CN117349970B - 一种船舶装配布置自动合理性验证方法 - Google Patents

一种船舶装配布置自动合理性验证方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及船舶设计技术领域，具体地说是一种船舶装配布置自动合理性验证方法，通过三维空间建模模块、船舶部件坐标点模型构建、利用凸包算法计算空间关系三步实现船舶装配布置位置的判断，由于采用上述方法，具有结构简单、节约人力、提升船舶设计的效率与质量等优点。

Description

一种船舶装配布置自动合理性验证方法
技术领域
本发明涉及船舶设计技术领域，具体地说是一种船舶装配布置自动合理性验证方法。
背景技术
众所周知，随着船舶不断向大型化和智能化发展，其内部的管道、电缆、设备及各种功能部件数量越来越多，装配过程极其复杂。这需要在船舶设计阶段就验证数以万计的装配部件是否合理布置在正确的舱室内。然而，使用传统的人工逐一核查验证的方式，效率十分低下，无法满足设计需求。因此，亟需一种能够自动快速解析设计模型，判断部件与舱室空间关系，批量识别部件布置合理性，并输出结果以优化设计方案的智能化系统与方法，这将大幅提升船舶设计的效率与质量。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种结构简单、节约人力、提升船舶设计的效率与质量的船舶装配布置自动合理性验证方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种船舶装配布置自动合理性验证方法，其特征在于验证方法步骤如下：
（1）、三维空间建模模块：用于对各舱室构建表示其几何形状的凸多面体模型；
（2）、船舶部件坐标点模型构建：从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据；
（3）、利用凸包算法计算空间关系：包含凸包算法，用于判断部件点是否在舱室多面体内，计算二者精确的空间关系，检验步骤（2）中船舶部件坐标点是否在步骤（1）的凸多面体模型内；
本发明所述的步骤（1）中几何形状的凸多面体模型的具体步骤如下：a. 根据船舶舱室布置图，分析每个舱室的区域范围和几何形状；b. 使用三维建模软件，手动构建表示每个舱室几何形状的凸多面体；c设置每个舱室模型的相关属性，包括舱室的唯一编号和舱室的标准命名；d.将创建的舱室凸多面体模型保存为计算机可以解析的数字化文件。
本发明所述的步骤（2）中从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据具体为：通过CAD系统软件平台提取船舶部件的名称，包括x,y,z三维坐标数据信息。
本发明所述的步骤（3）中检验步骤（2）中船舶部件坐标点是否在步骤（1）的凸多面体模型内的具体方法为：根据步骤（2）中得到的某个点的三维坐标数据与步骤（1）中的凸多面体模型各个面之间形成的多棱锥体之间体积之和V1与凸多面体模型的体积V2相比较，若V1大于V2，那么该点在凸多面体模型的外部，若V1小于或等于V2，那么该点在凸多面体模型的内部或边界上。
本发明由于采用上述方法，具有结构简单、节约人力、提升船舶设计的效率与质量等优点。
附图说明
图1是本发明根据每个舱室的几个形状制作的图多面体结构。
图2是实施例中凸包为四面体结构的位置示意图。
图3是实施例中凸包为六面体结构的位置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如附图所示，一种船舶装配布置自动合理性验证方法，其特征在于验证方法步骤如下：
（1）、三维空间建模模块：用于对各舱室构建表示其几何形状的凸多面体模型；
（2）、船舶部件坐标点模型构建：从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据；
（3）、利用凸包算法计算空间关系：包含凸包算法，用于判断部件点是否在舱室多面体内，计算二者精确的空间关系，检验步骤（2）中船舶部件坐标点是否在步骤（1）的凸多面体模型内。
进一步，所述的步骤（1）中几何形状的凸多面体模型的具体步骤如下：a. 根据船舶舱室布置图，分析每个舱室的区域范围和几何形状；b. 使用三维建模软件，手动构建表示每个舱室几何形状的凸多面体；c设置每个舱室模型的相关属性，包括舱室的唯一编号和舱室的标准命名；d.将创建的舱室凸多面体模型保存为计算机可以解析的数字化文件。
