基于知識的船體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)及優(yōu)化

管官，林焰，b，紀(jì)卓尚，b

（大連理工大學(xué)a.船舶CAD工程中心；b.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

基于知識的船體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)及優(yōu)化

管官a，林焰a，b，紀(jì)卓尚a，b

（大連理工大學(xué)a.船舶CAD工程中心；b.工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

在確保安全的前提下，快速設(shè)計(jì)出優(yōu)秀船體結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)快速修改是船舶設(shè)計(jì)師夢寐以求的目標(biāo)。文章針對這一目標(biāo)，提出了基于知識的船體結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)方法，引入船體結(jié)構(gòu)知識本體的概念，將知識工程原理和參數(shù)化技術(shù)相結(jié)合，對船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識庫的建立進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)三維快速優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)船的結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置通過位置參數(shù)確定，構(gòu)件尺寸通過母型知識庫并運(yùn)用NURBS函數(shù)插值再結(jié)合規(guī)范要求獲得，對主要結(jié)構(gòu)采用量子行為遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)例表明，該方法將設(shè)計(jì)知識嵌入到船體結(jié)構(gòu)知識本體中，既有助于設(shè)計(jì)知識的保留和再利用，又能實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)結(jié)果的自動檢查，進(jìn)而快速獲得合理的船體結(jié)構(gòu)。

船體結(jié)構(gòu)；知識工程；參數(shù)化；快速設(shè)計(jì)；量子行為遺傳算法

0 引言

船舶設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率是影響船舶開發(fā)周期的重要因素。如何在確保安全的前提下，快速生成船體結(jié)構(gòu)，并能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速修改與方案變換，是船舶設(shè)計(jì)師關(guān)注的主要問題[1]。

傳統(tǒng)的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)作為主要處理對象，是一種交互的繪圖操作。設(shè)計(jì)者僅僅描述船體結(jié)構(gòu)的可視外形及尺寸，不包含設(shè)計(jì)思想、專家經(jīng)驗(yàn)、母型船信息及規(guī)范等知識，因而不便于對設(shè)計(jì)模型的修改及檢查[2]。針對上述問題，國內(nèi)外研究學(xué)者開始研究如何將設(shè)計(jì)方法、規(guī)范及專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合到設(shè)計(jì)過程中去，使設(shè)計(jì)人員只需輸入少量參數(shù)及應(yīng)用要求，系統(tǒng)即可依據(jù)相關(guān)知識，快速開發(fā)出高質(zhì)量的設(shè)計(jì)模型[3]。對此，基于知識工程的船舶設(shè)計(jì)方法，以知識作為主要處理對象，成為船舶設(shè)計(jì)方法發(fā)展的新方向。

如今知識工程在汽車、機(jī)械等行業(yè)已經(jīng)取得較大成果[4]。而船舶行業(yè)中，由于設(shè)計(jì)的多樣性和復(fù)雜性，對知識工程的研究還處于起步階段[5]，德國羅斯托克大學(xué)在研究計(jì)劃中規(guī)劃了船舶建模知識系統(tǒng)，可從知識庫中獲得設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提供建模工具[6]；Park等[7]指出專家系統(tǒng)可提高船舶設(shè)計(jì)制造效率；Akagi等[8]將目標(biāo)驅(qū)動法用于船體初始設(shè)計(jì),將知識融合在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中以實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)計(jì)；Lee等[9]挖掘知識數(shù)據(jù)進(jìn)行船舶機(jī)艙布置設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了工程數(shù)據(jù)信息再利用；Lee[10]開發(fā)了破損軍船操作知識系統(tǒng)，可以通過配載使船舶保持良好浮態(tài)，可供船員進(jìn)行虛擬演習(xí)；Wu等[11]提出了船舶總體設(shè)計(jì)知識模型用于信息存儲和檢索；Chen等[12]實(shí)現(xiàn)了基于知識工程的船體甲板設(shè)計(jì)；崔進(jìn)舉等[13-14]實(shí)現(xiàn)了基于知識工程的舯剖面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；蔡乾亞等[15]開發(fā)了基于AutoCAD平臺的船舶舯剖面設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將橫剖面分成若干模塊，應(yīng)用規(guī)范、母型橫剖面資料以及專家經(jīng)驗(yàn)等知識，得到橫剖面積最小的舯剖面。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，引入船體結(jié)構(gòu)知識本體的概念，將知識工程原理和參數(shù)化技術(shù)相結(jié)合，建立了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識庫，通過位置參數(shù)確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置，通過規(guī)范推理法（RBR）和實(shí)例推理法（CBR）2種知識推理方式獲得構(gòu)件尺寸，采用量子行為遺傳算法對主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)三維船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

