基于知識工程的船舶機(jī)艙設(shè)備三維布局設(shè)計(jì)

王運(yùn)龍， 姜云博， 管 官， 邢佳鵬， 于光亮

(大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

布局類設(shè)計(jì)問題由來已久，很多學(xué)者對此類問題開展了研究，如車間布局[1]、潛艇布局[2]、家具布局[3]以及車輛設(shè)計(jì)[4]等.船舶類布局問題屬于有限空間多目標(biāo)布局優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，對于船舶管路[5]、船舶艙室[6]及錨泊系統(tǒng)布局[7]問題都有很多研究和探索.由于船舶機(jī)艙設(shè)備布局的重要性，很多學(xué)者對該問題進(jìn)行了深入研究，所用的方法也多種多樣，包括建立船舶專家系統(tǒng)[8]、工程軟件虛擬仿真及船舶布局優(yōu)化算法[9]等.在以往的船舶機(jī)艙布局優(yōu)化問題探究中，所研究對象多為小型船舶或者機(jī)艙某特定部分的布局，尤其以二維平面布局[10]較多，針對船舶機(jī)艙總體三維布局的研究比較少.

本文基于知識工程(Knowledge Based Engineering, KBE)思想對船舶機(jī)艙設(shè)備三維布局問題開展相關(guān)研究.分析當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)，確定CATIA軟件和知識工程為本文布局思想.將知識獲取、知識表示、知識推理這3步作為本文的主要流程，并為每一個(gè)流程針對船舶機(jī)艙布局問題選擇恰當(dāng)?shù)慕鉀Q方案：建立船舶機(jī)艙分類規(guī)則以提高知識獲取效率；建立設(shè)備虛擬面積增加規(guī)則來控制設(shè)備間距；運(yùn)用參數(shù)化裝配完成知識推理.對生成的布局方案建立了橫傾力矩、干涉檢查及逃生時(shí)間3項(xiàng)專家校驗(yàn)規(guī)則.最終，通過對一艘多用途載貨船舶進(jìn)行基于知識工程的機(jī)艙三維布局設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了知識工程思想在機(jī)艙布局優(yōu)化問題上的可行性和有效性.

1 知識工程簡介

知識工程的基本思想是在工程設(shè)計(jì)當(dāng)中重新運(yùn)用已有的知識和經(jīng)驗(yàn)[11].隨著科技的飛速發(fā)展，知識工程思想理論逐漸被全世界各個(gè)領(lǐng)域的研究人員實(shí)際應(yīng)用起來，并且取得很多有意義的成果.知識工程的核心是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)把錯(cuò)綜復(fù)雜的學(xué)科知識、專家經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)規(guī)律及相關(guān)文獻(xiàn)資料構(gòu)成知識庫，并通過合理的知識表示和知識推理方法，將知識轉(zhuǎn)化成為實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)[12].它提供了一套解決方案，允許用戶將工程學(xué)的知識運(yùn)用到設(shè)計(jì)之中，充分利用工程學(xué)知識減少錯(cuò)誤或進(jìn)行自動設(shè)計(jì)，從而獲得最大生產(chǎn)率，具有很高的先進(jìn)性.

知識工程是對本領(lǐng)域?qū)＜抑R的集成、創(chuàng)新和管理，利用人工智能和計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)相結(jié)合，建立表示和處理知識的產(chǎn)品模型，并通過知識的驅(qū)動和繁衍，對某一工程問題提供最優(yōu)的解決方案.采用該方法可以很好地避免一些重復(fù)性的工作，很大程度上減少設(shè)計(jì)時(shí)間，縮短工程周期，使工程設(shè)計(jì)人員能夠集中精力做其他創(chuàng)新性工作[13].知識工程還能把工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和長期積累的成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)融入到新的工程作業(yè)當(dāng)中，大大減少了不必要的錯(cuò)誤.這些特性也使得企業(yè)的知識得以保存，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的自動化.知識工程是通常是由知識獲取、知識表示以及知識推理組成，除此之外還有知識篩選、知識管理等.知識工程流程如圖1所示.

