船體設繪規則在外板形面測量中的應用研究

摘" " 要：本文針對國內各船廠在船舶建造中船體外板成型加工后的數字化形面測量尚不成熟、相關軟件如何應用船體設繪規則沒有統一的規范以及影響船體外板成型測量軟硬件設備等數字化造船技術應用推廣的問題，在調研船體設繪相關國家標準、行業規范和船廠實際需求的基礎上，對適合船舶外板形面測量軟件的編號規則、坐標系、型線表示等方面進行了研究，提出了一套適應需求的應用方案，報告了軟件實施的關鍵步驟和結果。相關方案已成功應用于開發的船舶外板成型測量軟件中，并得到了船廠應用單位的肯定。

關鍵詞：外板成型；形面測量；船體設繪；數字化測量

中圖分類號：U671.99 " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Application of Hull Drawing Rules in Ship Shell

Plate Surface Measurement

WANG Yinghua1，" LU Wei2，" ZHAI Yayu1

（ 1. China Institute of Marine Technology and Economy，" Beijing 100081，" China; 2. Marine Design and Research Institute of China，" Shanghai 200011，" China ）

Abstract： This article addresses the issue that there’s yet no mature approach for digitalized measurement of formed ship hull plates at various domestic shipyards， and no clear consensus about how to apply ship hull drawing rules in plate measurement software， which affects the promotion of digital shipbuilding technologies relating to digital hull plate measuring equipment. Based on the investigation of national standards， industry norms in ship hull design， and shipyard needs， research has been conducted on the numbering rules， coordinate systems， and profile representation suitable for hull plate measurement software. A set of application solutions that meet the requirements has been proposed， and the key steps and results of software implementation have been reported. The relevant solutions have been successfully applied in developed hull plate measurement software and recognized by shipyards in which the software has been tested.

Key words： hull plate forming;" surface measurement;" hull drawing;" digital measurement

1" " "引言

船體外板是基于流體力學、結構力學設計等工程技術設計的三維曲面，一般用一定厚度的鋼板加工而成。外板的成型加工精度決定了整船的設計性能。外板形面測量是檢驗外板加工精度、提高船舶建造水平的重要手段。使用數字化外板形面測量設備開展外板形面測量，具有測量精度高、速度快、可代替或減少樣板或樣箱等突出優點，得到了船舶科研和生產單位的重視和研究應用。在數字化外板形面測量中，如何將船體設計部門設計的外板模型數據庫與實際測量的外板形面匹配并用于現場工人的外板加工作業、質檢人員的加工精度檢查是一個重要的問題。

數字化外板形面測量所使用的坐標系統、編號方式、顯示方式等，既要做到符合船舶設計部門和外板加工部門的相關規范和習慣，也要結合相關的國家標準、船級社技術指南和相關團體標準等。目前，與船體設繪規則相關的國家標準主要有《GB/T 23297-2009 造船 船體型線 幾何數據的標識》[1]等。GB/T 23297-2009只規定了船體制圖時的坐標系統和單位，對計算機軟件中三維模型的呈現沒有提及。中國船級社的《船舶數字化檢驗數據交換技術指南》則建議了船舶絕對位置和通用位置的代碼[2]，但其規定的數據格式用船體設計軟件導出外板控制點時很難自動生成，需要二次開發。由中國造船工程學會編制的團體標準《海工船船體生產設計圖紙設繪規則》對船體組立視圖、零件代碼等進行了較詳細的規定[3]，但該標準只規定了海洋工程船及結構平臺船體生產設計圖紙的設繪規則，不具有廣泛的代表性和約束力。因此，綜合來看，目前沒有統一、規范的應用于數字化外板形面測量的船體設繪規則。

本文開發了一套船舶外板成型測量軟件，能夠對加工成型的外板進行數字化測量，形成外板的三維點云圖像，并將外板形面與船體設計部門提供的外板數字模型（即外板加工數據庫）匹配對比，對成型誤差進行直觀的顯示。在軟件開發過程中，針對應用于數字化外板形面測量的船體設繪規則不統一、不規范的問題，本文綜合應用了相關國家標準、行業規范和船廠實際需求，從編號規則、坐標系、型線表示等方面，研發了一套適合數字化船舶外板形面測量的應用程序。

