趙亮 張銘

摘 要：目前，計(jì)算機(jī)技術(shù)在船舶電氣方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸偏向于工程數(shù)據(jù)管理和三維建模，取智能化設(shè)計(jì)已經(jīng)在個(gè)別模塊得到了初步實(shí)現(xiàn)。然而從整體上而言，在船舶領(lǐng)域至今還未能形成完整統(tǒng)一的產(chǎn)品模型，跨階段集成化的設(shè)計(jì)環(huán)境還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。一個(gè)新的數(shù)據(jù)模型的建立，在施工設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)等過(guò)程中需要用戶對(duì)某些數(shù)據(jù)信息和模型信息進(jìn)行反復(fù)的采集和識(shí)別。信息的大量重復(fù)處理或者信息的不連續(xù)將會(huì)使設(shè)計(jì)質(zhì)量受到嚴(yán)重的影響，會(huì)削弱計(jì)算機(jī)技術(shù)的輔助作用。該文圍繞船舶電氣智能設(shè)計(jì)數(shù)字化信息模型展開(kāi)了較為詳細(xì)的分析，重點(diǎn)研究了系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求、電氣信息的構(gòu)成、信息集成、船舶電氣數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)架等內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：智能設(shè)計(jì) 船舶電氣化 數(shù)字化模型 信息集成

中圖分類號(hào)：U662.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）09（b）-0046-02

1 船舶電氣化智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求分析

要實(shí)現(xiàn)船舶的設(shè)計(jì)周期短、精度高、質(zhì)量好以及資源的合理利用等目標(biāo)，需要有大量的數(shù)據(jù)作支撐，而船舶電氣化智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠?qū)λ璧淖兞繑?shù)據(jù)進(jìn)行合理的估算，使船舶設(shè)計(jì)的各個(gè)方面形成規(guī)律性的自動(dòng)化完成。對(duì)于設(shè)計(jì)方案的決算，首先需要將合適的母型船改造成目標(biāo)船，并將相應(yīng)的圖紙修正成改造后的目標(biāo)圖紙，將其作為出廠資料的電氣系統(tǒng)圖紙。制定設(shè)計(jì)方案，確定船舶電氣性能主要約束數(shù)據(jù)，針對(duì)每個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行界面制定出相應(yīng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)方法，保障參考數(shù)據(jù)兼具安全性與經(jīng)濟(jì)性。最后還需要形成較為完整的規(guī)范性數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和統(tǒng)一性，這個(gè)過(guò)程中數(shù)據(jù)的交互就依賴于數(shù)字化信息系統(tǒng)的操作。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)分析

由于船舶的獨(dú)特性，以至于船舶電氣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框架在電氣系統(tǒng)的規(guī)律上是存在不同程度的差異的，從設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的成本角度出發(fā)，基本的船舶電氣智能化設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括資料庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、參數(shù)繪圖、主程序、操作界面等方面，這些方面屬于一個(gè)相互聯(lián)系的整體，具有統(tǒng)一性，信息的交互和連接需要利用數(shù)字化信息系統(tǒng)的高效運(yùn)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，而且數(shù)字化信息系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)建設(shè)、船舶電氣智能系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)都發(fā)揮著非比尋常的功能。

1.3 數(shù)字化信息系統(tǒng)模型對(duì)智能設(shè)計(jì)的重要意義

數(shù)字化信息系統(tǒng)模型在船舶電氣智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，其意義主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：第一，信息交互和連接的實(shí)現(xiàn)需要數(shù)字化信息系統(tǒng)。智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的核心是通過(guò)信息的有效連接、交互、加工、處理，完成智能化、自動(dòng)化的操作，而數(shù)字信息系統(tǒng)能夠有效的滿足信息之間的交互需求。第二，整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行需要數(shù)字化信息系統(tǒng)。船舶電氣智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)追求系統(tǒng)的智能、高速、自動(dòng)化操作，但是如果沒(méi)有數(shù)字化信息系統(tǒng)作為依托的話，容易造成信息的遺漏或閉塞，使系統(tǒng)的智能化操作受到限制[2]，也會(huì)因?yàn)椴荒芗皶r(shí)的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的問(wèn)題而導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)擔(dān)的加重，甚至?xí)嬖诎踩[患。

2 數(shù)字化信息模型的設(shè)計(jì)

2.1 電氣信息的構(gòu)成

從智能輔助設(shè)計(jì)、信息統(tǒng)一、資料管理利用、并行協(xié)同設(shè)計(jì)等方面分析，電氣信息需要包括設(shè)備信息、電氣功能模塊信息、設(shè)計(jì)任務(wù)信息、設(shè)計(jì)流程信息以及與電氣設(shè)計(jì)相關(guān)的其他專業(yè)相關(guān)的信息。