圖1 知識工程流程圖Fig.1 Flow chart of knowledge based engineering

針對船舶機(jī)艙布局設(shè)計(jì)問題的特點(diǎn)，結(jié)合知識工程的基本流程，可以總結(jié)出基于知識工程的船舶機(jī)艙三維布局設(shè)計(jì)流程，如圖2所示.

圖2 基于知識工程的船舶機(jī)艙三維布局設(shè)計(jì)流程圖Fig.2 Flow chart of 3D layout design of ship engine room based on knowledge engineering

2 機(jī)艙三維布局知識獲取

船舶機(jī)艙布局知識獲取主要是指將船舶機(jī)艙布局的相關(guān)知識從外部知識源當(dāng)中獲取并且轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的計(jì)算機(jī)知識，最終儲存到知識庫當(dāng)中.這些知識的來源包含船舶設(shè)計(jì)相關(guān)的規(guī)范、法規(guī)、公約、船舶設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)知識和經(jīng)驗(yàn)及船舶與海洋工程類教學(xué)書籍，有時(shí)還要考慮船舶設(shè)計(jì)企業(yè)內(nèi)相關(guān)規(guī)范要求等.

2.1 設(shè)備布局知識

首先需要獲取的是機(jī)艙設(shè)備布局的基本原則、國際規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)習(xí)慣，主要的知識來源于對該類船舶設(shè)備布置圖紙資料的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，資料參考了當(dāng)前我國船級社的鋼質(zhì)海船入級規(guī)范2018綜合文本[14]以及國際慣例，還有一些船舶企業(yè)內(nèi)部的設(shè)計(jì)規(guī)范資料，將機(jī)艙內(nèi)的主要設(shè)備進(jìn)行分條總結(jié)，并且在最后歸總至數(shù)據(jù)庫表格中.本文將基于一條多用途載貨船舶進(jìn)行機(jī)艙布局的應(yīng)用，該多用途船的主要尺度和參數(shù)如表1所示.多用途船采用中后機(jī)艙形式，機(jī)艙長度為42 m，最大寬度為27.8 m，將機(jī)艙內(nèi)的主要設(shè)備進(jìn)行分條總結(jié)為下文的知識表示做好準(zhǔn)備，如表2所示.

表1 多用途船主要尺度和參數(shù)

表2 機(jī)艙設(shè)備布局知識總結(jié)Tab.2 Summary of knowledge of cabin equipment layout

2.2 設(shè)備分類知識

針對基于知識工程的船舶機(jī)艙布局設(shè)計(jì)，通過分析總結(jié)建立了一套船舶機(jī)艙設(shè)備分類規(guī)則，將待布置的機(jī)艙設(shè)備按照重要性和布置甲板平臺進(jìn)行分類，并且賦予相應(yīng)權(quán)重.將每個(gè)設(shè)備賦予設(shè)備類別權(quán)重ωCategory和層數(shù)權(quán)重ωLayer需要根據(jù)設(shè)備的功能和體積，對整個(gè)機(jī)艙布局的影響大小綜合考慮分類設(shè)定ωCategory.設(shè)備對整船的推進(jìn)性能和安全性等影響大，設(shè)備的體積大、對整個(gè)機(jī)艙布局影響大，則該類設(shè)備賦予較大的權(quán)重，反之則賦予較小的權(quán)重.對于層數(shù)權(quán)重一般按照底層權(quán)重大于高層的原則，結(jié)合不同船型的具體需求賦予權(quán)重值ωLayer.設(shè)備的權(quán)重ω=ωCategoryωLayer.按照綜合權(quán)重計(jì)算后的大小順序生成設(shè)備布置順序，為下文知識表示做準(zhǔn)備.以本文選取的多用途船為例，經(jīng)過不斷的試驗(yàn)，最終將設(shè)備分為A、B、C三類，設(shè)置三類設(shè)備類別的權(quán)重分別為ωA=0.9，ωB=0.7，ωC=0.3，設(shè)備布置甲板平臺權(quán)重分別為：底層甲板ωF=0.8、下平臺甲板ωL=0.4、上平臺甲板ωU=0.6.機(jī)艙設(shè)備分類知識獲取經(jīng)過整理和權(quán)重計(jì)算列出，如表3所示.