1 基本概念

1.1 知識工程

知識工程是研究知識信息的新興學(xué)科，它將具體的智能系統(tǒng)研發(fā)中的共性問題提取出來，作為知識工程的核心，使之成為指導(dǎo)研發(fā)智能化系統(tǒng)的基本工具和一般方法[16]。其本質(zhì)是研究如何挖掘并積累產(chǎn)品開發(fā)中的知識，并對它進(jìn)行表達(dá)、應(yīng)用及維護(hù)，以用于產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)問題的自動求解。旨在知識的再利用，以實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)出高質(zhì)量的產(chǎn)品。

1.2 知識本體

船舶船型眾多，不可能為每條船都開發(fā)相應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊。但同一系列船型往往具有相似的結(jié)構(gòu)。新船的開發(fā)一般都是以原有母型船為基礎(chǔ)，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)往往也是參考原有母型船設(shè)計(jì)出來的。針對上述事實(shí)，結(jié)合知識工程，提出了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識本體的概念。

在研究某一系列船型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，去除其特殊結(jié)構(gòu)，提取出共性結(jié)構(gòu)，建立基于知識的三維參數(shù)化船體結(jié)構(gòu)模型，稱之為船體結(jié)構(gòu)知識本體。有了知識本體，即可快速開發(fā)出新船結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)知識本體屬于對船體結(jié)構(gòu)的高度集成，是一種結(jié)合了專業(yè)知識、專家經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范的知識模型?；谥R的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想本質(zhì)就是構(gòu)建這種知識本體，即通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將船舶相關(guān)知識集成到船體模型中，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的智能化、參數(shù)化和自動化。使設(shè)計(jì)人員能得到豐富的知識支持，從而提高設(shè)計(jì)能力。

2 知識庫的建立

知識庫是指知識工程中結(jié)構(gòu)化、易應(yīng)用、易操作和有組織的知識集合。知識庫包括理論知識、技術(shù)規(guī)則、專家經(jīng)驗(yàn)、成功案例和構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)等。構(gòu)建知識庫時，將這些知識進(jìn)行收集、組織、歸納成可用于解決產(chǎn)品開發(fā)的策略，以知識表示方式存儲在計(jì)算機(jī)中，為設(shè)計(jì)者提供查找和利用知識的手段[17]。對于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其知識庫結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 知識庫結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of knowledge base

2.1 船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫

船體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)件尺寸信息量大，但相似結(jié)構(gòu)多。為減少船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重復(fù)工作量，可對全船構(gòu)件進(jìn)行規(guī)劃，提取構(gòu)件特征，創(chuàng)建船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件庫。通過參數(shù)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動構(gòu)件模型的建立，將知識庫內(nèi)嵌到構(gòu)件模型中，構(gòu)建構(gòu)件庫，在構(gòu)件庫中可以根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)、尺寸約束及構(gòu)件外形特征等，通過修改電子表格調(diào)整構(gòu)件參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)知識驅(qū)動生成構(gòu)件。

本文研究的構(gòu)件庫主要包括板材庫、型材庫、開孔庫、肘板庫、貫穿孔及型材端部庫。下面以板材庫及型材庫為例，簡單介紹建庫方法。

2.1.1 板材庫

應(yīng)用電子表格驅(qū)動板材參數(shù)化設(shè)計(jì)，將板材厚度參數(shù)以表格形式存儲，將表格中參數(shù)與板材外形關(guān)聯(lián)，修改表中參數(shù)即可生成相應(yīng)板材，如圖2所示。

