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五十年的计算机辅助船设计

文章信息

文章历史：

2009.5.10收到

2009.7.20接受

关键词：

计算机辅助船舶设计 设计方法 系统分析 优化 产品建模 过程建模

摘要

本文将介绍大约从五十年前开始的在计算机辅助船舶设计方面关键发展的概要综述。 里程碑事件和主要创新将在船舶设计应用的几个类别中确定，主要侧重于方法，建模和船舶设计过程的整合。 文章将讨论在人类指导下，基于计算机决策过程的共同平台上的船舶设计的许多具体子任务。

2009 Elsevier Ltd.保留所有权利。

1. 介绍

这一特殊问题的CAD解决了计算机辅助船设计（CASD）的当前状态和未来趋势，具有各种现代发展和即将到来的设计和计算创新。 我自己的开篇文章让我有机会来回顾一下这个领域的关键发展，从大约几十年前的开始到现在相当先进，无论如何是不同的状态。 在这半个世纪里，计算机的使用深深地影响了我们生活的几乎每一个方面，并且肯定对工程设计产生了影响。 基本上我们的方法学范围，我们的标准和解决方案的频谱已经丰富，并在这些年来大幅增长。本文将从远程观点检查在船舶设计中发生的变化在影响下和在计算机的支持。 因此，它会问：在CASD中，我们从哪里来，我们实现了什么，从而间接地需要做什么？

我将以积极的观察员身份报告我的选择性结果，即作为这些发展中的某些发展的见证和参与者。 我自己的第一步计算发生只是关于fivedecades前面，并涉及船舶水动力分析，而CASD是在拐角处。 但是，如果我们包含早期前体，从1960年左右到CASD是公平的。这些开端将在2.1节中更详细地描述。

这是约瑟夫·威森鲍姆（1923-2008），关键的计算机科学家和历史学家，我相信，谁曾经观察到，人类使用计算机只执行他们曾经解决没有电脑的任务。在广义上，这基本上是真实的，并且其对于船舶设计是确定的。船是设计和建立千年前电脑到达。因此，计算机带来的创新本质上不在于我们解决的任务，而是我们如何执行它们。计算的使用导致了新船设计方法的创造，并且有时根本改变了早期的做法。本文将讨论这些变化的性质，并说明船舶设计的新方法，实际上是在船舶设计的各种应用领域的设计决策中的一种新的思考方式。这种重新定向导致更加理性，更透明，更好的设计决策，有时为创新设计解决方案铺平了道路。本文将通过例子寻求示范。

计算机辅助设计，也是船舶，声称只使用计算机作为设计决策的辅助。 因此，人类设计者不得不负责构成合理的，有时是创造性的设计问题公式，并且批判性地检查结果。即使某些标准化的子任务是由计算机自动执行的，设计仍然是计算机支持的人工任务。 但是，在整个CASD的历史上，人类的整体责任政策得到了保持。

本文不希望提供CASDhistory的完整记录。 许多国际会议，特别是ICCAS（1973年以来）和IMDC（自1982年以来）的会议记录包含了监测这一学科逐步发展的物质。 我将关注那些对船舶设计方法及其计算机实现有重大和深远影响的里程碑事件。 这些参考文献，包括我们自己的一些文章，是为了表征某些趋势，没有系统地感觉到必须记住每一个新想法的第一次出现。 幸运的是，在CASD的短暂历史中，有更多的创造性贡献比我能够引用这里。

1. 概述

2.1.根源

计算机辅助设计（CASD）学科有几个根源和历史前兆。 与其他工程学科一样，船舶的分析和设计也属于数字计算机应用中最早的计算机应用，并且在1960年以前肯定已经建立起来。我可以认识到CASD后期全面发展的三个主要根源：数字媒体在数控中的应用 制造自动机 船舶几何产品模型的数字化表示的愿望取代了船舶线路定义的冗长乏味的图形过程; 计算机的应用计算密集，耗时的船舶设计计算任务，如船舶稳定性，流体动力学和结构分析。

在机械工程CAD的姐妹学科中，开发了用于数字控制加工零件的程序语言APT（自动编程工具）。 在1955年至1959年之间，在D.T. Ross的指导下，[1]是一个历史性的里程碑事件。 这不仅是因为在制造控制中采用数字媒体，而且还引入了数字产品模型的想法，从中可以推导出工具的切割路径几何。这是产品的几何建模的诞生 用于CAD和CAM。

在造船方面，类似地，尽管稍后，对钢板部分生产中的火焰割枪的数字控制导致了向数字媒体过渡到部分定义。 挪威AUTOKON系统[2]是为此目的的开创性开发，具有船身形状定义，切割轮廓确定和数字照射控制带的生成功能。 因此，它包含了船舶级船舶的几何建模能力核心。

