一种仿真船舶管路布局环境建模方法.pdf

一种仿真船舶管路布局环境建模方法：分别建立三维实体模型，并依据船舶设备工作过程，确定船舶设备维护性和操作性空间的特点，收集经验知识，完成数据储备；分别构建设备的虚拟空间，并以虚拟空间为依据对三维实体模型进行布尔运算，分别得到每一个船舶设备的新的设备模型；对每一个新的设备模型进行简化，得到每一个原始设备的简化模型；基于原始设备的简化模型的布局空间，构建空间的数学模型，对布局空间进行表达；基于每一个原始设备的简化模型，依据每一个原始设备的简化模型实际的装配位置关系进行放置，构建出布局空间的仿真模型。本发明基于操作性和维护性，在简化布局环境的同时也保证了布局环境仿真的精确性和合理性，为管路布局奠定了良好的基础。

1.  一种仿真船舶管路布局环境建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据布局空间每一个船舶设备模型的特点，分别建立三维实体模型，并依据船舶设备工作过程，确定船舶设备维护性和操作性空间的特点，收集经验知识，完成数据储备；
2)基于每一个船舶设备维护性和操作性分别构建设备的虚拟空间，并以所述的虚拟空间为依据对所述的三维实体模型进行布尔运算，分别得到每一个船舶设备的新的设备模型；
3)对每一个新的设备模型进行简化，得到每一个原始设备的简化模型；
4)基于原始设备的简化模型的布局空间，构建空间的数学模型，对布局空间进行表达；
5)基于每一个原始设备的简化模型，依据每一个原始设备的简化模型实际的装配位置关系进行放置，构建出布局空间的仿真模型。

2.  根据权利要求1所述的一种仿真船舶管路布局环境建模方法，其特征在于，步骤2)所述的基于船舶设备维护性和操作性构建设备的虚拟空间包括线性运动虚拟空间和旋转运动虚拟空间：
(1)对于线性运动虚拟空间，具体的几何尺寸计算方法如下：利用轴平行包围盒简化三维实体模型中线性运动部件并建立所述线性运动部件的简化模型，或利用轴平行包围盒简化维修工具，并建立所述维修工具的简化模型，取线性运动部件或维修工具在与线性运动方向相垂直的平面上的投影轮廓为扫描体，以所述投影轮廓沿线性运动方向扫描，得到线性运动虚拟空间，即，扫描体的初始位置外轮廓、直线扫描路径轮廓和终止位置外轮廓就构成了线性运动的虚拟空间，利用Q1，Q2，Q3分别对应表示线性运动虚拟空间初始位置外轮廓、直线扫描路径轮廓和终止位置外轮廓，则最终形成的虚拟空间SV_l表示为：
SV_l＝Q₁∪Q₂∪Q₃；
(2)对于旋转运动虚拟空间，具体的几何尺寸计算方法如下：首先，利用轴平行包围盒简化三维实体模型中旋转运动部件并建立所述旋转运动部件的简化模型，或利用轴平行包围盒简化维修工具，并建立所述维修工具的简化模型，取旋转运动部件或维修工具在与旋转运动方向相垂直的平面上的投影轮廓为扫描体，并利用平行于所述扫描体上下表面、并且穿过旋转运动部件旋转轴的平面将包围盒划分为两个部分part1，part2；旋转运动虚拟空间的构建方法：以旋转运动部件的旋转轴和上表面中平行于旋转轴并且靠近起始位置的边线构造平面，将所述平面与part1或part2的相交轮廓作为扫描轮廓；以所述扫描轮廓沿着扫描曲线进行扫描，得到扫描空间，标记为Q₆，同时将部件模型中扫描轮廓左边的区域标记为Q₄，右边的区域标记为Q₅；则part1或part2的虚拟空间被表示为：
SV₁＝Q₄∪Q₅∪Q₆。

3.  根据权利要求1所述的一种仿真船舶管路布局环境建模方法，其特征在于，步骤2)所述的新的设备模型是：在步骤1)所建立的三维实体模型的基础之上，结合得出的线性运动虚拟空间和旋转运动虚拟空间，利用布尔加运算对设备模型进行扩充，得到新的设备模型。

