摘要：随着船体结构设计的快速发展，越来越多的企业开始考虑如何才能在确保设计结构安全的前提下，快速设计出完美的船体结构，并可以在后期快速修改船体。针对这个问题，本文以知识的船体结构设计的概念为依据，将工程的基本原理与数字化技术相结合，对船体的结构设计进行了深入的研究，为实现船体结构的快速三维优化奠定了扎实的基础。在设计船体结构的位置时，必须通过科学合理的参数设定来确定具体的方位，另外，构件船体的尺寸必须通过NURBS函数设值来获得，这是为了对船体的结构设计采用量子行为遗传算法进行不断的优化。本文研究表明，这种方法可以有效地将设计的知识与结构知识的本体相融合，不仅有利于对设计知识的再利用，还方便设计师可以对设计的结果及时进行自动检查。
关键词：船体结构；知识工程，快速设计；参数化
引言
如今，知识工程体系在机械行业已经取得了巨大的研究成果，而在船舶行业中，因为船体设计的复杂性，所以我们对知识工程体系的研究在这方面还处于初期阶段。船体设计的质量和工作效率是直接影响开发时间的重要因素，传统的船体结构设计是一种交互的绘图过程，它仅仅只是将图形设计初步运用到了数字化中，但是整个设计过程并不包括设计的思想、经验等系统的知识，因此，它十分不便于对设计师后期对模型的检查。对于这个问题，有学者开始研究将设计方法、经验结合到设计的具体过程中，让设计师只用输入少量的参数要求，系统就能根据相关的知识快速开发出一款高质量的设计新模型。我们在前辈的研究成果上，继续引入船体结构的知识本体定义，将知识的基本原理与参数化的技术结合，建立了一套属于我们自己的结构设计的知识库，并实现了船体结构设计的最终优化。
一、知识工程和本体的定义
1.知识工程
知识工程是研究知识体系的一门新兴的学科，它是将系统研发中的具体问题作为知识工程的核心提出来，让其成为指导研发的一种基本工具。它的本质是研究如何才能快速积累产品研发中的知识，并对它们进行应用方面的维护，之后用产品研发的相关问题来主动求解。知识工程的最终目的就是希望能够实现对知识信息的再次利用，可研发出高质量的新产品。
2.知识本体
新船体的研发通常是以已有母船为参考的，船体的结构设计经常也是在母船原有的结构体系上设计出来的。设计师一般会结合知识工程，提出关于船体结构设计的知识本体新概念。这是在研究某一旧船型的基础上去除了它某些特殊的结构设计，提取了其中的共性结构，并建立了一套三维的参数化结构模型，这就是知识本体。知识本体可以帮助设计师快速研发出新的船体结构，因为它本身就是基于知识的船体结构设计思想而产生的，所以设计师运用计算机技术就可以轻松地把有关的知识整合到船体结构的新模型中，最后完全实现船体结构设计的参数化，让设计师在拥有丰富知识的支持下，还可以进一步提高自身的设计水平[1]。
二、建立知识库
1.构件库
船体的设计结构一般都比较复杂，设计师需要构件尺寸的信息量特别大，为了减少结构设计时的一些没必要的工作量，设计师便可以对整条船的构件进行一定的规划，总结构件的主要特征，建立一套属于自己的结构构件库。之后，设计师就能运用参数化技术来构建船体的构件模型，把知识库中的相关信息与构件模型相结合，在构件库中可以根据标准尺寸来进一步设计构件的外形、用途等，甚至还可以随时按照需要调整构件的对应参数[2]。
2.板材和型材库
运用计算机电子表格的驱动板材参数可以在一定程度上优化结构设计，并根据板材的厚度参数来进行分类存储，板材外形与计算机电子表格中的参数相关联，还可以快速生成对应的板材。另外，计算机电子表格的型材参数还可以随时帮助设计师构建型材库，其中，主要需要在构图运用到的型材参数包括型材号、腹板的高度和厚度、面板的厚度和宽度等[3]。
3.规则库
针对船体的结构设计，规则库的主要作用就是提供设计的规范、经验、实例等。设计师在建立规则库时，必须先对有关知识体系进行归纳整理，并根据这些知识信息制定出一套可以解决设计相关问题的方案。知识信息是通过特定的格式储存在计算机的数据库中的，这可以方便设计师随时在需要的时候来调用，为设计过程提供理论指导，加快设计的工作效率。
