0 前　言

随着数字化设计技术的飞速发展，参数化建模技术已成为全球最为普遍的应用技术之一，已在航天、汽车等行业得到广泛的研究和应用，船舶行业由于其多样性和复杂性，对该方面研究较少^[1-2]。虽然已经取得了部分成果，但仍存在对数字化设计知识管理重视不足、三维建模不充分、零件参数化程度底、产品模型可重用性差等问题。在船舶数字化设计过程中，往往存在对已有模型进行重用的情况，特别是一些模型存在既定的规范或设计标准的情况下，新创建的模型往往只需要更改部分参数或提供某些新的参数^[3-4]。在此条件下，若能实现基于知识驱动的参数化模型创建，将极大地提高设计效率和设计的准确性。

针对上述问题，本文通过对船舶设备基座的研究，提出基于知识驱动的设备基座参数化建模方法，将知识工程技术与参数化建模技术相结合，从而实现设计过程的自动化、设计内容的模板化，进而实现基座设计的高效性、精准性。

1 知识工程及参数化设计概述

知识工程（简称KBE）是以知识信息为研究对象的新兴学科，通过相应的知识系统，实现知识的表达、获取以及重用的技术和方法，主要用于人工智能、专家系统等领域^[5-9]。基于知识工程的三维设计技术主要是将产品研发过程中涉及到的标准、经验、设计实例等以知识库形式集成起来，用以实现产品开发相关问题的自动求解，是构成智能化设计的基础^[10]。

参数化设计技术主要指将数字化模型的几何约束、尺寸约束等信息通过参数相互关联和约束控制，并将必要参数进行提取，在建模设计过程中只需修改提取的参数，即可达到数字化模型快速创建的目的^[11-13]。船舶设备基座具有结构形式固定、相似性强的特点，可通过参数化建模的方式实现基座的快速设计，但仅凭参数化建模方法难以满足复杂基座结构的特征控制，多参数协调也只能通过人工干预的方式进行判断。

知识工程相关技术的引入，可有效改善参数化建模存在的不足，不仅可实现多参数之间的相互关联，减少单一参数驱动产生的不便，还可方便地对模型全局特征进行控制，同时也可通过知识工程方法对参数进行参数验证，减少参数的输入错误^[14]。从而解除工程师在设计过程中大量的查阅量和计算量，极大地提高了设计效率。

2 设计方法实现原理

本文研究的基于知识工程的船舶设备基座参数化设计方法，将知识工程技术与参数化建模技术进行融合，进而达到设计过程的自动化、设计内容的模板化的目标。该方法首先分析船舶设备基座的模型特性，根据模型特征、参数化设计流程等明确基座设计要素；然后构建基座设计所需的设计知识库，知识库重点包含结构化设计知识规则、模板化基座零部件模型等；最后研究基于知识驱动的基座参数化设计，通过知识工程技术获取所需的模型参数和知识规则，基于参数化建模方法实现目标模型的快速生成，达到基座模型快速设计与创建的目的。

2.1 船舶设备基座模型特征分析

船舶产品由于其结构的复杂性，需安装大量的设备，基座结构样式和安装形式也根据设备安装的需求而变化。本文通过对船舶典型基座特性要素进行梳理和分析，明确基座设计分类依据和设计要求，提炼设计所需的结构化、条目化知识规则，以及各类基座结构特性，为基座知识库构建提供依据。通过梳理分析，按照基座安装形式进行分类，常用船舶设备基座类型形式如表1所示。

在基座数字化设计过程中，需充分考虑基座的设计样式、力学性能、安装位置、注意事项、材料选用等信息，从而来确定大部分船用基座的最优形式。以高平面基座设计为例，在基座设计过程中，设计样式上支撑脚数应大于4，且支撑脚间应用角钢相连接，保证支撑脚可以产生最大的稳性，如图1所示。力学性能方面，在设计过程中需满足结构强度要求，防止变形过大或结构破坏的情况发生；安装位置方面，一定要以船体上确定的平台或甲板作为安装平面，切勿选择花钢板、格栅等不确定的结构为定位和安装面；材料选用方面，一般的高平面基座选用角钢材料为主，且面板、腹板宽度一般不超过100 mm，但是如果有特殊要求的可以采用圆管、板材拼接，但需注意强度要求。其他注意事项方面，基座设计需避免与其他专业产生干涉，高平面基座设计需充分考虑型材结构与管路布置的空间利用，避免干涉产生。

