基于模拟的用于评估设计和制造有效性的造船系统外文翻译资料

 2022-07-29 17:27:00

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基于模拟的用于评估设计和制造有效性的造船系统

摘要

本文提出了基于模拟的造船生产方法如数字造船，模拟设计（SBD）和虚拟造船厂。 提出了基于船舶设计模型和船舶制造过程模型的基于模拟的造船模型，为了提出模型的应用和实现，使用IDEF0和UML方法设计模块安装过程的过程模型。此外，还开发了一个应用程序来评估模拟造船模型的有效性，这个应用被称为虚拟装配模拟系统（VASSS），可以模拟起重机操作和在虚拟船坞的块的建立。

关键词：数字造船，模拟，过程建模。

1.介绍

造船工业的新兴信息和通信技术正在快速变化。为了应对这种变化的情况，一个具有新概念的具体方法已经成熟。 特别地，所有的努力都集中在基于3D船舶CAD系统的SBD概念的实现上。

其目的是通过仿真和虚拟现实等技术以及高效决策的性能，实现船舶生产的整个过程的计算机化，以及过程初始阶段的错误检测。

在本文中，介绍了造船和海洋工业中的数字造船的相关技术，应用领域和方法。 然后，提出了一个基于模拟的船舶设计和生产的造船模型。 此外，介绍基于3D产品模型的虚拟码头中用于起重机可操作性和块安装模拟的工具。

2.基于模拟的船舶设计与制造

到目前为止，基于仿真的造船系统及其应用相关的研究还不完整，并且构造船舶的设计演示仅部分用于焊接机器人的销售或组装仿真。 针对在集成环境中实现虚拟造船厂的研究还没有进行，因为新的概念船和大型海运结构包括数千个不同的部件，因此，在不规则的工作环境下，硬件和软件处理如此大量的信息可能难以实现。

此外，造船业的一些特点也可能是尚未进行这种研究的原因。 通常，造船是基于订单的，并且为每个新船做出新的设计。 此外，从合同和设计到建筑的整个过程是同时进行的。设计制造维护的周期是重复的，通过每个阶段，信息变得更加详细。 许多过程主要依赖于人工，并且需要定性信息，使得在早期阶段难以提取详细信息。

克服这些限制并缩短从设计到制造交货的时间的唯一可行方法是使用计算机。 由于计算机已经被广泛使用并且现在的使用水平很高，所以基于模拟的造船过程相比正常传统顺序制造，可以缩短制造时间。

在早期设计阶段对生产能力的评价非常重要，重要性体现在生产成本和降低成本可能性的关系上。

换句话说，虽然前期设计和制造活动占总成本的一个低百分比，但它们对成本降低有很大的影响。 然而，一般来说，早期评估需要大量关于设计和制造的信息，并且通常这不是一项容易的任务

如果使用基于模拟的造船系统，则产品开发所需的所有元件和活动（在设计和制造中）将在基于计算机的产品模型中建模，并且整个设计和制造过程可以在计算机环境中模拟。

3.目前的研究工作和应用实例

最近，政府资助的大量研究项目是为了基于计算机技术的信息技术的进步，将原本劳动密集型和以体验为中心的造船业转变为知识型和技术密集型产业。

美国海军国防高级研究计划署（DARPA）运行基于模拟的设计（SBD）计划，以开发一个设计系统环境，可以降低系统设计和开发成本，减少开发时间，验证和降低风险。从1996年开始，SBD计划的第一阶段为SBD的实施建立了一个环境，在第二阶段，开发支持第一阶段概念验证的SBD架构。 DARPA试图开发几个原型，在可行性研究和后续研究中应用SBD概念。好的例子是LPD-17的操作模拟，LPD-17是下一代运营商，通用动力电船部门的NSSN潜艇开发和墨西哥湾沿岸地区海洋技术中心（GCRMTC）的移动离岸基地。这些开发过程中使用的技术正在商业化。此外，巴斯铁工厂（BIW）执行起重机使用，浮动干船坞使用，码头和码头使用，安装和移除生产设备，紧急车辆运动和通过围场的路线和船舶的人员紧急撤离路线的模拟。

密歇根大学的虚拟现实实验室（VRL）正在研究虚拟现实的应用，如沉浸式虚拟现实和增强现实，应用到到工业。 这项研究包括结构走查建模，事故模拟和训练模拟。 与虚拟原型和虚拟现实相关的项目是船舶运动模拟，以及造船过程的虚拟模拟。

传统上，欧洲通过欧洲信息技术研究和开发战略计划（ESPRIT）项目，引导造船系统技术和海军相关组织开展国际或国际项目。这些项目的代表是挪威船舶登记办公室（DNV）牵头的许多欧洲海军相关组织的管理和信息重复使用（MARITIME）项目，作为ESPRIT III项目的一部分。 其主要目的是基于船舶产品模型开发下一代海军系统的结构，目的是通过内部标准化和项目结果的商业化引导世界各地的海军系统技术。

