船舶管路布置仿真模型简化

邹玉堂，任 光，路慧彪

(大连海事大学a.交通与物流工程学院;b.轮机工程学院，辽宁大连 116026)

0 引言

船舶机舱中的设备数量多且几何形状复杂，管路布置需克服很多约束.利用人工智能技术进行自动化管路布置，可减少管路设计的时间，降低成本，确保设计的精度和效果.

管路布置实际上是设计出在1个具有大量分散障碍的环境下连接空间两位置(坐标)间管路最优路径的技术.［1]从1970年开始，工业上的管路优化设计成为1个研究热点.管路布置算法的研究可追溯到机器人移动路径规划技术，即研究移动机器人如何能无监督地(自主)移动，同时穿越周围环境并完成任务的技术.其环境的表示可从连续几何描述转换为基于分解的几何图，甚至拓扑结构图.任何路径规划系统的第1步都是将连续的环境转换成适于所选的路径规划的离散图.［2]一般可将路径规划技术分为路线图法、单元分解法、势场法和数学规划法等4大类.

1 管路布置的研究现状

由于管路布置与机器人路径规划在任务性质上有较大差别，2者的算法需满足不同的约束条件，可能遵循不同的布置规则.图1和2分别为用可行性图法分解的在相同障碍下机器人移动的可能路径和管路布置的可能路径.图中多边形为移动障碍;各折线为可能的路线;粗线为从起点到目标行程最短的路线.由图1和2可知，由于遵循的规则不同，结果差别较大.

图1 机器人移动的可能路径

图2 管路布置可能路径

管路布置中的障碍一般指管路周围的设备、布置舱壁以及已布置好的管路等.在机舱中，管路的设备和元部件成千上万且形状各异，非常复杂.船舶计算机辅助设计与仿真以三维数字模型为基础，其中布置环境建模是进行管路布置的准备阶段，建模的好坏对布置的算法及最终效果影响很大.在船舶3D管路智能设计中，必须选择适当的模型表达方法并进行最大程度的模型简化，否则会由于要进行碰撞检测的障碍模型表面太多而无法处理，甚至使系统崩溃.因此，一方面要重视布置算法的发展，另一方面也不能忽视模型简化和表达方法的研究.

2 模型的简化和表达

从20世纪90年代以来，船舶设计与仿真领域的学者在模型应用上做了大量工作，并提出许多建模方法.在船舶设计与仿真的不同领域或不同阶段，可能会使用不同模型.

模型可分为低级(low-level)和高级(highlevel).对于小场景的装配，如1台机器，低级模型比较适用;对整个造船进程或大型装配制造的仿真，需使用高级模型的建模表达方法.

高级模型几何精度较低，但可表达更多的几何或非几何信息，属完整信息模型.如1台机器利用高级模型可能会表达成1个柱体，使大场景的模型数量大量减少，虽然在视觉上与实物差别较大，但不影响整体仿真的效果.随着模型信息完整的概念得到扩展，1个3D实体模型的表达不仅包括对1个产品几何特性的描述，还包括公差及配合等非几何特性的工程信息，甚至是用于分析的数据以及生产中的所有支持数据(如修订、注释、部件表、测试要求、材料说明和工艺等信息)，且数据集应在产品全寿命周期内得到控制和共享.对于应用机舱管路布置中的模型，还需将协同设计约束、设备供应商说明书、设计参数和其他当前CAD系统尚不能处理的设计数据包括到产品模型中.

2.1 模型简化的原则

(1)简化后的模型数量最少;

(2)简化模型具有简单几何空间性质，最好是长方体、柱体、球体或多面体;

(3)简化后的模型可精确地反映设备自身的空间位置;

(4)简化后的模型可精确地反映管路接口的空间位置;

(5)考虑到协同设计的需要，简化的模型必须是可编辑的模型;

(6)同一设备在布置的不同阶段的各种形式与模型反映的对象信息应统一、边界条件应对应、在环境中的坐标应对应，以便在不同阶段作模型替代.

