基于AM的船舶開孔管理輔助系統設計

顧曉波, 徐成喜*, 趙 旭

(1.江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212100；2.江蘇現代造船技術有限公司，江蘇 鎮江 212003)

0 引 言

船舶建造是一項投入巨大、繁瑣復雜的系統化工程，包括船體結構、輪機管系、電氣、鐵舾和通風等多個專業。項目前期的設計準備工作直接關系后期的工程建造效率，使用一款可集成多個專業模塊于一體的船舶設計軟件，處理各專業之間的布置、協調和干涉問題，實現模型同步可視化，顯得相當重要。英國劍維公司研發的造船和海洋工程設計系統(AVEVA Marine，AM)[1]正是其中之一。

AM軟件是整個船舶開孔管理流程的核心，開孔管理模塊分為2個。其一是舾裝開孔管理模塊，在選擇板架和管件對象后，填寫孔的類型、凈空和裕量等屬性，確認無誤點擊OK。其二是船體開孔管理模塊，根據規范對申請開孔進行相應操作，不符合規范要求則開孔申請會被駁回。文獻[2]給出AM軟件開孔管理步驟的詳細介紹，該過程操作繁瑣、工作量大、周期長、效率低，很多地方需要改進。為提高AM軟件在船舶開孔管理方面的功能和設計人員效率，實現船舶快速開孔，開發船舶開孔管理輔助系統十分必要。

1 AM軟件開孔管理模塊

用戶在AM軟件Outfitting(舾裝模塊)的子模塊Pipework中可創建管系，在Structrue子模塊下選擇Panels&Plates可創建面板和板材。管件模型存儲的數據結構在WORLD-SITE-ZONE-PIPE下，其中，面板和板材及創建的虛擬開孔模型均存儲在數據結構WORLD-SITE-ZONE-STRU-FRAM下，如圖1所示。AM軟件的開孔管理模塊操作流程如圖2所示。

圖1 管件和面板模型存儲結構

圖2 AM軟件開孔管理操作流程

基于AM軟件開孔管理功能的缺陷如下：

(1)不同專業開孔協同效率較低。舾裝專業通過不斷地提交開孔申請或被船體專業拒絕的開孔申請實現船舶的開孔設計。每個專業均相互獨立導致靜態的開孔數據不能表現不同專業開孔信息的聯動變化，協同設計的開孔周期變長導致整個船舶開孔設計周期變長。

(2)操作過于繁瑣。在AM軟件中的船舶開孔管理模塊進行開孔，可對各種管件貫穿板架的板材進行各種開孔，但開孔步驟過多，一個步驟又分為多個步驟，使整個開孔過程較為繁瑣和麻煩，花費時間較多。

(3)界面不夠直觀，需要打開多個界面。在開孔過程中，打開不止3個界面，每個界面需要在不同工具欄的下拉菜單中打開，進行填入數據、選擇對象和拾取對象等操作，整個操作過程非常不流暢。

(4)影響開孔數據的準確性。打開界面和點擊命令這兩個基本操作十分費時和分散精力，后續重要數據的輸入選擇較為繁瑣，使設計效率低且易出錯。

對于AM軟件開孔管理功能的后3個缺陷，采用參數化建模和數據抽取的方式，使操作步驟減少、界面更直觀，僅需要填入相關數據即可，而不同專業開孔協同率較低則通過確定開孔協同處理流程和規則數據庫方法解決。

2 AM軟件開孔協同流程和規則數據庫設計

結合船廠設計實際生產業務的需求，從兩個方面考慮：一是對于開孔管理系統的性能需求從易用性、準確性、自動化程度高和可擴展性等方面進行分析；二是相應地完善AM軟件開孔管理功能的缺陷，在設計系統過程中需要確定開孔協同流程和規則數據庫的設計。

2.1 開孔協同流程

舾裝專業開孔和船體專業開孔是不斷交互的過程。舾裝專業人員打開基于AM軟件的開孔管理輔助系統，通過系統界面輸入相應的數據信息，創建虛擬開孔，根據開孔規則對擬提交的開孔申請進行審核，將符合開孔規范的開孔申請提交至船體專業人員，對不符合開孔規范的開孔重新創建虛擬開孔。船體專業人員收到舾裝專業人員提交的開孔申請，根據開孔規則進行審核，對不滿足規范要求的開孔申請直接拒絕并反饋至舾裝專業人員，舾裝專業人員對不滿足規范要求的開孔信息進行修改更新，重新提交開孔申請至船體專業人員審核。對滿足規范要求的開孔申請，船體專業人員通過開孔需求完成開孔，并將開孔數據信息保存在AM軟件的數據庫中。該過程不斷循環，最終形成開孔協同流程。

2.2 開孔協同規則數據庫設計

為縮短不同專業協同開孔周期，提高不同專業開孔協同效率，根據開孔協同流程，保證開孔信息的準確性和及時性，實現不同專業信息的交互和共享，需要創建開孔協同規則數據庫。該數據庫用于存儲不同專業開孔規則數據信息，包含各專業的人員信息和不同位置的開孔規則。人員信息主要包含身份證號碼、專業和姓名等識別身份的信息。文獻[3]詳細介紹不同位置的開孔規則。

以在1個肋距或縱骨間距內開圓孔為例，如圖3所示。開孔尺寸不補強的情況為(D1+D2+…)≤60%S且≤25%H，Di≤25%H，Ci≥40%H，Pi>相鄰兩孔直徑和，其中，Di為各開孔直徑，S為肋骨或縱骨間距，H為梁腹板高度，Ci為各開孔下邊緣至梁面板距離，Pi為相鄰兩孔的中心距。開孔尺寸補強的情況分為3種：①25%H20%H；②Di>25%H，25%H60%S，Di≤50%H，Ci>25%H。

