基于知識驅動的船舶設備基座參數化設計方法

雷洪濤，單小芬，諸周亮

(江南造船（集團）有限責任公司 江南研究院，上海 201913)

0 前 言

隨著數字化設計技術的飛速發展，參數化建模技術已成為全球最為普遍的應用技術之一，已在航天、汽車等行業得到廣泛的研究和應用，船舶行業由于其多樣性和復雜性，對該方面研究較少[1-2]。雖然已經取得了部分成果，但仍存在對數字化設計知識管理重視不足、三維建模不充分、零件參數化程度底、產品模型可重用性差等問題。在船舶數字化設計過程中，往往存在對已有模型進行重用的情況，特別是一些模型存在既定的規范或設計標準的情況下，新創建的模型往往只需要更改部分參數或提供某些新的參數[3-4]。在此條件下，若能實現基于知識驅動的參數化模型創建，將極大地提高設計效率和設計的準確性。

針對上述問題，本文通過對船舶設備基座的研究，提出基于知識驅動的設備基座參數化建模方法，將知識工程技術與參數化建模技術相結合，從而實現設計過程的自動化、設計內容的模板化，進而實現基座設計的高效性、精準性。

1 知識工程及參數化設計概述

知識工程（簡稱KBE）是以知識信息為研究對象的新興學科，通過相應的知識系統，實現知識的表達、獲取以及重用的技術和方法，主要用于人工智能、專家系統等領域[5-9]。基于知識工程的三維設計技術主要是將產品研發過程中涉及到的標準、經驗、設計實例等以知識庫形式集成起來，用以實現產品開發相關問題的自動求解，是構成智能化設計的基礎[10]。

參數化設計技術主要指將數字化模型的幾何約束、尺寸約束等信息通過參數相互關聯和約束控制，并將必要參數進行提取，在建模設計過程中只需修改提取的參數，即可達到數字化模型快速創建的目的[11-13]。船舶設備基座具有結構形式固定、相似性強的特點，可通過參數化建模的方式實現基座的快速設計，但僅憑參數化建模方法難以滿足復雜基座結構的特征控制，多參數協調也只能通過人工干預的方式進行判斷。

知識工程相關技術的引入，可有效改善參數化建模存在的不足，不僅可實現多參數之間的相互關聯，減少單一參數驅動產生的不便，還可方便地對模型全局特征進行控制，同時也可通過知識工程方法對參數進行參數驗證，減少參數的輸入錯誤[14]。從而解除工程師在設計過程中大量的查閱量和計算量，極大地提高了設計效率。

2 設計方法實現原理

本文研究的基于知識工程的船舶設備基座參數化設計方法，將知識工程技術與參數化建模技術進行融合，進而達到設計過程的自動化、設計內容的模板化的目標。該方法首先分析船舶設備基座的模型特性，根據模型特征、參數化設計流程等明確基座設計要素；然后構建基座設計所需的設計知識庫，知識庫重點包含結構化設計知識規則、模板化基座零部件模型等；最后研究基于知識驅動的基座參數化設計，通過知識工程技術獲取所需的模型參數和知識規則，基于參數化建模方法實現目標模型的快速生成，達到基座模型快速設計與創建的目的。

2.1 船舶設備基座模型特征分析

船舶產品由于其結構的復雜性，需安裝大量的設備，基座結構樣式和安裝形式也根據設備安裝的需求而變化。本文通過對船舶典型基座特性要素進行梳理和分析，明確基座設計分類依據和設計要求，提煉設計所需的結構化、條目化知識規則，以及各類基座結構特性，為基座知識庫構建提供依據。通過梳理分析，按照基座安裝形式進行分類，常用船舶設備基座類型形式如表1所示。

表1 常用船舶設備基座形式分類Tab. 1 Classification of common types of ship equipment pedestal

在基座數字化設計過程中，需充分考慮基座的設計樣式、力學性能、安裝位置、注意事項、材料選用等信息，從而來確定大部分船用基座的最優形式。以高平面基座設計為例，在基座設計過程中，設計樣式上支撐腳數應大于4，且支撐腳間應用角鋼相連接，保證支撐腳可以產生最大的穩性，如圖1所示。力學性能方面，在設計過程中需滿足結構強度要求，防止變形過大或結構破壞的情況發生；安裝位置方面，一定要以船體上確定的平臺或甲板作為安裝平面，切勿選擇花鋼板、格柵等不確定的結構為定位和安裝面；材料選用方面，一般的高平面基座選用角鋼材料為主，且面板、腹板寬度一般不超過100 mm，但是如果有特殊要求的可以采用圓管、板材拼接，但需注意強度要求。其他注意事項方面，基座設計需避免與其他專業產生干涉，高平面基座設計需充分考慮型材結構與管路布置的空間利用，避免干涉產生。

