（机械制造及其自动化专业论文）现代舱容计量系统的研究和开发.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着经济的全球化，国际间贸易日趋频繁，液货舱的应用越来越普及，客户 对液货舱计量精度的要求也越来越高。对液舱容积进行准确、快速地检定，已直 接影响到国家的经济利益及在国际上的声誉。 本文对现有的液货舱容积计量方法进行分析，指出其不足之处，并提出现代 舱容计量方法。该方法建立在三维造型和知识工程的基础上。通过反求船舶液舱 的三维模型计算出液舱的型容积，利用x m l 天然树型结构来高效管理舱内构件， 并辅以知识库的智能支持，使得舱内分布极不均匀的构件扣除自动化，从而大大 提高了舱容计量的效率和精度。本文论述了系统框架的构建并针对这个系统框架 进行了以下几方面的研究： ( 1 ) 分析了船舶数据结构和系统的信息流，找出它们之间的内在联系，提出了 系统数据库设计的解决方案。 ( 2 ) 研究了知识工程相关技术及在舱内构件智能分层、扣除分系统中的应用， 说明了分系统知识的分类和表示方法，知识库的建立。 ( 3 ) 研究了x m l 数据库技术，分析了x m l 数据库与传统数据库的不同和优 势，阐述了利用x m l 来实现舱内构件有效管理的具体方法。 在这些研究的基础上，构建出了现代舱容计量计算机模拟系统，使用该系统 可以快速仿真液舱模型，同时计算出液舱容积并生成面向用户的舱容表，推进了 液舱容积计量的现代化。 关键字：x m l ，知识，构件，智能，构件扣除 第v 页 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e g l o b a l i z a t i o n o fe c o n o m y , t r a d e sb e t w e e nc o u n t r i e sb e c o m e i n c r e a s i n g l yf r e q u e n t t h ea p p l i c a t i o no fl i q u i dc a r g ot a n kb e c o m e sm o r ea n dm o r e p o p u l a r t h ec u s t o m e r sd e m a n df o rm e a s u r ep r e c i s i o no fl i q u i dc a r g ot a n ki m p r o v e s c o n s t a n t l y r a p i da n dp r e c i s ev e r i f i c a t i o no fs h i p sl i q u i dc a r g ot a n kw i l ld i r e c t l y a f f e c te c o n o m i ci n t e r e s ta n dr e p u t a t i o no f t r a d ef r o mb o t hh o m ea n da b r o a d t h ea u t h o ra n a l y z e sp r e s e n tv e r i f i c a t i o nm e t h o d so fs h i p sl i q u i dc a r g ot a n k c a p a c i t y , p o i n t so u tt h e i rs h o r t c o m i n g sa n dc o m e su pw i t hm o d e r nt a n kc a p a c i t y c a l c u l a t i o nm e t h o d t h i s m e t h o di sb a s e do n3 dm o d e l i n ga n dk n o w l e d g e e n g i n e e r i n g i tc a l lm a n a g et h ec o m p o n e n t si nt a n ke f f e c t i v e l yb yu s eo fx m lm o d e l ， t h ec o m p o n e n ti nt a n kw i l lb ed e d u c t e da u t o m a t i c a l l yw i t ht h eh e l po fi n t e l l i g e n t s u p p o r tf r o mk n o w l e d g e b a s e w i t ht h i sm e t h o d ，t h ev e r i f i c a t i o no fs h i p sl i q u i dc a r g o t a n kc a p a c i t yw i l lb e c o m em o r ep r e c i s ea n dm o r ee f f i c i e n t t h ea u t h o ra l s op u t s f o r w a r dt h es y s t e mf r a m e w o r k i nt h i sp a p e r , m a i nr e s e a r c hw o r ki n c l u d e ： ( 