一种船舶结构设计虚拟评估方法

摘要

一种船舶结构设计虚拟评估方法，包括步骤1、虚拟环境构建；步骤2、结构检查为基于甲板层水平剖切、基于肋位线的剖切检测和任意位置剖切，从多个角度评估；步骤3、舱室空间量化评估为基于参数化虚拟人人在回路的空间量化评估，通过多视角自由记录和实时切换；步骤4、输出评估结果。本发明相对于传统图纸和实物方法，具有快速直观、节约成本等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种船舶结构设计虚拟评估方法，应用于豪华游船或普通船舶舱室布局设计，属于船舶设计领域和仿真技术应用领域。

背景技术

船舶生产设计评估也叫综合评审，是在生成设计后端对船舶结构设计如设备布置、管系走向、结构开孔、综合布置、维修空间等综合检查，是船舶特别是豪华游船实际建造之前的必须环节。

目前船厂生产设计基本三维设计，然后转成二维图纸或者在设计软件中进行检查，通过excel表格或图纸标注方式来传递和沟通设计问题，存在很多问题：

(1)传递效率低，检查人员往往通过多个人之间的传递完成问题梳理，解决一个问题需要多次传递，导致设计环节周期过长；

(2)检查手段少，且自己既做“运动员”又做“裁判员”，有些问题难以发现；

(3)三维模型的应用效率很低，设计人员花大量时间做三维建模，又要转换成二维图纸，没有充分利用设计模型；

(4)不够直观，一种经验型的判断检查，对人的依赖较大。

随着虚拟现实技术的发展和船舶信息化技术应用的逐渐深入，船舶结构设计的虚拟评估已经成为一个重要的发展方向。数十年来，国内外许多专家学者致力于评估新方法和手段的开发。

国内多个科研院所开展虚拟仿真技术的研究和系统开发，但尚无针对船舶的设计评估系统，且离工程化实际应用还有很大一段距离。

国外比较有代表性的有：(1)国内有较多的通用和专用型三维虚拟综合评审软件有NavisWorks、DivisionMockup等，船厂应用较多的为NavisWorks，但随业务需求扩展及SPD设计软件的引进，NavisWorks在设计模型接口适应性、专业性、三维立体显示效果等多个方面已经不适用。特别是在评审的专业性方面，NavisWorks作为各行业通用的软件，已经不能满足设计评审中越来越深入和细化的专业性要求，如船舶专业的设计结构查看、设计属性集成等要求。(2)挪威UlsteinDesign公司是全球钻井船设计的权威，所有新船型初步设计时，都会建立钻井船的三维模型，在虚拟环境下对钻井船的整船布置、设备布局、外观等进行综合评价，进行船舶的水动力分析，分段划分虚拟评估，以及对钻井船的建造与作业过程进行仿真。

发明内容

为克服已有技术的不足和缺陷，本发明提供一种船舶结构设计虚拟评估方法，能够快速提高船舶生产设计评估效率，缩短设计周期。

为了实现上述目的，本发明的技术方案包括环境构建、结构检查、舱室空间检查，所述环境构建容纳船舶整体结构数据，船体、舾装、设备、装饰、光照；所述结构检查为基于甲板层水平剖切、基于肋位线的剖切检测和任意位置剖切，从多个角度评估；所述舱室空间量化评估为基于参数化虚拟人人在回路的空间量化评估，通过多视角自由记录和实时切换，输出评估结果。具体步骤如下：

步骤1、虚拟环境构建：根据定义的虚拟环境数据格式，将船舶设计软件产生的三维模型进行解析和重构，得到几何模型、结构树和属性信息，然后基于OPENGL图形显示技术，将重构的几何模型、结构树和属性信息绘制在同一个场景中，完成虚拟环境的构建；

步骤2、结构检查：采用基于甲板层水平剖切、基于肋位线的剖切检测和任意位置剖切的方法对船舶设计结构进行结构设计或设备布置合理性的评审：当结构设计或设备布置不合理时，在三维环境中批注说明及截图，并将该评估信息存储在对应结构树节点，和三维模型一起发布给设计人员；

步骤3、舱室空间量化评估：通过定义参数化虚拟人并加载到虚拟环境中需要评估的位置，设定在该空间需要从事的动作并执行，在虚拟人运行过程中实时输出虚拟人眼睛视角的三维交互浏览的行走过程动画、视频，与虚拟人有干涉位置的实时截图和干涉量。

步骤4、输出评估结果。

所述步骤2)中所述的采用基于甲板层水平剖切的方法，具体是在构建的虚拟环境中将整船几何模型按照甲板层数自上而下几何隐藏，获得对应层数船舶设计结构的剖视图，通过提供的距离测量方法评估结构设计或设备布置合理性；

所述的采用基于肋位线的剖切检测的方法，具体是在构建的虚拟环境中将整船几何模型按照肋位线在船长方向自船舶原点到对应肋位之间的所有结构几何隐藏，获得对应肋位船舶设计结构的剖视图，通过提供的距离测量方法评估结构设计或设备布置合理性；

所述的任意位置剖切的方法，具体是在构建的虚拟环境中将整船几何模型按照船长、船宽、水线方向的任意位置剖切，通过输入长度数据得到指定位置的剖视图，通过提供的距离测量方法评估结构设计或设备布置合理性。

所述步骤3)中船舶舱室结构评估采用参数化虚拟人实时添加到指定舱室空间，最后输出三维可交互浏览的虚拟人行走过程动画或与虚拟人干涉的实时截图和量化干涉量，并虚拟人手臂运动包络范围与维修对象距离和三维动画。