进一步，所述的步骤（2）中从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据具体为：通过CAD系统软件平台提取船舶部件的名称，包括x,y,z三维坐标数据信息。
进一步，所述的步骤（3）中检验步骤（2）中船舶部件坐标点是否在步骤（1）的凸多面体模型内的具体方法为：根据步骤（2）中得到的某个点的三维坐标数据与步骤（1）中的凸多面体模型各个面之间形成的多棱锥体之间体积之和V1与凸多面体模型的体积V2相比较，若V1大于V2，那么该点在凸多面体模型的外部，若V1小于或等于V2，那么该点在凸多面体模型的内部或边界上。
本发明由于采用上述方法，具有结构简单、节约人力、提升船舶设计的效率与质量等优点。
实施例：
一种船舶装配布置自动合理性验证方法，其特征在于验证方法步骤如下：
（1）、三维空间建模模块：用于对各舱室构建表示其几何形状的凸多面体模型；
上述凸多面体模型的具体步骤如下：
a. 根据船舶舱室布置图，分析每个舱室的区域范围和几何形状；
b. 使用三维建模软件，手动构建表示每个舱室几何形状的凸多面体（图1所述为根据每个舱室的几个形状制作的图多面体结构）；
c设置每个舱室模型的相关属性，包括舱室的唯一编号和舱室的标准命名；
如下表：
d.将创建的舱室凸多面体模型保存为计算机可以解析的数字化文件。
一个凸多面体舱室模型包含多个面,每个面由多个顶点的三维坐标决定。所以,在舱室模型全部创建完成后,就得到了一个包含多个坐标点的数据集, 这些点集合起来确定了舱室的几何形状。将这个数据集格式化存储,如存为CSV文件,每行包含一个x,y,z坐标。
（2）、船舶部件坐标点模型构建：从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据；
上述从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据具体为：通过CAD系统软件平台提取船舶部件的名称，包括x,y,z三维坐标数据信息
（3）、利用凸包算法计算空间关系：包含凸包算法，用于判断部件点是否在舱室多面体内，计算二者精确的空间关系；
上述判断部件点是否在舱室多面体内的具体方法为：根据步骤（2）中得到的某个点的三维坐标数据与步骤（1）中的凸多面体模型各个面之间形成的多棱锥体之间体积之和V1与凸多面体模型的体积V2相比较，若V1大于V2，那么该点在凸多面体模型的外部，若V1小于或等于V2，那么该点在凸多面体模型的内部或边界上；
这一步将使用计算几何中的凸包算法来判断装配部件的坐标点是否在对应的舱室形状模型的内部。这个步骤是通过比较部件点添加前后该舱室多面体的凸包体积变化来实现的。
凸包是一个几何概念，该凸包被视为一个集合中的点构成的最小凸多边形（在二维空间）或凸多面体（在三维空间）。
凸包的形状为凸多面体，以下通过凸包为四面体、六面体为例进行判断；
凸包为四面体时：
例如有以下四个点：A(0,0,0)，B(1,0,0)，C(0,1,0)，D(0,0,1)。这四个点在三维空间中构成一个四面体，如图2所示。
要判断的点为P(0.3, 0.3, 0.3)代表船舶部件，需确定该点是在四面体内部，边界上，还是外部。
通过计算四个由P与四面体的每个面构成的四面体的体积来判断,如图2所示箭头分别代表对应的小四面体。若这四个小四面体的体积之和等于原四面体的体积，那么点P在四面体内部或者边界上；若体积之和大于原四面体的体积，那么点P在四面体外部。
首先，需要计算原四面体的体积。四面体的体积V通过以下公式计算：
V = 1/6 * |AD·(BC×AB)|
其中，×表示向量的叉乘，·表示向量的点乘。得到四面体的体积，
V = 1/6 * |0.0 * (1.0 * 1.0 - 0.0 * 0.0)| = 1/6。
向量的点乘和叉乘是线性代数中的两种基本运算，都接受两个向量作为输入，但是返回的结果和代表的含义是不同的。
点乘（Dot Product）：当两个向量进行点乘时，将对应的元素相乘，然后将得到的结果相加。这个操作的结果是一个标量，即一个单独的数字。点乘的几何解释：如果有两个向量，那么两个向量的点乘等于其中一个向量的长度乘以另一个向量在第一个向量方向上的投影的长度。也就是说，点乘可以得到一个向量在另一个向量方向上的“多少”。
