基于知识工程的船舶机舱设备三维布局设计

王运龙， 姜云博， 管 官， 邢佳鹏， 于光亮

(大连理工大学 船舶工程学院，辽宁 大连 116024)

布局类设计问题由来已久，很多学者对此类问题开展了研究，如车间布局[1]、潜艇布局[2]、家具布局[3]以及车辆设计[4]等.船舶类布局问题属于有限空间多目标布局优化设计问题，对于船舶管路[5]、船舶舱室[6]及锚泊系统布局[7]问题都有很多研究和探索.由于船舶机舱设备布局的重要性，很多学者对该问题进行了深入研究，所用的方法也多种多样，包括建立船舶专家系统[8]、工程软件虚拟仿真及船舶布局优化算法[9]等.在以往的船舶机舱布局优化问题探究中，所研究对象多为小型船舶或者机舱某特定部分的布局，尤其以二维平面布局[10]较多，针对船舶机舱总体三维布局的研究比较少.

本文基于知识工程(Knowledge Based Engineering, KBE)思想对船舶机舱设备三维布局问题开展相关研究.分析当前先进技术，确定CATIA软件和知识工程为本文布局思想.将知识获取、知识表示、知识推理这3步作为本文的主要流程，并为每一个流程针对船舶机舱布局问题选择恰当的解决方案：建立船舶机舱分类规则以提高知识获取效率；建立设备虚拟面积增加规则来控制设备间距；运用参数化装配完成知识推理.对生成的布局方案建立了横倾力矩、干涉检查及逃生时间3项专家校验规则.最终，通过对一艘多用途载货船舶进行基于知识工程的机舱三维布局设计，验证了知识工程思想在机舱布局优化问题上的可行性和有效性.

1 知识工程简介

知识工程的基本思想是在工程设计当中重新运用已有的知识和经验[11].随着科技的飞速发展，知识工程思想理论逐渐被全世界各个领域的研究人员实际应用起来，并且取得很多有意义的成果.知识工程的核心是利用计算机技术把错综复杂的学科知识、专家经验、设计规律及相关文献资料构成知识库，并通过合理的知识表示和知识推理方法，将知识转化成为实际的产品设计[12].它提供了一套解决方案，允许用户将工程学的知识运用到设计之中，充分利用工程学知识减少错误或进行自动设计，从而获得最大生产率，具有很高的先进性.

知识工程是对本领域专家知识的集成、创新和管理，利用人工智能和计算机辅助技术相结合，建立表示和处理知识的产品模型，并通过知识的驱动和繁衍，对某一工程问题提供最优的解决方案.采用该方法可以很好地避免一些重复性的工作，很大程度上减少设计时间，缩短工程周期，使工程设计人员能够集中精力做其他创新性工作[13].知识工程还能把工程技术标准规范和长期积累的成熟设计经验融入到新的工程作业当中，大大减少了不必要的错误.这些特性也使得企业的知识得以保存，实现了设计的自动化.知识工程是通常是由知识获取、知识表示以及知识推理组成，除此之外还有知识筛选、知识管理等.知识工程流程如图1所示.

图1 知识工程流程图Fig.1 Flow chart of knowledge based engineering

针对船舶机舱布局设计问题的特点，结合知识工程的基本流程，可以总结出基于知识工程的船舶机舱三维布局设计流程，如图2所示.

图2 基于知识工程的船舶机舱三维布局设计流程图Fig.2 Flow chart of 3D layout design of ship engine room based on knowledge engineering

2 机舱三维布局知识获取

船舶机舱布局知识获取主要是指将船舶机舱布局的相关知识从外部知识源当中获取并且转换为相应的计算机知识，最终储存到知识库当中.这些知识的来源包含船舶设计相关的规范、法规、公约、船舶设计师的设计知识和经验及船舶与海洋工程类教学书籍，有时还要考虑船舶设计企业内相关规范要求等.