1 ) a n a l y z et h ed a t as t r u c t u r eo fl i q u i dc a r g ot a n ka n di n f o r m a t i o ns t r e a m ，f i n do u t t h e i ri n t e r n a lf i ea n dd e s i g nt h es t r u c t u r eo ft h es y s t e md a t a b a s e ( 2 ) r e s e a r c hi n t ot h er e l a t e dt e c h n o l o g yo fk n o w l e d g ee n g i n e e r i n ga n di t sa p p l i c a t i o n t ot h ei n t e l l i g e n td e l a m i n a t i o ns y s t e m ，s h o wt h ec l a s s i f i c a t i o n ，p r e s e n t a t i o no f k n o w l e d g ea n ds e t u p o fk n o w l e d g eb a s e ( 3 ) r e s e a r c hx m ld a t a b a s e ，a n a l y z et h ed i f f e r e n c e sa n da d v a n t a g eb e t w e e nt h e x m la n dt r a d i t i o n a ld a t a b a s e ，c l a r i f yt h ec o n c r e t em e t h o do fr e a l i z a t i o nt h e e f f i c i e n tm a n a g e m e n to fc o m p o n e n ti nt a n kb yu s eo fx m l b a s e do nt h e s er e s e a r c h e s ，w e v ew o r k e do u tm o d e mt a n kc a p a c i t yc a l c u l a t i o n s y s t e ma i d e db yc o m p u t e r b yw h i c h w ec a nc a l c u l a t et h et a n kc a p a c i t ym o r eq u i c k l y a n df i n a l l yt h es y s t e mw i l lo u t p u tt h er e p o r to r i e n t e dt ou s e r s t h e s er e s e a r c hr e s u l t s w i l lp u s hf o r w a r dt h em o d e r n i z a t i o no ft a n kc a p a c i t yc a l c u l a t i o n 。 k e yw o r d s ：x m l ，k n o w l e d g e ，c o m p o n e n t ，i n t e l l i g e n c e ，i n t e l l i g e n td e l a m i n a t i n n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位沦文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的 全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 辫生吼等 第1 l 页 上海大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 课题来源 本课题来自国防军工计量“十五”计划重点项目，项目号为( 6 0 3 1 1 3 0 1 ) 。 该课题主要是在对现有的舱容计量方法进行研究的基础上，提出基于三维建模和 知识工程的现代舱容计量方法，并开发出相应的舱容计量系统软件。 1 2 课题研究的意义 液货计量舱是国际问石油、化工等产品贸易结算、运输费结算的主要计量器 具之一，也是国内液货贸易交接的重要计量器具。 随着经济的全球化，国际问贸易日趋频繁，液货舱的应用越来越普及，客户 对液货舱计量精度的要求也不断提高。因此，精密地计算船舶液货舱容积显得越 来越重要，并且已经成为计量测试学科应用的一个重要分支。在中华人民共和国 交通行业水运标准中，对供油船、供水船及液货运输船的液货舱的测量与计算方 法都作了技术规定。要求对于新建、改造和使用中的各类船舶上液货计量舱容积 必须作精密计算并提交计量证书。 对液舱容积进行准确、快速的检定，已直接影响到国内、外贸易的经济利益 和声誉。同时检定液货舱容积的方法和技术在定程度上也体现着一个国家在精 密测量科学领域内的科技水平。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 液货计量舱的计量方法研究现状 目前国内对液舱容积的检定方法主要有几何测量法、容量比较法及混合测量 法。 