叉乘（Cross Product）：叉乘只在三维空间中定义，叉乘的结果是一个新的向量，而不是一个标量。这个新向量垂直于输入的两个向量，并且其长度等于输入向量所形成的平行四边形的面积。叉乘有一个特别的性质：遵循右手规则，也就是说，如果右手的四指从第一个向量旋转到第二个向量，那么拇指指向的方向就是叉乘的结果向量的方向。
例如有两个三维向量，a = [1, 2, 3] 和 b = [4, 5, 6]。两个三维向量的点乘计算方式如下：
a · b = (1 * 4) + (2 * 5) + (3 * 6) = 4 + 10 + 18 = 32；
所以，向量 a 和 b 的点乘结果是 32。
然后，叉乘的例子如下：例如有同样的两个三维向量，a = [1, 2, 3] 和 b = [4,5, 6]。两个三维向量的叉乘计算方式复杂，需要使用行列式的概念：
a × b = [(2*6 - 3*5), -(1*6 - 3*4), (1*5 - 2*4)]
= [-3, 6, -3]
所以，向量 a 和 b 的叉乘结果是向量 [-3, 6, -3]。
然后，计算由P与四面体的每个面构成的四个四面体的体积。可以通过使用与上述同样的公式，将AD替换为AP，四个四面体的体积为V1，V2，V3，V4。
若V1 + V2 + V3 + V4 = V，那么点P在四面体内部或者边界上。若V1+ V2 + V3 +V4>V，那么点P在四面体外部。
凸包为六面体时（如图3所示）：
凸包为四面体时的判定方法可以推广到任意的凸多面体舱室。对于一个船舶舱室，选择一个顶点，然后与其它顶点形成的三角形作为底面，构造出多个四面体。然后，计算这些四面体的体积，并将多个四面体相加。若多个四面体的总体积等于原多面体的体积，那么判断的点就在多面体内部。否则，点就在多面体外部。
例如：为了判断一个点是否在六面体（或更一般地一个多面体）内部，需要使用三维几何和线性代数的知识。
在三维空间中，一个四面体可以由四个点来定义，将这四个点的坐标表示为四个向量v1, v2, v3, v4。判断一个新的点p是否在这个四面体内部，构造一个4x4的矩阵M，其中每一列是四面体中某一点到p的向量，也就是说，第i列是vi - p (i=1,2,3,4)。如果点p在四面体内部，那么矩阵M的行列式为0（因为此时的四个向量共面）。
对于一个六面体，选择一个顶点作为基点，然后将其他每三个顶点与基点组合成一个四面体，这样就得到四个四面体。然后使用判断凸包为四面体的方法来判断点是否在每个四面体内部。
以下是对应的数学公式：
设四面体的四个顶点为v1, v2, v3, v4，待判断的点为p，构造以下矩阵M：
然后计算矩阵M的行列式det(M)，如果det(M) = 0，那么点p在四面体内部；否则，点p在四面体外部。
对于六面体，选择一个顶点作为基点，然后将其他每三个顶点与基点组合成一个四面体，然后对每个四面体应用上面的方法。如果点p在其中一个四面体内部，那么该点就在六面体内部。
以下是一个具体的实例，说明如何将一个六面体分解为四个四面体。
有一个六面体，它由以下8个顶点定义（如图3所示）：
A(0,0,0)
B(1,0,0)
C(1,1,0)
D(0,1,0)
E(0,0,1)
F(1,0,1)
G(1,1,1)
H(0,1,1)
选择一个顶点作为基点，比如A，然后将其他的每三个顶点与基点组合起来，构成一个四面体，得到以下四个四面体：
四面体1: A-B-C-F
四面体2: A-B-D-H
四面体3: A-C-G-F
四面体4: A-D-H-G
这四个四面体共享顶点A，并且覆盖了原始的六面体的所有空间。
四面体的体积：四面体的有向体积可以通过其四个顶点的坐标计算出来。将四个顶点的坐标看作四个向量v1, v2, v3, v4，那么四面体的有向体积等于以下行列式的六分之一：
|v1.x-v4.x v2.x-v4.x v3.x-v4.x|
|v1.y-v4.y v2.y-v4.y v3.y-v4.y|
|v1.z-v4.z v2.z-v4.z v3.z-v4.z|
上述公式来自向量的三重积的定义。
在三维空间中，向量的三重积是一个标量，并且向量的三重积对应于并行六面体的体积。并行六面体是由三个向量在空间中形成的图形，这三个向量从同一点出发并分别沿三个方向延伸。
例如有三个向量如下：
v1 = (x1, y1, z1)；