2.1 设备布局知识

首先需要获取的是机舱设备布局的基本原则、国际规范及经验习惯，主要的知识来源于对该类船舶设备布置图纸资料的经验总结，资料参考了当前我国船级社的钢质海船入级规范2018综合文本[14]以及国际惯例，还有一些船舶企业内部的设计规范资料，将机舱内的主要设备进行分条总结，并且在最后归总至数据库表格中.本文将基于一条多用途载货船舶进行机舱布局的应用，该多用途船的主要尺度和参数如表1所示.多用途船采用中后机舱形式，机舱长度为42 m，最大宽度为27.8 m，将机舱内的主要设备进行分条总结为下文的知识表示做好准备，如表2所示.

表1 多用途船主要尺度和参数

表2 机舱设备布局知识总结Tab.2 Summary of knowledge of cabin equipment layout

2.2 设备分类知识

针对基于知识工程的船舶机舱布局设计，通过分析总结建立了一套船舶机舱设备分类规则，将待布置的机舱设备按照重要性和布置甲板平台进行分类，并且赋予相应权重.将每个设备赋予设备类别权重ωCategory和层数权重ωLayer需要根据设备的功能和体积，对整个机舱布局的影响大小综合考虑分类设定ωCategory.设备对整船的推进性能和安全性等影响大，设备的体积大、对整个机舱布局影响大，则该类设备赋予较大的权重，反之则赋予较小的权重.对于层数权重一般按照底层权重大于高层的原则，结合不同船型的具体需求赋予权重值ωLayer.设备的权重ω=ωCategoryωLayer.按照综合权重计算后的大小顺序生成设备布置顺序，为下文知识表示做准备.以本文选取的多用途船为例，经过不断的试验，最终将设备分为A、B、C三类，设置三类设备类别的权重分别为ωA=0.9，ωB=0.7，ωC=0.3，设备布置甲板平台权重分别为：底层甲板ωF=0.8、下平台甲板ωL=0.4、上平台甲板ωU=0.6.机舱设备分类知识获取经过整理和权重计算列出，如表3所示.

表3 船舶机舱设备分类知识Tab.3 Classification knowledge of ship engine room equipment

由于会遇到权重相同的情况，一些辅助设备的布局则是根据其附属属性来进行排序，比如与主机相关的供油单元优先布置，随后布置与发电机组有关的柴油机冷却机组，然后是与锅炉有关的热井，最后按照设备体积从大到小的原则进行布置.

2.3 设备物理属性

需要获取的待布置设备主要的物理属性为各种设备在长(a)、宽(b)、高(h) 3个方向的最大值，由于在知识推理阶段还需要计算船舶的总体力矩等内容，故还需增加获取各种设备的质量参数(m).多用途船设备物理属性知识总结如表4所示.

表4 多用途船机舱设备物理属性知识总结

2.4 设备布局边界

船舶机舱设备布局的边界是该类型船舶的机舱内壁以及各油水舱室的外壁.知识获取来源于对该类型已建船舶分舱的情况和各舱室所占空间大小的经验总结.多用途船的机舱分3层甲板：底层甲板、下平台甲板及上平台甲板.分层甲板作为机舱设备的上下高度边界，布置时不可超出.各层还有许多不可布置设备的液舱和储物舱等，这些舱壁也是布局边界，如图3所示.

图3 机舱布局边界示意图Fig.3 Diagram of cabin layout boundary

3 机舱三维布局知识表示

船舶机舱三维布局知识表示需要把不同类型的知识通过产生式表达法和面向对象表达法这两种知识表示法进行表示，为最后的知识推理做准备.

3.1 产生式表达法

产生式表达法的基本形式是If A Then B 结构，A代表设备名称；B由两部分组成，分别是设备自身的物理属性和设备一般位置关系表述.其中物理属性分别为设备长宽高的最大值，一般位置关系表述为该设备与某关系设备距离或在船长、船宽方向最大活动范围.由于上一节获取到了设备的所有物理属性，本节产生式列表当中只列出所有设备的一般位置关系表述，如表5所示.表中：xi，yi(i=1，2，…，18)分别为船长、船宽方向位置坐标；ai，bi分别为设备本身的长度和宽度；d为机舱长度，取值为42 m；w为机舱宽度，取值为27.8 m.获取的知识语句当中，表述为“远离”的值为 3 000，“靠近”值为100.通风口位置为(33 000, ±3 650) mm，灰水舱位置为(22 000, 3 000) mm，污水存放舱位置为(18 000, 2 500) mm，柴油存放舱位置为(20 000，-2 750) mm，净化舱位置为(25 000，-4 000) mm，滑油储存舱位置为(36 000, 5 500) mm.