圖2 板材參數(shù)表示意圖Fig.2 Thickness parameter table of plate schematic diagram

圖3 球扁鋼剖面示意圖Fig.3 Cross section of flat-bulb steel

2.1.2 型材庫

同樣應(yīng)用電子表格驅(qū)動型材參數(shù)化設(shè)計(jì)。型材庫包括T型材、角鋼、球扁鋼和扁鋼等。其中主要參數(shù)包括型材號、腹板高度、腹板厚度、面板厚度和面板寬度等，球扁鋼剖面參數(shù)草圖如圖3所示，參數(shù)表如圖4所示。

圖4 球扁鋼參數(shù)表Fig.4 Parameter table of flat-bulb steel

2.2 規(guī)則庫

對于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，規(guī)則庫主要是設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、專家經(jīng)驗(yàn)、母型船實(shí)例等知識的集合。建立規(guī)則庫時，將這些知識進(jìn)行收集、歸納成若干規(guī)則和解決設(shè)計(jì)問題的策略，以一定格式存儲在數(shù)據(jù)庫中，供設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中調(diào)用，為設(shè)計(jì)人員提供指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)船體結(jié)構(gòu)的智能化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案自動檢驗(yàn)，達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。規(guī)則庫要具有知識的獲取、更新、查詢、維護(hù)、修改等功能。詳細(xì)的建庫方法將在設(shè)計(jì)實(shí)例中說明。

3 基于知識的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于知識的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，首先建立參數(shù)化構(gòu)件庫；其次將設(shè)計(jì)規(guī)范、專家思想及母型實(shí)例等知識進(jìn)行整理歸納為計(jì)算機(jī)可識別的公式、規(guī)則和檢驗(yàn)，寫入知識庫，協(xié)助設(shè)計(jì)者快速完成并檢查設(shè)計(jì)。

知識推理方式主要采用規(guī)范推理法和實(shí)例推理法，規(guī)范推理法適用于所表達(dá)知識明確的情況，如對船級社規(guī)范要求的推理；實(shí)例推理法適用于所表達(dá)的知識并不明確，如母型船資料等知識，需要將母型實(shí)例與設(shè)計(jì)船對比分析后，確定發(fā)布參數(shù)，用于新設(shè)計(jì)參考，同時新設(shè)計(jì)船也可以加入到知識庫，為以后設(shè)計(jì)做儲備。

設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)船的結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置通過位置參數(shù)驅(qū)動生成，構(gòu)件尺寸通過規(guī)范推理法和實(shí)例推理法2種知識推理方式獲得，對主要結(jié)構(gòu)采用量子行為遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，具體流程如圖5所示。

圖5 基于知識的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖Fig.5 Flow chart for knowledge-based hull structural design

4 設(shè)計(jì)實(shí)例

通過設(shè)計(jì)實(shí)例具體介紹基于知識的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程及方法。

4.1 構(gòu)件位置確定

船體結(jié)構(gòu)主要為加筋板，即板材上焊接加強(qiáng)筋。其中板材為基礎(chǔ)，確定構(gòu)件位置首先要確定板材的位置，然后再確定板材上附屬結(jié)構(gòu)（加強(qiáng)筋、開孔等）位置。

板材位置可以通過其理論面平面與板邊界描述。理論面可以根據(jù)用戶輸入位置參數(shù)或其它板的變換操作獲得。如內(nèi)底板理論面可以描述為高為1 800 mm；距中1 700 mm旁桁材理論面可以描述為中桁材偏移1 700 mm。板邊界可以通過平面方程、船體外殼或其它板組合確定。

板材位置確定后，其加強(qiáng)筋、開孔和板縫等附屬結(jié)構(gòu)位置采用參數(shù)化方法確定。用戶為附屬結(jié)構(gòu)添加三類約束：（1）從屬約束，即附屬結(jié)構(gòu)隨著板材的移動而移動；（2）距離約束，即附屬結(jié)構(gòu)到板上某一特定位置距離為定值；（3）邊界約束，即附屬結(jié)構(gòu)以板的邊界為邊界。求解幾何約束系統(tǒng)即可確定附屬結(jié)構(gòu)位置。

