使用锚点节点的配管设计信息匹配方法

《International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering》：A Matching Method of the Piping Design Information Using Anchor Nodes

　　

随着数字化转型的加速，造船行业对将物理资产与数字模型相连接的数字孪生表现出日益浓厚的兴趣。构建船舶数字孪生需要一个配管数字模型，该模型需集成在设计过程中逐步生成的配管设计信息；然而，在二维配管模型（2D piping model，例如P&ID图纸）与三维配管模型（3D piping model）之间连接信息仍然困难，因为它们是在不同阶段使用不同工具创建的。尽管已有提议从早期设计阶段过渡到统一的通用模型框架，但这需要对现有设计流程进行全面改革，并限制了对已积累设计数据的重用。因此，需要一种在当前工作流程下对两个独立创建的模型之间信息进行事后集成的方法。本文提出了一种使用锚点节点的二维与三维配管模型间配管设计信息匹配方法。两个模型的配管设计信息均被表示为通用的配管图模型。阀门、设备和孔板等可通过其唯一名称识别的元素被表示为锚点节点，从而将两个不同配管模型间的匹配问题简化为配管模型区段级别的子图搜索问题，该区段可通过这些锚点节点进行划分。该方法被应用于测试数据与工业数据。对于边界仅由锚点节点组成的闭合区段，在测试数据上实现了100%的匹配准确率。在工业数据中未能匹配的区段可归因于二维与三维配管模型之间实际存在的设计差异，这表明该方法也可作为检测不同配管模型间设计错误的工具。这些结果证实了在维持现有设计流程的同时构建船舶配管数字模型的可行性。所提出的方法有望帮助在当前设计工作流程中将船舶配管数字模型与建造过程相连接。

随着数字化技术的发展，旨在将信息通信技术（ICT）与现有产业相结合的第四次工业革命已成为各行业提高生产力的主导话题。数字孪生作为物理资产与数字模型的结合，因信息通信技术的进步而成为现实，其对实际产业的潜在益处正在被积极研究。然而在造船与海工行业，数字孪生目前仅针对特定领域部分提出，尚未投入实际应用。构建船舶数字模型必须整合设计全过程确定的系统原理图、设备规格及舾装件位置等信息。由于基本设计与详细设计阶段分别使用二维计算机辅助设计（2D CAD）与三维计算机辅助设计（3D CAD），各阶段交付物独立创建，将其集成至数字模型极为困难。为克服在设计初期即采用统一配管模型所引发的工作流变更与历史数据无法重用等问题，迫切需要一种在现有工作流程下对异构模型进行事后信息集成的方法。研究人员开展了二维与三维配管模型间的信息匹配研究，并在《International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering》上发表了相关结论：通过基于图论与锚点分割的方法可以有效实现异构配管模型的信息对应，并具备检测实际设计错误的功能，证明了在不改变现有设计流程的前提下构建船舶数字孪生的可行性。

研究人员采用的主要关键技术方法包括：通过将流体属性发生改变的配管控制组件（如阀门、设备、分支点）定义为节点，将仅起连接作用的非控制组件（如直管、弯头）定义为边，构建二维与三维配管模型统一的配管图模型，并将其划分为闭合区段、带开口端的开放区段与带连接的开放区段。基于锚点节点的图分割技术将整体网络划分为易于处理的区段子图。最后，采用寻找绕过噪声分支的简单路径算法搜索对应区段，并将其简化为仅含锚点与分支点的骨架图，利用VF2图同构算法判定拓扑一致性，从而实现配管区段的精确节点映射。此项研究的验证数据包含基于实际船舶二维与三维配管模型特征生成的测试数据集，以及源自某造船厂实际工业数据的样本队列。

研究结果分析如下：

基于配管图模型的异构模型特征表示与问题定义
通过研究将二维配管模型与三维配管模型分别转化为统一的配管图模型，研究人员发现，二维模型通常以单个工艺系统为单位，可能省略与其他系统的连接点或重复表现同一设备；而三维模型以整艘船为单位，必须无遗漏地反映所有实际连接与分支点。这导致二维配管图模型并非三维配管图模型的子图，使得传统的图同构与网络对齐算法无法直接应用于原始配管图。因此，研究人员将匹配问题重新定义为初始图分割、对应子图搜索及骨架图同构检查三个步骤。

基于锚点节点的映射与图分割
研究表明，利用阀门、设备和孔板等具有唯一名称或标签的控制组件作为锚点节点，能够有效地建立异构图之间的初步映射参考。通过在锚点节点处对二维配管图模型进行分割，可将复杂的全局匹配问题简化为多个具有树状结构的配管模型区段子问题，极大降低了计算复杂度并避免了旁通管路造成的环路干扰。

区段分类与噪声绕过的同构匹配
研究人员将分割后的区段分为边界全为锚点节点的闭合区段、边界包含实际管路起止点的带开口端开放区段，以及边界包含跨图连接虚拟节点的带连接开放区段。对于闭合区段，在三维配管图模型中搜索锚点节点间的简单路径，并通过配管规范代码选择最匹配的管路，从而绕过三维模型中存在而二维模型未体现的跨系统连接噪声。在确定对应三维区段范围后，将其简化为骨架图并与二维骨架图进行同构性检查以最终锁定节点映射关系。

测试数据与工业数据的应用验证
将该方法应用于反映实际船舶特征的测试数据时，所有闭合区段与带开口端开放区段均实现了100%的精确匹配。当利用连接符号将多张图纸合并为单一的二维配管图模型时，原本被排除在外的带连接开放区段转化为闭合区段，进一步扩大了算法的适用范围。在应用于某实际造船厂的工业数据（涵盖海水、淡水等系统）时，154个区段中成功匹配了139个，成功率达90.3%，且假匹配率为0%。未能匹配的15个失败案例均源于二维与三维模型在实际拓扑分支或旁通管路设计上的差异，这表明该方法同时具备检测不同配管模型设计错误的潜力。

结论与未来工作总结如下：
本研究提出了一种基于锚点节点的二维与三维配管设计信息匹配方法。通过定义通用的配管图模型，将异构的配管设计信息转化为图结构，并利用具备唯一名称的锚点节点将船舶整体管网匹配问题降维至区段级别。研究在测试数据中实现了100%的匹配准确率，在实际工业数据中达成了90.3%的高匹配率且保持零假匹配，证明了该方法能够在不改变现有设计流程的前提下，有效实现分散配管设计信息的事后集成。同时，匹配失败的案例反映了二维与三维模型在实际设计中存在的不一致，使该方法可额外作为跨图纸一致性校验的设计核查工具。未来的研究方向将集中于拓展该方法在燃油、润滑及暖通空调（HVAC）等不同设计规则系统中的通用性，并探索结合自然语言处理技术自动解析船舶设备名称以生成锚点节点，从而实现完全无负担的船舶配管数字孪生构建。