2.2 船舶设备基座知识库建立

知识工程技术的应用离不开知识库的底层服务支持，若实现基于知识工程的船舶设备基座参数化设计，首先要构建基座知识库。将知识库中的各类知识进行归纳、分类、整理，形成知识单元，并以计算机易于读取和识别的逻辑表示方式进行知识的存储。本文研究的船舶设备基座知识库的核心结构主要为知识规则库和参数化模型库两部分，知识库结构如图2所示。

基座的模型库主要指根据基座分类规则，创建不同类型的基座参数化知识模型，并将该知识模型作为模型库知识单元。知识模型在创建过程中对基座的结构特征进行规划，通过参数化建模技术实现参数驱动基座模型的建立，知识模型可以通过参数、公式、规则等知识工程对象及各种对象的组合进行表达。模型库中的模型同时内嵌规则库中的设计标准、尺寸约束及结构外形特征规则从而实现知识驱动生成模型。

基座的规则库主要指设计规范、设计标准、设计经验、设计实例等知识的集合。设备基座的参数化设计过程中，涉及大量的信息和数据，因此需要建立规则库来存储知识规则。知识规则库的创建，主要是把设计过程中所涉及到的知识进行收集和整理，并按照一定的格式进行存储，形成解决设计问题的约束准则，达到满足设计过程中按需调用的需求。

2.3 基于知识驱动的基座参数化设计

基于知识驱动的船舶设备基座设计方法，主要通过知识工程技术获取基座设计所需的特征模型和参数，再通过知识的推理和重用技术，实现基座设计规则的表达，达到通过知识驱动模型创建的目的。所涉及到的推理主要是指，按照单一典型的规则，推理出包含该规则的某一类推理过程。目前，知识工程领域应用最为广泛的3种推理方式包括：基于规则的推理（RBR）、基于实例的推理（CBR），以及基于模型的推理（MBR）^[15]。

本文研究的基于知识驱动的船舶设备基座参数化设计技术方法所用到的推理技术融合了基于规则的推理和基于实例的推理，从而达到推理结构更为精准的效果。首先，采用基于实例的推理方式，基于知识工程的模板匹配技术，调用知识模板库中的模板知识模型，实现目标模型的重用；再通过基于规则的推理方式，调用存放在规则库中知识规则，从而获取基座创建所需的各项约束参数和关系，并将参数和关系式传递至基座几何模型，实现模型的快速生成。通过利用2种推理方式的结合，不仅可实现模型和知识的重用，还可准确快速地定位到所需知识，从而达到基于知识驱动的基座快速设计的目的。基于知识驱动的船舶设备基座参数化建模原理框架如图3所示。

基于知识驱动的基座参数化建模设计方法，不仅实现设计过程的自动化，同时也实现设计内容的模板化。在基座模型的创建过程中，将设计过程分为若干传承有序、相互制约、相互关联的设计模块，并将各类设计知识进行封装，通过模板定义实现在设计过程所需知识的快速推送。同时，基于规则的推理方式还可验证输入参数的准确性，在参数化设计过程中，若设计人员输入错的参数或输入内容与建模规则产生冲突，可立即反馈修正信息，辅助设计人员修正设计。

2.4 设计方法系统功能实现

采用本文的船舶设备基座设计方法，参考参数化建模技术、特征建模技术、知识工程技术及CAD二次开发技术，可开发基于知识驱动的船舶设备基座参数化设计系统。该系统功能不仅可实现基座标准化、自动化设计，同时支持对知识库的可视化维护和管理、设计知识的检索与推送功能。设计人员只需在设计平台二次开发的人机交互界面输入基座类型、基座参数、约束条件等信息，系统自动完成设备基座的三维模型布置和设计，设计过程中还可实现相关设计知识的推送，辅助设计人员快速完成设计内容。

系统功能实现框架如图4所示，该快速设计系统主要基于CAD设计平台进行二次开发实现，通过面向对象、模块化、交互式的人机交互开发界面为设计人员提供设计交互手段。建模设计过程中，开发程序与知识库进行实时交互，系统自动完成知识的获取、模板调用、零件重组、参数化驱动等过程，最终完成基座模型的创建。该设计系统可将研究的基座参数化设计方法实现落地应用，达到设计流程标准化、设计过程自动化、设计内容模板化的目的。

3 结　语

本文以船舶设备基座为研究对象，介绍一种基于知识驱动的船舶设备基座参数化建模设计方法，该方法有效解决了参数化设计灵活度单一的问题，不仅实现了船舶设备基座模型的自动创建，还实现了设计知识的积累与重用。有效提高了设计质量和设计效率，降低人工设计差错。该方法同时对船舶数字化设计研究具有一定的理论指导意义。