1 、几何测量法 几何测量法主要以钢尺测量为主。由于舱内结构或其它方面的原因，在钢尺 测量困难的部位也可用激光经纬仪测量。 在几何测量法中，液货舱经实测后，用专用程序e 机计算舱容，并给出液货 舱在不同纵倾状态下不同液位时的舱容值。同时，对被检测舱内所有的构件，如： 舱在不同纵倾状态下不同液位时的舱容值。同时，对被检测舱内所有的构件，如： 第1 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 加热管系、肋骨、肘板、梯子等的主要尺寸及布置位置进行几何测量，采用人工 计算方法计算固有物体的扣除量，把最终得到的净容积放置到舱容表中，供用户 使用。这也是作为国内授权的唯一两家进行船舶容量计量的专业站之一，国家船 舶舱容量计量站( 即上海船舶研究设计院舱容中心) 所使用的计量液舱容量的主 要方法。该方法存在的问题如下： ( 1 ) 理论舱容计算误差大 船体结构复杂，某舱的理论舱容是指不考虑舱壁实际结构和舱内固定件而获 得的由六面舱壁组成的体积，这个体积也叫型舱容。长期以来它的计算一直处在 以手工为主结合少量基于近似算法的d o s 电算程序的作业方式。由于该体积约 占实际舱容的9 9 ，在实际运用中发现存在的误差大，尤其在船舶倾斜时。 ( 2 ) 基于二维c a d 平台 对船体设计方提供的型线数据先插值运算( 理论值) ，然后根据上船测得的 实际值进行修正。由于现使用的程序是基于二维的图形显示和计算模式下开发 的，难以调整三维数据来保证曲面各向光顺，这样计算的舱容值存在较大误差。 ( 3 ) 手工扣除舱内固有物 上述容积值需扣除船舶液舱内的固有物才得到船舱的净容积。舱内固有物主 要指各类构架、管系、入孔方箱、梯子以及舱壁结构的处理等，通过人工分层逐 项计算扣除量，计算工作量大。 整个检定周期长，一般一艘船的检定需要2 个星期到一个月，显然这种舱容 计量方式已经严重落后于社会信息化的发展。 2 、容积比较法 容积比较法就是以水或其它合适的液体为介质，用标准器具与被检舱的容量 进行比较来检定舱容。对型线变化明显或船底构件复杂的液货舱，用几何测量法 比较困难时，可采用容积比较法 。 容积比较法中每一液位高度的测量间距按标准量器的容量和被检舱的形状 确定。在测量的过程中，必须注意在标准量器向被检舱内注入液体完毕后约2 m i n 左右，待舱内液面比较平稳时，方可用测深钢卷尺在计量管中测定液位高度，每 一液位重复测量的次数不得少于2 次，并取平均值。另外，标准量器内的液体在 第2 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 注入被检舱的前后应分别测量其温度，并换算成标准温度( 2 0 。c ) 时的容量。 容积比较法一般存在如下几个问题： ( 1 ) 该方法精度较高，但由于其需用标准罐罐罐向船舱灌水，等水平静后才 能进行测量，故测量时间较长。 ( 2 ) 容积比较法虽然检定精度比几何测量法有所提高，但由于测量过程受外界 环境影响很大，检定的精度很难进一步的提高，要提高精度只有提高标准罐的精 度。 ( 3 ) 容易出错。对船舱的检定是靠一罐一罐地把标定好的溶液倒迸船舱的，每 倒进一罐或者若干罐后紧接着测量液面的高度。这样的比较过程很可能出现以下 几个问题： 夺若标定的船体容积是1 0 0 0 立方米，而用的标准罐是l 立方米，“那么就要倒 1 0 0 0 次，速度快的话l 小时可倒2 0 罐，需要5 0 小时，在这漫长而紧张的工 作情况下，记多记少的可能性是存在的，只要有一次的差错，就会产生1 立 方米的误差，为避免出现这样的差错，对检定人员来说无疑是一种严峻的考 验。 夺每倒进一罐或若干罐后需要测量一次液面高度，测量液面高度是在船体波动 情况下进行的，尤其是附近有机动船舶航行时，波动更大，波动的规律也较 难掌握，因此，差错是很难避免的。 ( 4 ) 检定一般要用自来水( 若用江河水，则对检定罐的维护不利) 标定后受污染 的水要按环保部门指定地点排放。给被检定户的工作带来麻烦，还增加一些不 必要的开支。 3 、混合测量法 混合测量法就是同时使用上述两种测量方法对计量舱进行检定，即在计量舱 下部形状不规则部分采用容量比较法，这样可以克服几何测量法测量不规则部分 难以控制、可操作性差的缺点；而在上部规则部分采用几何测量法。克服容量比 较法耗水耗时的缺点，这样可以吸取这两种测量方法的优点从而使测量方法更加 合理。 然而两种测量方法配合使用中，如何选取测量法的基面起始点和容量比较法 第3 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 的上平面的结合点是一关键问题。由于液面波动很难取值，所以对这种方法的研 究多年来一直进展缓慢。 在国外美国等发达国家于2 0 世纪9 0 年代利用信息技术给造船业带来的各种 机遇，积极开展船舶的数字化描述和制造仿真技术的研究，国外船舶设计公司 利用世界一流的造船软件t r i b o n 、c a t i a 、u g i i 等，进行二次开发，来计算 理论舱容，但各国对实船计量都有自己的方法，对外不公开。另外，据了解， 目前在全球范围内完整的三维船舶模型还相当少。 1 3 2x m l 的应用研究现状 i n t e r n e t 和w e b 的飞速发展使人类社会的信息量急剧膨胀，即所谓的“知识 爆炸”，而对信息管理和信息交换的需求更是空前强烈和迫切。