然后開始板材和加強(qiáng)筋尺寸的設(shè)計(jì)。本文通過規(guī)范推理法和實(shí)例推理法2種知識推理方式展開。

4.2 規(guī)范推理法

規(guī)范推理法首先確定參數(shù)化結(jié)構(gòu)模型的基本參數(shù)，再根據(jù)規(guī)范規(guī)定的公式確定參數(shù)關(guān)系式，然后根據(jù)規(guī)范規(guī)定的板材厚度要求及加強(qiáng)筋剖面屬性等要求，建立規(guī)則庫，通過建立參數(shù)關(guān)系式將規(guī)則庫中的知識應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)中系統(tǒng)便會自動依據(jù)規(guī)則獲得構(gòu)件參數(shù)的取值結(jié)果。最后，根據(jù)規(guī)范建立檢驗(yàn)，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評估，以確定設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足規(guī)范要求，若不滿足給出提示，以便設(shè)計(jì)者了解問題所在，及時修改，快速完成設(shè)計(jì)。

以舷頂列板設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明：

（1）參數(shù)建立

根據(jù)中國船級社（China Classification Society,CCS）《鋼質(zhì)海船入級規(guī)范》（2015版）[18]，舷側(cè)為縱骨架式時，船中0.4L區(qū)間內(nèi)的舷頂列板厚t不小于按照下列兩式計(jì)算值：

式中：s為舷側(cè)縱骨間距；L為船長；L1=L，但不大于200 m；Fd為折減系數(shù)。確定舷頂列板參數(shù)如圖6所示。

（2）參數(shù)關(guān)系式確定

根據(jù)規(guī)范中的公式，可以確定參數(shù)之間的關(guān)系式，如圖7所示。

（3）舷頂列板厚度規(guī)則建立

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，舷頂列板厚應(yīng)不小于（1）式和（2）式計(jì)算值，利用規(guī)則編輯器建立該條規(guī)則存入規(guī)則庫，這樣可以實(shí)現(xiàn)該條規(guī)則的重用。當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)改變時，系統(tǒng)會自動根據(jù)規(guī)則給出符合規(guī)則的結(jié)果。舷頂列板厚度取值規(guī)則如圖8所示。

（4）舷頂列板厚度檢驗(yàn)

建立舷頂列板厚度檢驗(yàn)，以確定設(shè)計(jì)結(jié)果是否滿足CCS規(guī)范要求，舷頂列板厚度檢驗(yàn)如圖9所示。如果不滿足要求，系統(tǒng)將給設(shè)計(jì)者提示，協(xié)助設(shè)計(jì)者修改設(shè)計(jì)結(jié)果。如圖10所示。

其它船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的規(guī)范推理過程相似，這里不再贅述。

圖6 舷頂列板參數(shù)設(shè)置示意圖Fig.6 Sheer strake parameters schematic diagram

圖7 舷頂列板參數(shù)關(guān)系式示意圖Fig.7 Sheer strake parameters relationship schematic diagram

圖8 舷頂列板厚度規(guī)則示意圖Fig.8 Sheer strake thickness rule schematic diagram

圖9 舷頂列板厚度檢驗(yàn)示意圖Fig.9 Sheer strake thickness check schematic diagram

4.3 實(shí)例推理法

實(shí)例推理法首先選擇n條相似的母型船，根據(jù)規(guī)范中板厚要求及加強(qiáng)筋剖面屬性的要求公式，計(jì)算得到各個結(jié)構(gòu)構(gòu)件的關(guān)鍵值。以強(qiáng)力甲板為例進(jìn)行說明：

規(guī)范中規(guī)定縱骨架式強(qiáng)力甲板厚度不小于下列各式計(jì)算值：

式中：s為舷側(cè)縱骨間距；L為船長；L1=L，但不大于200 m；Fd為折減系數(shù)。

取t1和t2中較大者，若t2較大，則（4）式作為關(guān)鍵公式，令為強(qiáng)力甲板的關(guān)鍵值，那么設(shè)計(jì)船的甲板厚t可采用NURBS函數(shù)插值求得。利用NURBS函數(shù)的升階算法，可以用三次NURBS函數(shù),如（5）式所示，統(tǒng)一表達(dá)線性插值和二次插值，這樣便可滿足只有2、3條母型船，母型船數(shù)量較少時也可以應(yīng)用NURBS函數(shù)插值的要求，實(shí)現(xiàn)NURBS函數(shù)插值的通用性。