数字形式的船体几何形状的几何建模是捕获船体线和表面的复杂，弯曲，自由形状的主要先决条件，用于船体形态分析的所有目的。 早期的开创性工作仍然依靠弹性花键来模拟手动牵伸[3]。 这些概念很快被扩展和推广为基于Beacute;ziercurves[4]，B样条[5]和NURBS [6]，如CAD的其他分支。对表面建模的扩展也在逻辑上遵循[4-7]。 在不到十年的时间里，从图形数字几何定义媒体的过渡。

船舶设计的计算密集型应用也很早就开始了。 20世纪60年代，船舶静压曲线，船舶稳定性，船舶结构和流体动力学分析相当迅速的计算[8,9]。

在这个阶段，出现了一种新的意识，认为将整个设计过程的整合视为一个可行但仍然遥遥无期的目标。 1960年D.T.罗斯在M.I.T. [10]发表了一份备忘录，在那里他定义了他所谓的“计算机辅助设计”的远程目标。 据我所知，“计算机辅助船舶设计”（CASD）的措词在1966年在华盛顿举行的美国海军研讨会[11]的背景下被显着地首次使用。这个主题很快在学术界追求 ，太。 在密西根大学1968年，我参与了CASD的强化暑期课程[12]，并被要求在1969年初在Uof M提供CASD第一个研究生课程[13]。几次我的回忆报道 这是从这个exeience中得出的。 我们许多长远的野心来自早期，热心的日子。

最初，船舶设计中的计算机支持仍然限于几个独立的应用程序。 早期的交钥匙系统或程序包，其家庭主要是1970年起始的初步设计的单独应用程序，例如PRELIKON [14]，BRITSHIPS [15]，FORAN [16]和WAERTSILAE [17]。 但是，尽管计算机系统仍然存在技术上的限制，但是在设计方法方面我们已经设想到了未来CASD系统对设计过程的完全一体化的支持。 因此，从这个时期起，CASD的目标和基本思想是合法的。

2.2.年表

几十年来数字计算的短暂历史是技术变革的快速继承，导致计算机能力，能力和计算机的快速发展。 因此，可以区分已经几代的硬件和软件系统，提出不同的计算性能和不同类型的人机交互。

表1给出了连续硬件代码及其相关软件方向的概述。 计算机在设计中的使用肯定会经历这些发电机组的后果。 几十年来的总体趋势表明，以下功能在人体设计活动的计算机支持中稳步增长：

从大型，慢计算机任务的支持到更短，中小规模的工作，更频繁的人为干预。

从批量计算到高度互动的设计工作。

越来越多的图形可视化的结果和相互作用。

从独立任务到通过普通产品模型更持续的集成。

分散和分布式计算和网络。

高级模拟和可视化。

显然，CASD的设计支持潜力已经大大增加了每个新技术的发展。 同时船舶设计方法发展较快并经历了深刻的变化。 设计方法和计算机技术能力的要求在CASD系统中相互影响。 这将在第3部分的例子中给出一些细节。

图1.船舶产品型号的范围和组织，其产生和评估。

2.3.范围

船舶设计过程提供完整的产品定义，适用于所有后续的性能和安全评估，并为规划和执行船舶生产提供投入。 为此，设计过程将产生一个完整的产品模型，定义所有后续评估所需的船舶性能。

图.1显示了这一过程的范围，构成了许多生成和评估步骤，导致了现代CASD系统所包含的越来越多的数字船舶产品模型。 从历史上看，产品的各个部分都逐渐成熟，但是现在计算机表示的绝大多数都存在于这些特征中，从而确定了CASD当前船舶设计过程的范围。

1. 计算机辅助船舶设计方法的发展

3.1.系统分析方法

工程设计，因此船舶设计是一个决策过程，从给定的要求引导到产品定义，以及船舶的性能评估和生产的所有相关信息。 船舶设计的任务及其结果可以用以下建模元素来描述（图2）：

