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知识工程在船舶结构设计与优化中的应用

Jin-ju Cui, De-yu Wang

摘要：本文介绍了知识工程在集装箱船液货舱结构设计与优化中的应用。船舶设计是一项复杂的多学科工作，设计经验和实例是必不可少的。在所提出的基于知识的系统中，设计专家的经验、设计规则和成功的设计都存储在知识库中。在新船舶结构设计过程中，相关知识自动从知识库中分离出来，与知识推理技术一起执行。系统采用了设计规则法和插值法。设计结果满足了设计约束和要求，避免了设计误差和设计错误。此外，设计周期可以大大缩短。因此，将知识工程应用于船舶结构设计是一种合适的方法。采用有限元法进行强度分析，引入海水腐蚀下设计变量的不确定性，采用蒙特卡罗模拟方法进行可靠性分析。

1. 介绍

随着计算机的迅速发展和广泛应用，计算机辅助设计（CAD）在许多领域发挥了重要作用。传统上，船舶设计和研究都是由人工完成的，不仅费时而且容易出错。因此，有必要将计算机辅助设计引入现代船舶设计中。正如Kim等人所证明的那样（2012年），CAD在过去几十年中扎根于船舶和海洋结构物设计，我们见证了这些应用不仅用于可视化目的，还用于其他分析目的（例如基本结构形式设计、配置设计、最终尺寸设计、运动特性模拟，结构形式设计（含开窗和机械项目）、带/不带舵推进系统设计、舱壁布置设计和详细布局设计、所需板尺寸和生产厚度设计、焊接和连接加热模式设计、材料需求计划和调度以及工作分配技术工人等）。知识工程（knowledge-based engineering，KBE）已经成为CAD领域中最活跃的智能设计分支之一，特别是在模具设计工程、汽车制造业等领域。例如，Kulon等人。（2006）开发了一个KBE设计系统，该系统通过零件轮廓直接生成锻模。它集成了模具设计的所有过程，用户只需输入零件的几何、材料等信息。此外，它还通过网络接入实现了用户交互，大大提高了设计效率；Chapman和Pinfold（2001）提出了一个汽车结构设计与分析系统。该系统使用户在设计过程中可以方便地调整结构，评估强度和经济性，避免了任何重复建模。最后，在满足强度要求的前提下，以最小的成本进行结构设计。

船舶设计是一项多学科、多目标的复杂工作，很大程度上依赖于设计者的经验。在船舶设计中，设计者需要考虑许多相互竞争的方面。因此，开发一个专家系统来解决这一难题是必要的，也是可行的。很多人都尝试过KBE应用。例如，陈等人（2009）成功实现了基于知识工程的船体甲板设计；李（2006）用知识系统研究了受损军舰的操纵。他发现，通过调整压舱物，这艘船可以保持良好的航行姿态，从而提高人员生存的机会。该系统可作为船舶操纵人员进行船舶操纵实践的有用工具。蔡等人（1997）通过将横截面划分为几个典型的模块，研究了中剖面设计系统。通过使用标准化的规则知识、专业知识和典型的截面数据库，得到了面积最小的截面。

Sharma等人对当前船舶和浮式结构设计和分析面临的挑战进行了广泛的调查（2012年），以下挑战依然活跃：开发新方法，从以前的设计中提取设计和生产信息，并在新的设计和生产方案中智能地使用这些信息，开发综合功能设计方法等。；将模块化方法应用于船舶/浮式结构设计，具有真实的概念运用、工业参与和应用；将学科模拟工具集成到复杂的CAD/CAM/CAE/FEM/CFD工程环境中，集成不同的几何模型；开发基于输入几何定义的CFD、FEA和制造仿真的集成计算方法。

本文论述了知识工程方法在集装箱船货舱结构设计中的应用，以及设计与分析的集成。因此，本文讨论了上述一些挑战，如从先前设计中提取信息并将其用于目标船舶设计的方法、船舶设计中的模块化方法（标准截面或舱壁）以及基于几何模型信息与有限元工具的集成。在KBE的帮助下，提高了船体结构设计的性能。另外，引入设计参数的不确定性，采用有限元法进行可靠性分析，并将设计规则法和插值法的计算结果进行比较，得出结论。本文旨在通过对设计知识和透水性设计的获取，开发一个基于知识的工程系统，以提高设计效率和质量，并探讨设计参数不确定性对结构性能的影响。