圖10 舷頂列板厚度檢驗(yàn)信息Fig.10 Sheer strake thickness check message

式中：Vi為控制頂點(diǎn)，是利用母型船數(shù)據(jù)反算獲得的，Wi為權(quán)因子，Bi,3（）u為三次B樣條基函數(shù)，u為節(jié)點(diǎn)，由積累弦長法確定。

下面具體介紹實(shí)例推理法的設(shè)計(jì)流程

（1）參數(shù)建立

確定強(qiáng)力甲板參數(shù)如圖11所示。

圖11 強(qiáng)力甲板參數(shù)設(shè)置示意圖Fig.11 Deck parameters schematic diagram

（2）參數(shù)關(guān)系式確定

參考規(guī)范中的公式，確定關(guān)鍵值公式，建立參數(shù)之間的關(guān)系式，如圖12所示。

圖12 強(qiáng)力甲板參數(shù)關(guān)系式示意圖Fig.12 Deck parameters relationship schematic diagram

圖13 強(qiáng)力甲板關(guān)鍵值規(guī)則示意圖Fig.13 Deck key value rule schematic diagram

（3）強(qiáng)力甲板規(guī)則建立

首先利用規(guī)則編輯器建立關(guān)鍵值取值規(guī)則，如圖13所示。再根據(jù)母型船參數(shù)，如圖14所示，建立強(qiáng)力甲板厚度插值規(guī)則，如圖15所示，由母型參數(shù)建立插值曲線，再根據(jù)設(shè)計(jì)船關(guān)鍵值k插值出強(qiáng)力甲板厚度t。將以上規(guī)則存入規(guī)則庫，即可實(shí)現(xiàn)規(guī)則的重用。當(dāng)設(shè)計(jì)參數(shù)或母型信息改變時，系統(tǒng)會自動根據(jù)規(guī)則推理出設(shè)計(jì)方案。

（4）強(qiáng)力甲板厚度檢驗(yàn)

圖14 母型參數(shù)設(shè)置示意圖Fig.14 Mother parameters schematic diagram

與規(guī)范推理法相似，這里不再贅述。

圖15 強(qiáng)力甲板厚度規(guī)則示意圖Fig.15 Deck thickness rule schematic diagram

實(shí)例推理法和規(guī)范推理法的主要差別在于：規(guī)范推理法將規(guī)范公式的計(jì)算結(jié)果作為構(gòu)件的初始尺寸。而實(shí)例推理法只在后期校核設(shè)計(jì)結(jié)果時直接利用規(guī)范，設(shè)計(jì)中只是利用規(guī)范公式為插值關(guān)鍵值的確定提供參考。實(shí)例推理法獲得的構(gòu)件初始尺寸是由母型庫插值得到。由于母型船的構(gòu)件尺寸都隱含著前期設(shè)計(jì)專家的經(jīng)驗(yàn)，因而實(shí)例推理法也是對原有知識的繼承和重用，有效地避免了隱性知識的流失。

4.4 基于知識的船體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

本文研究的船體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是指在結(jié)構(gòu)構(gòu)件布置位置不變的前提下，通過改變構(gòu)件尺寸（如板厚、型材截面形狀等），獲得滿足設(shè)計(jì)要求、重量最輕的設(shè)計(jì)方案。

（1）優(yōu)化模型

建立優(yōu)化模型如下：

設(shè)計(jì)變量：板材厚度、型材截面形狀參數(shù)。優(yōu)化目標(biāo)：結(jié)構(gòu)重量最輕，如下式：

式中：W為整個結(jié)構(gòu)重量；n為板材個數(shù)；m為型材個數(shù)；pi為第i號板材重量；sj為第j號型材重量。

約束條件：滿足船級社規(guī)范、屈曲強(qiáng)度要求及建造工藝性要求。

其中，設(shè)計(jì)變量只考慮對結(jié)構(gòu)重量影響較大的主要構(gòu)件，對于一些重量較小的構(gòu)件（如肘板、補(bǔ)板等）優(yōu)化的意義不大，本文作為已知量。這樣也減少了計(jì)算量，提高了優(yōu)化效率。