所述步骤3)中所述的虚拟人包含有十五个独立的人体部分，并携带纹理及材质，几何尺寸可以参数化，可以实现行走、展臂、弯腰、下蹲动作。

基于该方法构建的综合平衡环境，为设计人员、设计审查人员、施工人员、船东等不同部门人员对同一船舶结构设计协同评审提供了一种方法。与现有技术相比，本发明方法采用三维环境直接批注、人在回路和感性视觉与量化输出相结合，相对于传统二维截图-制作表格-发送设计人员-修改返回或和实物模型评估方法，节省大量时间，结果量化输出，具有快速直观、节约成本，效率高等优点。普通技术人员可以对本技术方案进行修改或者等同替换。

附图说明

图1为本发明船舶结构设计虚拟评估方法的流程图

图2为结构树信息重构采用多BOM将不同专业和系统统一格式

具体实施方式

下面结合附图和实施例对船舶结构设计虚拟评估方法进一步的详细说明，以求更为清楚明白地阐述其流程，但不能以此来限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明船舶结构设计虚拟评估方法的流程图，如图所示，一种船舶结构设计虚拟评估方法，包括如下步骤：

步骤1、环境构建：环境构建指容纳船舶整体结构数据，船体、舾装、设备、装饰和光照。基于定义的虚拟环境统一数据格式，将船舶设计软件(如国产船舶设计软件ShipProductDesign简称SPD)中的生产设计三维模型进行解析和重构，解析和重构数据主要包括三部分：几何模型、结构树和属性信息。

其中，几何模型采用三角面片作为基本显示元素，并构建基本几何图元点、线、线串、三角型、三角形串、三角形扇、四边形、四边形串、多边形等，支持使用索引对点数据引用。

应用RGBA模式读取设计数据光照、颜色和材质元素，为每个顶点赋值：

voidglColor1{bsifdubui}(TYPEr,TYPEg,TYPEb)；

voidglColor2{bsifdubui}(TYPEr,TYPEg,TYPEb,TYPEa)；

结构树信息重构采用多BOM将不同专业和系统统一格式，见图2。

在场景中定义实体类(Entity)作为场景渲染根节点，对应整船(XX型号节点)，定义零件节点类(Part)、组节点类(Group)和可变换节点类(Transform)三种节点作为场景叶子节点，其中零件节点(Part)可包含几何对象(上述图元)，赋值参数格式为：prm1:upmCore,prm2:Part；组节点类(Group)可包含若干其他Part，Group，对应船体、系统、设备等节点；Transform类型对象，为场景位置变换节点，赋值参数格式为：prm1:upmCore,prm2:Group；可变换节点类(Transform)通过4×4矩阵进行位置变换，赋值参数格式为：prm1:upmCore,prm2:Transform。

属性信息重用为船舶设计软件中输出的各专业结构信息赋值到对应结构树节点。

最后基于OPENGL图形显示技术，对重构的几何模型、结构树和属性信息绘制在同一个场景中，完成虚拟评审环境的构建。

步骤2、结构检查：采用三种方法对船舶设计结构进行评审，包括基于甲板层水平剖切、基于肋位线的剖切检测和任意位置剖切。

其中甲板层水平剖切是在上述构建的虚拟环境中将整船几何模型按照甲板层数自上而下几何隐藏，获得对应层数船舶设计结构的剖视图，通过提供的距离测量等方法评估结构设计或设备布置合理性；

如：自下而上为1、2、3、…、10层甲板，要查看第3层甲板布置，将4～10层甲板隐藏，得到第3层甲板结构及舾装、设备等布置视图。

甲板剖切是在上述构建的虚拟环境中将整船几何模型按照肋位线在船长方向自船舶原点到对应肋位之间的所有结构几何隐藏，获得对应肋位船舶设计结构的剖视图，通过提供的距离测量等方法评估结构设计或设备布置合理性；

如：要查看Fr26^#结构，将Fr0^#～Fr26^#结构几何隐藏，得到第26号肋位处船舶纵向剖视图。

任意剖切为船长、船宽、水线方向的任意位置剖切，通过输入长度数据得到指定位置的剖视图。

对不合理结构或位置直接在三维环境中批注说明和截图，该评估信息将存储在对应结构树节点，并和三维模型一起发布到设计人员。

步骤3、舱室空间量化评估：通过定义参数化虚拟人并加载到虚拟评估环境实现。该虚拟人包含有15个独立的人体部分，携带纹理及材质，几何尺寸可以参数化，可以实现行走、展臂、弯腰、下蹲动作；

将具有上述功能的虚拟人加载到舱室通道、维修空间等需要评估的位置，设定在该空间需要从事的动作并执行，在虚拟人运行过程实时输出虚拟人眼睛视角的可以三维交互浏览的行走过程动画、视频，与虚拟人有干涉位置的实时截图和干涉量，虚拟人手臂运动包络范围与维修对象距离和三维动画。

所述步骤2)中船舶结构设计不合理信息采用三维批注方式挂接在对应结构树节点属性中，并三维发布到设计人员。

所述步骤3)中船舶舱室结构评估采用参数化虚拟人实时添加到指定舱室空间。

所述步骤3)中船舶舱室结构评估可输出三维可交互浏览的虚拟人行走过程动画。

所述步骤3)中船舶舱室结构评估可输出与虚拟人干涉的实时截图和量化干涉值。

基于该方法构建的综合平衡环境，为设计人员、设计审查人员、施工人员、船东等不同部门人员对同一船舶结构设计协同评审提供了一种方法。与现有技术相比，本发明方法采用三维环境直接批注、人在回路和感性视觉与量化输出相结合，相对于传统二维截图-制作表格-发送设计人员-修改返回或和实物模型评估方法，节省大量时间，结果量化输出，具有快速直观、节约成本，效率高等优点。普通技术人员可以对本技术方案进行修改或者等同替换。。