1. 知识工程

知识工程是一种人工智能技术，它利用人工智能的原理和方法来解决难题。知识工程的核心是通过逻辑判断和推理，将专业知识、领域知识、用户成熟的设计经验、基于实验数据的设计参数选择、材料数据、用户反馈以及相关的设计标准和规范融入到软件设计中，实现产品智能化设计（Helvacioglu和Insel，2003）。Kim等人给出了KBE的简明定义（2012）如下：KBE植根于计算机辅助设计（CAD）和基于知识的系统，从早期作为产品设计背景下的设计工程师支持系统的成功到生成设计的基础，它可以有一个广泛的范围，涵盖了与产品生命周期管理（PLM）和多学科设计优化（MDO）相关的所有活动。KBE的范围包括设计、分析、制造和支持。

正如周等人所证明的那样（2007），知识工程的内涵包括：知识获取、知识表示、知识推理，其重点是在设计中重用产品设计知识、设计经验等各类知识，以最快的速度开发出新的、最优的产品。

知识获取是指从知识来源获取知识，如设计专业知识、设计标准、产品规格、设计经验和成功经验等。图1显示了知识获取的一般方法。

图1.知识获取

知识表示是指用计算机可解释的表示方法来表达问题和存储知识，以便于计算机利用知识库，解决复杂而困难的问题。简单地说，知识表示将人类语言转化为计算机语言（周等人，2007）。

基于知识的推理是指根据一种策略从已知的判断中推理出另一种判断的演绎思维过程。设计师通过基于知识的工程来表达产品知识库，包括专家知识、经验知识、规格和先例，以指导设计师进行设计过程。推理方法包括基于规则的推理（RBR）和基于实例的推理（CBR）。RBR方法主要用于基于知识顾问和知识专家工作系统的具体参数。基于产品知识模板，将CBR方法应用于类似于以往设计案例的产品和零件设计。

本文将CBR和RBR应用于船舶结构设计。

该软件系统提供的用户友好界面，帮助用户导出和导入设计信息和制造信息，实现人机联合研讨解决问题，知识工程的设计过程如图2所示。

图2. 知识工程设计过程

基于KBE的船舶结构设计系统包括用户界面、知识库和推理机。用户界面为用户提供了对数据库中存储的知识信息的快速检索和检查，以及授权下的知识管理。

应用知识工程可以显著提高船舶设计的工作效率。设计师可以在建模阶段从知识库中学习规则和规则。知识库系统不仅可以提供适当的参考、建议和支持，而且可以集成设计，特别是与设计相关的规则。因此，设计人员可以避免设计中的许多错误，减少前期制作时间。通过提高设计和建模的效率和质量，可以显著减少总设计时间。

1. 知识库

知识库定义为经验、规则、案例和其他知识的集合。在KBE设计方法中，知识包括专家知识、经验和产品设计标准、产品规格和成功的先前设计，将被收集、分类和总结为许多规则和问题解决策略，并以文档或数据库的特定形式放置以构成知识库。这种知识库可以实现产品设计知识的存储和分类管理，为设计人员在设计过程中提供最佳的指导和建议（Roh和Lee，2007）。在效率和质量上都可以实现显著的改进。知识库设计如图3所示，由专家知识、经验、成功或失败案例、设计准则、标准等组成。它存储、分类和管理各种知识，以便于设计师使用。利用知识库中建立的各种知识边界，大大减轻了设计人员的工作量，减少了人工计算，使设计更加快速、合理。此外，可以大大减少重复的非创新工作。

图3.知识库设计

正如Sharma和Kim（2010）所证明的，造船业更像是一个“建筑业”，而不是一个“制造业”，因此先前的设计在新船的设计和生产中发挥着重要作用。根据以往的设计，知识库主要包括设计制造过程的标准化、模块化、集成化和自动化三部分。标准化是指对船舶进行分类，并根据船舶的用途和其他详细信息采用多级系统。模块化是指将特定的船舶划分为设计和生产过程具有很强相似性的模块，从而提高了以往设计在新船舶设计中的可用性。

