船舶電氣智能設計數字化信息模型研究

摘" " 要：本文以船舶電氣智能設計為切入點，研究了船舶電氣智能化信息及船舶電氣智能設計系統需求，提出了船舶電氣智能設計數字化信息模型的構成、船舶電氣智能設計系統框架以及船舶電氣數字化信息數據庫構架，可為船舶電氣智能設計實際應用提供理論依據和技術支持。

關鍵詞：船舶電氣；智能設計；數字化信息；模型

中圖分類號：U665" " " " " " " " " " " " " " " " " " 文獻標志碼：A

Research on Digital Information Model for Intelligent

Design of Ship Electrical Systems

XIONG Jiguo，" XIONG Yuanyuan

（ COSCO Shipping Heavy Industry （Zhoushan） Co.，Ltd.，" Zhoushan 316131， China ）

Abstract： This article takes the intelligent design of ship electrical systems as the starting point， studies the information of ship electrical intelligence and the requirements of ship electrical intelligence design systems， and proposes the composition of a digital information model for ship electrical intelligence design， the framework of a ship electrical intelligence design system and the architecture of a ship electrical digital information database， which can provide theoretical basis and technical support for the practical application of ship electrical intelligence design.

Key words：" ship electrical;" intelligent design;" digital information; mode

1" " "引言

船舶的設計和制造是一個非常復雜的過程，需要投入大量的人力、物力和財力。隨著現代科學技術的進步，船舶制造業正在朝著智能化和數字化的方向發展。在這個背景下，研究船舶的電氣智能設計和數字化信息模型，對于推進船舶制造業的智能化轉型具有重要意義。一方面，電氣自動化技術在船舶制造業中的應用越來越廣泛。船舶作為一個復雜的系統，其動力、通訊、控制、導航等諸多方面都需要依賴電氣技術，研究數字化信息模型，可以更好地設計智能化的船舶電氣系統，提高系統的可靠性和智能化水平。另一方面，數字化設計技術的發展為船舶電氣智能設計提供了新的思路。建立數字化的船舶信息模型，不僅可以增強設計的精細化，也可以通過仿真模擬驗證設計方案，降低試錯成本。此外，數字化信息模型還可以與先進的網絡技術相結合，實現船舶系統的遠程監控和智能控制。

2" " "船舶電氣智能信息的構成

2.1" "船舶電氣數字化信息模型的現狀

當前船舶電氣系統設計主要依靠三維建模軟件，這些軟件可以較為直觀地呈現船舶電氣設備的立體模型。但是，這種設計方式過于注重模型的外觀形態，往往忽略了設備的功能性信息。以電氣設備為例，三維模型包含的信息僅限于名稱、重量、材料等基本屬性，很少涵蓋工作參數、防護等級、使用壽命等與功能息息相關的信息。這使得依靠三維建模軟件設計的數字信息模型，存在信息不全面、不精確的問題。要構建真正智能化的船舶電氣數字信息模型，必須緊緊圍繞設備的使用功能出發，通過參數化建模的方式，將設備的工作特性、環境適應性、維護規律等信息融入數字模型。與此同時，不同電氣設備之間的匹配關系、系統協同性等更高層次的信息也應當成為建模的內容。借助數字孿生、仿真等前沿技術手段，可以驗證模型的正確性，實現對船舶電氣系統的全生命周期智能管理。

2.2" "電氣智能設計數字化信息模型的構成

1）任務設定方面。構建船舶電氣智能設計系統，需要明確電氣智能信息的組成內容和構成方式。首先，電氣智能信息包含設備參數、性能指標、匹配關系等功能性信息。這些信息來源于對電氣設備的測試分析，是實現智能控制的基礎數據。其次，電氣智能信息包含任務規劃、資源調配、數據交流等流程性信息[1]。這些信息可以指導智能系統有效調度資源、優化設計流程。再次，電氣智能信息要實時更新，來自新設備的開發應用和現有設備的維護使用。最后，電氣智能信息構成要滿足標準化、參數化的要求，方便不同系統之間的數據交換與集成。

在電氣智能信息構成中，一方面要收集充分的設備數據，建立完備的功能模型;另一方面要設定清晰的任務流程，對資源與流程進行智能調度。電氣智能信息構成需要電氣、計算機、通信等多領域協同，遵循統一的數據表達與交換標準，支持船舶電氣系統的協同智能。構建高質量的電氣智能信息模型，是實現船舶電氣智能設計的關鍵，如圖1所示。

