為板架邊界邊或特定屬性邊，則跳過，否則得到其相鄰的Face，檢測相鄰 Face狀態，若為狀態“0”，則將其加入 qF中；若相鄰Face狀態為“1”或“2”，則跳過。若qF為空，則說明由步驟3中的seed開始的一次向外搜索的過程已經結束。同屬于一個分組的 Face已經加入到一個FG中。FG中存儲的就是一個板區域的所有Face，此時將FG加入到vFG中去，vFG中就存儲了板架上的一個板區域的所有Face。

步驟5：重復進行以上步驟2～4的過程，直到在步驟2中，找不到一個被標識為狀態“0”的Face停止，此時，vF中的所有 Face都標識為狀態“2”，表示當前板架上的面都被搜索完成，并已被分配進各自的分組中。vFG中存儲的就是這個板架上的所有的板區域分組。

經過上述優先搜索過程，所有板架上的面都被分進各自的板區域分組中，從而實現了板區域識別的目的。

3.2 應用實例

在NX11.0平臺上，使用C++語言對上述板區域識別算法進行開發，并使用實船模型進行測試，結果顯示，上述算法能夠快速，準確地進行船舶板區域識別[14]。

使用 318000散貨船進行測試的過程見圖 8。模型的建模公差為2.0 mm（NX11.0可通過設置系統公差的方法設置），使用的計算機主要參數配置為：Inter(R)Core(TM)i5 760 CPU,16 GB內存[15]。定義板縫線過程見圖 8a，其中使用甲板作為測試對象，在甲板上適當位置建立板縫理論線，為下一步切割做準備。圖8b所示為使用圖8a中定義的板縫線對甲板進行切割，圖8b中藍色高亮顯示的邊即是板縫邊。切割后，在這些新形成的板縫邊上寫上特殊屬性“Profile System”，用以標識這些新形成的邊，這些寫上特殊屬性的邊及板架自由邊共同構成了板架面分組的邊界。運用建立好的切割對應關系及分組關系，在甲板上查找板區域分組的過程見圖 8c。使用此模型進行查找，在甲板上共查找到186個板區域，耗時833 ms，平均每個板區域的查找時間不到4.5 ms。在軟件實際應用過程中也得到了驗證，使用該算法在板架上對板區域進行實時查找，具有很低的時間復雜度，查找的準確度也非常之高。

圖8 318 000散貨船板識別過程Fig.8 Identification process of bulk carrier 318000

4 結語

提出了一種基于 NX平臺的船舶板區域識別算法，該算法使用特定屬性邊及板架邊界邊對板架上的面分組，通過實時查找面分組，達到識別板區域的目的。基于NX11.0平臺，使用C++語言對此算法進行開發，并使用實船模型進行測試。結果表明，該算法能夠快速、準確地識別出船舶板區域，有效提高了船舶板區域識別、板區域屬性定義的效率。對于建模精度較高的船舶模型，在甲板、外殼、船首、船尾等結構復雜的板架上也能保持很高的識別效率和準確度。而對于建模精度較差的模型，或者是由第三方平臺導入的模型，由于建模公差較大，特定屬性邊建立時可能會出現沒有完全切割到邊的情況，這對板架面相鄰關系的建立有一定影響，也就可能會導致后續識別不準的問題，因此，在大的建模公差下，如何提高算法的識別準確率是下一步研究的重點。