2" " "編號規則

2.1" "船的編號規則

根據中國船級社在《船舶數字化檢驗數據交換技術指南》中的規定，通常船舶ID宜使用IMO編號（國際航行船舶）或船舶統一識別號CMSA ID（中國籍船舶）。但此規定適用于已交付船東的船舶，對于在建船舶，各船廠通常有自己的船號編號規則。如：江南造船的船舶代號格式為####，廣船國際的船舶代號格式為G####，滬東中華和外高橋的船舶代號格式為H####，中遠海運重工的船舶代號格式為N####等。#為遞增的數字代號。在外板加工環節中，船廠均使用的是內部的船號。本軟件僅應用于船體加工流程。考慮到船廠加工環節的實際需求，本文采用船廠設計生產加工中使用的內部船號。

2.2" "外板的編號規則

外板構成船體底部、舭部及舷側的外殼，它由許多塊鋼板拼合焊接而成。因為船體沿肋骨圍長的曲率變化較大，特別是必須滿足船用鋼板的力學屬性，通常要求鋼板的長邊沿船長方向布置，以利于加工成型。外板編號一般由分段號、舷側號、列板號與鋼板序號組成。

分段號的編號規則視船廠而定。一般的慣例是由字母+序號組成，字母代表船體部位，如M（機艙）、A（艉部）、B（底部）、F（艏部）等；也可以是純序號。序號一般從船艉排起。舷側號分為左舷（Port）和右舷（Star board），一般標示為P和S；平板龍骨標示為（K）。列板號中，從平板龍骨（K）開始相鄰列板為A行板，再次的列板為B行板，以此類推，直至舷頂列板為S行板，但I、O、Q不用于列板號；列板號從船尾排起。鋼板序號表示同列板中各張板由尾向首排列的序號。

本文依據船廠加工環節的實際需求，外板編號遵循船廠的分段和外板編號規則。

2.3" "編號的解析和表示

外板的編號通過船廠船體設計軟件導出的文件名中提取。文件名的命名規則為“船號-分段號-板號”。如某外板的導出模型文件名為G 2129-A 011-S34Y.txt，則解析的船號為G 2129，分段號為A 011，外板號為S 34 Y。本文依據船廠的使用習慣和檢索的需要，采用船號-分段號-板號的三級樹狀目錄方式顯示解析的所有外板，如圖1所示。

外板解析后，以JSON格式保存在配置文件中，以便后續加載和檢索。該文件中也保存了鋼板型號、外板長度、外板舷側（左舷或右舷）、鋼板厚度等信息，如圖 2所示。

3" " "坐標系與顯示

3.1" "外板坐標

外板在通過船體設計軟件導出時使用船體坐標。按照國家標準《GB/T 23 297-2009 造船 船體型線幾何數據的標識》的規定，無論是對于民船還是軍船，幾何圖形系統采用右手直角坐標系，坐標系的原點通常定在基線與船艉的艉垂線交點處，X軸向艏為正，Y軸向左舷為正，Z軸向上為正。坐標值的單位使用mm。

在船舶外板成型測量軟件中，外板模型及待測外板的形面數據均使用開源的PCL（Point Cloud Library）[4]控件進行顯示和交互。PCL庫的可視化部分使用了VTK（Visualization Toolkit）庫[5]，并提供了大量對三維點云進行數據濾波、特征提取、配準、識別和分類等方面的算法。而VTK專注于可視化領域，提供了大量的渲染、交互和用戶界面組件。PCL/VTK所使用的也是右手坐標系，默認情況下x軸指向屏幕的右側、y軸指向屏幕的上方、z軸指向屏幕內部。PCL/VTK的坐標是無量綱的數值，軟件中直接使用模型、測量的以mm為單位的坐標值來渲染。

3.2" "外板的顯示

VTK顯示時使用vtk Render Window提供的窗口來顯示渲染后的三維場景。外板模型、點云等幾何數據加載后作為渲染場景的對象（vtkActor），添加到對應的vtkRenderer中轉換為可視化的對象，并根據光照、材質、陰影等屬性進行渲染。另外，VTK中使用vtkCamera來定義觀察角度，使用vtkInteractorStyle來定義交互方式。通過vtkCamera的SetPosition（x，y，z）、SetFocalPoint（x，y，z）、SetViewUp（x，y，z）等方法，可以調整“相機”的角度、焦點、“上”向量等，實現對渲染圖像視角、大小、方向等參數的調整。通過PCL的setupInteractor（）方法，可以將用戶界面的鼠標、鍵盤事件與VTK交互關聯起來，實現場景的旋轉、平移、縮放等操作。