表5 设备产生式列表Tab.5 Equipment production list mm

注：x=11.5 m为机舱烟囱口位置，y=3.5 m为与某设备相关的舱外壁位置，底层甲板两侧海水舱距离中轴线距离为5.0 m.

3.2 面向对象表达法

所谓“对象”，指的是与机舱设备布局有关的客观事物，而本文的客观事物就是实体的船舶、机舱、各个舱室以及机舱内的各种设备.通过上文获取到的机舱物理知识和设备物理知识，可以很容易地在CATIA软件中进行建模，来完成机舱布局的知识表示.通过CATIA软件创成式外型设计和自由样式设计两个模块的配合，可以比较顺利地完成船体外壳、机舱外壳及舱室划分.设备的物理知识可以通过CATIA软件的零件设计模块完成.但是机舱当中不同设备维护占地各不相同，有必要为所有待布置设备建立操作维护空间.针对船舶设备所需要的操作维护空间，提出了虚拟面积的概念：机舱中不同设备操作维护占地各不相同，在建立设备三维模型的基础上为所有待布置设备在外围增设操作维护所需面积，即虚拟面积.这样在知识推理的时候就会留有足够的设备操作维护空间，对机舱设备的维护、安装、检查都提供了极大的便利，并很好地提高了机舱设备之间的干涉距离，可极大提高机舱整体布局效果.通过统计多条船舶的机舱布置图，结合文献[14]，可总结并且制定出一套适用于机舱设备布局问题的虚拟面积增加规则，如表6所示.表中：pi，qi分别为设备在船长和船宽方向增加的虚拟距离，其数值可根据船型、船舶吨位不同进行相应调整.

表6 设备虚拟面积增加规则Tab.6 Virtual area increasing rules of equipment mm

根据上述的规则和具体表示方法，可以得到机舱设备三维布局知识表示结果，如图4所示.

图4 机舱设备三维布局知识表示结果Fig.4 Result of 3D knowledge representation for engine room and equipment

4 机舱三维布局知识推理

机舱三维布局知识推理是指通过计算机软硬件技术，依据相关推理策略，将表达出来的知识进行知识推理，完成求解.本文将使用CATIA软件知识工程模块，将产生式表达法表示的知识直接进行公式输入，把设备实体模型导入完成知识推理.建立专家知识规则，将布局结果进行校验，判断是否符合规则和边界条件，符合则直接输出推理结果；如果不符合将会进入优化设计模块进行进一步调整，直到满足规则为止.

4.1 CATIA知识推理流程

首先在装配模块中将利用面向对象表达法建模完毕的各个设备导入CATIA，参数值有设备的长、宽、高及质量，本文建立了设备虚拟面积增加规则，因此设备的长、宽是经过虚拟面积增加规则计算之后的值.该数据为Excel表格形式，导入方式可以选择通过设计表导入，当改变Excel的数值时CATIA当中的参数会同步改变.然后将设备的物理属性参数和产生式表达法的产生规则通过Excel表格导入到CATIA知识工程模块当中.

所有参数导入完毕后，需对所有的设备进行参数关联，将参数和设备构成函数关系，进行装配设计时，可以根据参数的改变来改变整体的装配效果.本文主要使用的是偏移约束，通过将参数与偏移约束的值进行关联，从而形成一系列公式，达到参数化装配的目的.CATIA软件中参数和公式如图5所示.

图5 CATIA软件中机舱布局参数和公式表达Fig.5 Parameters and formulas for engine room in CATIA software

所有的约束关系都按照产生式的规则约束成功并且激活完毕之后，即可产生船舶机舱三维布局知识推理结果，如图6所示.