2.2 模型简化的步骤

2.2.1 初步简化

初步简化的目的是得到低级模型，保留原设备的主要几何特性，但几乎不包括几何之外的信息.使用自由形式几何体表达障碍，需要为检测障碍的边界进行大量的计算工作，不适用智能设计算法.但此类模型在仿真设计中也非常重要，用在后期的可视及虚拟仿真中，可体现更高的真实性和仿真的相似性，在制作设备模型库时经常用到.图3为1个空气瓶经初步简化后的模型.

图3 空气瓶初步简化模型

2.2.2 深度简化

初步简化模型对3D布置的智能算法很复杂.由于3D布置考虑的是设备、平台或管路所占的空间体积，而不是具体形状，在实际布置时可对模型作进一步简化，见图4.

图4 空气瓶深度简化

简化模型的轮廓包围盒采用轴平行包围盒［3](Axis-Aligned Bounding Boxes，AABB)，虽然该包围盒较松散，但求取方法和碰撞检测简单，因而很常用.

设模型顶点坐标所含最大和最小值分别为Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，Zmax和 Zmin，以点 (Xmin，Ymin，Zmin)和点(Xmax，Ymax，Zmax)之间的线段作为 1 条对角线构建长方体，见图5.

图5 构建轴平行包围盒

实际使用时，轴平行包围盒比较安全，但一些模型的包围盒重叠而实际设备却未发生干涉，见图6.

图6 包围盒重叠时的2种状态

这种确定各单位立方体的边界最大和最小值，即最左前下点和最右后上点的坐标，以表示设备或管路的位置与空间大小的方法称为边界法.在智能布置中，可用边界法表示模型空间信息，再用数据库保存与模型有关的其他信息，如接口的位置、方向以及管路最小安全距离等.

2.3 具有开关和维修等作业约束条件的设备建模

管路布置需满足大量的安全、维修及工艺等方面的要求或约束条件，构成智能设计中的规则，一般将这些约束表示为设计的参数，但参数越多越复杂，可行性较差.

管路布置需要为主机、泵和冷却等系统的维修、更换零件或检查等留出工作空间;同时也为临时存储零件、消耗品和维修人员提供足够的舱室面积;最后，需要在特殊组件(如产生热量的机械)附近留出空间.大部分与空间和体积有关的设计约束，可用自由空间［4](Free-space，FS)建模方法进行处理.

FS建模方法专门用于研究机舱或复杂场景设备规划，但其利用体积建模的思想以及为设备预留维修、保养和移动等操作所需空间的方法，也可用于机舱管道布置.［5]图7为在船舶机舱的设备规划时为燃油锅炉留出的FS.

图7 燃油锅炉的FS

将FS的建模方法经选择和修正后引入到机舱管路布置中，利用体积建模的方法，将设备所需的开关和维修等作业约束条件转化为可处理的模型，使3D管路智能布置更方便，且满足更多的设计约束条件，同时也降低布置算法的复杂性.

3 布置平台的简化

3.1 目标场景的分割

如果仿真中的模型尺寸更小，数量更少，就更便于数据的管理，降低算法的复杂度.保持仿真模型小的方法有2种:(1)简化模型;(2)分割将要仿真的目标场景，使其成为更小的模块.通过场景分割以降低算法的复杂度，满足协同设计的要求，在实际操作中很有必要.

场景分割应注意:(1)空间层次划分的合理性;(2)分场景平台的边界条件确定;(3)分场景的局部坐标系与船舶整体坐标系的对应和转化.

3.2 快速生成布置平台

虚拟船舶数字化模型技术的发展使船舶生产设计的深度和广度发生很大变化，不仅包括设备规划和管路综合布置设计，还包括对整个船舶装配过程的完整的计算机集成制造系统［6](Computer Integrated Manufacturing System，CIMS).