2.1.1 設(shè)計(jì)流程

為了保證信息的及時(shí)執(zhí)行，滿足設(shè)計(jì)傳遞的需要，在保證設(shè)計(jì)質(zhì)量的基礎(chǔ)上縮短設(shè)計(jì)周期，需要對(duì)設(shè)計(jì)的流程和要素進(jìn)行清楚的了解。電氣智能設(shè)計(jì)主要包括的流程如下：第一，任務(wù)。任務(wù)指的是在船舶設(shè)計(jì)的某一個(gè)特定階段內(nèi)，在之前完成任務(wù)提交的信息模型的基礎(chǔ)上所開(kāi)展以完善信息模型、生成新的設(shè)計(jì)成果過(guò)程的新的設(shè)計(jì)活動(dòng)。第二，約束。約束是指上一設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)產(chǎn)生的相關(guān)內(nèi)容、承建廠的生產(chǎn)能力、掛旗國(guó)海事局的法規(guī)、入級(jí)船級(jí)社的設(shè)計(jì)規(guī)范以及其它專業(yè)和任務(wù)的需求等對(duì)這項(xiàng)任務(wù)中的相關(guān)參數(shù)的約束。第三，條件。條件主要是指由其他任務(wù)產(chǎn)生的結(jié)果，是為實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)任務(wù)的啟動(dòng)而必須具備的內(nèi)容。第四，資源。資源是指可以被利用的歷史資料、設(shè)備信息、專家咨詢以及母型船資料等與該任務(wù)相關(guān)或相似的材料。第五，結(jié)果。結(jié)果就是指作為最后成果進(jìn)行存檔的或者需要傳遞給其他任務(wù)的數(shù)據(jù)或資料。第六，關(guān)聯(lián)。關(guān)聯(lián)就是指與該任務(wù)的生成結(jié)果相關(guān)的或者和執(zhí)行條件相關(guān)的其他任務(wù)。

2.1.2 設(shè)計(jì)活動(dòng)

協(xié)同設(shè)計(jì)具有便捷、高效的特點(diǎn)，能夠異地及時(shí)地對(duì)產(chǎn)品模型進(jìn)行協(xié)調(diào)、評(píng)價(jià)和分析，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)周期縮短并降低設(shè)計(jì)成本[3]。協(xié)同設(shè)計(jì)與并行設(shè)計(jì)不同，協(xié)同設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)任務(wù)單元內(nèi)部的協(xié)作模式，追求不同角色的協(xié)同工作，從協(xié)同設(shè)計(jì)的需求角度出發(fā)，設(shè)計(jì)活動(dòng)又包括了啟動(dòng)條件、結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)結(jié)果、參與人員及其角色。其中啟動(dòng)條件指的是任務(wù)啟動(dòng)必須要具備的條件，主要由在任務(wù)的執(zhí)行過(guò)程中必須到場(chǎng)的工作人員以及必備的設(shè)計(jì)資料等。結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)指的是這項(xiàng)任務(wù)生成文檔的完成情況和必須確定的參數(shù)，也可以看作是任務(wù)完成的標(biāo)志。設(shè)計(jì)結(jié)果指的就是任務(wù)最終生成的數(shù)據(jù)的文檔。而參與人員及其角色就是指參與這項(xiàng)任務(wù)的審核、管理、設(shè)計(jì)人員以及他們?cè)谶@項(xiàng)任務(wù)中充當(dāng)?shù)慕巧?，例如校?yàn)、審核、審定、設(shè)計(jì)人員，還包括船級(jí)社、船東等等。

2.1.3 電氣功能模塊信息

電氣功能模塊包括電氣系統(tǒng)、子系統(tǒng)以及子系統(tǒng)所屬的模塊，是一個(gè)集成概念，而電氣功能模塊主要設(shè)備的功能、性能參數(shù)，圖形信息以及其中的設(shè)備信息，總模塊的性能參數(shù)、功能等是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化繪圖，對(duì)龐大的設(shè)計(jì)資料進(jìn)行科學(xué)管理，以方面設(shè)計(jì)人員快速找到最恰當(dāng)?shù)哪感痛?，提高設(shè)計(jì)效率等功能的基礎(chǔ)。按照需求，每個(gè)功能模塊需要包括文檔、性能參數(shù)、功能參數(shù)和子集等內(nèi)容。文檔包括材料表、計(jì)算書、布置圖、系統(tǒng)圖、規(guī)格書、說(shuō)明書等。性能參數(shù)，是指用來(lái)描述該模塊性能的參數(shù)，如電力推進(jìn)系統(tǒng)的損耗、輻射、精度、靈敏度等。而功能參數(shù)，是用來(lái)描述該模塊功能的參數(shù)，如綜合通訊系統(tǒng)的岸線、內(nèi)部通話、插線、對(duì)外喊話、廣播找人、電話會(huì)議等。子集一般是該模塊的子模塊，如果沒(méi)有子模塊的話，子集指的就是所屬的文檔信息、圖形、設(shè)備信息。