2）設計環節。在船舶電氣智能設計過程中，要合理規劃設計團隊的分工與協作，充分發揮電氣智能信息的支撐作用[2]。具體來說，可以由系統設計組負責確定船舶電氣系統的總體框架和功能指標，提出船舶電氣智能化的設計需求。設備設計組根據設計需求，搜集設備性能參數，建立電氣設備的數字化信息模型。軟件開發組則依托設備信息模型，開發電氣系統的智能控制、監測、優化算法。數據分析組基于海量運維數據，持續優化設備信息模型和控制算法。通過各專業團隊的分工協作，可以高效構建精細化的電氣智能信息模型。在分工協作過程中，要建立標準化的模型表達方式，明確信息傳遞接口，保證不同組間信息互通互聯。同時，要制定設計評審制度，完善質量管理體系，對設計成果進行全面審核。重要的是落實人員的責任制，各組人員在電氣智能信息構成中負責對應模塊的設計與優化。可持續的設計理念要貫穿始終，通過持續優化電氣智能信息模型，實現船舶電氣系統的持續適應性。總之，船舶電氣智能設計需要多方協同參與電氣智能信息的構建。合理的分工與協作有利于提高設計效率，降低成本。優化的管理與評審機制可以保證設計質量。充分發揮團隊成員作用是電氣智能信息有效構成的保障。

3）電氣功能和模塊信息方面，這涉及到資料收集[3]。構建船舶電氣系統的智能化，需要收集電氣設備和功能模塊的全面信息。這些信息可以分為文檔信息和參數信息兩大類。文檔信息包括設備說明書、規格書、系統圖、布置圖、計算書和材料表等[4]。這些提供了設備的工作原理、接口參數、使用材料等詳盡文字及圖形信息。文檔信息是實現標準化設計的基礎。參數信息則涵蓋設備的功能參數、精度指標、響應特性、損耗程度等數字信息。參數信息反映設備的實際工作特性。

收集電氣設備的文檔信息和參數信息，建立標準化的信息表達，是構成電氣智能信息庫的首要環節。船舶電氣系統包含眾多模塊，只有對模塊的輸入輸出特性、功能響應都有充分的了解，才能進行系統的優化配置和協調控制。與此同時，信息庫需要實時更新，收集新設備和更新現有設備的參數，以指導電氣系統的持續智能化升級。

總之，電氣智能信息構成需要全面收集設備文檔和參數信息。標準化信息表達是支持設備協同與系統優化的基礎。動態更新信息庫是保證船舶電氣智能化的關鍵。

3" " 船舶電氣化智能設計系統設計

3.1" 系統設計功能需求分析

構建船舶電氣智能設計系統，需注重滿足智能設計的功能性需求。首先，系統需能夠搜集和處理大規模船舶設計數據，進行智能化的參數估算和方案優化，提高設計精度和質量。其次，系統需能夠實現船舶電氣系統的數字孿生和仿真模擬，驗證設計方案，優化系統匹配，縮短設計周期。另外，系統需具備知識庫學習能力，通過不斷積累設計經驗和規律，實現設計自動化。最后，系統需統一電氣設計標準，建立參數化設計流程，形成設計手冊、設備表等標準化出廠資料。

總體而言，船舶電氣智能設計系統需具備數據驅動、數字孿生、知識自動學習和設計流程標準化等功能。系統設計要以提升設計效率、質量、安全性為目標，實現對設計全過程的智能決策和優化。充分利用大數據和人工智能技術，賦能電氣工程設計，是船舶電氣智能設計系統的發展方向。

3.2" "系統設計框架結構分析

船舶電氣智能設計系統可以采用模塊化的框架結構。首先，系統需要設計友好的人機交互界面，通過該界面用戶可以輸入設計需求，配置設計參數，查看設計結果；其次，系統核心是基于優化算法和知識庫的設計主程序，它承擔智能設計計算和優化的任務；再次，系統需要包含標準化的設備參數數據庫和歷史案例資料庫，為主程序提供設計依據；最后，系統還應當具備參數化的設計流程和規范化的設計文檔生成功能。

這些系統模塊通過數字化集成平臺連接，共同完成船舶電氣方案設計。人機界面發出設計任務，主程序調用信息庫優化設計，生成規范文檔。信息流在模塊間高效流轉，使復雜設計通過智能系統自動化完成。隨著應用的不斷積累，系統可自動學習，不斷完善信息庫和設計程序，實現智能設計能力的持續進化。總之，模塊化結構、數字化集成是船舶電氣智能設計系統的關鍵。合理的框架設計可以降低系統開發難度，提高可擴展性。數字化信息流的暢通是系統有效運作的基礎，智能算法和知識積累實現系統的自主優化。

3.3" "數字化信息系統模型對智能設計的重要意義

數字化信息系統模型在船舶電氣智能設計中起著關鍵作用。首先，它實現了設計系統中的信息流通與交互，是系統正常運轉的基礎；其次，數字化集成可以優化信息處理流程，防止信息遺漏和重復，提升設計效率；再次，標準化的數字化表達促進系統間信息共享和冗余降低；最后，數字孿生和仿真試驗依賴數字化模型支持，有助提高設計質量。總之，數字化系統集成是船舶電氣智能設計的信息支撐，對實現自動化和智能化設計意義重大[5]。