（2）知識工程在結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化中的應(yīng)用

①構(gòu)件庫的應(yīng)用

船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本上都是標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件，本文利用2.1節(jié)創(chuàng)建的構(gòu)件庫，通過設(shè)計(jì)表格來對應(yīng)設(shè)計(jì)變量參數(shù)組，實(shí)現(xiàn)對不同板材及型材尺寸的管理。

②規(guī)則庫的應(yīng)用

對于優(yōu)化模型中的目標(biāo)函數(shù)和約束條件，在優(yōu)化過程中需要編寫大量的公式。利用知識工程技術(shù)可以將這些公式存入到規(guī)則庫中，這樣設(shè)計(jì)者在優(yōu)化過程中就可以直接利用規(guī)則庫中的知識，避免了重復(fù)編寫公式，實(shí)現(xiàn)了知識在優(yōu)化過程中的重用，也促進(jìn)了知識的積累，降低了對設(shè)計(jì)者知識水平的要求。

圖16 量子行為遺傳算法流程圖Fig.16 Flowchart of quantum-behaved genetic algorithm

（3）優(yōu)化方法

船體結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化屬于混合整數(shù)規(guī)劃問題，其設(shè)計(jì)變量既包括離散變量又包括連續(xù)變量。板材從標(biāo)準(zhǔn)板厚規(guī)格中選，屬于離散變量；加強(qiáng)筋從標(biāo)準(zhǔn)型材庫選，屬于離散變量；對于T型材，其腹板和面板的板厚是從標(biāo)準(zhǔn)板厚規(guī)格中選，屬于離散變量，其面板寬和腹板高則屬于連續(xù)變量。

對于這類問題，可以采用遺傳算法求解[19]。但標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法局部搜索能力差且易于早熟[20-21]。為了提高對船舶復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量解空間的搜索能力，本文采用一種適用于混合變量的量子行為遺傳算法[22]。

量子行為遺傳算法將量子多宇宙的概念引入到遺傳算法中，比標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法具有更好的種群多樣性及較高的搜索能力，提高了算法的全局尋優(yōu)能力與收斂速度，比較適合于船體結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題的全局尋優(yōu)。算法流程如圖16所示。

由圖16可見，量子行為遺傳算法對標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法的主要改進(jìn)之處在于量子旋轉(zhuǎn)門更新這一步，使用量子旋轉(zhuǎn)門對種群中個體進(jìn)行更新調(diào)整，更新過程由（7）式完成：

采用懲罰函數(shù)法構(gòu)造算法的適應(yīng)度函數(shù)：

4.5 結(jié)果對比與說明

表1為應(yīng)用規(guī)范推理法、實(shí)例推理法對某一油船主要縱向構(gòu)件尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)的結(jié)果以及應(yīng)用量子行為遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化后的結(jié)果對比。油船的主尺度為垂線間長190 m，型寬32.2 m，吃水14.2 m，型深18.2m。甲板及船底部分采用高強(qiáng)度鋼，其余為普通碳鋼。量子行為遺傳算法優(yōu)化計(jì)算時初始參數(shù)設(shè)置為：種群規(guī)模為40，遺傳代數(shù)為200。表中，t4～t9分別為甲板、舷頂列板、舷側(cè)板、舭列板、船底板和平板龍骨的厚度；S表示剖面面積。由表1可見，實(shí)例推理法得到方案的剖面面積比規(guī)范推理法的要大，單從經(jīng)濟(jì)性考慮，規(guī)范推理法較優(yōu)。但是實(shí)例推理法實(shí)現(xiàn)了對原有知識的繼承和重用，避免了知識的流失。從優(yōu)化解可以看出，經(jīng)過優(yōu)化后，剖面積進(jìn)一步減少，這顯然是由于材料的合理配置而獲得的收益。圖17為應(yīng)用量子行為遺傳算法（QGA）與標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法（SGA）進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的進(jìn)化過程對比，由圖可見，QGA在收斂速度上要優(yōu)于SGA，因此將量子計(jì)算同遺傳算法相結(jié)合，可有效提高遺傳算法的搜索性能。

