基于JT格式的船舶舱室三维模型自动提取方法

方雄兵，吴波

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

基于JT格式的船舶舱室三维模型自动提取方法

方雄兵，吴波

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

［目的］在船舶设计过程中，通常需要从整船三维模型中提取一个区域、系统或舱室的模型。针对舱室模型提取的应用需求，［方法］以FORAN软件导出的JT模型为研究对象，提出一种基于JT格式的舱室三维模型自动提取方法。通过分析舱室模型的组成、构成舱室的各类模型蕴含的信息以及舱室与这些信息之间的关系，确立了将产品号、舱室对应的区域号、建造总段号以及舱室包围盒坐标作为舱室模型的过滤条件。根据这些用户预先定义的过滤条件以及产品全寿期管理（PLM）中的对象类型、名称和JT模型包围盒，可以从整船三维模型中快速过滤出舱室内的所有零件，进而将获得的模型合并成一个装配结构与整船BOM结构相同的JT模型。［结果］在JT轻量化模型管理系统的基础上，实现所提出的算法。［结论］该软件工具实现了单个或者多个舱室模型的自动提取功能，提取的舱室模型可用于后续布置协调、间隙分析以及虚拟评审等环节。

JT格式；物料清单；舱室；模型过滤；包围盒

Abstract：［Objectives］During ship design，designers often need to extract models of a zone，system or cabin from total ship models.［Methods］Aiming at the application demand for distilling cabin models and taking the Jupiter Tessellation（JT）models exported by FORAN as the research object，an automatic technique for 3D cabin model extraction is developed based on the JT format.By analyzing the composition of cabin models，the information embodied in the diversified models composing the cabin，the relationship between the cabin and that information，and the product code，zone number，construction segment number and coordinates of a cabin's bounding boxes are identified as the retrieving conditions of the cabin model.Based on predefined distilling terms by users and the objects'types，names and coordinates of JT models'bounding boxes in the Product Lifecycle Management（PLM）platform，all the parts contained in a cabin can be efficiently distilled from the model of the whole ship.Furthermore，all the obtained models are assembled as a single JT model which possesses the same assembly configuration as the ship's Bill of Materials（BOM）structure.［Results］Finally，a tool which can search for one or many cabin models is implemented on the basis of the proposed method with a JT lightweight model management system，［Conclusions］and the gained cabin's JT model can be further used for collocation harmonizing，clearance analysis，virtual review，etc.

Key words：JT format；bill of materials；cabin；model filtrating；bounding box

0 引 言

船舶、航空等领域已广泛采用CAD软件开展产品数字化设计［1-2］。在设计过程中，为完成产品的空间布置协调［3］、零部件间隙分析［4］与虚拟评审等，设计师经常需要按照功能定义或空间范围从产品模型中提取相应的三维数字模型，如某个系统或舱室。西班牙SENER公司的FORAN软件在船舶设计领域已得到广泛应用［1，5］，在对船舶舱室进行布置协调和间隙分析时，设计师需要从FORAN软件中提取舱室的三维模型。考虑到该软件在三维模型版本管理以及间隙分析方面功能的不足，前期将FORAN模型导出为JT（Jupiter Tessellation，ISO国际标准）轻量化格式，并在某产品全寿期管理（Product Lifecycle Management，PLM）平台中进行基于物料清单（Bill of Materials，BOM）的管理，开发了基于JT轻量化的模型管理系统。尽管主流的PLM平台均提供了根据空间或属性的方式提取三维模型的功能，但这一过程需要较多的人工操作才能完成。考虑到船舶中舱室较多，提取舱室的操作较为频繁，为减轻用户工作量，提升设计的自动化水平，本文将研究如何从PLM平台管理的整船零件模型中自动提取舱室模型。

从PLM平台中提取舱室内零件三维模型，需要对PLM管理模型的特点、可用信息以及相应的过滤（或检索）方法进行分析。李海峰等［6］对三维CAD数据的类型、关联关系以及基于PDM的管理方法进行了研究。张荣霞等［7］研究了基于模型定义（Model Based Definition，MBD）的零件制造模型的管理方法。李军等［5］专门研究了FORAN软件中结构类模型的管理方法。许松林等［8］从基于模块的产品结构组织模式、数据集构成等方面对飞机产品数据管理方法进行了阐述。在基于BOM的产品数据管理方面，闵志坤等［9］通过引入继承码将单个物料与其所有祖先关联，提升了BOM的检索效率。Lee等［10］对船舶设计中BOM的定义、演化与管理等问题进行了深入研究。判定2个物体的空间位置关系，通常采用基于包围盒的相关算法［11］。陈阳平等［12］研究了基于AABB型包围盒的数字样机空间区域模型的过滤方法。此外，陶松桥［13］研究了面向设计的CAD模型检索技术。王占松等［14］研究了基于功能语义的三维模型检索方法。