表3 船舶機(jī)艙設(shè)備分類知識Tab.3 Classification knowledge of ship engine room equipment

由于會遇到權(quán)重相同的情況，一些輔助設(shè)備的布局則是根據(jù)其附屬屬性來進(jìn)行排序，比如與主機(jī)相關(guān)的供油單元優(yōu)先布置，隨后布置與發(fā)電機(jī)組有關(guān)的柴油機(jī)冷卻機(jī)組，然后是與鍋爐有關(guān)的熱井，最后按照設(shè)備體積從大到小的原則進(jìn)行布置.

2.3 設(shè)備物理屬性

需要獲取的待布置設(shè)備主要的物理屬性為各種設(shè)備在長(a)、寬(b)、高(h) 3個(gè)方向的最大值，由于在知識推理階段還需要計(jì)算船舶的總體力矩等內(nèi)容，故還需增加獲取各種設(shè)備的質(zhì)量參數(shù)(m).多用途船設(shè)備物理屬性知識總結(jié)如表4所示.

表4 多用途船機(jī)艙設(shè)備物理屬性知識總結(jié)

2.4 設(shè)備布局邊界

船舶機(jī)艙設(shè)備布局的邊界是該類型船舶的機(jī)艙內(nèi)壁以及各油水艙室的外壁.知識獲取來源于對該類型已建船舶分艙的情況和各艙室所占空間大小的經(jīng)驗(yàn)總結(jié).多用途船的機(jī)艙分3層甲板：底層甲板、下平臺甲板及上平臺甲板.分層甲板作為機(jī)艙設(shè)備的上下高度邊界，布置時(shí)不可超出.各層還有許多不可布置設(shè)備的液艙和儲物艙等，這些艙壁也是布局邊界，如圖3所示.

圖3 機(jī)艙布局邊界示意圖Fig.3 Diagram of cabin layout boundary

3 機(jī)艙三維布局知識表示

船舶機(jī)艙三維布局知識表示需要把不同類型的知識通過產(chǎn)生式表達(dá)法和面向?qū)ο蟊磉_(dá)法這兩種知識表示法進(jìn)行表示，為最后的知識推理做準(zhǔn)備.

3.1 產(chǎn)生式表達(dá)法

產(chǎn)生式表達(dá)法的基本形式是If A Then B 結(jié)構(gòu)，A代表設(shè)備名稱；B由兩部分組成，分別是設(shè)備自身的物理屬性和設(shè)備一般位置關(guān)系表述.其中物理屬性分別為設(shè)備長寬高的最大值，一般位置關(guān)系表述為該設(shè)備與某關(guān)系設(shè)備距離或在船長、船寬方向最大活動范圍.由于上一節(jié)獲取到了設(shè)備的所有物理屬性，本節(jié)產(chǎn)生式列表當(dāng)中只列出所有設(shè)備的一般位置關(guān)系表述，如表5所示.表中：xi，yi(i=1，2，…，18)分別為船長、船寬方向位置坐標(biāo)；ai，bi分別為設(shè)備本身的長度和寬度；d為機(jī)艙長度，取值為42 m；w為機(jī)艙寬度，取值為27.8 m.獲取的知識語句當(dāng)中，表述為“遠(yuǎn)離”的值為 3 000，“靠近”值為100.通風(fēng)口位置為(33 000, ±3 650) mm，灰水艙位置為(22 000, 3 000) mm，污水存放艙位置為(18 000, 2 500) mm，柴油存放艙位置為(20 000，-2 750) mm，凈化艙位置為(25 000，-4 000) mm，滑油儲存艙位置為(36 000, 5 500) mm.