4.  根据权利要求1所述的一种仿真船舶管路布局环境建模方法，其特征在于，步骤3) 所述的对新的设备模型进行简化是，依据新的设备模型的几何特征，将新的设备模型分解为若干个独立的模型，然后利用轴平行包围盒的方法对各个独立的模型进行简化，再将简化后的模型重新组合，构成新的简化模型即为原始设备的简化模型。

5.  根据权利要求1所述的一种仿真船舶管路布局环境建模方法，其特征在于，步骤4)所述的构建空间的数学模型包括：
(1)空间离散化：利用轴平行包围盒对整个布局空间进行包络，并将整个布局空间分解为m×n×l个均等的网格细胞；选定包围盒任一顶点作为坐标源点，并设定坐标源点的坐标值为(1,1,1)，则其他各个网格细胞的坐标由所述的各个网格细胞与源点网格的相对位置关系决定；同时，各个网格细胞也被赋予了一个默认的标定值0，代表了布局环境中的可行布局空间，工作空间中的船体外侧空间、船体结构、设备及已生成的管路都是管路布局过程中的障碍，所述障碍占据的网格被赋予一个标定值#，代表工作环境中的不可行空间；鉴于网格划分的精度和各障碍在工作空间中的位置差异性，每个网格细胞存在三种状态：空、完全被占据和部分被占据；将部分被占据的网格细胞视为完全占据，赋予被占据的网格细胞标定值#；
(2)能量值分布：根据网格所包络空间的布局环境，各个网格也被赋予了特定的能量值，以表示管路通过各个网格区域的难易程度，能量值越低表示管路通过所述各个网格区域越容易，应当优先考虑；具体的能量值赋值方法如下：对布局空间中不可行空间中网格的能量值设定为∞，对于可行空间中的能量值设定为默认值E；根据实际工程经验，在管路布局过程中应当使得管路靠近船体壁、远离热源设备并考虑管路支架的共用性，因此，对于船体壁和已生成管路附近的网格赋予小于默认值E的能量值E_i，并按距离的增加依次增大到默认的能量值E；而对于热源设备，则需要对热源设备周围的网格赋予大于默认值E的能量值E_j，并按距离的增加依次减小到默认的能量值E；至此，完成布局空间的数学表达。

一种仿真船舶管路布局环境建模方法
技术领域
本发明涉及一种建模方法。特别是涉及一种基于设备操作性、维护性的仿真船舶管路布局环境建模方法。
背景技术
现代工业技术的发展深刻影响到船舶及其相关产业的产品设计及制造。作为船舶详细阶段的核心工作，管路的布局设计是指在有限的布局空间中，满足多种约束条件如：安全性、经济性、操作性和维护性等的前提下，设计出一种综合最优的的布局解决方案。当前船舶管路设计与建造技术的重点在于：研究、开发并运用现代船舶CAD\CAE技术，同时结合人工智能领域的研究成果，在对船舶领域现有的专家知识进行收集、汇总、分析、总结和归纳的基础上，开发使用于船舶行业的专家系统或其他智能设计工具。
系统的开发或智能工具的设计过程都需要解决布局环境建模的问题。但船舶的舱室的包含着大量的约束或限制，有某个独立设备包含的如远离热源等的特定约束，也有多个设备之间的相对关系约束；同时，管路布局过程中除了纯粹的几何方面的约束如：躲避设备模型所占据空间外，还需满足预留操作维护空间、经济性等非单纯几何因素。为处理非几何因素或具有扩展功能几何特性方面的因素，需要对布局环境的建模方法进行研究，将此类约束转化成易于被常用CAD处理软件系统处理的纯几何约束。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够对扩充后的设备模型进行简化的仿真船舶管路布局环境建模方法。
本发明所采用的技术方案是：一种仿真船舶管路布局环境建模方法，包括以下步骤：
1)根据布局空间每一个船舶设备模型的特点，分别建立三维实体模型，并依据船舶设备工作过程，确定船舶设备维护性和操作性空间的特点，收集经验知识，完成数据储备；