本文将通过分析FORAN软件中舱室模型构成、FORAN导出的JT模型装配结构、零件级JT模型包含的信息以及舱室与这些信息之间的关联关系，提出一种基于对象类型、名称和包围盒快速过滤舱室模型的方法。最后，将在JT模型结构化管理的基础上，研究并实现舱室模型自动批量提取技术。

1 JT格式与船舶JT模型管理

1.1 JT格式

JT是西门子公司推出的一种轻量化文件格式，已被国际标准化组织认定为国际标准（ISO IS 14306：2012）。该格式提供了一种高效的3D产品定义方法，可在产品设计、仿真、制造以及后期技术支持等更大范围内广泛应用于协作、验证与可视化。

JT文件由一系列的块或片段构成，其基本结构如图1所示，包括：文件头（File header）、内容目录段（TOC segment）和数据段（Data segment）。完整的JT文件数据段内容非常丰富，包含：逻辑场景图（LSG）、形状细节层次段、JT边界表示段、XT边界表示段、线框段、元数据段、产品制造信息段、LUP段和LWPA段等。当前，很多成熟的商用软件均提供了JT数据的导入/导出接口。

图1 JT文件基本结构Fig.1 General hierarchy of JT files

1.2 FORAN导出的JT模型分析

在实际应用中，在FORAN中按照项目与专业的混合方式对产品数据进行组织管理，其三维模型类型主要为结构（S）、基座（AS）、设备（E）、管路（P）、风管（D）、管路支架（SP）、电缆通道（C）7大类型。其中，结构和基座类型按照分项目与分段（Block）的形式组织，其他5大类型按照分项目、区域与系统的形式组织。

FORAN V70 R2.0（及其更高版本）提供了导出JT格式三维模型的功能，导出的方法有2种：一种是手工操作方式，在FORAN中选择需要转换的模型，点击JT导出功能菜单，将选中的模型导出为一个JT模型；另一种是基于脚本转换方式，即通过转换命令形成的脚本完成模型的轻量化转换。在导出时，结构、基座这2类模型可按照分段导出其JT文件，其他5大类模型按照区域或系统的方式导出为JT文件。通常，导出的JT文件包含了大量的零件级JT模型，称之为JT包。

通过对FORAN导出的JT包进行分析，其结构和基座类零件级节点的名称为：类型标识码（S/AS）+分段号+顺序号，其设备、管路、风管、管路支架、电缆通道这5类的零件级节点名称为：类型标识码（E/P/D/SP/C）+区域号+系统号+顺序号。通过对JT包中零件级节点的属性进行分析，发现其属性中除了分段、区域/系统号、重心之外，还包含了该零件的包围盒坐标的最小和最大x，y，z坐标。采用Vis Mockup可以查看零件JT模型包含的属性、几何体和包围盒坐标等信息（图2）。

图2 FORAN导出的JT模型属性信息Fig.2 Attributes of JT model exported by FORAN

为了从整船模型中提取不同维度的模型，将JT包分解至零件级，便于后期基于零件级JT模型构建用户所需的模型。图3为FORAN导出的JT包装配结构树，一般由根节点、一级零件级节点和二级部件级节点组成，其中，零件级节点为构成零件的面片几何。对于舰船的各类应用而言，将JT包分解至一级零件节点即可，分解后的JT保持了上述JT包中的命名方式。

1.3 船舶零件级JT模型结构化管理

前期为开展基于模型（舱室、区域或单个零件）的各类应用，根据零件级JT模型ID以及设计人员对于数据的使用习惯，设计了BOM结构（图4），将整船零件JT模型进行基于BOM的管理。上传至PLM中的JT模型进行命名规范化预处理（如特殊字符处理、重名零件处理等）。JT模型上传至PLM平台时，根据模型的名称以及BOM的配置信息，自动创建更高级的BOM节点对象以及JT模型对象，并自动搭建相应的BOM结构，每种对象具有唯一的类型（ObjType）和标识码（ItemID），如表1和表2所示。因此，PLM中管理的对象有BOM节点对象和JT模型对象等，JT模型名称与其ID号相同，包含有产品号、区域/系统或分段号，JT模型的包围盒坐标等信息也在PLM中管理。