利用传统数据库 技术很难存储和管理所有不同的w e b 数据【2 。x m l 技术自出现以来，发展非常 迅速，在许多领域内得到广泛的支持，有着广阔的应用前景。如电子数据交换、 电子商务等等更是把x m l 作为一种基础性、支柱性的技术来看待。x m l 正成 为i n t e m e t 上数据描述和交换的标准。x m l 的重要特点如结构性、可扩展性、可 移植性，让它可以方便有效地表示结构化和半结构化数据，这就使得x m l 可以 作为表示和存储数据的有效手段。目前将x m l 用于数据库应用的研究正在进行 中。 x m l 数据库是可以对x m l 文档进行存取管理和数据查询的数据库，是一 个能够在应用中管理x m l 数据和文档的数据库系统。一个x m l 数据库是x m l 文档及其部件的集合，并通过一个能管理和控制这个文档集合本身及其所表示信 息的系统来维护。x m l 数据库是结构化数据和半结构化数据的存储库，持久 x m l 数据管理包括数据的独立性、集成性、访问权限、视图、完备性、冗余性、 一致性以及数据恢复等。 x m l ：d b ( 是一个致力于关于x m l 数据库标准化的国标组织，其主要工作 是提供x m l 数据库开发规范，推广x m l 数据库产品。) 定义了三种x m l 数据 系统，分别为x m l 本源数据库( n x d ，n a t i v ex m ld a t a b a s e ) 、支持x m l 的数 据库( x e d b ，x m l e n a b l ed a t a b a s e ) ； 1 混合x m l 数据库。n x d 是专门对x m l 数据格式的文档进行存取管理和数据查询的数据库；x e d b 是在传统数据库的基 第4 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 础上，通过增加对x m l 数据的管理功能，从而实现对x m l 数据进行管理的数 据库；混合x m l 数据库是通过x m l 和其它的访问接口对x m l 文档进行管理 和操作。 x e d 是在原有数据库的基础上扩展了x m l 支持模块，完成x m l 数据和数 据库之间的格式转换和传输、从存储粒度上，可以把整个x m l 文档作为r d b m s 表中一行，或把x m l 文档进行解析后，存储到相应的表格中，为了支持w 3 c 的一些x m l 操作标准，如x p a t h ，x e d 提供一些新的原语( 如o r c a l 9 i 增加了 一些数据包来操作x m l 数据等) ，井优化了x m l 处理模块。 n x d 则出现在x m l 数据处理领域内，它对x m l 标准有更完备的支持，一 般采用层次数据存储模型，保持x m l 文档的树形结构，省掉了x m l 文档和传 统数据库的数据转换过程，存取速度快，支持大部分最新的x m l 技术标准，而 且提供了更为丰富的a p i 接口，非常方便x m l 开发人员进行开发。 n x d 技术发展时间相对传统数据库来说还很短，技术基础还不是很牢固、 在某些x m l 应用方面，n x d 并不具有比x e d 很明显的优势，特别是在对数据 安全要求很高的数据库应用领域、但n x d 在处理x m l 数据时拥有传统数据库 所不能比拟的天生优势，己促使越来越多的目光聚焦到它上面。随着时间的推移， n x d 也会得到检验口j 。 1 3 ；3 知识工程的研究现状 知识工程( k e ，k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g ) 的概念和技术产生于7 0 年代中期， 它是以知识本身为处理对象，研究如何使用人工智能( a i ，a r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ) 的原理和方法来设计、构造和维护知识型系统的一门学科【“。到目前为止，国内 外专家和学者己在许多的专业领域中对知识型系统的开发作了许多有益的尝试， 如医疗方面的m y c i n 系统；数学方面的m a c s y m a 系统；力学方面的m e c h o 系统；遗传学方面的s p e x 系统。知识型系统的功能大致体现为识别感知、预测 拟合、故障诊断、优化设计和机器学习等方面。 知识工程学的发展从时间上划分大体经历3 个时期： ( 1 ) 大约从1 9 6 5 至1 9 7 4 年为m y c i n 时期。人工智能( a i ) 的研究表明，专 家之所以成为专家，主要在于他们拥有大量的专门知识，特别是长时期地从 第5 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 实践中总结和积累的经验技能知识。因此，1 9 6 5 年费哥巴姆教授与其它科 学家合作，研制出d e n d r a l 专家系统。这是一种推断分子结构的计算机 程序，该系统贮存着非常丰富的化学知识，它所解决问题的能力达到专家水 平，甚至在某些方面超过同行专家的能力，其中包括它的设计者。d e n d r a l 系统标志着“专家系统”的诞生。 ( 2 ) 从1 9 7 5 至1 9 8 0 年为实验性系统时期。7 0 年代中期m y c i n 专家系统研 制成功，这是一种用医学诊断与治疗感染性疾病计算机程序的“专家系统”。 