缩写：

R =要求，即具有期望性能，法规和法律要求以及安全约束，所有者和用户需求，操作场景和约束的功能需求。

S =解决方案空间，即在其中应寻求解决方案的域的定界，概念和设计变量的变化范围。

DA =设计评估，提出的解决方案满足了其特征和性能测量方面描述的所有要求。

SP =船舶物业，实现设计属性的列举，提供完整的产品描述并作为生产基础。

图2.系统设计流程

这些信息可以按照以下类别进行计算机建模分类：

D =设计变量集，设计师控制下的自由变量，例如主要维度

P =参数，不在设计者控制之下的变量，而不是特定情况，因此事先不知道，例如路线，范围，货物可用性，港口水深等。

M =衡量绩效，例如经济标准。

C =约束，平等和不平等，例如关于稳定性，干舷，能力等。

对于D和P的任何给定状态，设计过程评估M和C的相应状态。在寻找解决方案时，设计变量D是变化的，而参数P被暂时固定。 搜索继续进行，直到找到可行的设计，即不违反约束条件的设计，甚至是不合适的设计，即根据品质M度量的最佳许可。（如果没有确定优点的度量，则所有设计都被视为 同样令人满意，所以任何可行的设计都是可以接受的）。

设计是一个合成过程。 真正的设计任务具有比等式约束更多的设计变量，从而为自由变化提供可行的空间。 因此，通常存在许多可行的解决方案，除非相互矛盾的约束阻止了任何允许的解决方案。 设计师必须通过直接选择或者通过说明比较设计质量的衡量标准来宣布最受欢迎的解决方案。 这将设计问题转化为一个优化问题，通常会有一个单一的解决方案 - 或者有时是几个同样有利的解决方案。

因此，根据图2的设计问题公式，为一大类设计问题提供统一的观点，因此可以作为船舶设计中最大的问题的共同特征。 该方案还借助于优化策略，借助于计算机的船舶设计软件的计算机建模和实施。

然而，图2中使用的问题描述的类型对于船舶设计也有更广泛的解释，因为它也形成了更为一般的系统分析方法的基础。 因此，如果我们在建模船舶设计中接受这种类型的问题制定，那么我们可以将这种大量的设计问题视为系统分析方法的一个特例。

系统分析是一种相当一般的决策方法，适用于系统是否由物理，操作或逻辑组件组成。 这种做法在二战期间可能受到军事行动决策的制约，但是战后很快就会在世界范围内传播，并且已经适用于许多学科，特别是包括工程设计。 系统分析提供了一种系统化的方法，从而构成了解决问题的统一基础。

系统分析在制定决策问题或设计问题方面需要相当严格的纪律，其中包括以下步骤：

系统目标和要求的明确声明

枚举所有约束

描述在面对约束的情况下实现目标的所有可想到的策略

明确度量衡的规范

决策变量与每个策略产生的优点/约束的度量之间的关系的定量建模（系统的数学模型）。

该问题格式提供了用于定义问题公式的相当一般的过程。 同时，它完全符合图2中所述的问题制定要素并用于系统设计过程。 此外，系统分析公式也可以被认为是最优化问题的陈述。 因此，一旦系统分析方法的要素出现设计问题，就可以将其视为系统优化问题。 这解释了为什么这种方法很快变得非常受欢迎，并被广泛接受于船舶设计及其子问题。

在1970年之前的另一个发展过程中，对于在船舶设计中采用系统分析和优化，即将设计决策重新定位到明确的经济基础上，这是一个很大的贡献。商船的传统设计一直是在船东和造船厂的经济利益下进行的。但是，这几乎是隐含地或者在商业谈判的闭门眼中完成的，很少在设计室公开。但由于受制于船舶造船业和船舶业务的政府机构的压力，越来越多地通过比较其预测经济表现来量化设计阶段船舶的经济潜力。最初在美国，后来也在其他国家，意识传播，实际上可行的是在早期设计阶段估算一艘船的成本和效益，并有足够的准确性进行合理比较。 Benford [18]通过这种经济评估的基础，主要阐述了如何在实践中做到这一点。

显然，在船舶设计研究的基础上，系统分析师最喜欢的商船选择很快成为经济效益措施。 一些早期的文章普及这个方法[19-21]。 但它很快就在世界各地传播，并已经成为系统船舶设计的主要平台。 在海军舰艇设计中，使用了一些非经济措施的有效性[22]，但成本效益考虑仍然提供了相关标准。

系统分析的方法对设计方法进行了深刻的影响，既作为理性问题制定的手段，也是协调设计过程中子任务的目标和结果的平台，即协调设计团队成员对他们的贡献 共同的目标。 这种做法特别有助于开发创新解决方案，通过合理的判断判断其优点。 出现了船舶设计新方向的描述和应用的许多物品和教科书（例如[23-28]）

3.2.优化，非线性编程

优化问题可以用以下数学形式来描述（在单个优点标准的情况下）：

“给定参数P*找到一组决策变量D*，使得优点函数M（D *，P *）的度量被最小化（最大化）：

M（D *，P *）= min（max）

受制约

，j=1，...，J(等式)

lt;

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