图3 FORAN导出的JT包装配结构Fig.3 Assembly hierarchy of JT package exported by FORAN

表1 PLM中的BOM节点对象类型及唯一标识符Table 1 Types and unique identifier of the BOM node objects in PLM

1.4 舱室模型自动提取问题

为减少人工操作，需要实现自动地从PLM平台中过滤出指定舱室内包含的所有零件模型，并将其按照整船BOM形式合并成独立的舱室JT文件。而要实现上述功能，需要解决如何从PLM平台中准确、快速地过滤出给定舱室内所有的零件JT模型，关键是如何根据PLM中JT模型蕴含的信息设计合适的过滤条件与算法。

2 舱室模型快速过滤方法

2.1 舱室模型构成

舱室是船舶中具备特定功能的空间单元。FORAN中舱室模型从模型类型来看，包含了结构、设备等7大类模型。从空间布置来看，舱室通常在一个区域内或跨多个区域，且其结构、基座模型属于一个或多个分段。因此，舱室模型是一定空间范围内所有模型的集合，这些模型均属于一个产品，并分别对应一个或多个区域（设备、管路、风管、管路支架、电缆通道），以及一个或多个分段（结构、基座）。这个范围即舱室包围盒，当模型与舱室包围盒相交或被包含时，认为该模型属于该舱室。

图4 PLM平台中JT模型BOM结构Fig.4 BOM structure of JT models in PLM platform

表2 JT模型类型以及对应PLM中的对象类型和唯一标识码Table 2 Types of JT models and the corresponding object types，unique identifier in PLM

2.2 舱室JT模型过滤算法

2.2.1 过滤条件选取

根据前面的描述，PLM的每个对象均具有类型和唯一标识码。对象类型除了表1中的7大类型的JT模型对象之外，也有表2所示的非JT模型的BOM节点对象，这些对象的标识码也包含了产品号、分段、区域/系统等信息（表2），仅从标识码难以过滤出JT模型对象。为此，需要结合对象类型首先从系统中排除BOM节点对象（模块、区域、系统、分段）。从设计师的角度而言，舱室与系统、分段的对应关系较难描述，而舱室所属产品、舱室所在区域以及舱室中结构、基座模型对应的建造总段信息较易获得。通过对FORAN中结构和基座类模型的名称进行分析，其分段号中前2位即为结构、基座模型所对应的建造总段号。因此，可以将舱室所属产品、所在的建造总段号以及区域号作为一个过滤条件。而舱室与建造总段、区域的关系存在多对多的情形，有必要通过更为精确的舱室坐标信息来过滤零部件。由于JT模型中带有其自身的包围盒坐标信息，同时设计师容易获得舱室包围盒坐标，因此，可以将舱室包围盒坐标作为JT模型过滤的一个条件。

基于上述分析，对象类型、JT名称（即ItemID）包含的产品号、区域号或分段号和JT包围盒坐标可以作为模型过滤的条件。

2.2.2 基于对象类型的过滤条件

在PLM中管理的JT是基于图4中的BOM结构来进行组织的，BOM结构中每个节点均作为一个对象在PLM中进行管理，具有唯一的类型，结构树中的叶子节点为具体的JT模型，而其他非叶子节点为模块、区域、系统和分段节点。通过对象类型，即表1中第3列和表2中第2列，可以排除非JT模型的对象。因此，遍历PLM中所有对象时，JT模型对象的过滤条件如下：当对象的类型值ObjType==U2_Struct||U2_AuxStr||U2_CableTray|| U2_Duct||U2_Pipe||U2_Support||U2_Equipment时，则该对象为JT模型对象（||表示逻辑或运算）。

2.2.3 基于模型名称的过滤条件

针对2.2.2节中过滤出的JT模型，可采用基于对象名称来进一步过滤。对于结构、基座类型的JT模型而言，其唯一标识码中包含的可用信息是分段号，通过分段号可以获取建造总段号（建造总段与舱室的关系较易描述）。而设备、管路、电缆等5大类的JT模型，其唯一标识码中包含的可用信息是区域号。因此，基于模型名称命名规则对模型进行过滤的条件为：当对象的标识码包含字母S/AS以及舱室所属建造总段号时，或者标识码包含有字母E/P/SP/C/D以及舱室所属区域号时，则该JT模型对象标记为舱室候选模型。