m y c i n 专家系统是规范性计算机专家系统的代表，许多其它专家系统都是 在m y c i n 专家系统的基础上研制而成的。m y c i n 系统不但具有较高的性 能，而且具有解释功能和知识获取功能，可以用英语与用户对话，口答用户 提出的问题，还可以在专家指导下学习医疗知识，该系统还使用了知识库的 概念和不精确推理技术。m y c i n 系统对计算机专家系统的理论和实践，都 有较大的贡献。 ( 3 ) 1 9 8 0 年以来为知识工程的“产品”在产业部门开始应用的时期。知识工程 的研究，目前在美国开展得较为活跃和深入，并且主要集中在斯坦福大学。 知识工程学的研究涉及有关知识的概念。所谓知识是指人类在改造现实世界 的实践中所获得的认识和经验的总和。知识有各种类型，知识工程中所讲的 主要是关于实践活动中积累起来的带有经验启发性的知识。 1 4 本文组织结构和研究内容概要 本文主要论述了以三维建模和知谚 工程为基础的现代舱容计量方法，重点阐 述了x m l 和知识工程的原理及在现代舱容计量方法中的应用，为实现液货舱容 积的快速准确计量提供了有效的途径。本文分为六章，具体内容如下： 第一章，介绍课题的来源，研究目的和意义及国内外研究现状； 第二章，针对现有的舱容计量方法中存在的不足，提出基于反求并辅以知识 库支持的现代舱容计量方法、指出系统总体方案，分系统目标，系统开发平 台的选用及关键技术所在： 第三章，主要对船舶液舱结构进行归纳、分析，针对系统的信息流提出数据 库结构体系设计方案： 第6 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第四章，介绍x m l 相关技术，指出其与传统关系数据库存储方式的区别， 其在存储树型结构中的优势，并利用它来存储舱内构件，进而实现对舱内构 件的有效管理。 第五章，主要介绍知识工程，知识库的构建，知识的表示，并利用该原理对 舱内构件实现智能分层及快速扣除。 第六章，对整个研究工作进行了总结和展望，为下一步的研究工作指明了方 向。 第7 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第二章系统总体方案的研究 2 1 现代舱容计量方法的研究 从第一章我们已经知道现有的舱容检定方法存在严重的不足，为了弥补这些 缺陷，进一步提高液货计量舱容积计算的精度和效率，实现从型容积到固有物体 扣除计算的全部智能化，同时迅速、快捷地输出用户所需舱容表，我们提出利用 反求船舶液舱三维模型来辅助舱容计量，并利用知识库的智能支持来实现构件的 自动扣除的一种现代舱容计量方法，这是一种全新的计量方式。 该方法通过反求船舶液舱的三维模型，针对曲线型液舱，提出利用原始型值 点先经光顺处理后，再反求船体特征片体的边界曲线，以此来分片构建符合船体 截面特征的壳体曲面：针对折角型液舱，直接利用原始型值点构建整体一次曲面： 对纵横舱壁及舱内主要构件进行三维自动建模，所有建模均基于装配结构，易于 检查修正。同时，还提出采用块体与舱六个面与构件进行裁剪来获取满舱时的结 构模型，通过构建一定测深值、纵倾值的液面，计算舱容，并可仿真舱货区的空 间及各舱液面分布。另外，针对带平面舱壁的曲线型舱，开发了一种基于网格的 舱容数值算法，该算法独立于c a d 软件的、基于型值点数据，能够方便地调节 计算精度和计算时间，并为确定基于三维c a d 模型进行舱容计算的不确定度， 提供了比对的数学依据。 对于般构件按其分布位置及形状进行分类编码，引入了模型结构树的概 念，采用了基于舱构件模型的数据管理方式，来提高船内大量构件数据的录入效 率，提出利用x m l 天然树型结构来存储舱内构件数据，从而达到高效管理舱内 构件数据的目的。 对构件分层和扣除所需的知识进行归纳、总结，建立知识库系统，并辅阱知 识库的智能支持，建立了构件智能分层系统和构件自动扣除系统，使得舱内分布 极不均匀的构件扣除自动化，大大提高了舱容计量的效率和精度。 同时，该系统还可仿真在多种浮态下，舱货区的空间及各舱液面的分布情况。 由于该系统基于先进的三维c a d 系统及数据库平台，能管理、处理和修正多种 液货舱的设计和测量数据，并能快速而准确地计算在不同浮态下各个液舱的容积 及固有物体积，输出用户所需的舱容数僮表，促进舱容计量的现代化。 第8 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 2 2 系统总体方案 2 2 1 系统总体架构 为实现液货舱容积计算应用软件工程的总体目标，采取如图2 一l 所示的总体 构架，它主要是由三个功能分系统和两个支持分系统所组成。这三个功能分系统 是信息管理系统、构件智能扣除系统及三维建模和仿真系统，两个支持系统分别 为知识库和数据库系统( 包括型线数据库、构件数据库、型材库及三维模型库系 统) 。整个系统是咀数据库为核心，各应用系统为外围而组成。其中数据库存放 整个系统的数据，保证整个系统的数据共享与数据的唯一性，各应用子系统通过 数据库相互联系在一起。 信息管理系统 构件智能扣除系统三维建模和仿真分系统 i ， i k习仨 ) 攀 型摊 嚣l 星巨 报表输 h 图2 - 1 系统框架图 2 2 2 分系统目标 ( 1 ) 信息管理分系统目标 以数据库为核心，实现船体三维建模和仿真及构件计算所需各种数据的统 一管理，在c a d 系统计算型舱容的基础上扣除舱内固有物，生成面向用户的标 准舱容表及其它报表，以获得一套船舶舱检定结果和数据资料，作为贸易交接中 船舶舱容积的标准计量数表。