圖1 高平面基座結構形式Fig. 1 Structural form of high plane pedestal

2.2 船舶設備基座知識庫建立

知識工程技術的應用離不開知識庫的底層服務支持，若實現基于知識工程的船舶設備基座參數化設計，首先要構建基座知識庫。將知識庫中的各類知識進行歸納、分類、整理，形成知識單元，并以計算機易于讀取和識別的邏輯表示方式進行知識的存儲。本文研究的船舶設備基座知識庫的核心結構主要為知識規則庫和參數化模型庫兩部分，知識庫結構如圖2所示。

圖2 船舶設備基座設計知識庫結構Fig. 2 Knowledge base structure of ship equipment pedestal design

基座的模型庫主要指根據基座分類規則，創建不同類型的基座參數化知識模型，并將該知識模型作為模型庫知識單元。知識模型在創建過程中對基座的結構特征進行規劃，通過參數化建模技術實現參數驅動基座模型的建立，知識模型可以通過參數、公式、規則等知識工程對象及各種對象的組合進行表達。模型庫中的模型同時內嵌規則庫中的設計標準、尺寸約束及結構外形特征規則從而實現知識驅動生成模型。

基座的規則庫主要指設計規范、設計標準、設計經驗、設計實例等知識的集合。設備基座的參數化設計過程中，涉及大量的信息和數據，因此需要建立規則庫來存儲知識規則。知識規則庫的創建，主要是把設計過程中所涉及到的知識進行收集和整理，并按照一定的格式進行存儲，形成解決設計問題的約束準則，達到滿足設計過程中按需調用的需求。

2.3 基于知識驅動的基座參數化設計

基于知識驅動的船舶設備基座設計方法，主要通過知識工程技術獲取基座設計所需的特征模型和參數，再通過知識的推理和重用技術，實現基座設計規則的表達，達到通過知識驅動模型創建的目的。所涉及到的推理主要是指，按照單一典型的規則，推理出包含該規則的某一類推理過程。目前，知識工程領域應用最為廣泛的3種推理方式包括：基于規則的推理（RBR）、基于實例的推理（CBR），以及基于模型的推理（MBR）[15]。

本文研究的基于知識驅動的船舶設備基座參數化設計技術方法所用到的推理技術融合了基于規則的推理和基于實例的推理，從而達到推理結構更為精準的效果。首先，采用基于實例的推理方式，基于知識工程的模板匹配技術，調用知識模板庫中的模板知識模型，實現目標模型的重用；再通過基于規則的推理方式，調用存放在規則庫中知識規則，從而獲取基座創建所需的各項約束參數和關系，并將參數和關系式傳遞至基座幾何模型，實現模型的快速生成。通過利用2種推理方式的結合，不僅可實現模型和知識的重用，還可準確快速地定位到所需知識，從而達到基于知識驅動的基座快速設計的目的。基于知識驅動的船舶設備基座參數化建模原理框架如圖3所示。

圖3 基于知識工程的參數化設計構架示意圖Fig. 3 Schematic diagram of parametric design based on knowledge engineering

基于知識驅動的基座參數化建模設計方法，不僅實現設計過程的自動化，同時也實現設計內容的模板化。在基座模型的創建過程中，將設計過程分為若干傳承有序、相互制約、相互關聯的設計模塊，并將各類設計知識進行封裝，通過模板定義實現在設計過程所需知識的快速推送。同時，基于規則的推理方式還可驗證輸入參數的準確性，在參數化設計過程中，若設計人員輸入錯的參數或輸入內容與建模規則產生沖突，可立即反饋修正信息，輔助設計人員修正設計。

2.4 設計方法系統功能實現

采用本文的船舶設備基座設計方法，參考參數化建模技術、特征建模技術、知識工程技術及CAD二次開發技術，可開發基于知識驅動的船舶設備基座參數化設計系統。該系統功能不僅可實現基座標準化、自動化設計，同時支持對知識庫的可視化維護和管理、設計知識的檢索與推送功能。設計人員只需在設計平臺二次開發的人機交互界面輸入基座類型、基座參數、約束條件等信息，系統自動完成設備基座的三維模型布置和設計，設計過程中還可實現相關設計知識的推送，輔助設計人員快速完成設計內容。

系統功能實現框架如圖4所示，該快速設計系統主要基于CAD設計平臺進行二次開發實現，通過面向對象、模塊化、交互式的人機交互開發界面為設計人員提供設計交互手段。建模設計過程中，開發程序與知識庫進行實時交互，系統自動完成知識的獲取、模板調用、零件重組、參數化驅動等過程，最終完成基座模型的創建。該設計系統可將研究的基座參數化設計方法實現落地應用，達到設計流程標準化、設計過程自動化、設計內容模板化的目的。

圖4 基座快速設計系統功能整體框架Fig. 4 Functional framework of pedestal rapid design system

3 結 語

本文以船舶設備基座為研究對象，介紹一種基于知識驅動的船舶設備基座參數化建模設計方法，該方法有效解決了參數化設計靈活度單一的問題，不僅實現了船舶設備基座模型的自動創建，還實現了設計知識的積累與重用。有效提高了設計質量和設計效率，降低人工設計差錯。該方法同時對船舶數字化設計研究具有一定的理論指導意義。