圖3 開圓孔

將不同位置開孔規則的數據和屬性記錄在數據庫中，方便系統隨時調用數據庫數據信息，實現不同專業在開孔管理時對不滿足規范的要求進行相應的提示。根據數據庫的設計范式[4]，采用Microsoft SQL Server關系型數據庫建立開孔協同規則數據庫。

3 二次開發開孔管理輔助系統

3.1 系統開發環境搭建

開孔管理輔助系統的開發環境基于AM軟件平臺，該軟件具備解決復雜工程設計和管理的能力，可提高設計效率、增強數據安全性。為滿足客戶需求，AM軟件提供友好界面和豐富接口，方便用戶通過二次開發解決使用中的需求問題[5]。通過Visual Studio編寫程序，確定C#為開發的程序語言[6]，程序生成.CS文件添加至AM軟件提供的執行插件文件Addin configuration file中。在開發的程序語言成功運行后，啟動AM軟件可看見開發的功能界面，如圖4所示。

圖4 程序開發的路徑

3.2 開孔管理輔助系統功能實現

二次開發基于AM軟件的Outfitting模塊，開孔類型主要為圓孔(D)、方孔(HR)、等腰腰形孔(HO)、葫蘆形孔(HOR)和倒圓角方孔(HRM)等。開孔參數：A為開孔長度；B為開孔寬度；R為開孔倒角半徑；D為圓形孔直徑；R1和R2為葫蘆形孔左右兩邊半徑。開發重點在于獲取板材和模型的相應數據信息，結合不同的開孔類型填入相應開孔參數，通過參數化建模[7]和AM軟件數據庫中的數據抽取方法，在獲得滿足開孔的所有數據信息后輸入至程序中完成開孔，并將數據保存在AM軟件數據庫中。界面設計是在Visual Studio軟件中創建一個用戶窗體控件程序，使用DEV控件技術設計界面，使面向用戶交互的界面更美觀。在用戶窗體控件中創建CtrHoleManagement窗體和CtrHoleManagementHull窗體。CtrHoleManagement窗體操作功能：舾裝專業人員根據身份證號碼識別進入該界面，在獲取板材和模型信息后創建開孔申請，右擊列表，進行修改開孔、保存修改、開孔作廢、開孔撤回、補孔申請和模型定位等6種操作。CtrHoleManagementHull窗體操作功能：船體專業人員根據身份證號碼進入該界面，可查詢所有分段信息，針對開孔相關數據列表信息右擊菜單，進行模型查看、補孔退回、Scheme語句預覽、同意開孔和拒絕開孔等5種操作。開孔管理輔助系統界面如圖5所示。

圖5 開孔管理輔助系統界面

以開圓形孔為例，以Element方式讀取或寫入數據庫，通過GetAsString方法拾取類型為HPLATE的板架和類型為BRAN的管件。采用C#編程語言獲得板架的方向Orientation wori與Position wpos和管件中心線上的兩點Position Pipe1與Position Pipe2，管件兩點連成一條直線穿過板架上的一個板材平面，取平面一點可計算面與線的交點，交點即為管件貫穿板材的中心點位置，核心代碼如圖6所示。以參數化建模的方式控制開孔所需要的形狀和尺寸，加上中心點位置，即可快速完成開孔。采用List集合將所有板材和管件的信息保存，將保存的數據全部傳遞至AM軟件數據庫中，開孔完成，如圖7所示。

圖6 獲取板材和管件信息計算開孔中心點位置代碼

圖7 開圓孔效果

3.3 工程應用

使用基于AM軟件的船舶開孔管理輔助系統分為6個步驟。舾裝專業人員打開CtrHoleManagement窗體：①點選板架獲取板架信息；②點選管件獲取管件信息；③點擊板材開孔所需要的開孔類型，通過參數化建模和從AM軟件數據庫中抽取數據信息，系統計算開孔尺寸數據信息；④輸入開孔所需要的尺寸參數；⑤點擊創建按鈕，系統計算管件貫穿面板中心點位置和開孔尺寸，快速生成開孔模型。船體專業人員打開CtrHoleManagementHull窗體：⑥選擇待開孔分段和開孔申請，點擊刷新，對符合規范要求的開孔信息右擊同意申請，開孔完成。

以2 500 TEU集裝箱船為例，按相關開孔要求分別使用AM軟件開孔管理功能和基于AM軟件二次開發的船舶開孔管理輔助系統進行開孔，并記錄開孔的時間和數量，對比兩者的開孔效率。結果如下：開孔共3 825個；AM軟件開孔管理模塊的舾裝開孔耗時234.7 h，船體開孔耗時115.8 h，共350.5 h；船舶開孔管理輔助系統的舾裝開孔耗時35.4 h，船體開孔耗時22.8 h，共58.2 h；與AM軟件開孔管理模塊相比，船舶開孔管理輔助系統在舾裝開孔方面效率提升84.92%，在船體開孔方面效率提升 80.31%， 整個開孔過程耗時節省292.4 h。

綜上所述，船舶開孔管理輔助系統在船舶開孔管理方面具有可行性。

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4 結 語

通過C#對AM軟件進行二次開發，研究基于AM軟件的船舶開孔管理輔助系統，改變AM軟件開孔管理模塊操作繁瑣、界面不夠直觀、周期長和開孔協同效率低的缺陷。該系統通過開孔協同流程和規則數據庫的設計實現多專業開孔協同設計，結合參數化建模和從AM軟件數據庫中直接抽取相關數據的方式快速生成開孔模型，可為設計人員大幅節約設計時間，加強各專業協同設計能力，確保開孔的準確性和流程可控，提高船舶開孔管理能力。