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原文传递船舶舱室智能虚拟布置设计方法与关键技术研究

论文题名：	船舶舱室智能虚拟布置设计方法与关键技术研究
关键词：	船舶;布置设计;人工智能;虚拟层次模型;管路;遗传算法
摘要：	船舶舱室布置设计是一个不断反复、螺旋上升的过程，传统的设计方法是借助于CAD系统提供的鼠标、键盘等交互方式，反复设计，逐步求精，使得船舶舱室设计过程繁琐冗长，自动化程度低。目前在提高船舶设计生产的效率方面，已经展开了许多工作。CAD/CAM的应用，代替了费时的体力工作，提高了设计精度，对提高船舶的设计和建造效率做出了贡献。但对于设计中存在的问题，有的在后续设计过程中暴露出来，而有的则在产品实物建造出来后才暴露出来，不仅延长设计建造周期，而且造成巨大损失。关于船舶布置设计的研究尤其是三维空间虚拟布置设计的研究在国内的研究还不多见，这与船舶设计其它方面的研究与发展水平形成了强烈的反差，制约了船舶设计速度和质量的提高。因此，在船舶舱室布置设计方面寻求新的设计方法和设计手段以改变传统的设计状态已成为亟待解决的问题。本文结合三维布局领域研究成果，运用虚拟设计技术现代设计方法，结合AI技术，突破了传统船舶舱室布置设计工作中的局限性。为寻求新的船舶舱室布置设计方法奠定了一定的理论和技术基础。全文主要做了以下工作： (1)在分析国内外大量文献的基础上，将现代设计方法、虚拟现实技术、人工智能技术引入船舶舱室布置设计中，提出了一种新的有效的基于知识的船舶舱室布置虚拟设计方法。 (2)采用IDEF0方法分析了船舶舱室布置设计活动，并以机舱为例，根据船舶舱室布置对象的不同特点，将舱室布置设计对象分为物理对象、空间对象和设计约束，明细化了船舶舱室布置设计中所处理的对象。在分析船舶舱室布置设计对象和设计知识构成的基础上，将船舶舱室布置设计知识模型分为知识库、船舶计算应用程序、实例库和CAD数据库四个部分，其中知识库包括4个规则库和两个方法库，采用面向对象表达方法建立集框架、规则、方法一体的混合知识描述体系，并介绍了相应推理机制。 (3)在船舶舱室虚拟布置模型中，提出船舶舱室虚拟布置中设备信息的层次模型，将设备/零件信息分别存储在设备层、特征层、几何层以及显示层，通过数据映射与约束映射实现设备信息模型中各层次信息的关联。采用更适合工程师习惯的语义表达形式来描述船舶舱室设备空间位置关系，给出了布置约束的描述方法。提出基于约束的多层次结构的船舶舱室虚拟布置模型表达方法，在整个模型中，布置语义与布置约束信息成为信息传递、转换的中枢，其它信息被嵌入到实体模型中以反映整个模型的布置活动。 (4)提出了基于运动自由度分析的舱室虚拟布置操作方法。根据设备之间的约束关系，通过设备定位求解调整设备的空间位置，使之满足布置几何约束，并通过对设备自由度矩阵运动信息的调整与修正，确保设备在可自由运动空间中运动。对设备定位求解，提出了基于最优化方法对约束方程组的数值求解算法，有效地处理欠约束和过约束状态。 (5)研究了建立船舶舱室三维布置设计的数学优化模型的原理和方法，采用能量法对不等式约束进行处理，建立了舱室优化布置目标函数，采用模糊函数方法，引入操作维护方便度评价指标。模糊函数的引入，能更好的描述专家模糊知识，并具有光滑连续的函数响应曲面；将模式搜索(PS)用于船舶舱室优化布置设计中，提出了基于PS的船舶舱室布置优化算法。 (6)采用图表示方法描述管路空间，提出船舶舱室三维管路空间距离矩阵表示方法，利用距离矩阵不仅可以描述正交管路图，而且可以利用距离矩阵建立管路图结点之间的正交距离；以管路长度和弯管数为主要目标，建立了管路布置优化目标函数；以Evolver为算法平台，提出了基于遗传算法的船舶舱室管路布置优化设计方法。总之，在查阅了大量国内外相关文献资料的基础上，本文将AI技术、虚拟现实技术以及船舶CAD技术相结合，探索一种新的船舶舱室智能虚拟布置设计方法，将船舶舱室布置设计的质量提高了一个层次。
作者：	冯军
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	陈宾康;应文烨
授予学位：	博士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2005
正文语种：	中文