4" " "船舶電氣數字化信息數據庫構架

構建船舶電氣數字化信息數據庫，需要考慮數據庫的實用性和可擴展性。首先，數據庫要能夠支持同一艘船上大量相同設備的信息存儲，可以建立通用設備部件表，不同設備實例通過部件編碼引用部件信息，降低數據冗余；其次，數據庫要能夠關聯設備參數信息和電纜連接關系，應建立獨立的電纜信息表，通過編碼關聯設備和電纜；再次，數據庫還可以增加符號表，建立不同功能部件的通用符號，方便智能設計軟件調用；最后，文檔信息也可以納入數據庫管理，形成電氣設計說明書等文檔的數字化表達和管理。在數據庫具體實現時，要遵循第三范式，采用關系模型組織數據表，并針對船舶電氣特點進行優化設計。數據庫要支持參數化查詢，提供開放接口，便于二次開發和信息共享。總之，船舶電氣數字化數據庫要綜合考慮實用性、可擴展性、兼容性、開放性等方面需求，要識別設計信息的內在聯系，以參數化和關聯方式建模。

5" " "船舶電氣數字化信息模型建設進展

5.1" "國際進展

在國際上，數字化信息模型在船舶電氣智能化設計中的應用已經取得了顯著進展，廣泛應用于船舶電氣智能設計中。許多先進的船舶制造企業和研發機構已經建立了完善的數字化設計體系，利用數字化信息模型進行船舶電氣系統的設計、仿真和優化。我司在船舶詳細設計和生產設計過程中，應用數字化建模，推行CAD/CAE/CAPP/PDM（計算機輔助設計、計算機輔助工程、計算機輔助工藝規劃、產品數據管理）技術，以及數字化樣船技術、虛擬仿真設計和制造技術、異地協同設計技術等智能化設計技術。在設計階段，利用船舶設計軟件AM（Aveva Marine）實現船機電一體化設計，進行數字模型評審，大幅提高設計質量和設計效率，實現船舶殼、舾、涂一體化制造，達到船舶產品的敏捷制造和精益建造。我司不僅注重模型的精確性和完整性，還注重模型的實用性和可擴展性，以適應不斷變化的市場需求和技術發展。

5.2" "國內現狀

在國內，數字化信息模型在船舶電氣智能化設計中的應用還處于起步階段，國內也在積極探索數字化信息模型在船舶電氣智能設計中的應用。雖然近年來我國在船舶制造業的信息化和智能化方面取得了一定進展，但與國外先進水平相比，仍存在較大差距。具體表現在以下幾個方面：

1）技術創新能力不足：我國在數字化信息模型建設方面的自主創新能力相對較低，許多核心技術仍依賴進口或模仿國外技術。這導致我國在數字化信息模型的精度、效率和應用范圍等方面存在不足；

2）數據標準和規范不統一：由于缺乏統一的數據標準和規范，我國在數字化信息模型建設方面存在信息孤島和數據冗余等問題。這導致不同系統之間的數據交換和集成困難重重，影響了設計效率和準確性；

3）專業人才短缺：隨著數字化信息模型在船舶電氣智能化設計中的廣泛應用，對專業人才的需求日益增加。然而，我國在相關領域的人才培養方面還存在不足，導致專業人才短缺和人才結構不合理等問題。

5.3" "發展趨勢

隨著技術的不斷進步和應用的不斷深入，數字化信息模型將在船舶電氣智能設計中發揮越來越重要的作用。數字化模型首先要實現標準化與參數化，模塊化與可擴展性，智能化與自動化。其次要實現全生命周期管理，協同設計與信息共享和持續學習與進化。最后要提升市場競爭力和船舶性能。

6" " 結語

隨著全球科技的不斷進步，船舶電氣自動化領域正經歷著前所未有的變革與發展。作為船舶制造行業的核心組成部分，電氣系統的智能化設計已成為提升船舶性能、增強市場競爭力的關鍵所在。本研究通過對船舶電氣智能設計數字化信息模型的深入探討，不僅揭示了數字化信息模型在船舶設計制造中的重要性，還為其實際應用提供了理論依據和技術支持。數字化信息模型不僅促進了設計系統中的信息流通與交互，優化了信息處理流程，降低了信息冗余，還能夠促進設計團隊之間的協同工作，提高設計效率和質量。通過構建標準化的數字化信息模型，我們得以實現對船舶電氣系統的全生命周期管理，從設計、制造到運維，每一個環節都能夠得到智能化的支持和優化。

未來，隨著大數據、人工智能等技術的不斷融入，船舶電氣智能設計數字化信息模型將發揮更加重要的作用，為船舶制造業的可持續發展注入新的活力。

參考文獻

[1]余本春.減少船舶輪機設備重復性檢驗措施探討[J].珠江水運， 2018（19）："95-96.

[2]鄒智曦，歐陽康百，姚剛.對船舶電氣設計過程管控的研究[J].船舶標準化工程師， 2018， 51（5）： 47-53.

[3]馮雷，雷秉霖，王云帆等.基于數字協同設計平臺的船舶電氣設計研"究[J].船電技術， 2020， 40（1）： 62-64.

[4]李銘志，柳存根，蔣如宏等.船舶電氣智能設計數字化信息模型研究[J].中國造船， 2011， 52（1）： 186-192.

[5]郭小松.船舶電氣實驗設備智能管理系統設計[J].船舶物資與市場，"2019（2）： 27-28.