船廠使用船體設計軟件導出的外板模型文件只包含了關鍵控制線（外板輪廓線、肋線、外板表面等分網格線等）上的若干個控制點的坐標。在船舶外板成型測量軟件中，將模型文件的控制點按行列讀入PCL的點云pcl：：PointCloudlt;pcl：：PointXYZgt;進行顯示。外板輪廓線使用VTK的vtkParametricSpline（）函數生成樣條曲線并顯示。讀取模型文件并顯示在三維場景中的流程如圖3所示。

1）首先，軟件讀取模型文件并對文件中包含的控制點信息、外板屬性信息等進行解析，將ASCII格式的控制點xyz坐標解析為double型的數值。此過程出現任何錯誤則提示并中止導入過程。

2）導入成功后，軟件先調用removeAllPointClouds（）和removeAllShapes（）函數及移除之前用于顯示輪廓線的vtkActor對象。

3）接著，軟件使用解析后的模型控制點坐標創建模型點云。點云的行數和列數由模型解析結果得出。

4）然后，使用模型輪廓上的控制點調用vtk的vtkParametricSpline（）函數生成輪廓線并建立相應的vtkActor負責渲染。此時需要將vtkActor的對象指針保存起來，以備后續清除輪廓線。

5）對于外板的渲染來說，外板的原始坐標相對三維空間視圖原點往往過遠，因此必須將相機位置平移到外板附近，方便進行旋轉、縮放等查看操作。在點云對象和輪廓線對象創建后，本文使用PCL的resetCamera（）函數重新計算場景中所有可見Actor對象的包圍盒，根據計算出的包圍盒的中心點和半徑計算出適當的相機設置，調整相機的方向和焦距，使所有物體都能顯示在視野中。

6）最后，根據新的相機設置更新渲染和刷新視圖。

渲染后的外板模型如下圖所示。

使用VTK默認的resetCamera（）函數雖然可以自適應的顯示場景中的所有對象，但視角在每次更新后是不固定的，不利于表達外板的真實形狀。因此，本文中借鑒工程制圖中的正投影概念，設計了將視角切換為正視圖（y軸向屏幕內，z軸向上、x軸向右）、俯視圖（z軸向屏幕內，y軸向上，x軸向右）、左視圖（x軸向屏幕內，z軸向上，y軸向右）的算法。其主要步驟如下：

1）首先，使用PCL工具箱中pcl：：visualization：：PCLVisualizer的getCameras （）函數獲取相機對象cam；

2）從相機cam中獲取當前相機位置cam.pos[3]和焦點對象cam.focal[3]。cam.pos[3]數組包含了當前相機的xyz坐標；cam.focal[3]數組包含當前視場中心的xyz坐標；

3）根據要切換的視圖，使用pcl：：visualization：：PCLVisualizer的setCameraPosition（）函數更改相機位置。

（1）若改為正視圖，令x軸cam.pos[0]=cam.focal[0]，z軸cam.pos[2]=cam.focal[2]，cam.view[2]=1。cam.view[2]=1決定了z方位向上。而y軸方向相機距離焦點的偏移由場景中所有可見Actor對象的包圍盒在y方向上的寬度dy和視場角θfov確定。相機位置的y坐標ypos根據下式計算：

（1）

式中：yfocal為相機焦點的y坐標；dgap為使對象顯示時不緊貼視場邊緣而預留的裕度；VTK中默認視場角θfov=30°。

（2）若改為俯視圖，令x軸cam.pos[0]=cam.focal[0]，y軸cam.pos[1]=cam.focal[1]，cam.view[1]=1。cam.view[1]=1決定了y方位向上。與a類似，相機位置的z坐標zpos根據下式計算：

（2）

式中：zfocal為相機焦點的z坐標；dz為場景中所有可見Actor對象的包圍盒在z方向上的寬度；dgap為使對象顯示時不緊貼視場邊緣而預留的裕度。

（3）若改為左視圖，令y軸cam.pos[1]=cam.focal[1]，z軸cam.pos[2]=cam.focal[2]，cam.view[2]=1。cam.view[2]=1決定了z方位向上。與a類似，相機位置的x坐標xpos根據下式計算：

（3）

式中：xfocal為相機焦點的x坐標；dx為場景中所有可見Actor對象的包圍盒在x方向上的寬度；dgap為使對象顯示時不緊貼視場邊緣而預留的裕度。

4" " "型線的標示

船舶外板的型線包括肋骨型線、高度/水平檢驗線和縱橫接縫線等。在外板加工過程中，常通過檢查各型線的曲度判斷外板的成型程度。這樣不僅能滿足外板加工成型精度要求，也可保證后續船板和肋骨焊裝精度[6]。在船舶外板成型測量軟件中，需要對肋骨型線和接縫線予以標示，并給出相應型線上控制點的加工型值。本文中使用VTK提供的Viewports來將模型點云、型線標示劃分到不同的“圖層”來顯示，以便分別添加/清除對象和控制對象的屬性。