v2 = (x2, y2, z2)；
v3 = (x3, y3, z3)；
这三个向量的三重积定义为：v1 . (v2 x v3)；
其中"."代表点积，"x"代表叉积。这个表达式可以写成一个3x3的行列式，如下：
|v1.x v1.y v1.z|；
|v2.x v2.y v2.z|；
|v3.x v3.y v3.z|；
这个行列式的值就是三个向量的三重积，也就是并行六面体的体积。
在四个向量中，四面体的一个顶点是v4，所以需要计算的是v1-v4, v2-v4, v3-v4这三个向量的三重积，对应的行列式就是：
|v1.x-v4.x v2.x-v4.x v3.x-v4.x|
|v1.y-v4.y v2.y-v4.y v3.y-v4.y|
|v1.z-v4.z v2.z-v4.z v3.z-v4.z|
上述行列式的值是四面体的有向体积，行列式的绝对值是四面体的体积。有向体积的符号取决于三个向量的顺序，如果三个向量的顺序满足右手定则，那么体积为正，否则为负。
综上所述：点在四面体内的判断：采用上述方法计算由待判断的点p和四面体的三个顶点组成的三个四面体的有向体积。如果这三个四面体的有向体积的和等于原四面体的有向体积，那么点p在四面体内部。该方法利用了体积的可加性。
点在六面体内的判断：将六面体分解为四个四面体，然后检查点p是否在每个四面体内部。如果点p在所有四面体内部，那么它就在六面体内部。该方法利用了空间的连续性和有向体积的可加性。
因此，已知表示各舱室几何形状的凸多面体模型几何形状和位置，也知每个船舶附件P的位置。可以对每个房间分别计算其凸包，然后检查每个附件是否在某个房间的凸包内。如果一个附件在一个房间的凸包内，那么就可以判定这个附件在这个房间内。
本发明的有益效果为:1) 大幅提升验证效率,实现部件批量自动检验；2) 快速处理复杂舱室的几何形状变化；3) 生成智能化的验证报告,指导设计优化；4) 无缝集成到主流CAD软件环境,无需改变设计师操作习惯；5) 模块化系统框架,方便维护升级。
综上所述,该技术拥有船舶装配自动验证、设计效率提升等创新点,是船舶设计领域中一项有价值的进步。
本发明的优点在于能够自动、快速地检查大量的船舶部件布置是否合理，从而大大提高船舶设计的效率和质量。此外，还可以帮助设计师发现和修正设计错误，从而避免在船舶建造阶段出现问题。这种自动化的验证方法可以显著降低设计师的工作负担，使设计师能够更专注于优化设计方案，提高设计质量。该技术适用于各种类型民用及军用船舶的设计验证，具有重要的应用价值。
总的来说，本发明提供了一种基于计算几何的船舶装配布置自动合理性验证方法与系统，该系统可以根据船舶部件的空间坐标和舱室的几何形状模型，自动判断部件的布置是否合理，从而提高船舶设计的效率和质量。

Claims (1)

1.一种船舶装配布置自动合理性验证方法，其特征在于验证方法步骤如下：
（1）、三维空间建模模块：用于对各舱室构建表示其几何形状的凸多面体模型；
（2）、船舶部件坐标点模型构建：从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据；
（3）、利用凸包算法计算空间关系：包含凸包算法，用于判断部件点是否在舱室多面体内，计算二者精确的空间关系，检验步骤（2）中船舶部件坐标点是否在步骤（1）的凸多面体模型内，所述的步骤（1）中几何形状的凸多面体模型的具体步骤如下：a. 根据船舶舱室布置图，分析每个舱室的区域范围和几何形状；b. 使用三维建模软件，手动构建表示每个舱室几何形状的凸多面体；c设置每个舱室模型的相关属性，包括舱室的唯一编号和舱室的标准命名；d.将创建的舱室凸多面体模型保存为计算机可以解析的数字化文件，所述的步骤（2）中从船舶设计软件中提取船舶部件的三维坐标数据具体为：通过CAD系统软件平台提取船舶部件的名称，包括x,y,z三维坐标数据信息，所述的步骤（3）中检验步骤（2）中船舶部件坐标点是否在步骤（1）的凸多面体模型内的具体方法为：根据步骤（2）中得到的某个点的三维坐标数据与步骤（1）中的凸多面体模型各个面之间形成的多棱锥体之间体积之和V1与凸多面体模型的体积V2相比较，若V1大于V2，那么该点在凸多面体模型的外部，若V1小于或等于V2，那么该点在凸多面体模型的内部或边界上。
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