基于二维布置图的三维舱室自动建模技术

黄卫刚*，林科中国舰船研究设计中心，湖北武汉 430064

摘 要:［目的］为了实现舰船总体设计的布置图建模，采用图形分析技术实现舱室布置数据的自动采集。

［方法］针对图纸存在的固有缺陷，提出完备的舱室边界识别算法，实现舱室边界信息的准确获取；采用舱

室、点的流水号等技术实现舱室属性和舱室边界之间的高效匹配；运用分级布尔运算技术实现三维舱室的高效自动建模。［结果］该方法能够实现布置信息的自动收集和分析，简化总体设计中舱室三维建模和舱室数据的统计分析，并减少不沉性计算原始数据整理等工作的工作量，为总体设计等提供一种可信、可行的技术手段，可提高设计效率和速度，解决基于二维布置图的三维舱室自动建模问题。［结论］信息收集软件的开发及测试验证了所提方法的可行性和良好应用效果。关键词：舰船；舱室建模；布置信息；采集技术；图形分析；分级布尔运算

中图分类号: U662.2文献标志码:A DOI：10.19693/j.issn.1673-3185.01979

New 3D cabin layout data collection method based on 2D graphic analysis HUANG Weigang*, LIN Ke

China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China

Abstract: ［Objectives ］ In order to realize the automatic collection of general ship layout data, a new 3D data collection method based on 2D graphic analysis is proposed. ［Methods］In light of the inherent defects of drawings, a complete cabin boundary recognition algorithm is developed to achieve accurate cabin boundary information. Efficient matching between cabin attributes and cabin boundaries is realized using cabin and point serial numbers, and cabin 3D automatic modeling is realized through hierarchical Boolean operation technology. ［Results］This reliable and feasible method reduces the general layout work of 3D cabin modeling, data analysis and unsinkability raw data consolidation, as well as improving design efficiency. ［Conclusions ］The above technology allows automatic modeling from a 2D layout to a 3D cabin. The development and testing of the relevant layout information collection software is carried out, and the test results verify the feasibility and applicability of the proposed data collection method.

Key words: ship； cabin modeling； general ship layout data； collection method； graphic analysis；hierarchical Boolean operation

0 引 言

舰船总体设计目前正值二维设计和三维设计重叠的阶段。其中，二维设计对象是甲板分层布置图，图中包含舱室边界、舱室名称等信息。根据这些信息可确定舱室之间的相邻关系以及舱室面积容积等关键信息，对总体设计而言具有重要

收稿日期: 2020–06–01 修回日期: 2020–10–18作者简介: 黄卫刚，男，1979年生，高级工程师林科，男，1983 年生，博士，工程师*通信作者:黄卫刚

的影响[1] ，确定甲板分层图中的信息将为舰船舱室容积面积统计以及不沉性等性能计算分析奠定基础。基于二维图纸自动构建的舰船三维舱室布置模型将为三维设计提供基础对象，是三维总体设计的基础。如何实现二维图纸向三维模型方向的转换是目前工程中需要解决的一个问题。

现阶段总体方案三维设计领域的主要研究方

网络首发时间: 2021–07–22 14:41

向集中在船舶设计的软件化和智能化。例如：

Kowalski 等[2]开发了基于船舶设计方法和程序的知识库，辅助控制设备的船舶自动控制系统； Kang 等[3] 利用C 语言对三维设计软件CADDSS进行了二次开发，研制了船舶管路自动布置设计的智能船舶CAD系统；李俊华等[4] 应用专家系统原理，开发了可进行船舶舱室三维优化的计算机系统；蔡乾亚等[5] 研究开发了集装箱船稳性计算

及中横剖面结构设计的计算机系统；Michalek 等[6]开发了一套人机交互建筑布置优化软件，允许用户根据初始输入数据生成可行方案，然后根据设计者个人意图对可行方案进行改造，如此反复后

得出最优布局结果；Michalek 等[7] 首先将户型优化问题用网格进行离散，变为整数规划问题，采用人机交互的方法，结合整数规划方法和专家系统在户型优化设计中的应用，设计人员可动态地修改机器解后再进行迭代；张涛等[8] 应用公理化设计原理及基于知识工程的模块化机理有效探索了大型邮轮的布置设计规律。

由于设计历史数据是二维图纸，舰船设计人员仍习惯绘制二维图纸。因此，面向三维设计，需要基于二维图纸转化为三维设计的方案。机器学习等人工智能技术在总体设计中的应用需要积累大量基础数据集，目前这些数据集仍主要以二维图纸的形式存在，如何实现二维布置图智能识别及三维模型的自动构建和数据化，是目前舰船智能设计亟待解决的一个问题。

本文针对上述问题，将提出一种基于总布置图信息自动建模舱室三维模型的技术，实现舱室信息的自动分析、建模等功能，为针对二维布置信息实现数据自动提取提供技术条件。

1总体框架

基于二维总布置信息的三维舱室自动建模技术的主要思路为：首先，采用数据分析技术提取AutoCAD二维分层布置图中的舱室边界、名称、编号等信息，建立二维舱室的图元；然后，根据舱室的上、下二维图元之间的对应关系自动构建舱室三维图元；最后，形成针对三维软件的数据接口，实现数据的有效输出（图1）。基于该技术开发了相应的软件，包括二维舱室边界识别、二维舱室属性识别、三维舱室建模和数据输出等功能。

2二维舱室边界识别

基于二维总布置信息的三维舱室自动建模是利用总布置图中的舱室边界、舱室名称及舱室编图1 软件基本流程Fig. 1 Basic sofware process

号三类信息构建三维舱室模型。开展工程设计时，在总布置图中通过不同图层表示不同的信息，如舱室边界、舱室名称及舱室编号分别位于3 个不同的图层。AutoCAD二维分层布置图一般包括多种图层，舱室边界只含舱室的轮廓线（包括舷侧边界信息）。为方便分析，舱室名称、舱室编号需位于舱室轮廓范围内。考虑到项目的关注点，首先需过滤总布置图中包含的其他图层（本研究的无关信息），然后识别并处理舱室边界，对于需要识别的舱室边界线较多（线型包括了直线、多段线、圆弧甚至样条线），可以通过布尔运算的方式实现。

具体步骤如下：

1） 基于 Parisolid 的输入接口导入AutoCAD格式的图纸文件。建立一个1 000×1 000 的四边形面域S，将所有舱室的边界线向该面域进行映

射，容差定义为1×10−6。此时，所有舱室边界的延

长线均变成了面域的边界线，面域之间的边界线将面域S打散成为数百个小碎面，如图2所示。

2） 提取面域所有碎面，去掉包含面域S 边界的碎面，每个碎面包含了各自的边界线及内部硬线（自由边界）。

3） 解析碎面的边界拓扑。边界可识别为由一系列顺序排列的散点形成的封闭域，起点坐标等于终点坐标。遍历所有内部点（除起点和终点外），若坐标值相同，则该两点间的所有点构成了

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