该分系统是用户交互接口，其界面的设计必须友好。 如图2 2 所示为系统信息流。 第9 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 ( 2 ) 三维建模和仿真分系统目标 在u g 、信息管理系统和数据库的支持下，实现对各种船舶液货舱( 包括折 线型和曲线型) 的快速建模和仿真，并在此模型的基础上利用u g 系统自带的体 积计算功能算出型容积。( 详见杨华龙所著硕士论文) ( 3 ) 构件智能扣除系统 在数据库的支持下，对舱内构件进行分类编码，构建系统知识库，并利用知 识库里的知识对舱内构件进行智能地分层和自动扣除以提高整个舱容检定的工 作效率。 ( 4 ) 数据库分系统目标 根据液货舱容积计量系统的总体目标和总体方案对信息的需求，在该系统总 体结构与计算机软硬件环境的支持下，充分利用现有的数据库管理系统及其开发 工具实现信息的集成并保证信息的一致性，更好地为其它分系统服务。 ( 5 ) 知识库分系统目标 总结和归纳专家的经验，并采取恰当的方法将其表示为知识，并将各种知识 进行分类，为构件智能扣除系统提供技术支持。 图2 - 2 系统数据流图 第lo 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 2 2 3 系统开发平台 如图2 - 3 所示本系统采用u g i l l 8 0 作为建模与型舱容计算的c a d 平台，采 叵s 五u ab 亟a s i c 6 习0亘 v i iu gc a d 图2 - 3 系统开发平台图 用c ，c + + 及u g o p e na p i 作为数学模型及c a d 模型开发工具；采用v b 6 0 作 为人机界面开发工具，采用s q ls e r v e r 2 0 0 0 作为数据库平台来管理液舱及舱容 数据。下面就软件开发工具作简要说明。 2 2 3 1 操作系统平台的选择 操作系统是一般管理信息系统必备的核心系统软件。w i n d o w s2 0 0 0 是1 9 9 3 年中期推出的w i n d o w s n t 的升级版，正在逐渐走向成熟和完善，应用软件及开 发工具丰富。 在本系统中，考虑到可能要使用到一些应用软件对运行环境的需要，如s q l s e r v e r 2 0 0 0 ，为保证操作系统能与数据库管理系统完全兼容及应用软件界面友好， 功能齐全，操作方便，面向非专业人员的设计要求，本系统选择了具有实时多任 务管理能力的w i n d o w sn t 作为操作系统平台。 2 2 3 2 数据库的选择 目前市场上流行的数据库产品有很多，经过各种因素的考虑与比较，拟选择 第l1 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 s q ls e r v e r 数据库和x m l 数据库两种方式。 采用s q ls e r v e r 的主要原因有： 1 、s q ls e r v e r 是一种r d b m s 产品。它可以完成关系数据库的所有主要功 能。定义表、视图及其连接和强制检查规则；定义触发器和存储过程。完成复杂 的数据查询操作；定义用户组，并赋予他们不同的权限。s q ls e r v e r 的安全控制 非常好，可以对表、视图、字段进行权限设最，保证数据的完整、正确与安全。 2 、s q ls e r v e r 是m i c r o s o f t 公司的产品，它与微软的其它产品集成性能高， 功能完善。使用微软的v b 对s q ls e r v e r 进行开发，具有面向对象的特点，针对 s q ls e r v e r 的数据存取，做了特别的优化，开发简单快捷。 3 、s q ls e r v e r 相对于其它如o r a c l e 、s y s b a s e 等关系型数据库，具有价格优 势，较适宜中小型企业开发用户化软件。 4 、s q l s e r v e r 相对于f o x 产品而言，安全性好，有较强的安全控制，这对 于一些军用船的数据来说是非常重要的。 根据舱容计量系统和开发人员的实际，结合s q ls e r v e r 数据库的功能及特 点后，我们认为采用s q l s e r v e r 更适合本系统的要求。 采用x m l 的主要原因有： 舱内构件数据结构复杂，采用关系数据库来表示费时费力，x m l 在表示半 结构化的数据中具有天然的优势，所以我们尝试用x m l 来存储构件数据。 2 2 3 3 开发工具的选择 v i s u a lb a s i c 是b a s i c 语言以及所有计算机语言发展过程中的一个重要分 支。v b 易学易用，编程简单且界面流畅。v b 的重要特点是编程的可视化和面 向对象的事件驱动编程方式。v b 企业版可以通过j e t 数据库引擎来存取o d b c 数据源。通过v b 中函数的调用可以直接操作s q ls e r v e r 数据库中的数据。只要 掌握了s q ls e r v e r 数据库的连接方法，就可以很快地开发出实用的程序。 与其它开发工具相比，v b 具有以下特点和优点： 1 、v b 是微软的产品，它与同样是微软的s q ls e r v e r 数据库具有很高的集成紧 密性。 