2.1.4 設(shè)備信息

在整個(gè)數(shù)字化系統(tǒng)中，設(shè)備信息具有非常重要的作用，指的是在設(shè)計(jì)過(guò)程中各個(gè)專業(yè)產(chǎn)生的描述設(shè)備的信息和需要考慮的信息，以及設(shè)計(jì)，具體包括五大類：第一，電氣參數(shù)：電氣設(shè)計(jì)中需要的最高溫度、功率因數(shù)、額定電流、額定電壓、額定功率等信息；第二，總體參數(shù)：總體設(shè)計(jì)需要的質(zhì)量質(zhì)心、尺寸外形等信息；第三，輪機(jī)參數(shù)：輪機(jī)設(shè)計(jì)關(guān)注的額定流量等信息；第四，舾裝參數(shù)：舾裝設(shè)計(jì)中關(guān)注的布置地位、拉力等信息；第五，通用參數(shù)：例如布置坐標(biāo)、規(guī)格、型號(hào)等多個(gè)專業(yè)都需要的設(shè)備信息。

2.1.5 其他專業(yè)相關(guān)信息

主要是指在布置設(shè)備時(shí)所需要的布置區(qū)域參數(shù)，包括區(qū)域名稱和環(huán)境變量。其中區(qū)域名稱就是指按照常規(guī)劃分區(qū)域的名稱，例如監(jiān)控室、船長(zhǎng)室、居住區(qū)、機(jī)艙區(qū)、甲板區(qū)等。而環(huán)境變量就是指描述該區(qū)域環(huán)境的參數(shù)，包括空間參數(shù)、裝修級(jí)別、防風(fēng)雨級(jí)別、防火級(jí)別、噪音、振動(dòng)等。

2.2 船舶電氣信息的集成

由于模型中涉及到的信息內(nèi)容較多，所以該文采取自上而下、分層分塊的信息集成方式，將船舶電氣信息分成用于電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備信息、表達(dá)船舶電氣系統(tǒng)的產(chǎn)品信息以及主管流程和數(shù)據(jù)管理的管理信息三個(gè)模塊，并分別集成各個(gè)模塊內(nèi)部的信息，之后依據(jù)各模塊間的聯(lián)系實(shí)現(xiàn)總體集成。

2.2.1 管理信息集成

在工作流理論的基礎(chǔ)上，建立管理信息模型，對(duì)數(shù)據(jù)控制、任務(wù)、流程等相關(guān)信息進(jìn)行集成。管理信息模型的建立目的在于，在任務(wù)結(jié)束之后，控制程序能夠及時(shí)準(zhǔn)確地給相關(guān)任務(wù)發(fā)送設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并且判斷發(fā)送的數(shù)據(jù)是否滿足啟動(dòng)條件。如果滿足，就會(huì)通知相關(guān)人員開(kāi)始進(jìn)行該項(xiàng)任務(wù)。該模型可如下表示：

Task = { Remark Word_Time Work_Group Link_Task Data_Bound Design_Result Start_Qulification Start_Qulification Module_Code Task_Name Task_Code } （1）

式中Remark代表備注；Word_Time代表所需工時(shí)；Link_Task={T1，T2，T3…Ti}代表相關(guān)任務(wù)的代碼；Data_Bound={B1，B2，B3…Bk}代表源于生產(chǎn)能力、前期設(shè)計(jì)等方面的約束條件；Design_Result={R1，R2，R3…Rn}代表設(shè)計(jì)結(jié)果；Start_Qulification={Q1，Q2，Q3…Qm}代表啟動(dòng)任務(wù)的條件；Module_Code代表任務(wù)所處的電氣功能模塊的代碼；Task_Code 代表任務(wù)名；Task_Code 代表任務(wù)編碼。而：

Word_Group = {Member_Role Member_Name Member_Code Group_ Code } （2）

式中Member_Role代表在該團(tuán)隊(duì)里成員擔(dān)當(dāng)?shù)慕巧籑ember_Name 表示成員名；Member_Code 表示成員的工號(hào)；Group_Code 表示團(tuán)隊(duì)編碼。其中Member_Role的構(gòu)成可以用下式表示：

Member_Role = { Other Owner Surveyor Approver Approver Checker Designer } （3）

式中Other表示其他參與人員；Owner表示船東；Surveyor表示船檢；Approver 表示審定人員；Checker表示校驗(yàn)人員；Designer表示設(shè)計(jì)人員。