2)基于每一个船舶设备维护性和操作性分别构建设备的虚拟空间，并以所述的虚拟空间为依据对所述的三维实体模型进行布尔运算，分别得到每一个船舶设备的新的设备模型；
3)对每一个新的设备模型进行简化，得到每一个原始设备的简化模型；
4)基于原始设备的简化模型的布局空间，构建空间的数学模型，对布局空间进行表达；
5)基于每一个原始设备的简化模型，依据每一个原始设备的简化模型实际的装配位置关系进行放置，构建出布局空间的仿真模型。
步骤2)所述的基于船舶设备维护性和操作性构建设备的虚拟空间包括线性运动虚拟空间和旋转运动虚拟空间：
(1)对于线性运动虚拟空间，具体的几何尺寸计算方法如下：利用轴平行包围盒简化三维实体模型中线性运动部件并建立所述线性运动部件的简化模型，或利用轴平行包围盒简化维修工具，并建立所述维修工具的简化模型，取线性运动部件或维修工具在与线性运动方向 相垂直的平面上的投影轮廓为扫描体，以所述投影轮廓沿线性运动方向扫描，得到线性运动虚拟空间，即，扫描体的初始位置外轮廓、直线扫描路径轮廓和终止位置外轮廓就构成了线性运动的虚拟空间，利用Q1，Q2，Q3分别对应表示线性运动虚拟空间初始位置外轮廓、直线扫描路径轮廓和终止位置外轮廓，则最终形成的虚拟空间SV_l表示为：
SV_l＝Q₁∪Q₂∪Q₃；
(2)对于旋转运动虚拟空间，具体的几何尺寸计算方法如下：首先，利用轴平行包围盒简化三维实体模型中旋转运动部件并建立所述旋转运动部件的简化模型，或利用轴平行包围盒简化维修工具，并建立所述维修工具的简化模型，取旋转运动部件或维修工具在与旋转运动方向相垂直的平面上的投影轮廓为扫描体，并利用平行于所述扫描体上下表面、并且穿过旋转运动部件旋转轴的平面将包围盒划分为两个部分part1，part2；旋转运动虚拟空间的构建方法：以旋转运动部件的旋转轴和上表面中平行于旋转轴并且靠近起始位置的边线构造平面，将所述平面与part1或part2的相交轮廓作为扫描轮廓；以所述扫描轮廓沿着扫描曲线进行扫描，得到扫描空间，标记为Q₆，同时将部件模型中扫描轮廓左边的区域标记为Q₄，右边的区域标记为Q₅；则part1或part2的虚拟空间被表示为：
SV₁＝Q₄∪Q₅∪Q₆。
步骤2)所述的新的设备模型是：在步骤1)所建立的三维实体模型的基础之上，结合得出的线性运动虚拟空间和旋转运动虚拟空间，利用布尔加运算对设备模型进行扩充，得到新的设备模型。
步骤3)所述的对新的设备模型进行简化是，依据新的设备模型的几何特征，将新的设备模型分解为若干个独立的模型，然后利用轴平行包围盒的方法对各个独立的模型进行简化，再将简化后的模型重新组合，构成新的简化模型即为原始设备的简化模型。
步骤4)所述的构建空间的数学模型包括：
(1)空间离散化：利用轴平行包围盒对整个布局空间进行包络，并将整个布局空间分解为m×n×l个均等的网格细胞；选定包围盒任一顶点作为坐标源点，并设定坐标源点的坐标值为(1,1,1)，则其他各个网格细胞的坐标由所述的各个网格细胞与源点网格的相对位置关系决定；同时，各个网格细胞也被赋予了一个默认的标定值0，代表了布局环境中的可行布局空间，工作空间中的船体外侧空间、船体结构、设备及已生成的管路都是管路布局过程中的障碍，所述障碍占据的网格被赋予一个标定值#，代表工作环境中的不可行空间；鉴于网格划分的精度和各障碍在工作空间中的位置差异性，每个网格细胞存在三种状态：空、完全被占据和部分被占据；将部分被占据的网格细胞视为完全占据，赋予被占据的网格细胞标定值#；