斯特拉斯克莱德大学船舶和海洋技术系正在进行关于计算机技术应用和人为因素之间的接口的研究，作为实现船厂目标的手段，如在迅速变化的船舶工业环境下的用户要求，船舶竞争力，成本效率和安全，。主要项目包括“远洋运输海底导航（ROW）”和“Ro-Ro Ferry Ship的疏散模拟”。

日本正在努力在政府层面保持其目前的技术和竞争力水平，同时将造船业变成一个创新的产业。 在船舶和海洋基金会（SOF）的指导下，计算机集成制造业造船（CIMS）项目于20世纪80年代中期开始，并于1996年继续开展通用产品模型环境（GPME）项目，以获取船舶技术 CIM模型实际使用。 最近，与知识共享技术相关的基于GPME的高级CIM和基于CALS概念的实施虚拟船厂的LINKS项目已经完成。

韩国的造船业居世界上造船总量的首位，但在技术质量方面，它仍然落后于其他国家。 在韩国，由韩国船舶海洋工程研究所（KRISO）牵头的计算机船舶设计和生产系统（CSDP）项目开始收购船舶CIM基础技术，完成了船舶制造系统集成技术开发项目，最近，已经为船舶CALS/EC开发做了准备。

4.基于模拟的造船模型

4.1基于模拟的造船模型框架

为了建立一个基于模拟的造船环境，最重要的因素是成功解决规划问题。 在造船过程中的规划是设计一种方法的过程，该方法使设计改变和延迟的影响最小化，支持适当的制造方法，并最大限度地利用资源。

然而，如果在设计和制造过程期间没有优化决策而进行规划和生产，则可能发生意外的延迟，不期望的修改和各种其他问题。 换句话说，在开始规划和生产之后解决问题需要改变计划，例如资源的重新分配。简而言之，为了准确计划造船过程，需要用于实现动态模拟的技术。

基于三维CAD系统基于仿真的船舶可以被描述为一个概念，实现大范围的整个产品生命周期，包括设计，生产和维护虚拟计算机环境下的产品和过程模拟。

图1显示了基于模拟的造船模型的框架。 为了实现基于模拟的造船，有必要基于3D虚拟船原型和制造过程，相关计划和制造资源的过程建模来执行与船舶功能相关的设计和操作功能的建模。 虚拟船原型的这种建模和信息的结果应该在船厂，船舶登记处，工程公司，船东和海运公司之间在公司环境下共享。

图1中的产品模型是包括正在开发的船舶的完整定义的数据库。 该模型不限于几何信息，并且包括非地球参数，例如物理特征和系统中所有元素的性能参数。 这里，船舶设计和开发的产品建模功能取决于商业CAD系统。

该函数模型与船舶设计有密切的关系。 为了成为在工程意义上有意义的虚拟原型，它的行为应该被精确地表达。 换句话说，应该表达基于物理特性的行为。 在这个意义上，函数模型是用于表达其对象系统在所提供的功能的模拟中的行为的模型。 它应该传达系统行为模式和输出对control输入的响应。 函数模型应该能够从其他系统模型中提取输入，并为其他系统的模拟提供输出。 此外，它应该与产品模型的几何和特征数据库相连。

过程模型是船舶制造不可或缺的模型。 过程模型需要表达产品和过程。 换句话说，不仅要生产的产品的信息，而且根据生产计划的组装顺序，制造技术或组装过程也应当被结合。 此外，作为过程模型的示例，其包括量化在构建过程期间发生的现象（例如焊接变形）的某些行为。 为了表达船舶的各种生产模式，需要各种过程模型。 建立模型在创建足够的虚拟原型或原型的生产中起着重要作用。

虚拟原型是产品模型，功能模型和过程模型组合的形式，并且应该在虚拟环境中操作。为了在设计和开发环境中实现虚拟原型以实现实时响应，需要能够重新计算构成产品模型的一部分的巨大的几何数据库的大功率计算机。此外，为了确保对输入数据的实时响应以及原型、系统和环境之间的交互，还需要能够处理与功能模型相关的无数计算的高计算能力。当前，在设计环境中可以管理这样大量的数据的计算机系统是可不用的。然而，设计者、开发者、操作者和制造商仅根据他们的需要使用产品模型数据库的一部分，因此，适合于每个功能的小原型的集合比具有所有必要功能的完整原型的集合更现实。

此外，为了使用虚拟原型的仿真系统的高效操作，要解决的重要问题是实时处理，其被认为是在高性能可视化的领域中。虽然CAD系统专注于3D实体对象，但高性能可视化专注于表面渲染。 图像的基本表达式单元是多边形，并且通常数百万个多边形对于现实帧是必需的。 在这个意义上，部分简化对于作为虚拟原型的几何模型执行的产品模型是必要的。