為了使模型的規(guī)模得到有效減少，使其可重用性得到提高，我們把相同角色的權(quán)限和業(yè)務(wù)流程以及任務(wù)的控制流程都設(shè)置成固定不變的。控制流程圖如圖1所示，主任設(shè)計(jì)師業(yè)務(wù)流程圖用圖2表示。

2.2.2 設(shè)備信息集成

按照專業(yè)船舶設(shè)備信息可以分成電氣屬性（EA）、輪機(jī)屬性（MA）、舾裝屬性（FA）、船體屬性（HA）以及幾何尺寸、出廠數(shù)據(jù)、布置位置等通用屬性（GA）。以初步設(shè)計(jì)階段的第i個(gè)緩存模型QIi為例，其模型可用下式表示：

QIi={} （4）

式中：={Equipment_Code Equipment_Name RP RV RC CosφCurrent_PhaseLoad_Type Electric_Symbol T Module_Code Remark （5）

式中Equipment_Code分別表示設(shè)備編碼；Equipment_Name表示設(shè)備名稱；RP表示額定功率；RV表示額定電壓；RC表示額定電流；cosφ表示功率因數(shù)；Current_Phase表示相制；Load_Type表示負(fù)載類型；Electric_Symbol表示電氣符號(hào)；T表示持續(xù)運(yùn)行所能承受的最高溫度；Module_Code表示設(shè)備所在（最低級(jí)）電氣功能模塊的代號(hào)；Remark表示備注。

={Equipment_Type Equipment_Specification X Y Z Buy_Price Life

Maitain_Price Maintain_Period Material Weight Long Wight High}

（6）

式中Equipment_Type表示設(shè)備型號(hào)；Equipment_Specification表示設(shè)備規(guī)格；X、Y、Z表示安裝坐標(biāo)；Buy_Price表示購(gòu)買價(jià)格；Life表示使用壽命；Maitain_Price表示維修費(fèi)用；Maintain_Period表示維修周期；Material、Weight、Long、Wight、High分別表示材料、重量以及設(shè)備的長(zhǎng)、寬、高。

其中，一些設(shè)備信息和數(shù)值，例如安裝的確切位置、設(shè)置型號(hào)、規(guī)格的確定等，都和任務(wù)的啟動(dòng)條件、約束條件、設(shè)計(jì)結(jié)果有關(guān)。設(shè)備和任務(wù)所在的模塊又能從其電氣功能模塊代號(hào)屬性反映出來(lái)，因此能夠?qū)⒃O(shè)備信息模型、產(chǎn)品信息模型、控制管理模型進(jìn)行有效的集成。

3 船舶電氣數(shù)字化信息數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)架

在實(shí)際操作針對(duì)上述公式建立的數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，容易出現(xiàn)操作不便或者數(shù)據(jù)冗雜的問(wèn)題，因此，再實(shí)際建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，還需要依據(jù)“船舶電氣智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)”需求和修正的第三范式（BCNF），根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)軟件需求和優(yōu)化方法對(duì)上述公式進(jìn)行一些改動(dòng)。

（1）由于在船舶設(shè)計(jì)過(guò)程中在同一條船上同時(shí)布置了幾件甚至幾十件相同設(shè)備的現(xiàn)象，基于Web開(kāi)放性船舶設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)的現(xiàn)實(shí)意義，本數(shù)據(jù)庫(kù)根據(jù)設(shè)備型號(hào)分類設(shè)備，建立了包含設(shè)備出廠數(shù)據(jù)在內(nèi)的部件表，并根據(jù)設(shè)備編碼建立了設(shè)備表，設(shè)備繼承部件的屬性值完全可以通過(guò)部件編碼開(kāi)實(shí)現(xiàn)。

（2）依據(jù)相同的原理，從電纜表中將電纜類型、電纜型號(hào)、電纜規(guī)格分離出來(lái)。

（3）數(shù)據(jù)庫(kù)增加符號(hào)表以方便繪圖，并歸類了相似形狀的部件符號(hào)，方便設(shè)計(jì)，有利于設(shè)計(jì)軟件界面人性化與簡(jiǎn)捷。

（4）數(shù)據(jù)庫(kù)還建立了其他文檔表以方便《電氣說(shuō)明書》、《施工工藝》等文檔的管理。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著電氣智能化設(shè)計(jì)的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，船舶電氣化設(shè)計(jì)也逐漸邁向數(shù)字化和智能化。船舶電氣化設(shè)計(jì)屬于知識(shí)密集型復(fù)雜工程，數(shù)字化信息模型的構(gòu)建對(duì)于船舶電氣智能設(shè)計(jì)而言相當(dāng)于核心與靈魂，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)時(shí)，需要在設(shè)計(jì)方案的確定、模型的分析建立、以及對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)的評(píng)價(jià)等各個(gè)方面都進(jìn)行嚴(yán)格的把關(guān)，只有這樣才能取得良好的成效。

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