理想的3D虚拟船体平台是经过详细设计后的最终的3D数字化船舶机舱或舱室模型，其船舱中的设备或元部件都为简化的模型，并按其实际位置放置在船舱模型中.［7]

现代船舶设计是多人员、多部门间协同设计的1个并行工程，且需要较长时间;另外，船舶设计是1种交互式的螺旋设计，涉及许多相互影响、相互制约的因素，各阶段、各模型设计结果之间也相互影响;还需经过从初步到详细设计的多次反复.因此，使用二维CAD进行设计及绘图仍然十分普遍.

在实际设计中，舾装部门一般在得到有关机舱或要布置的舱室的1个平面轮廓及一部分相关数据后开始布置，因此，可以利用几个平面轮廓及相关数据，快速建立1个布置平台的3D模型.步骤如下:

(1)从各层布置图中提取机舱各层平台的形状、位置和高度信息，见图8;(2)建立各平台模型并放置到适当位置，自下而上的3层分别为花钢板、平台和甲板，见图9;(3)建立船壳模型，完成机舱边界建模;(4)为船壳添加舱室.图10为添加集控室、分油机室和燃油舱等机舱布置区域模型.

图8 各层平台信息

图9 各层平台建模

图10 机舱布置区域模型

4 实例

以某船的海水冷却系统为优化设计的对象说明简化过程，图11为布置平台的位置.

图11 布置平台的位置

在高度方向上，管路最好布置在花钢板下、双层底上.快速建成的布置位置的船体近似模型见图12.海水冷却系统中的设备包括低位海水箱1，高位海水箱2，停泊冷却海水泵3，主海水泵4和主海水泵5，附件设备包括阀件和过滤器等.管路中的设备信息见表1.各设备的接口信息见表2.添加设备后的布置环境见图13.

图12 船体近似模型

表1 管路中的设备信息 mm

表2 设备接口信息

图13 连接设备在舱中的位置

影响管路布置的周边设备包括副空气瓶1，主空气瓶2，主空气瓶3，控制空气瓶4，汽笛空气瓶5，雾笛空气瓶6，杂用空气瓶7，海水淡化装置海水泵8，制淡装置海水泵9，消防泵10，蒸馏水舱自由空间11，总用泵12和舱底泵13等.管路周边的设备信息见表3.添加周边设备后的管路布置环境见图14.由图可知，许多设备的边界很近，设备间的缝隙不足以布置管路(由最小安全距离判断).可将设备再次进行简化、合并，减少障碍模型的数目.设备合并后的布置环境见图15.

表3 管路周边的设备信息 mm

图14 添加周边设备后的管路布置环境

图15 设备合并后的布置环境

利用上述方法进行环境布置及障碍模型简化可优化算法，减少算法复杂度.图16为运用相关算法将表1，2和3中简化后的模型数据计算后得到的路径布置优化解.

图16 路径布置优化解

5 结论

船舶机舱仿真布置环境的快速建模主要利用智能优化算法进行船舶管路的自动布置，其对船舶机舱管路布置的效果有重要影响，直接关系布置算法的可行性和效率;其最大的困难在于一方面要降低模拟场景的复杂度，另一方面要保持仿真场景与真实布置环境的相似性，同时满足布置约束.

本文在已有的研究基础上，结合船舶机舱布置的实际情况，提供1种船舶管路布置仿真模型简化方法.利用完整信息模型表示障碍，克服为检验模型边界而进行的大量计算;通过对布置环境的分割，快速建立近似布置平台，使模型数量最少.该方法可比较方便地应用于机舱仿真布置环境的快速建模中，并为后续的设计提供有效的平台.

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［2]SIEGWART R，NOURBAKHSH I R.自主移动机器人导论［M].李人厚，译.西安:西安交通大学出版社，2006:270-271.

［3]何援军.计算机图形学［M].2版.北京:机械工业出版社，2009:61-66.

［4]CHANG Hsuan，LI Tsaiyen.Assembly maintainability study with motion planning［C]//Proc IEEE Int Conf Robotics＆ Automation(ICRA)，Nagoya，Japan，1995:1012-1019.

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［7]ABAL D，ALONSO F，FREIRE D.Collaborative engineering in the shipbuilding environment［J].J Ship Production，2005，21(1):31-36.