三、船体结构设计必须基于知识工程和本体
设计师在设计一套新的船体模型时，必须以一定的知识工程和知识本体为基础，根据知识体系来严格按照要求设计模型，不能随意依据自己凭空出现的想法来改变设计的标准。只有真正建立了符合自己船体结构设计的知识库，规范地利用母型船的基本共性结构，在提高工作效率的同时尽量保持自己独有的设计结构[4]，如此才能够在不断积累经验的过程中实现结构设计和检查的三维知识工程模型的一体化，在节约物力和人力的同时，减少设计中出现的问题。反之，如果设计师从一开始就不尊重知识体系中约定俗成的规则，那么后期的设计肯定就会失去它原本的价值和作用，最终开发出来的成型船体也不能满足使用者的需求，而且这种不符合要求的劣质品最终也会渐渐被市场所淘汰，如此就会显得有些得不偿失。
四、合理运用推理方法
1.规范推理法
要规范推理法，设计师首先就要确定船体结构模型的基本参数，接着再根据规范的公式来确定各参数之间的关系等式，然后按照标准规定的板材厚度来加强对船体结构设计的各项属性要求，建立一个必要的规则库，并将规则库中相关的知识信息与船体结构设计的具体操作过程紧密结合在一起，最后再严格依据设计的规则来获取构件参数的取值范围。当一切都准备就绪后，设计师就可以规范地来进行参数检验，对自己制定出的设计方案展开评估，以此来分析设计的最终结果是否能满足规范化设计的要求。如果设计结果不满足要求，系统就会给出相应的提示，方便设计者及时了解到问题发生的原因，并对其进行修改，完成设计[5]。
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2.实例推理法
设计师在应用实例推理法时，首先需要选择n条近似的母船结构模型作为设计的依据，接着再根据规范中要求的船体结构板厚数值，用数据间的计算公式来计算每个船体结构构件之间的关键值。实例推理法和规范推理法的主要区别就是运用公式的计算方法不同，规范推理法是把公式的计算结果作为构件设计的原始尺寸，而实例推理法则是通过后期检查之后的设计结果来规范计算，在设计中的公式只是一个为确定关键数值而使用的手段，实例推理法的构件原始尺寸是对母型库直接进行插值得到的。因为母型库的构件尺寸的前期设计经验较为丰富，所以实例推理法在对其进行继承之后，就能够有效地避免知识信息的流失[6]。
五、船体结构设计基于知识工程和本体的问题
在具体设计新船型的结构时，我们发现了一些不可避免的问题，这些问题严重影响了设计师的设计工程，不仅使他们的工作效率被大大降低，甚至还导致开发出的产品质量不符合规范化管理的要求。首先，第一个最重要的问题就是计算机图册中所表示出的肘板偏移并不能代表设计中所有出现的情况，这就使其他情况下所产生的偏移问题没有一个明确的规定，设计师往往就不能根据已有的参数来判断出结构的具体偏移情况下，无法决定是否需要纠正这种偏移问题，而后期检查工程时是否又需要再次修改误差。另外，每个在建模时，每个设计师都有各自不同的想法，对于出现的一种偏移情况，他们也会给出不同的处理建议，这就会造成设计的最终结果因为大家意见不统一而会变得五花八门，不堪入目。
如此一来，船体结构中的上球和下球扁钢因为有剪力存在，就不会再保持在同一条直线上，而船体底部的实肋板上的扶强材料的加强筋有的也会出现一定的偏移，即使设计师采用的是数控肋板下料方法，下料时在结构上也有具体的划线，可在装焊时，他们依然会按照偏移的位置来处理，这就没有办法保证装焊时纵骨和肘板之间的距离是在规范要求之内的。另外，根据公司当时的情况，在对肘板进行下料时，也无法要求在深熔焊、全焊透的位置开坡口。工人在实际施工的时候，大多数人为了加快施工的进度，他们就只会对有特殊说明的肘板都进行偏移处理，而不会去检查其他位置的偏移问题，所以这就发生了设计中扭转力矩的事情。