2.2.4 基于舱室包围盒坐标的过滤条件

根据唯一标识码过滤的JT模型不一定属于该舱室，需要结合舱室包围盒坐标来对候选模型进行精确过滤。通过分析FORAN导出的JT模型包围盒，发现其包围盒参考坐标系为世界坐标系，包围盒的各条边均与x，y，z轴平行，即所谓的轴向包围盒AABB（Axis-Aligned Bounding Boxes）型［11］。轴向包围盒的空间位置可由最小及最大坐标值定义。

根据用户事先给定的舱室A的包围盒坐标以及JT模型包围盒坐标，可以对2.2.3节过滤出的模型作进一步筛选。当候选零件位于舱室A包围盒内或与舱室A包围盒相交时，则认为该零件属于舱室A。图5所示的绿色大长方体为舱室包围盒，其他小长方体为不同零件的包围盒，假设零件的包围盒坐标表示为：Pmin=（Px_min，Py_min，Pz_min），Pmax=（Px_max，Py_max，Pz_max），舱室包围盒坐标表示为：Cmin=（Cx_min，Cy_min，Cz_min），Cmax=（Cx_max，Cy_max，Cz_max）。

图5 零件与舱室包围盒位置关系Fig.5 Spatial relationship of bounding boxes of parts and a cabin

1）包含关系的判断条件。

根据计算几何知识，零件包围盒位于舱室包围盒内时，容易得到包含关系的判断条件如下（&&表示逻辑与运算）：

2）相交关系的判断条件。

在分析相交时，可以考虑不相交的条件，然后取反。对于不相交的情形，模型应位于舱室包围盒6个面所在的平面之外，判断条件如下：

上述条件取反后，得到相交的条件为

3）包含与相交的统一判定条件。

由于 Px_max≥Px_min，根据 Px_min≥Cx_min及 Px_max≤Cx_max可以推出Px_max≥Cx_min，Px_min≤Cx_max；同理，根据Py_min≥Cx_min及 Px_max≤Cx_max可以推出 Px_max≥Cx_min，Px_min≤Cx_max；根据Pz_min≥Cz_min及Pz_max≤Cz_max可以推出Pz_max≥Cz_min，Pz_min≤Cz_max。

因此，在包含条件的各判定式中增加等于关系，可直接推导出相交的判断条件，从而得到如下的包含与相交情形的统一判定条件：

2.3 舱室JT模型过滤流程

从PLM中过滤舱室JT模型，可以通过判断对象类型、唯一标识码（包含产品号、建造总段/区域代码等）、JT模型对象包围盒坐标是否与给定的过滤条件相符，来过滤舱室JT模型。JT模型过滤完整流程如图6所示，分别为对象类型过滤、名称过滤和坐标过滤，其中类型过滤后，可排除非JT模型的对象。

图6 舱室JT模型过滤流程Fig.6 Flowchart of retrieving cabin JT models

3 舱室JT模型提取工具与应用

3.1 舱室模型自动提取工具设计与实现

在前期JT轻量化管理系统的基础上，结合本文提出的舱室模型过滤算法，设计并实现舱室模型自动提取工具。

3.1.1 舱室模型自动提取工具设计

基于第2节舱室零件的过滤方法，为实现舱室模型自动提取功能，用户需预先配置好过滤条件，包括：产品号、舱室编号、舱室对应的区域号、建造总段号、舱室包围盒坐标以及是否需要过滤。设计了舱室自动提取功能界面（图7），除必要的用户基本信息外，还为用户提供了配置与加载舱室模型过滤条件的功能界面。

图7 舱室模型自动提取程序界面Fig.7 Interface of automatically distilling cabin models

在输入用户名、密码以及船号后，点击“配置”按钮，弹出舱室信息配置Excel表，该表分为“coordinates”和“mapping”这2个表格页，表格设计模板如图8所示。

