基于模塊化的船舶艙室智能布置優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究

王子銘 陳順懷 汪 皓

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

船舶艙室布置設(shè)計(jì)問題一直是船舶設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的重要研究問題，其傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是設(shè)計(jì)人員根據(jù)相關(guān)規(guī)范及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)手工設(shè)計(jì)，對(duì)于功能稍微復(fù)雜的船舶,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法過程繁瑣、效率不高.為了提高設(shè)計(jì)效率，近年來研究人員通過引入優(yōu)化算法，利用計(jì)算機(jī)對(duì)船舶艙室進(jìn)行布置.王運(yùn)龍等[1-2]基于能量法建立優(yōu)化模型，并利用遺傳算法和禁忌搜索算法求解得到船舶艙室內(nèi)部各設(shè)備位置布置方案和船舶甲板區(qū)域各艙室位置的布局方案.王宇等[3]利用改進(jìn)的引力搜索算法對(duì)一段船體多層夾板的船舶艙室的位置布局進(jìn)行求解，并驗(yàn)證了方法的可行性.Kim等[4]利用遺傳算法對(duì)潛艇內(nèi)部艙室的位置以及各設(shè)備的位置進(jìn)行布置.楊德慶等[5]提出了艙室聲學(xué)布局模型并利用匈牙利解法和準(zhǔn)則法對(duì)艙室布局進(jìn)行求解.胡耀等[6-7]通過遺傳算法對(duì)船舶內(nèi)部艙室位置的布置以及船舶生活區(qū)艙室的布局進(jìn)行了求解.

針對(duì)船舶艙室在船舶內(nèi)的布局問題，通過參考船舶設(shè)計(jì)規(guī)范及有關(guān)知識(shí)，提出了一種基于模塊化的船舶艙室布置優(yōu)化方法，并以內(nèi)河客船為例探討了該方法的應(yīng)用，通過與算例原布置方案對(duì)比，采用該方法所獲得的布置方案有效可行，證明了該方法的有效性.

1 基于模塊化的艙室布置優(yōu)化模型

1.1 船舶空間模塊化模型的建立

船舶空間由一系列的功能艙室、過道、開敞空間組成，要通過數(shù)學(xué)的方法準(zhǔn)確表述各個(gè)子空間的幾何尺寸及相互之間的拓?fù)潢P(guān)系非常困難.為此，提出了一種將甲板區(qū)域除功能艙室及過道以外的其他具有一定布置能力的區(qū)域抽象化為虛擬空艙的新思路，從而將復(fù)雜的艙室布置問題簡(jiǎn)化為具有各種屬性的布置單元的分布問題，進(jìn)而為船船艙室布置采用模塊化設(shè)計(jì)提供了可能.

以某內(nèi)河客船為例，該船可歸類為18個(gè)待布置艙室，見圖1和表1.

表1 待布置艙室編號(hào)

圖1 目標(biāo)船各層甲板待布置艙室布置圖

該船沒有中間過道，各艙室沿船長(zhǎng)方向依次排列布置.圖中區(qū)域8、區(qū)域9在算例中分別布置為樓梯和尾尖艙，不考慮這兩處區(qū)域的布置.將目標(biāo)船輪機(jī)監(jiān)控室和船員休息區(qū)中間的區(qū)域1、大廳1與多功能廳之間的區(qū)域2、普通餐廳與大廳2中間的區(qū)域3、VIP休閑區(qū)與酒吧臺(tái)中間的區(qū)域4、VIP休閑區(qū)以左的區(qū)域5和區(qū)域6、陽光浴場(chǎng)以左的區(qū)域7抽象化為虛擬空艙.將18個(gè)待布置艙室和7個(gè)虛擬空艙視為獨(dú)立的布置單元模塊.

本文重點(diǎn)考慮拓?fù)鋵用嫔系牟贾?，為?jiǎn)化問題，將該船每層甲板空間劃分為多個(gè)長(zhǎng)度相等，寬度等于船舶空間可布置區(qū)域?qū)挾鹊淖涌臻g，各子空間沿縱向依次排列，進(jìn)而將船舶空間簡(jiǎn)化為圖2的船舶空間模塊化模型.假設(shè)每個(gè)子空間僅能放置一個(gè)布置單元，并在x方向和z方向設(shè)置每個(gè)子空間的坐標(biāo),于是可利用布置單元模塊所在的子空間的坐標(biāo)(xi，zi)為該單元模塊在船舶空間模塊化模型中的位置.

圖2 船舶空間模塊化模型圖

1.2 艙室模塊屬性定義

對(duì)各模塊化的艙室，定義絕對(duì)位置和相對(duì)位置兩類屬性以評(píng)價(jià)布置方案的優(yōu)劣.