六、船体结构设计基于知识工程和本体的具体对策
1.明确构件的位置
很多船体结构的设计师都知道船体的主要结构就是加筋板，主要操作就是通过在板材上焊接加强的筋板来提高船体整体的稳定性。因为板材是加筋板之前所必需的基础，因此，设计师要想确定船体结构设计的整体布局，就必须先确定板材的具体安装位置，然后才能进行后面的焊接加强筋工作。一般而言，要想确定板材的位置，设计师可以利用船体板块的边界和知识理论体系上的平面来确定方位[7]。计算机中的知识数据库是根据以前设计师在设计船体结构时已有的参数数值，来与其他类型的板材互相交换参数所得到的可靠数据信息，而板块的边界参考数值则是通过设计平面的数学方程与其他类型的板材互相交换，以及重组船身的外壳来综合确定的。构件的位置通常不太容易确定，必须要结合知识工程和本体来分析。
2.规范推理的过程和优化船体设计的尺寸
设计师为了让自己设计的新产品满足客观规范的需求，一般都会利用推理法来确定船体结构的具体参数，建立一个适合自己设计的规则知识库。在设计的过程中，设计师会按照这个规则库来设置自己的船体结构参数，并根据设定好的参数计算结果进一步检查自己设计的产品，发现其中存在的一些问题，可以及时修改误差，减少因为数据信息错误而发生的失误，从而实现效率和质量的双重保障[8]。除此之外，设计师要想确保自己设计出来的产品不会出现任何问题，还必须对新设计出来的船体结构的大小尺寸进行一些优化，根据优化的结果来调整设计方案，保证设计结果的质量从优。在初步建立模型的时候，设计师就必须考虑这个问题，将知识库中的信息数据与不同型号的板材相对比，寻找最适合模型的那一个，确保板材的厚度和宽度可满足结果的需求[9]。
七、结束语
随着我国大数据时代的到来，知识型的工作逐渐变成了生产行业有用信息的一种极具创造性的活动。这种新型的工作是以信息知识为基础，要求能够完成一种集科学决策和实时分析为一体的复杂工作过程。本文中提到的基于知识的船体结构设计，首先就是要求建立一个参数化的构件库，接着将设计的规范、思想和经验进行一个系统的整理和归纳，然后与计算机中数据知识库相对比，促进设计师可以快速地完成设计和检查。而知识推理的方式主要有规范推理法和实例推理法，这两种推理方法缺一不可，二者是一起服务于基于知识的船体结构设计的。船体的结构设计方法必须和船体结构设计的知识工程、本体的理念相结合，设计师需要在设计时建立一套符合规范化设计要求的船体结构设计的知识库，以母型船的各项结构信息为基本模型，在保证产品质量的同时来提高设计的工作效率。
参考文献
[1]管官,林焰,纪卓尚.基于知识的船体结构快速设计及优化[J].船舶力学, 2017,21(4):472-483.
[2]孙一星.基于知识的船体结构快速设计及优化[J].数字化用户,2017.
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[4]张如凯,陈永利,代广树等.航海类专业船舶虚拟仿真实训平台建设[J].实验室研究与探索,2018,37(7).
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[6]孙亮.船体结构设计方式的分析[J].科技风,2018(1):14-14.
[7]方雄辉,李辉龙,王群朋.关于船首不同倾斜角度对船体结构的影响[J].广州航海学院学报,2018(4).
[8]李军涛.船体结构设计及建造的细节处理[J].军民两用技术与产品, 2017(20):86-86.
[9]沈苏.船体结构设计及建造的细节处理[J].建材与装饰,2017(42).
论文作者:石秀芳
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/1
标签：船体论文; 知识论文; 结构设计论文; 结构论文; 设计师论文; 构件论文; 参数论文; 《防护工程》2019年第6期论文;