表5 設(shè)備產(chǎn)生式列表Tab.5 Equipment production list mm

注：x=11.5 m為機(jī)艙煙囪口位置，y=3.5 m為與某設(shè)備相關(guān)的艙外壁位置，底層甲板兩側(cè)海水艙距離中軸線距離為5.0 m.

3.2 面向?qū)ο蟊磉_(dá)法

所謂“對象”，指的是與機(jī)艙設(shè)備布局有關(guān)的客觀事物，而本文的客觀事物就是實(shí)體的船舶、機(jī)艙、各個(gè)艙室以及機(jī)艙內(nèi)的各種設(shè)備.通過上文獲取到的機(jī)艙物理知識和設(shè)備物理知識，可以很容易地在CATIA軟件中進(jìn)行建模，來完成機(jī)艙布局的知識表示.通過CATIA軟件創(chuàng)成式外型設(shè)計(jì)和自由樣式設(shè)計(jì)兩個(gè)模塊的配合，可以比較順利地完成船體外殼、機(jī)艙外殼及艙室劃分.設(shè)備的物理知識可以通過CATIA軟件的零件設(shè)計(jì)模塊完成.但是機(jī)艙當(dāng)中不同設(shè)備維護(hù)占地各不相同，有必要為所有待布置設(shè)備建立操作維護(hù)空間.針對船舶設(shè)備所需要的操作維護(hù)空間，提出了虛擬面積的概念：機(jī)艙中不同設(shè)備操作維護(hù)占地各不相同，在建立設(shè)備三維模型的基礎(chǔ)上為所有待布置設(shè)備在外圍增設(shè)操作維護(hù)所需面積，即虛擬面積.這樣在知識推理的時(shí)候就會留有足夠的設(shè)備操作維護(hù)空間，對機(jī)艙設(shè)備的維護(hù)、安裝、檢查都提供了極大的便利，并很好地提高了機(jī)艙設(shè)備之間的干涉距離，可極大提高機(jī)艙整體布局效果.通過統(tǒng)計(jì)多條船舶的機(jī)艙布置圖，結(jié)合文獻(xiàn)[14]，可總結(jié)并且制定出一套適用于機(jī)艙設(shè)備布局問題的虛擬面積增加規(guī)則，如表6所示.表中：pi，qi分別為設(shè)備在船長和船寬方向增加的虛擬距離，其數(shù)值可根據(jù)船型、船舶噸位不同進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整.

表6 設(shè)備虛擬面積增加規(guī)則Tab.6 Virtual area increasing rules of equipment mm

根據(jù)上述的規(guī)則和具體表示方法，可以得到機(jī)艙設(shè)備三維布局知識表示結(jié)果，如圖4所示.

圖4 機(jī)艙設(shè)備三維布局知識表示結(jié)果Fig.4 Result of 3D knowledge representation for engine room and equipment

4 機(jī)艙三維布局知識推理

機(jī)艙三維布局知識推理是指通過計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)，依據(jù)相關(guān)推理策略，將表達(dá)出來的知識進(jìn)行知識推理，完成求解.本文將使用CATIA軟件知識工程模塊，將產(chǎn)生式表達(dá)法表示的知識直接進(jìn)行公式輸入，把設(shè)備實(shí)體模型導(dǎo)入完成知識推理.建立專家知識規(guī)則，將布局結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，判斷是否符合規(guī)則和邊界條件，符合則直接輸出推理結(jié)果；如果不符合將會進(jìn)入優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，直到滿足規(guī)則為止.