2 、v b 中，s q l 语言不仅具有数据封装性、信息隐蔽性、重载和例外处理等功 第12 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 能，而且能将s q l 语言的数据操作功能与过程语言数据处理功能结合起来，使 数据处理更容易、方便。 3 、v b 提供了和非s q ls e r v e r 数据库的数据进行交换的接口，更容易实现不同 数据库之间的集成。 4 、v b 工具容易开发出图文并茂、界面友好的程序，其事件驱动的编程方法使 用户使用起来非常方便、简单。 5 、v b 是一个非常紧凑的继承丌发环境，由它们生成的应用程序都可以很容易 地移植到不同的平台上。 虽然v b 在运行速度方面有一定的欠缺，但考虑到目前硬件设备的飞速发展 和船舶数据的稳定性，根据v b 所具有的独特的优点和特点，因此我们决定采用 v b 作为前端开发工具对数据库进行开发，以实现系统所需的功能。 2 2 3 4c a d 平台的选择 u n i g r a p h i c s ( 简称u g ) 是当前世界上最先进的和紧密集成的、面向制造行 业的c a d c a e c a m 高端软件。作为一个集成的全面产品工程解决方案，u g 软件可以数字化地定义和获取三维产品信息。特别是u g 强大的曲面造型功能更 是在业界遥遥领先，广泛应用于汽车、航天、航空、机械、造船、消费产品等工 业的生产。 u g 中具有的复合建模方法，使用方便、功能强大、应用灵活，用户可以根 据企业产品的特点，选择一种最合适的建模方法。同时，各种建模方法可以在建 模过程中交替使用，以满足不同领域用户对各种复杂产品的建模要求。 u g o p e na p i 是u g 与外部应用程序之间的接口，它是u g 提供的一系列 函数和过程的集合。通过用c 语言编程来调用这些函数和过程，能够实现特征 建模，装配建模，自由曲面体建模等诸多模块。 由于u g 的这些特点。加之我们所研究的对象“船舶”是典型的曲面体，因 此我们选用u g 作为系统c a d 平台。 2 3 系统的关键技术 ( 1 ) 液舱数学模型及其满足精度要求的理论舱容算法 第13 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 使用给定的型值点构建一个体积块，通过有限元对其进行网格的划分，利 用相关体积计算的数学公式算出型舱容的理论值。 ( 2 ) 多种浮态下的电子液舱快速建模方法 从空间e t 位置看，船体结构是以液舱底部、顶部、后舱壁、前舱壁、纵向舱 壁和舷侧舱壁六个面形成的三维空间图形；从船体的组成来看，它是由不同的 组件( 如船体外板、肋板、舱内支柱等) 组成的装配件。 各种船体中的型线设计数据尽管多，但都是有规律地组织着的。利用u g 以船体中心为三坐标原点，分纵剖面、站位面( 肋位面) ，可以开发一套程序 去快速生成这些片体，然后以x o z 平面作映射( 通过程序去实现) ，以构成一 个用户所需的船体衄面三维造型。可以利用u g 的二次开发功能，直接使用系 统的库函数，充分利用系统固有的造型功能，从而达到快速建模的目的。 ( 3 ) 常用固定件的表达、管理 舱内固定件种类繁多，形状不一。对构件所用型材进行编码并应用x m l 来清晰地表达及管理这些构件，为实现构件的智能扣除奠定坚实的基础。 ( 4 ) 常用固定件的智能分层和自动扣除 构件智能扣除系统知识库的建立，知识的表示，利用这些知识实现构件计 算的智能分层及快速扣除，从而大大提高净舱容计算的效率和精度。 ( 5 ) 基于c a d 模型的某测深下理论舱容的提取方法 利用u gc a d 系统提供的容积计算法计算。根据测深值、横倾值、和纵 倾值，开发船舶液舱在横倾和纵倾时的定位截面程序，分别提取在该截面下的 单个液舱容积和舱内构件、管系的容积，以获得所需的液舱容积。 第14 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 第三章船舶液舱结构分析及数据库设计的实现 3 1 船舶液舱结构分析 船体液舱结构比较复杂，如图3 1 所示，液货舱从船壳型线的构成可分为曲 线型和折线型。整个舱体装配件是由规则形体部件和不规则形体部件构成。一般 地说，规则形体部件如槽型舱壁，墩子，集油井，管子等。不规则形体部件如垂 直桁，肘板，扶强材等。对于不同的船体，其各舱的布局、对称性、大小等特征 不同，其内部件的分布及组成也各不相同。所以要让我们研究出的舱容计量系统 具有最广泛的适用性，我们必须对现有的船舶液舱结构做出详细的分析和归类。 根据液舱的特点和要求来设计数据输入界面及数据表，为船舶的数据管理和信息 的传递做充分的准备。 瓯蕊 鬯型鬯型攀 一l ，上 前璺垂【l 前壁垂直jl 纵壁垂 直桁i 扶强材il 直桁 甲板ll 膨胀舱ll 璧墩| | 集油井i 网卜爵 血藉i 世悭墅 水平桁【垂直桁磊闶【刚型刨睡 图3 - l 船体液舱结构图 3 1 1 船体类型分析 液货舱的船体主要分为三种类型：折线型、曲线型及用户自定义型。每种类 型都有各自特点及其使用范围。下面对这三种类型分别进行分析。 3 1 1 1 折线型 如图3 2 ，折线型的壳体( 由船底、舷侧及顶面组成) 主要是经折点( 设计 数据或测量点) 线性扫成，一般同一截面( x 值相同) 仅用一组定义数据。