图8 舱室基本信息配置表Fig.8 Cabin basic information configuration table

对于跨区域舱室，可在图8（a）的coordinates页中分多行依次填写，每一行对应一个包围盒，多个包围盒的并集构成跨区域舱室的包围盒。“是否选中”一列选择“Y”表示对应的舱室需要切割，选择“N”表示不需要切割。当舱室对应多行时，只要coordinates页中其中一行选择“N”，则该舱室将不进行模型提取操作。当舱室跨多个建造总段时，在图8（b）的mapping页中分多行填写建造总段号。当上述配置信息填写完成后，用户可以根据需要选择其中部分舱室来执行模型自动提取，完成所需舱室模型的创建。

3.1.2 舱室模型自动提取工具实现

考虑到PLM平台中可能会管理多个产品的JT轻量化模型，同时每个产品的舱室数量较多，舱室模型提取任务较多，为减轻服务器的计算压力，将舱室JT模型自动提取流程分为模型过滤、下载、合并和回传4个基本步骤。过滤操作在服务器端完成，过滤出来的舱室零部件均下载到本地，在本地完成舱室JT文件合并后，再将舱室JT模型上传至服务器端PLM平台中管理，其完整的实现流程如图9所示。

为提升整个舱室模型的提取效率，在JT模型下载时采用了多线程技术加速下载。构建的舱室JT模型与舱室所属产品的JT BOM结构一致，便于用户浏览各种类型的模型。

图9 舱室JT模型自动提取流程Fig.9 Flowchart of automatically distilling cabin JT models

3.2 应用案例分析

PLM平台中某测试项目包含超过13万个的船舶JT模型对象，利用所实现的工具提取某舱室模型。用户在图7界面中配置舱室提取所需的基本信息，选择“确认”并运行舱室模型自动提取功能。该舱室过滤后的JT零件数量为18 951个，其中结构类零件为17 012个，基座类零件为208个，其他5大类模型为1 731个。对该舱室模型提取时间进行分析，JT过滤、下载、舱室JT合并、上传4个主要步骤的时间分布如表3所示。

表3 某舱室JT模型提取测试数据Table 3 Testing data of a cabin's JT models distilling

从表3可以看出，舱室模型自动提取时间消耗主要为模型过滤及下载。通过分析PLM内部数据的存取机制，下载时需要将JT模型从卷中提取到高速缓存cache中，再下载至本地硬盘（这一步采用2线程下载），下载时间消耗主要集中在将JT模型从卷中提取到cache中，而这部分时间由PLM平台自身决定，较难优化。模型过滤方面，下一步将研究PLM后台数据库表及其关联关系，以及舱室与分段的对照关系，改进对象类型和名称的匹配方法，以减少名称过滤后剩下的结构与基座类JT模型数量，降低坐标比较计算量，进而优化模型过滤整体算法效率。

舱室JT模型生成时，通过将BOM结构保存在数据库中，提高了构建舱室JT模型的生成效率。舱室模型上传至PLM中管理，带有版本信息，可用于舱室模型比对、间隙分析以及虚拟评审等。在间隙分析中，将进一步挖掘JT模型蕴含的信息，开展间隙分析的规则和条件设置方法等研究，有关工作将另文给出。

4 结 语

本文针对舱室模型提取的应用需求，在前期三维轻量化模型结构化管理的基础上，以FORAN导出的JT模型为对象，提出了一种基于JT格式的舱室模型自动提取方法，该方法包括舱室JT模型过滤、下载、合并以及上传4个基本步骤。用户预先配置舱室过滤信息，可实现从三维轻量化模型管理系统中提取舱室JT模型，并生成一个与整船BOM结构一致的舱室JT模型，所生成的模型可进一步用于协调、间隙分析以及虚拟评审等。

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Automatic method for extracting 3D ship cabin models based on JT format

FANG Xiongbing，WU Bo
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

U662.2

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.05.005

2016-07-15< class="emphasis_bold">网络出版时间：

时间：2017-9-26 11:00

国家部委基金资助项目；中国舰船研究设计中心研发基金资助项目

方雄兵（通信作者），男，1983年生，博士，工程师。研究方向：计算机图形学，舰船数字化设计。E-mail：fangxb2013@sina.cn

吴波，女，1971年生，高级工程师。研究方向：舰船数字化设计

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170926.1100.026.html期刊网址：www.ship-research.com

方雄兵，吴波.基于JT格式的船舶舱室三维模型自动提取方法［J］.中国舰船研究，2017，12（5）：38-45.

FANG X B，WU B.Automatic method for extracting 3D ship cabin models based on JT forma［tJ］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（5）：38-45.