1) 絕對(duì)位置屬性 不同艙室具有不同功能，例如，提供游客休息的游客休息區(qū)、提供輪機(jī)等機(jī)械設(shè)備放置的主機(jī)艙等.各艙室模塊布置在船舶空間不同位置時(shí)其合理程度是不同的，比如，主機(jī)艙放置在船舶空間模塊化模型的第一層是合理的，放在高層是不合理的，駕駛室放置在首端是合理的.為評(píng)價(jià)各布置單元模塊在船舶空間模塊化模型的不同子空間的合理程度，引入垂向評(píng)價(jià)向量αi=(ai1,αi2，…，αij)T與縱向評(píng)價(jià)向量βi=(βi1,βi2，…，βik)衡量布置單元模塊i沿船舶空間模塊化模型z方向和x方向各子空間布置的滿意度，其中和分別為模型z方向?qū)訑?shù)與x方向最大子空間數(shù).參考模糊數(shù)學(xué)能量法[8]相關(guān)概念，αi和βi各元素能量值可取0，1，2，3，4，5，數(shù)值越大表示布置單元模塊i在該方向相應(yīng)位置的合理程度越好.根據(jù)內(nèi)河客船艙室布置經(jīng)驗(yàn)，目標(biāo)船各布置單元模塊αi和βi具體設(shè)置見表2.

表2 目標(biāo)船各布置艙室垂向評(píng)價(jià)向量與縱向評(píng)價(jià)向量

建立布置單元模塊i的絕對(duì)位置評(píng)價(jià)矩陣Ei=(αi·βi)T，通過定義布置單元模塊i的絕對(duì)位置屬性值Ei(xi,zi)衡量布置單元模塊i布置在坐標(biāo)為(xi，zi) 的子空間的合理程度，數(shù)值越大合理程度越好.以目標(biāo)船主機(jī)艙為例，該布置單元模塊的絕對(duì)位置評(píng)價(jià)矩陣E1為

學(xué)生的學(xué)習(xí)目的更加明確，通過自主參與網(wǎng)上課堂的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)整個(gè)課程和整本教材有了更全面更形象的認(rèn)識(shí)，不再是盲人摸象，由老師牽著鼻子走；同時(shí)也加強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)意識(shí)，突破了學(xué)生各自基礎(chǔ)條件不一致、學(xué)習(xí)能力強(qiáng)弱不統(tǒng)一的壁壘，使得能力差的同學(xué)可以通過增加學(xué)習(xí)時(shí)間：多看幾遍教學(xué)視頻、多做幾套自測(cè)題目等方式學(xué)會(huì)課堂的基本知識(shí)點(diǎn)；能力強(qiáng)的學(xué)生可以自主多學(xué)一些拓展知識(shí)。

其中，絕對(duì)位置屬性值E1(5,1)最大，故認(rèn)為主機(jī)艙布置在坐標(biāo)為(5,1)的子空間最合理.

2) 相對(duì)位置屬性 借鑒車間設(shè)備布局中物流的概念，船舶某些艙室之間存在大量的人流和物流上的需求，例如,廚房和餐廳存在大量食物的流通.這里認(rèn)為這類存在人流和物流需求的艙室具有相近關(guān)系，在布置時(shí)需要盡量的靠近.同時(shí)為使人在船舶航行期間具有良好的舒適度體驗(yàn)，考慮各艙室在衛(wèi)生、噪聲、油煙三個(gè)屬性上的影響，認(rèn)為某些艙室之間存在相遠(yuǎn)關(guān)系，存在相遠(yuǎn)離關(guān)系的艙室在布置時(shí)希望盡量遠(yuǎn)離.例如，主機(jī)艙會(huì)產(chǎn)生巨大的噪聲對(duì)VIP休閑區(qū)產(chǎn)生噪聲污染，在布置時(shí)希望距離更遠(yuǎn).故各艙室之間具有相對(duì)位置屬性，并定義相對(duì)位置屬性系數(shù)：Qij.布置單元模塊i與布置單元模塊j之間僅具有相遠(yuǎn)關(guān)系時(shí)取值為-1、僅具有相近關(guān)系時(shí)取值為1、其余情況取值為0.Qij以矩陣Q的形式表現(xiàn)，Qij即為Q矩陣的i行j列元素.根據(jù)內(nèi)河客船艙室布置經(jīng)驗(yàn)，目標(biāo)船Q矩陣設(shè)置為

1.3 目標(biāo)函數(shù)及約束條件

通過各布置單元的絕對(duì)位置屬性和相對(duì)位置屬性建立本優(yōu)化方法的目標(biāo)函數(shù).

(1)

式中：a和b為權(quán)重系數(shù)；εi為布置單元i的優(yōu)先布置權(quán)系數(shù)；N為布置單元模塊總數(shù).根據(jù)目標(biāo)船各艙室功能特點(diǎn)，優(yōu)先布置權(quán)系數(shù)見表3.

表3 目標(biāo)船各艙室優(yōu)先布置權(quán)系數(shù)

為符合艙室布置實(shí)際情況并使求解盡快收斂，參考內(nèi)河客船艙室布置規(guī)范并結(jié)合客船艙室布置經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置如下的約束條件.