表1 兩種推理方案及優(yōu)化結(jié)果Tab.1 Two reasoning solutions and optimization results

圖17 QGA和SGA的進(jìn)化過程Fig.17 The QGA and the SGA evolutionary process

求解優(yōu)化模型時可參考規(guī)范推理法或?qū)嵗评矸ǐ@得的結(jié)果進(jìn)一步縮小設(shè)計(jì)變量的取值范圍，減少計(jì)算量。獲得的優(yōu)化結(jié)果可以對結(jié)構(gòu)三維模型實(shí)時更新，解決了傳統(tǒng)方法優(yōu)化結(jié)果與設(shè)計(jì)模型相互獨(dú)立，需要再次修改模型的麻煩。

4.6 設(shè)計(jì)結(jié)果三維模型

通過上述流程即可獲得船體結(jié)構(gòu)構(gòu)件位置及尺寸，利用知識驅(qū)動及三維特征造型技術(shù)即可生成三維船體結(jié)構(gòu)模型，圖18為生成的某一油船的船體結(jié)構(gòu)三維分段模型。

圖18 船體分段結(jié)構(gòu)示意圖Fig.18 Hull block structure schematic diagram

5 結(jié)論

本文介紹了基于知識的船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，提出了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識本體概念，將參數(shù)化技術(shù)和知識工程原理相結(jié)合，建立了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識庫，構(gòu)建了內(nèi)嵌船級社規(guī)范和母型船信息等知識的知識本體模型。設(shè)計(jì)中通過參數(shù)驅(qū)動確定構(gòu)件位置，然后通過規(guī)范推理法和實(shí)例推理法2種知識推理方式獲得構(gòu)件尺寸，再采用量子行為遺傳算法對主要構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，獲得最佳設(shè)計(jì)結(jié)果。

該方法實(shí)現(xiàn)了知識的積累與重用，通過知識推理，實(shí)現(xiàn)了船體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、檢查、優(yōu)化到三維模型自動建立的一體化，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)共同設(shè)計(jì)，降低了設(shè)計(jì)者出錯的可能性，降低了對設(shè)計(jì)者知識水平的要求，可實(shí)現(xiàn)“傻瓜”設(shè)計(jì)。

對于構(gòu)件優(yōu)化部分，本文是先應(yīng)用參數(shù)驅(qū)動確定構(gòu)件位置，然后再做尺寸優(yōu)化，而沒有把構(gòu)件布置及尺寸納入同一優(yōu)化模型進(jìn)行求解，還需要后續(xù)工作進(jìn)一步研究。

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Knowledge-based quick design and optimization for hull structure

GUAN Guana,LIN Yana,b,JI Zhuo-shanga,b
(a.Ship CAD Engineering Center;b.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

It is always pursued in shipbuilding that the excellent hull structure is quickly designed and modified under the safety.In this paper,knowledge-based engineering quick design method for hull structure is put forward,which combines with parametric technology.The concept of knowledge ontology for hull structure is introduced.And establishment of knowledge base for hull structure design is discussed.In that way,3D quick optimizing design is achieved.During the design,locations of structural members are driven by parameters of location.Scantlings of structural members are obtained by parent ship knowledge base and NURBS interpolation,according to specification requirements.Main structures are optimized by quantumbehaved genetic algorithm.Examples show that this method achieves knowledge reuse and accumulation, and provides design results inspection.So that reliable hull structure is quickly obtained.

hull structure;knowledge-based engineering;parametric;quick design; quantum-behaved genetic algorithm

U662.2

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2017.04.012

1007-7294（2017）04-0472-12

2016-07-13

中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2014M561234、2015T80256）；遼寧省博士啟動基金（201501176）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助（DUT16RC(4)26）

管官（1983-），男，博士研究生，E-mail：guanguan3145@163.com；林焰（1963-），男，教授，博士生導(dǎo)師；紀(jì)卓尚（1938-），男，教授，博士生導(dǎo)師。