虚拟造船环境指明虚拟原型适当操作区域。 虚拟环境中的原型需要单独的虚拟系统模拟与其他先前操作系统的集成。 这些系统应该能够将虚拟对象与模拟环境中的真实对象集成以满足虚拟体验的所有领域。 此外，先前的系统应该转换为虚拟对应物以插入到虚拟环境中。 然而，有时，分布式制造仿真（DMS）用于集成分布式系统和系统概念。

在虚拟环境下，在船舶设计和制造中可以进行基于仿真的造船的一些应用领域。 这些是功能仿真，过程仿真和安全仿真。

功能模拟包括船舶主要功能的验证，如总装置（GA）的评估，各种设备和货物装卸。 其他典型的船舶功能模拟是Ro-Ro船舶加载模拟，乘客流模拟，厨房操作模拟和锚处理的模拟，它代替尴尬的塑料模型。一些模拟是基于连续模拟器程序和基于事件的模拟器程序的组合：例如，在Ro-Ro装载模拟中，通过使用连续模拟器找出卡车驾驶到装载位置的时间，并且基于该信息，模拟装载过程，使用基于事件的模拟器优化。

过程仿真包括评估制造过程，如过程和资源规划，以及自动化设备制造的评估。 其他典型的工艺模拟是整个预制设备的模拟，不同船舶建造方法的模拟，钢制造线的模拟和块安装过程的模拟。

一般来说，船舶或船舶结构的开发过程按概念设计，基本设计，详细设计，生产设计，建造，维护和操作的顺序进行。

4.2基于模拟的造船模型的分析与设计

基于模拟的造船模型由船舶功能模型和船舶过程模型组成。 该功能模型展示出基于3D虚拟船原型的与船舶功能相关的设计和操作资源。过程模型表示制造过程，相关计划和制造资源。

图2表示包括用于基于仿真造船的船舶的功能模型和过程模型的规划水平信息模型。 功能模型由船舶功能部署，包括容量，浮动和移动。过程模型通过包括制造、组装和安装在内的生产阶段进行部署。

已经构建了许多用于制造系统的有效分析和设计的方法。 其中包括CIM开放系统架构（CIM-OSA），组合自动化集成（GARI），Nijssen信息分析计算（NIAM），集成定义（IDEF）方法和统一建模语言（UML）。

IDEFO方法经常用于分析CIM系统。 UML是一种建模语言，可视化、描述、建立系统，并记录其产品。 UML集成传统的面向对象方法，如OMT（对象管理技术），Booch和Objectory，现在是OMG（对象管理组）的标准对象方法。 UML是一种强大的面向对象的方法，用于描述系统的特征，活动和状态，并且在软件设计过程中经常使用。面向对象的概念描述了系统。 识别类型然后对这些类之间的交互进行建模。 该特征使得可以对仿真模型进行彻底的设计。

在这项研究中，IDEFO和UML模型用于设计基于模拟的造船模型。因为IDEFO是用于构建信息系统的功能分析建模方法，它用于定义基于仿真的造船系统的一般程序。 如图3所示，过程模型和函数模型由IDEFO方法的活动和资源定义。UML模型用于模拟对象的详细设计。所有的产品设施和设计元素被识别分类。每个类包括属性，方法和名称。这些元件从下面描述的过渡机制获得。

IDEFO的活动转移到CProcessM子类的方法。 此外，IDEFO中的资源被转移到UML类图中CFunction子类的CProcessM子类的类名或CFunction子类的方法。 其他因素，例如IDEFO中的控制，输入和输出成为CSimOhj子类的实例。

5应用和实现

为了验证提出的方法，开发了用于造船的虚拟装配模拟系统（VASSS）。 VASSS使得能够模拟块安装过程计划项目，例如考虑来自3D CAD系统的设备的信息和能力决定和安装顺序评估的位置。换句话说，VASSS可以通过考虑与块和设备（例如巨型起重机）相关的产品数据来评估块安装顺序。

5.1块安装过程的描述

块安装过程从装配过程产生的块的装配砌块开始。然后，块被涂漆，预先竖立，最后竖立在码头上。从制造规划的角度，首先，基于长期负载平衡和主调度来进行建造计划（站使用计划）。然后，决定每个线路和码头的开始日期，结束日期和机载装备时间。 基于这些时间线，建立块安装调度。一般来说，基于这个时间表建立其他的过程时间表。

块安装中的过程规划可以被概括为选择龙骨块和浮动块，预安排块的分组和块安装序列的决定。其中，与CAD系统密切相关的是浮动块和分组预安装块的选择。龙骨块选择和浮动块选择在生产过程中决定。

本研究集中于与生产计划功能密切相关的块安装顺序的评价。由于块架设过程被用作其他规划的基础，它应该是在船舶制造计划的中间进度表中建立的初始计划。 。

目前安装方法的决定

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