4.1 CATIA知識推理流程

首先在裝配模塊中將利用面向?qū)ο蟊磉_(dá)法建模完畢的各個(gè)設(shè)備導(dǎo)入CATIA，參數(shù)值有設(shè)備的長、寬、高及質(zhì)量，本文建立了設(shè)備虛擬面積增加規(guī)則，因此設(shè)備的長、寬是經(jīng)過虛擬面積增加規(guī)則計(jì)算之后的值.該數(shù)據(jù)為Excel表格形式，導(dǎo)入方式可以選擇通過設(shè)計(jì)表導(dǎo)入，當(dāng)改變Excel的數(shù)值時(shí)CATIA當(dāng)中的參數(shù)會同步改變.然后將設(shè)備的物理屬性參數(shù)和產(chǎn)生式表達(dá)法的產(chǎn)生規(guī)則通過Excel表格導(dǎo)入到CATIA知識工程模塊當(dāng)中.

所有參數(shù)導(dǎo)入完畢后，需對所有的設(shè)備進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)，將參數(shù)和設(shè)備構(gòu)成函數(shù)關(guān)系，進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)參數(shù)的改變來改變整體的裝配效果.本文主要使用的是偏移約束，通過將參數(shù)與偏移約束的值進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而形成一系列公式，達(dá)到參數(shù)化裝配的目的.CATIA軟件中參數(shù)和公式如圖5所示.

圖5 CATIA軟件中機(jī)艙布局參數(shù)和公式表達(dá)Fig.5 Parameters and formulas for engine room in CATIA software

所有的約束關(guān)系都按照產(chǎn)生式的規(guī)則約束成功并且激活完畢之后，即可產(chǎn)生船舶機(jī)艙三維布局知識推理結(jié)果，如圖6所示.

圖6 船舶機(jī)艙三維布局知識推理結(jié)果Fig.6 Knowledge reasoning results of 3D layout of ship engine room

4.2 CATIA軟件知識推理專家校驗(yàn)

在CATIA軟件知識工程模塊中，用戶可以檢查編輯器來創(chuàng)建檢查規(guī)則，用于檢查允許指定的某些信息的有效性，如果不滿足相關(guān)的檢查條件，那么會給出一個(gè)信號，這個(gè)信號可以以彈出窗口或者警告信息的形式來體現(xiàn)，此功能在實(shí)際工程當(dāng)中非常有效.本文建立的校驗(yàn)系統(tǒng)主要有3條規(guī)則和要求.

(1) 船舶橫傾力矩.為了使船舶在航行和停泊期間保持正浮穩(wěn)性，保證船舶不發(fā)生傾覆，同時(shí)也為了保證各層平臺的強(qiáng)度，每層機(jī)艙甲板的設(shè)備布置完成后應(yīng)滿足船舶實(shí)際橫傾力矩小于船舶的傾覆力矩，且船舶實(shí)際橫傾力矩越小越好.查詢相關(guān)設(shè)計(jì)資料和利用相關(guān)穩(wěn)性公式計(jì)算可以得到，在多用途船舶最大橫傾角度為30° 時(shí)，該船舶的復(fù)原力矩M約為 34 500 N·m，因此船舶橫傾力矩公式為

(1)

式中：f1為船舶橫傾力矩函數(shù)；g為重力加速度.

(2) 設(shè)備間、設(shè)備與艙壁之間干涉檢查.設(shè)備間不互相干涉說明設(shè)備坐標(biāo)之間的距離要大于兩設(shè)備大小的半寬之和或半長之和.此處的半寬或半長是指已經(jīng)增加了虛擬面積之后的長度值.除此之外設(shè)備間或者設(shè)備與艙壁之間互不干涉也可以在CATIA軟件知識工程當(dāng)中進(jìn)行設(shè)置碰撞校驗(yàn)設(shè)置：

(2)

式中：f2為干涉檢查函數(shù)；A、B分別為設(shè)備增加虛擬面積之后的長度和寬度；α、β代表進(jìn)行干涉檢查的兩個(gè)設(shè)備.

在CATIA軟件知識工程模塊中可以直接采用碰撞校驗(yàn)功能，選擇分析功能中的檢查碰撞，類型選擇在所有部件之間，點(diǎn)擊確定并且應(yīng)用即可查看所有設(shè)備之間的碰撞情況.最終，在碰撞矩陣當(dāng)中發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備均無碰撞現(xiàn)象.