(2)能量值分布：根据网格所包络空间的布局环境，各个网格也被赋予了特定的能量值，以表示管路通过各个网格区域的难易程度，能量值越低表示管路通过所述各个网格区域越容易，应当优先考虑；具体的能量值赋值方法如下：对布局空间中不可行空间中网格的能量值设定为∞，对于可行空间中的能量值设定为默认值E；根据实际工程经验，在管路布局过程中应当使得管路靠近船体壁、远离热源设备并考虑管路支架的共用性，因此，对于船体壁和已生成管路附近的网格赋予小于默认值E的能量值E_i，并按距离的增加依次增大到默认的能量值E；而对于热源设备，则需要对热源设备周围的网格赋予大于默认值E的能量值E_j，并 按距离的增加依次减小到默认的能量值E；至此，完成布局空间的数学表达。
本发明的一种仿真船舶管路布局环境建模方法，根据具体设备使用过程中维护和操作工作的特点，计算维护性和操作性空间，对原有设备三维模型进行扩充，然后利用“分离-简化-再组合”策略对扩充后的设备模型进行简化，得到管路布局环境的仿真模型。本发明基于操作性和维护性，在简化布局环境的同时也保证了布局环境仿真的精确性和合理性，为管路布局奠定了良好的基础。
附图说明
图1是仿真布局环境建模方法流程图；
图2是线性运动虚拟空间构建过程示例的效果图；
图3是旋转运动虚拟空间构建过程示例的效果图；
图4是设备模型简化过程示例的效果图。
具体实施方式
下面结合实施过程和附图对本发明的一种仿真船舶管路布局环境建模方法做出详细说明。
本发明的一种仿真船舶管路布局环境建模方法，如图1所示，包括以下步骤：
1)根据布局空间每一个船舶设备模型的特点，利用三维设计软件如SolidWorks等分别建立三维实体模型，并依据船舶设备实际运行期间的工作过程，确定船舶设备维护性和操作性空间的特点，收集经验知识，完成数据储备；
2)在船舶的正常运行过程中，船员需要对船舶设备进行操作和维护，因此，需要预留出足够的工作空间，即虚拟空间。虚拟空间是典型的扫描型空间，取决于两个主要的因素：扫描体的几何模型性质和扫描的轨迹。
基于每一个船舶设备维护性和操作性分别构建设备的虚拟空间，并以所述的虚拟空间为依据对所述的三维实体模型进行布尔运算，分别得到每一个船舶设备的新的设备模型；
所述的基于船舶设备维护性和操作性构建设备的虚拟空间主要是指对设备进行维护和操作工作过程中所需要的活动空间，根据操作形式的差异性，扫描的轨迹主要为直线、折线、摆动曲线和圆周曲线；依据轨迹的特点，线性扫描定义为：在给定空间坐标系内沿着各坐标轴方向所做的直线移动，折线运动视为若干次直线运动的合成。旋转扫描定义为：几何体绕着固定轴的转动，轴线穿过实体或者位于实体外。因此，将虚拟空间分为两个类别：线性扫描和旋转扫描。包括线性运动虚拟空间和旋转运动虚拟空间。
必要的虚拟能够保证操作人员基本的操作需求，但难以保证其动作过程的舒适性，十分准确的虚拟空间计算可能并不适合于实际应用。同时，由于几何实体形状不规则，因此易导致生成的虚拟空间实体包含了大量的不规则面，导致后期的模型处理过程的复杂性。因此，本发明用轴平行包围盒对设备模型进行简化，然后对其进行扫描，得出估计的虚拟空间。简化的扫描模型既在一定程度上保证了操作的舒适性，也简化了扫描空间的计算过程。
(1)对于线性运动虚拟空间，具体的几何尺寸计算方法如下：利用轴平行包围盒简化三 维实体模型中线性运动部件并建立所述线性运动部件的简化模型，或利用轴平行包围盒简化维修工具，并建立所述维修工具的简化模型，取线性运动部件或维修工具在与线性运动方向相垂直的平面上的投影轮廓为扫描体，以所述投影轮廓沿线性运动方向扫描，得到线性运动虚拟空间，即，扫描体的初始位置外轮廓、直线扫描路径轮廓和终止位置外轮廓就构成了线性运动的虚拟空间，利用Q1，Q2，Q3分别对应表示线性运动虚拟空间初始位置外轮廓、直线扫描路径轮廓和终止位置外轮廓，则最终形成的虚拟空间SV_l表示为：