作为知识库的重要组成部分，本文介绍了CCS规则的一些规定。《中国船级社规范》对甲板片、底板、侧壳板等进行了详细的规范，主要是对板和加劲肋性能的规范（中国船级社CCS（2009））。下面讨论部分条例。

如果船底属于纵向骨架，则船中区0:4L范围内的船底板厚度t不应小于下列两个值中的任何一个：

式中，L、s和d如术语所列；h等于0:26C和0:2d的最大值；Fb表示还原系数；C是系数，如果90le;Lle;300 m，

船中剖面的最小模量W0不应小于：

此外，考虑到高强度钢在结构部件中应用的影响，我们在表1中介绍了纵向强度的材料系数KL，以及局部强度的材料系数K。具体规格如下。

局部强度K的材料系数定义如下。

1. 标准件库

虽然船舶结构非常复杂，彼此之间差异很大，但它们是由同一标准件库中的标准件构成的。这是因为技术和制造设施限制了其产品，使得建造船舶所用的部件是具有离散特性的结构。模型零部件作为标准参数化模型零部件存储在标准零件库中。一旦引入新的结构零件，库将根据需要进行更新。在基于实例推理的设计过程中，目标船的结构构件类型将继承相似的设计实例（母船），而构件参数将根据目标船的尺寸和设计规则公式、专业知识等进行调整。在本文中，加强筋横截面的标准零件库存储在访问表中，如图4所示。

图4. 标准零件库（加强筋横截面）

1. 设计实例

5.1设计过程说明

在我们之前的论文中，集装箱船中剖面的设计是通过基于知识的工程（崔等人，2012）进行研究的，本文是对前一篇论文的扩展研究。基于知识工程的结构设计可分为三个步骤。第一步是建立设计知识库，包括设计专业知识、设计规则、设计实例和其他有用的知识。第二步是从设计实例中选择最优设计模型，最后通过CBR、RBR等多种知识推理方法实现自动化设计。目标船纵向结构设计界面及设计参数如图5所示。

图5. 纵向结构设计界面

在上述界面中，用户输入目标船的长度、宽度、深度等尺寸，设计系统自动选择合适的母船，供目标船设计参考。因此，纵向结构的位置和边界将根据目标船舶的尺寸进行适当的拓扑调整。剩下的工作是确定最终的结构特性，如桥面厚度、加劲肋的横截面尺寸和每个结构特性的应用范围。一般来说，处理这种尺寸设计有两种方法，即设计规则法和插值法。以船舶底板为例，这两种方法在设计规则的实现上有着不同的侧重点。

1. 设计规则方法：

在这种方法中，我们根据公式（1）计算t1和t2的值。在考虑材料系数的情况下，t1和t2的值都将调整，这两个值的最大值将被选为底板的厚度。

因此，在这种方法中，我们直接应用规则来确定结构性质。

1. 插值方法：

在这种方法中，首先，我们根据公式（1）计算t1和t2的值。考虑到材料系数，t1和t2的值都将调整，我们可以得到这两个值的最大值。我们称之为关键设计因素。然后从数据库中选取两艘船舶作为参考，这两艘船舶被称为母船。在计算母船的关键设计因素后，可以采用关键设计因素插值法对目标船底板进行设计，如下图。因此，在这种方法中，我们间接地应用规则来确定结构性质。

同时，用户可以选择采用多岛遗传算法（MIGA）进行船舶中剖面优化。此外，该方法的详细参数可由用户指定，如岛屿数量、种群规模、进化世代、变异概率等。MIGA的典型流程图如图16所示。因此，用户可以根据自己的需要方便地调整这种优化。设计进度条显示了整个设计进度，用户可以查看设计进度。纵向结构的设计过程如图6所示。图6.纵向结构的设计过程

同样，横向结构的设计界面和工艺流程如图所示。分别是图7和8。目标船的设计参数如图5所示。

图7.横向结构设计界面图8.横向结构设计工艺流程

• 1. 设计结果

当设计过程完成后，我们可以在Access表中得到设计结果。然后将设计结果信息转换为Tribon中的三维模型和

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