4.1" "肋骨型線的標示

肋骨型線編號以舵桿中心線為基準，向船首方向為正，船尾方向為負。肋骨型線標注一般根據國家標準《金屬船體制圖 第2部分：圖形符號》[7]的規定，用FR##表示，##為肋位編號。本文中使用PCL工具箱中pcl：：visualization：：PCLVisualizer的addText3D（）函數向場景中添加肋骨型線編號的標示。添加的肋骨型線標示如圖5所示。為避免與角點標示文字的沖突，軟件中將肋骨型線編號顯示在肋骨型線的第2個控制點附近。

4.2" "外板接縫型線的標示

鋼板橫向的接縫稱為端接縫，縱向的接縫稱為邊接縫。在外板成型加工時，工人需要知道外板各條板縫（即邊、端縫）的位置。在加工現場，一般會在外板朝向船艏的端縫處標注FWD，而上邊縫標注為TOP。而船廠通過CAD軟件導出的模型文件中，一般由艉端縫的控制線開始、z軸由上到下的給出控制點。軟件中使用VTK提供的參數樣條曲線功能來從外板接縫線的控制點生成接縫曲線。生成接縫曲線的步驟如下：

1）首先，加載外板模型，并提取輪廓上每條邊上的控制點；

2）對于每一條邊，生成一個vtkParametricSpline類的對象spline負責根據控制點生成參數化函數，并通過vtkParametricSpline的SetPoints（）方法將邊上的控制點添加到spline對象中；

3）新建一個vtkParametricFunctionSource類的對象functionSource負責利用參數化函數生成渲染線的數據集，并通過vtkParametricFunctionSource的SetParametricFunction（）方法將spline作為生成曲線的參數化函數。并調用Update（）方法生成根據spline參數函數生成輸出數據集；

4）新建一個vtkPolyDataMapper類的對象mapper負責圖形數據到圖形渲染繪制的映射，并通過vtkPolyDataMapper的SetInputConnection（）方法關聯functionSource生成的數據集；

5）新建一個vtkActor類的對象actor負責最終渲染和交互，并通過vtkActor的SetMapper（）方法為actor指定需要渲染的線；

6）通過actor的GetProperty（）-gt;SetColor（）方法設置線的顏色，通過GetProperty（）-gt;SetLineWidth（）方法設置線寬。

軟件中，為了便于識別艏艉方向，將第一條控制線即朝向船艉的端縫以高亮的黃色表示。渲染后的外板接縫型線如圖6所示。

5" " 結語

本文闡述了船舶外板成型測量軟件的開發應用，結合國內與船體設計設繪相關的標準規范與船廠外板設計、加工實際需求，對軟件中的外板編號規則、坐標系與顯示、型線標示等方面如何應用船體設計設繪規則進行了研究，并提出了軟件上的相應實施方法。此方法已應用于國內兩家大型船廠的外板成形加工生產線上，得到了實船應用驗證。該軟件對船體設繪規則的應用得到了船廠設計建造部門的肯定。本項目將有助于推動數字化的船舶外板成型測量在船舶外板加工測量中的普及應用，為船體設計建造流程一體化提供了外板成型檢測工藝環節的設計思路。

參考文獻

[1] 造船 船體型線幾何數據的標識：GB/T 23 297-2009[S].北京：中國國家標準出版社， 2009.

[2] 船舶數字化檢驗數據交換技術指南[S].北京：中國船級社， 2023.

[3]中國造船工程學會.海工船船體生產設計圖紙設繪規則[S].北京：中國造船工程學會， 2021.

[4] RUSU R B， COUSINS S. 3d is here： Point cloud library （ pcl ） [C] // 2011 IEEE"international conference on robotics and automation. IEEE， 2011： 1-4.

[5]SCHROEDER W， MARTIN K， LORENSEN B. The Visualization Toolkit （4 th"ed.） [M]. Kitware， 2006.

[6]傅曉斌，金穎，朱元超.基于單目線結構光的船板型線便攜式檢測系統[J].船舶工程， 2021， 43（10）： 128-132， 143.

[7] 金屬船體制圖：GB/T 4 476. 2-2008 [S].北京：中國國家標準出版社，"2008.