SV_l＝Q₁∪Q₂∪Q₃；
图2为一个构建活塞更换过程中所需要的虚拟空间的例子。首先，对活塞的三维实体模型利用轴平行包围盒进行包络，建立简化模型如图2-(a)所示，假定其边长的几何尺寸分别为：L，W和H；其次，利用简化模型向与其线性移动方向垂直的平面上投影，得到二维封闭轮廓，如图2-(b)所示；最后，以该轮廓作为扫描模型，沿着长度为l₁的直线段进行扫描，得到最终的扫描空间，如图2-(c)所示。扫描得出的虚拟空间的体积可以很容易计算出：
V_SV＝L×H×l₁。
(2)对于旋转运动虚拟空间，具体的几何尺寸计算方法如下：首先，利用轴平行包围盒简化三维实体模型中旋转运动部件并建立所述旋转运动部件的简化模型，或利用轴平行包围盒简化维修工具，并建立所述维修工具的简化模型，取旋转运动部件或维修工具在与旋转运动方向相垂直的平面上的投影轮廓为扫描体，并利用平行于所述扫描体上下表面、并且穿过旋转运动部件旋转轴的平面将包围盒划分为两个部分part1，part2；旋转运动虚拟空间的构建方法：以旋转运动部件的旋转轴和上表面中平行于旋转轴并且靠近起始位置的边线构造平面，将所述平面与part1或part2的相交轮廓作为扫描轮廓；以所述扫描轮廓沿着扫描曲线进行扫描，得到扫描空间，标记为Q₆，同时将部件模型中扫描轮廓左边的区域标记为Q₄，右边的区域标记为Q₅；则part1或part2的虚拟空间被表示为：
SV₁＝Q₄∪Q₅∪Q₆。
所述的新的设备模型是：在步骤1)所建立的三维实体模型的基础之上，结合得出的线性运动虚拟空间和旋转运动虚拟空间，利用布尔加运算对设备模型进行扩充，得到新的设备模型。
图3为某设备的操作杆，建立其轴平行包围盒如图3-(a)所示，利用包含旋转轴并且与上下表面平行的平面将其分解为上下两个部分，分别命名为part1，part2。以part1为例，说明运动部件的虚拟空间的构建方法。选取平行于旋转轴并且与其垂直距离最远的边线作为构造线edge1，选取两条直线中靠近起始位置的一条，并以旋转轴作为第二条构造线edge2。然后，以edge1和edge2构造一个辅助平面，则将扫描轮廓SP定义为辅助平面与部件模型M的相交轮廓，如图中3-(b)中矩形框所示，并且该矩形框将Part1分为左右两个部分，分别标记为sub-Part1、sub-Part2。将此封闭二维平面封闭轮廓沿着固定轴旋转得到如图3-(c)所示的扫描空间，标记为Q₆，同时将部件模型中矩形框左边的区域sub-Part1标记为Q₄，右边的区域sub-Part2标记为Q₅，得到最终的旋转部件的虚拟空间如图3-(d)所示。显然的，part1虚拟空间SV₁可以被表示为：
SV₁＝Q₄∪Q₅∪Q₆
与此相对应，部件运动虚拟空间的体积由三部分组成。虚拟空间的体积V_SV1可以表示为：
V_SV1＝V_Q4+V_Q5+V_Q6
其中，各部分的体积可根据其实际几何尺寸关系以及旋转的角度利用简单数学体积计算公式得出。与建立part1扫描空间的过程类似，可依次建立part2的扫描空间SV₂，并计算得出相应的虚拟空间尺寸，则整个扫描部件的虚拟空间SV_r可以表示为：
SV_r＝SV₁+SV₂
在船舶设备原有的三维实体模型的基础之上，结合由上述计算过程得出的虚拟空间，利用布尔加运算对设备模型进行扩充。得到的现有模型充分考虑了操作性和维护性，并将其转换成易于处理的几何尺寸约束，为得到最终的符合工程实际应用的管路布局奠定了良好的基础。
3)对每一个新的设备模型进行简化，得到每一个原始设备的简化模型，缩减模型信息的存储量，提高处理效率；