1) 單元模塊絕對(duì)位置約束

(2)

xk=e

(3)

zg=f

(4)

式中：c、d，e，f為常數(shù).對(duì)于目標(biāo)船，約束主機(jī)艙位于船舶空間模塊化模型底層尾端，即：x1=5，z1=1.駕駛室位于頂部船首，即：x3=1，z3=5.目標(biāo)船輪機(jī)監(jiān)控室在主機(jī)艙之外，為符合正常布置要求，約束輪機(jī)監(jiān)控室在主機(jī)艙的船艏方向并與主機(jī)艙相連，即：x2=4，z2=1.廚房不能在其他艙室之間，在本優(yōu)化模型里約束廚房在尾端，即：x6=5.約束目標(biāo)船VIP天臺(tái)與陽光浴場(chǎng)布置在最高層甲板，即：z17=5，z18=5.

2) 單元模塊相對(duì)位置約束

(5)

zk≤zg

(6)

目標(biāo)船大廳1與大廳2上下連同，即：x10=x9，|z9-z10|=1.根據(jù)內(nèi)河客船艙室布置規(guī)范，衛(wèi)生間的布置和設(shè)置應(yīng)避免其氣味滲入鄰近居住艙室，公共處所，餐廳，廚房，食品庫等處所，并且衛(wèi)生間不能設(shè)置在廚房，餐廳之上，即：z7≤z6，z7≤z8，z7≤z11.

3) 單元模塊不重疊約束 為避免布置模塊單元i與布置模塊單元j布置在同一個(gè)子空間內(nèi)，有如下不等式約束：

|xi-xj|+|zi-zj|≥1

(7)

1≤xi≤5

(8)

1≤zi≤5

(9)

需要指出的是，不同船舶艙室布置情況有所不同，所以針對(duì)其他船舶需重新構(gòu)建船舶空間模塊化模型、屬性的系數(shù)、約束，所需時(shí)間成本在可接受范圍內(nèi).本文確定的布置優(yōu)化方法可以推廣至其他船舶.

2 遺傳算法求解

遺傳算法是模擬生物在自然環(huán)境中的遺傳和進(jìn)化過程而形成的一種自適應(yīng)全局優(yōu)化的搜索算法[9]，運(yùn)算流程圖見圖3.

圖3 遺傳算法運(yùn)算流程圖

用遺傳算法對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行求解，其中算法的種群規(guī)模M為50,迭代次數(shù)為200代,交叉概率為0.9,變異概率為0.1，目標(biāo)函數(shù)作為算法適應(yīng)度函數(shù).圖4為a,b取不同值時(shí)對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度進(jìn)化曲線，隨迭代次數(shù)增加，算法收斂.當(dāng)a=0.5，b=0.5時(shí)，迭代次數(shù)為125左右時(shí)得到最優(yōu)解，并且最優(yōu)解對(duì)應(yīng)的適應(yīng)度值也最大，故取a=0.5，b=0.5.

圖4 適應(yīng)度進(jìn)化曲線

目標(biāo)船優(yōu)化后可得到表4的布置方案，根據(jù)該布置方案將布置單元模塊放入船舶空間模塊化模型得到圖5.由圖5和圖2對(duì)比可知，目標(biāo)船經(jīng)本方法優(yōu)化后，主要艙室如主機(jī)艙、駕駛室、衛(wèi)生間區(qū)、廚房均在各自較合理的位置.游客休息區(qū)、VIP休閑區(qū)、VIP會(huì)客廳等艙室更加遠(yuǎn)離主機(jī)艙，保證了游客旅游的舒適性.同時(shí)游客休息區(qū)與VIP休息區(qū)、餐廳；廚房與餐廳相對(duì)更近，滿足了這些艙室在人流和物流上的需求.游客休息區(qū)與衛(wèi)生間、餐廳保持更合理的距離，使游客即能方便的到達(dá)餐廳、衛(wèi)生間區(qū)，也避免餐廳和衛(wèi)生間區(qū)距離游客休息區(qū)太近而影響游客的休息.

表4 布置方案

圖5 基于船舶空間模塊化模型優(yōu)化后布置方式

3 結(jié) 束 語

文中以某內(nèi)河客船為例，提出一種模塊化的艙室布置優(yōu)化方法.引入虛擬空艙的概念將船舶空間分解為具有特定屬性的，規(guī)則的獨(dú)立單元模塊.在拓?fù)鋵用嫔?，通過定義各布置單元模塊絕對(duì)位置屬性和相對(duì)位置屬性建立數(shù)學(xué)模型.利用遺傳算法對(duì)目標(biāo)船進(jìn)行優(yōu)化求解.優(yōu)化結(jié)果表明，該布置優(yōu)化方法在滿足艙室布置規(guī)范的前提下，對(duì)各艙室的舒適性和各艙室之間的流通性有加大程度的優(yōu)化.同時(shí)該優(yōu)化方法規(guī)避了在船舶艙室布置中艙室重疊的問題，有效解決了各艙室布置在哪一層的問題，也得到了各層艙室的排列關(guān)系.可作為船舶艙室模塊化布置的一種方法，并為其他船舶艙室布置優(yōu)化問題提供理論依據(jù).