(3) 設(shè)備到逃生口時(shí)間.船舶機(jī)艙在設(shè)計(jì)的時(shí)候會設(shè)置若干個(gè)供船舶輪機(jī)人員逃生的出口，一旦在機(jī)艙遇到緊急狀況，所在機(jī)艙人員需要迅速到達(dá)預(yù)定的逃生出口，保證人員的生命安全.根據(jù)資料設(shè)定人在機(jī)艙內(nèi)的逃生速度v=1 200 mm/s，多用途船逃生出口設(shè)有兩處，位置分別為P1(34 000, 5 000) mm，P2(34 000，-5 000) mm.參考相關(guān)規(guī)范，設(shè)定所有設(shè)備到其中任意一個(gè)逃生出口的時(shí)間不能大于30 s，校驗(yàn)公式如下所示.

(3)

式中：f3為設(shè)備到逃生口的時(shí)間函數(shù)；E為任意一個(gè)設(shè)備的坐標(biāo)；P為逃生口坐標(biāo).

系統(tǒng)經(jīng)過判斷之后會進(jìn)行反饋，如果符合規(guī)則系統(tǒng)會在左側(cè)特征樹當(dāng)中會出現(xiàn)綠燈；如果不符合規(guī)則系統(tǒng)會在特征樹當(dāng)中出現(xiàn)紅燈，并且彈出警告語句.如某設(shè)備的逃生時(shí)間不滿足要求，該檢查就會變?yōu)榧t燈，同時(shí)彈出如圖7所示的警告.

圖7 檢查錯(cuò)誤信息Fig.7 Message of error checking

通過上述專家規(guī)則的校驗(yàn)，所有規(guī)則檢查都顯示為綠燈，可以判斷出所生成的機(jī)艙設(shè)備布局滿足專家經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)規(guī)范要求.通過建立的船舶機(jī)艙設(shè)備分類規(guī)則和設(shè)備虛擬面積增加規(guī)則，在有效提高機(jī)艙設(shè)備知識獲取和表示效率的基礎(chǔ)上，運(yùn)用CATIA知識工程模塊完成知識導(dǎo)入，建立各自函數(shù)關(guān)系，完成了機(jī)艙三維布局的知識推理，獲得布局設(shè)計(jì)方案.最后建立多條專家規(guī)則，實(shí)施并通過專家校驗(yàn)，驗(yàn)證了所生成機(jī)艙設(shè)備布局方案的可行性和合理性.

5 結(jié)語

通過基于知識工程的船舶機(jī)艙設(shè)備三維布局設(shè)計(jì)方法對一艘多用途船舶進(jìn)行了實(shí)際機(jī)艙布局設(shè)計(jì)研究.首先，針對船舶機(jī)艙設(shè)備布局的相關(guān)知識做了全面的知識獲取工作，匯總成為設(shè)備知識經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，創(chuàng)建了一套設(shè)備分類規(guī)則，為每個(gè)設(shè)備賦予兩套權(quán)重，通過計(jì)算得到設(shè)備布局順序.其次，通過產(chǎn)生式表達(dá)法和面向?qū)ο蟊磉_(dá)法對上述知識進(jìn)行了表示，建立了機(jī)艙設(shè)備知識產(chǎn)生方式，為每一個(gè)設(shè)備都設(shè)定產(chǎn)生規(guī)則.隨后，提出了虛擬面積的概念，創(chuàng)建了一套機(jī)艙設(shè)備虛擬面積增加規(guī)則，為每個(gè)設(shè)備都增加了操作維護(hù)空間，并利用CATIA知識工程模塊完成了船舶機(jī)艙的知識推理和方案三維表達(dá).最后，創(chuàng)建了船舶機(jī)艙設(shè)備布局知識檢查功能，完成了專家校驗(yàn)，結(jié)果符合預(yù)期，驗(yàn)證了知識工程思想在船舶機(jī)艙三維布局設(shè)計(jì)中的可行性和有效性.