完整的表达设备、管路的模型信息需要大量的存储空间，影响后期管路优化算法的运行效率。设备模型的简化能有效解决此问题，常用的简化方法为利用将模型完全包络的长方体包围盒代替原模型。长方体包围盒极大的简化了模型的数据存储量，但模型占据了过多的布局空间，使得算法无法找到更贴近实际的最优管路。
所述的对新的设备模型进行简化是，依据新的设备模型的几何特征，将新的设备模型分解为若干个独立的模型，然后利用轴平行包围盒的方法对各个独立的模型进行简化，再将简化后的模型重新组合，构成新的简化模型即为原始设备的简化模型。这种“分离-简化-再组合”的策略不仅能有效减少数据存储量，也使得简化模型更贴近实际的三维实体模型。
图4为某一船舶设备模型进行简化的示例。首先将原始的设备模型分解为三个主要的部分；然后对每个部分利用轴平行包围盒进行包络，分别得出各部分的简化模型；再将各个简化模型按照原有的相对位置关系进行组合，得到最终的简化模型。这种“分离-简化-再组合”的策略不仅能有效减少数据存储量，也使得简化模型更贴近实际的三维实体模型。
4)船舶管路布局空间的表达指对船舶设备、船体结构以及生成的管路的实体模型的数学描述，其首要任务是进行空间离散化。基于原始设备的简化模型的布局空间，构建空间的数学模型，对布局空间进行表达；
所述的构建空间的数学模型包括：
(1)空间离散化：利用轴平行包围盒对整个布局空间进行包络，并将整个布局空间分解为m×n×l个均等的网格细胞；选定包围盒任一顶点作为坐标源点，并设定坐标源点的坐标值为(1,1,1)，则其他各个网格细胞的坐标由所述的各个网格细胞与源点网格的相对位置关系决定，换句话说，当前网格所处的行、列、层即为其坐标值；同时，各个网格细胞也被赋予了一个默认的标定值0，代表了布局环境中的可行布局空间，工作空间中的船体外侧空间、船体结构、设备及已生成的管路都是管路布局过程中的障碍，所述障碍占据的网格被赋予一个标定值#，代表工作环境中的不可行空间；鉴于网格划分的精度和各障碍在工作空间中的位置差异性，每个网格细胞存在三种状态：空、完全被占据和部分被占据；将部分被占据的网格细胞视为完全占据，赋予被占据的网格细胞标定值#；
(2)能量值分布：在对空间进行离散化的基础之上，根据网格所包络空间的布局环境，各个网格也被赋予了特定的能量值，以表示管路通过该区域的难易程度，能量值越低表示管路通过该区域越容易，应当优先考虑。根据网格所包络空间的布局环境，各个网格也被赋予了特定的能量值，以表示管路通过各个网格区域的难易程度，能量值越低表示管路通过所述各个网格区域越容易，应当优先考虑；具体的能量值赋值方法如下：对布局空间中不可行空间中网格的能量值设定为∞，对于可行空间中的能量值设定为默认值E；根据实际工程经验，在管路布局过程中应当使得管路靠近船体壁、远离热源设备并考虑管路支架的共用性，因此，对于船体壁和已生成管路附近的网格赋予小于默认值E的能量值E_i，并按距离的增加依次增大到默认的能量值E；而对于热源设备，则需要对热源设备周围的网格赋予大于默认值E的能量值E_j，并按距离的增加依次减小到默认的能量值E；至此，完成布局空间的数学表达。
5)基于每一个原始设备的简化模型，依据每一个原始设备的简化模型实际的装配位置关系进行放置，构建出布局空间的仿真模型。
根据上述的虚拟空间计算方法、模型扩充简化方法，构建了船舶设备的最终模型，依据其实际的装配位置关系进行放置，构建基于仿真的管路布局空间模型。该模型不仅考虑了设备运行过程中的维护性和操作性空间，还可进一步利用栅格法进行空间离散化，并结合空间能量值分布方法以简便而准确地完成布局空间数学模型的构建。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。