图6 船舶机舱三维布局知识推理结果Fig.6 Knowledge reasoning results of 3D layout of ship engine room

4.2 CATIA软件知识推理专家校验

在CATIA软件知识工程模块中，用户可以检查编辑器来创建检查规则，用于检查允许指定的某些信息的有效性，如果不满足相关的检查条件，那么会给出一个信号，这个信号可以以弹出窗口或者警告信息的形式来体现，此功能在实际工程当中非常有效.本文建立的校验系统主要有3条规则和要求.

(1) 船舶横倾力矩.为了使船舶在航行和停泊期间保持正浮稳性，保证船舶不发生倾覆，同时也为了保证各层平台的强度，每层机舱甲板的设备布置完成后应满足船舶实际横倾力矩小于船舶的倾覆力矩，且船舶实际横倾力矩越小越好.查询相关设计资料和利用相关稳性公式计算可以得到，在多用途船舶最大横倾角度为30° 时，该船舶的复原力矩M约为 34 500 N·m，因此船舶横倾力矩公式为

(1)

式中：f1为船舶横倾力矩函数；g为重力加速度.

(2) 设备间、设备与舱壁之间干涉检查.设备间不互相干涉说明设备坐标之间的距离要大于两设备大小的半宽之和或半长之和.此处的半宽或半长是指已经增加了虚拟面积之后的长度值.除此之外设备间或者设备与舱壁之间互不干涉也可以在CATIA软件知识工程当中进行设置碰撞校验设置：

(2)

式中：f2为干涉检查函数；A、B分别为设备增加虚拟面积之后的长度和宽度；α、β代表进行干涉检查的两个设备.

在CATIA软件知识工程模块中可以直接采用碰撞校验功能，选择分析功能中的检查碰撞，类型选择在所有部件之间，点击确定并且应用即可查看所有设备之间的碰撞情况.最终，在碰撞矩阵当中发现所有设备均无碰撞现象.

(3) 设备到逃生口时间.船舶机舱在设计的时候会设置若干个供船舶轮机人员逃生的出口，一旦在机舱遇到紧急状况，所在机舱人员需要迅速到达预定的逃生出口，保证人员的生命安全.根据资料设定人在机舱内的逃生速度v=1 200 mm/s，多用途船逃生出口设有两处，位置分别为P1(34 000, 5 000) mm，P2(34 000，-5 000) mm.参考相关规范，设定所有设备到其中任意一个逃生出口的时间不能大于30 s，校验公式如下所示.

(3)

式中：f3为设备到逃生口的时间函数；E为任意一个设备的坐标；P为逃生口坐标.

系统经过判断之后会进行反馈，如果符合规则系统会在左侧特征树当中会出现绿灯；如果不符合规则系统会在特征树当中出现红灯，并且弹出警告语句.如某设备的逃生时间不满足要求，该检查就会变为红灯，同时弹出如图7所示的警告.

图7 检查错误信息Fig.7 Message of error checking

通过上述专家规则的校验，所有规则检查都显示为绿灯，可以判断出所生成的机舱设备布局满足专家经验和相关规范要求.通过建立的船舶机舱设备分类规则和设备虚拟面积增加规则，在有效提高机舱设备知识获取和表示效率的基础上，运用CATIA知识工程模块完成知识导入，建立各自函数关系，完成了机舱三维布局的知识推理，获得布局设计方案.最后建立多条专家规则，实施并通过专家校验，验证了所生成机舱设备布局方案的可行性和合理性.

5 结语

通过基于知识工程的船舶机舱设备三维布局设计方法对一艘多用途船舶进行了实际机舱布局设计研究.首先，针对船舶机舱设备布局的相关知识做了全面的知识获取工作，汇总成为设备知识经验总结，创建了一套设备分类规则，为每个设备赋予两套权重，通过计算得到设备布局顺序.其次，通过产生式表达法和面向对象表达法对上述知识进行了表示，建立了机舱设备知识产生方式，为每一个设备都设定产生规则.随后，提出了虚拟面积的概念，创建了一套机舱设备虚拟面积增加规则，为每个设备都增加了操作维护空间，并利用CATIA知识工程模块完成了船舶机舱的知识推理和方案三维表达.最后，创建了船舶机舱设备布局知识检查功能，完成了专家校验，结果符合预期，验证了知识工程思想在船舶机舱三维布局设计中的可行性和有效性.