由于采 用点对齐的方法进行造型，所以每根线的点数应该相等。 第l5 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 图3 - 2 折线型船壳建模示意图 3 1 1 2 曲线型 睦线型壳体的构成较为复杂，经分析可分为如图3 3 所示的4 种类型： 1 ) 无底部升高、有底切、圆弧半径相切 2 ) 无底部升高、有底切、非圆弧半径相切 3 ) 有底部升高、有底切、圆弧半径相切 4 ) 有底部升高、有底切、非圆弧半径相切 其特点是： 给定艏艉底平离肿点，离肿点在给定模型数据之间。 1 ) 、2 ) 两种类型底切点由用户给定，程序不作处理。 3 ) 、4 ) 两种类型底切点由程序自动算出，不光顺的话，用户手工调整，程序 提供手工交互模块。 边平切点有时也给，但边切点给的不全，并且不一定在水线上。 水线高度低于甲板边线高度。 对这l g t * 十类型我们使用三个标识符加以区分，即有无底部升高、有无底切及是否 有圆弧半径相切并根据各种类型建模的特点，我们在数据的定义中加以限制。 第11 5 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 曲! ( 自舭 ；| 5 1 1 。鬲，育j j _ 、耕部到9 ( 1 相。舭都_ _ l _ | 。商、蕾厄、舭j * 曲；t 图3 - 3 曲线犁船壳分类图 根据这四种类型的特点分别进行建模，如图3 4 是某曲线型船的建模结果。 图3 - 4 曲线型船壳建模示意图 3 1 1 3 用户自定义型 该类型是曲线型的一种特殊形式，通过用户参与建模过程，使建模过程半自 动化，从而提高整个系统的适用性。这种类型主要有以下特点： 无底部升高、无底切、折角连接 第17 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 没有底平线，也没有边平线 水线高度低于甲板边线高度 3 1 2 液舱分析及命名 经实际调研及分析，液舱分布类型主要有四种：两舱、四舱、三舱( 对称) 及三舱( 不对称) 分别定义为：类型( 1 ) 、类型( 2 ) 、类型( 3 ) 、类型( 4 ) 如 图3 5 所示。 表3 - l 液舱分类 液舱分布类型1234备注 液舱命名p ，s p ，a ，b ，sp ，c ，sp ，c ，s 命名w ( n ) = 后舱壁，w ( n 1 ) = 前舱壁 c 类型槽型，自定义型 横舱壁横壁墩 对称性关于y = 0 面对称c 不对称 定义方法左舱部分p cn = 舱号 命名p s l p a ，a b ，b qp c ，c s p c c s 类型槽型，自定义型自定义 纵舱壁纵壁墩 对称性 无 定义方法槽型= 单独，自定义型= 整体，壁域= 整体 第18 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 舅咝龌螳鱼( 适用于类型1 ，2 ，3 ) 一、 p 4 至 型 p j ； p i 呈 f i ： ：4 、。， ：1 纵舱壁名舱名 类型( 1 ) p 4 p a 。i p i r ?p l a4 l j j ；i - f j ：、 ：1 ：剐 类型( 2 )类型( 1 ) 丛墨1 2 蜡型鼬堡鉴佥垒 p 4 4 )p 3 ( p c 3 )p 2 ( p c 2 )p i ( p 【1 ) p c c 4c 3c 2c 1 f c n 4 ) f c s 0 )( ( i s 2 )( 0 s 1 1 ( 。s s4s ：s ：?s 1 一 类型( 3 ) 垫艟土燃璧佥监名 茔p 5圣1 害p _ 譬蚓至p l 三 r ( 堇( ，i至 垒 ( 1 2 至 ( j 室 l s 爿5 s 3 卜：1 ：s i 一 类型( 4 ) 圈3 5 液舱分布类型图 3 1 3 舱壁类型分析 舱壁按所在的位置分为横舱壁和纵舱壁。下面我们以横舱壁为例来分析舱壁 的结构类型。 上海大学硕士学位论文 考虑到用户的需求，我们可将横向舱壁的定义分为参数化定义和用户自定义 j 型 乏蘩：j 型4 型0 墅i 爱7 型8 型 ffffr 图3 - 6 横向舱壁示意图 两种方式。经观察、分析、总结和归纳，在参数化定义中我们将横向槽型舱壁归 纳为八类十六种( 如图3 - 6 所示) ，但考虑到船舶制造在特殊位置的特殊情况， 我们需给用户一个自定义的窗口，这样定义舱壁就涵盖了几乎所有的舱壁类型， 从而使得我们这个信息管理系统实用性更强，应用范围更广。 3 1 4 壁墩和人孔分析 同样道理如图3 7 所示我们将壁墩和人孔也分为参数型和自定义型，对规则 的我们可用参数法定义，通过参数计算出其三维坐标供建模使用。对不规则的可 a 距舱底b l 回鸥 规则类型人孔 自定义类型人孔 图3 7 墩子、人孔示意图 通过自定义的方式，这样就可方便用户的使用，同时使系统的适用范围更广。 第20 页共6 7 页 上海大学硕士学位论文 3 。1 5 其它固有构件分析 除了上述一些具有一定规则的构件外，舱内还有很多不规则的构件。如图 3 8 所示，这些构件种类繁多，很难对其进行三维建模。这部分构件数据是本系 统的主要数据之一，对构件数据进行很好地管理是实现构件快速分层和扣除计算 乃至整个舱容计量系统的关键因素。 经分析归纳，这部分构件主要可以分为四大类： 砧 图3 - 8 某干货船货舱剖面图