應(yīng)急救援車輛裝備器材快速布局設(shè)計方法

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(1.徐州工程機械集團有限公司,江蘇 徐州 221004; 2.徐工集團江蘇徐州工程機械研究院,江蘇 徐州 221004;3.高端工程機械智能制造國家重點實驗室,江蘇 徐州 221004)

隨著我國應(yīng)急救援裝備的迅速發(fā)展,救援裝備的種類和數(shù)量有了很大提升.應(yīng)急救援器材車作為關(guān)鍵車輛裝備之一,其關(guān)鍵點為器材布局的科學(xué)性和合理性而設(shè)計,既要最大限度提高車輛的空間利用率,又要保證救援人員在存取和使用器材時可以更加快捷、方便、安全.目前救援車輛的器材布局設(shè)計主要依據(jù)使用對象的調(diào)研需求和設(shè)計人員的布局經(jīng)驗,這種定性的設(shè)計方法主觀性較強,缺乏科學(xué)性,布局方案的合理性也缺乏統(tǒng)一的評價標(biāo)準(zhǔn).同時,救援車輛器材箱的設(shè)計還以定制為主,設(shè)計周期長,效率低.

關(guān)于應(yīng)急救援車輛裝備器材的布局研究,國內(nèi)專家的關(guān)注度也越來越高.姚瀾等[1]提出利用相關(guān)表法構(gòu)建器材的重要性和器材間關(guān)聯(lián)度的關(guān)系矩陣排列出主次關(guān)系,將使用頻率和關(guān)聯(lián)度高的器材結(jié)合人體存取的方便性進行布局設(shè)計.劉小霞等[2]提出利用JACK仿真軟件對消防車器材布局進行了人機工程學(xué)方面的視域和可達域分析,在此基礎(chǔ)上結(jié)合人體尺度原則、器材布局原則進行了布局優(yōu)化和評價.沈健等[3]提出基于人因工程的器材布局優(yōu)化設(shè)計方法,利用人與設(shè)備間的使用關(guān)系矩陣,以及加權(quán)計算人因需求關(guān)系舉證與非人因需求關(guān)系矩陣后得到的綜合需求關(guān)系矩陣,對設(shè)備進行布局設(shè)計,并運用JACK仿真軟件進行了視域分析和可達域分析驗證其可行性.總體來說,以往的研究重點在于建立人與器材或器材與器材之間的關(guān)系理論用于指導(dǎo)布局,并結(jié)合JACK仿真軟件或其他人機工程學(xué)分析方法對布局進行優(yōu)化分析或評價,對于布局實施的具體方法存在缺失.

因此,本文將器材布局歸屬于布局問題中的三維空間裝填問題,提出一種基于啟發(fā)式算法的器材裝備快速布局設(shè)計及優(yōu)化方法.結(jié)合器材布局原則及人體尺寸原則建立器材布局設(shè)計及優(yōu)化模型,設(shè)計布局規(guī)則及其相應(yīng)的啟發(fā)式算法,快速制定器材的布局方案.

1 布局設(shè)計框架分析

器材布局歸屬于布局問題中的三維空間裝填問題,即在器材箱體內(nèi)按一定的規(guī)則擺放形狀、大小不同的器材.這類布局問題約束和目標(biāo)較多,求解較為困難.針對此類問題,求解的方法主要有圖論法、演化算法、歸納法、遺傳算法、粒子群算法、啟發(fā)式算法[4-7]等.

1.1 布局問題描述及定義

器材箱體為給定的布局空間,器材為待布器材包括個人防護類、救生類、破拆類等8大類.由于待布器材結(jié)構(gòu)上存在較大差異,布局設(shè)計需要將其按性能約束固定存放于器材箱體內(nèi),布置完成后需滿足下述目標(biāo):① 各待布器材間不得有干涉并保持給定距離;② 待布器材不得超出給定的布局空間;③ 布局后整個系統(tǒng)的質(zhì)心應(yīng)在一定范圍內(nèi);④ 布局空間盡可能小,即空間利用率最大化;⑤ 符合使用頻率、重要性等原則,便于存取.

1.2 布局思想及設(shè)計流程

運用現(xiàn)代設(shè)計方法提出一種串聯(lián)布局理論與布局優(yōu)化的計算方法.當(dāng)待布器材和布局空間確定以后,待布器材與布局空間以及待布器材間的關(guān)系均可以確定.首先,分析待布器材與人及待布器材間的關(guān)聯(lián)度,得出待布器材的布置順序;然后,建立數(shù)學(xué)模型;最后,根據(jù)布置原則制定規(guī)則后設(shè)計啟發(fā)式算法進行迭代計算,得出布局方案.

圖1 布局設(shè)計思想Fig.1 Framework of the proposed layout model

整個布局過程可分為以下幾個步驟:① 建立待布空間和待布器材的幾何信息.待布器材的幾何信息包括長×寬×高(長方形)或直徑×長度(圓柱形)、質(zhì)量,待布空間為邊界尺寸.② 器材分類.按8大類器材進行劃分類別,形成8個待布器材集,實現(xiàn)器材的模塊化布局.③ 關(guān)聯(lián)度分析.分別建立8個待布器材集的關(guān)系矩陣,分析件與件之間的關(guān)系度,便于集中布局.遵循使用頻率和重要度布局原則,分析件與人之間的關(guān)系度,形成關(guān)系矩陣和內(nèi)外層的空間規(guī)劃.④ 建立數(shù)學(xué)模型.布局的目標(biāo)為空間利用率最大化.根據(jù)布局目標(biāo)建立布局優(yōu)化目標(biāo)函數(shù),其他的目標(biāo)作為約束條件,例如待布器材間不干涉、待布器材間距、整個系統(tǒng)限制于規(guī)定范圍內(nèi)等.⑤ 設(shè)計啟發(fā)式算法.首先制定待布器材的提取規(guī)則和擺放規(guī)則,然后根據(jù)空間規(guī)劃進行內(nèi)外層布局,同時校核系統(tǒng)質(zhì)心位置,最后進行空間利用率迭代計算.⑥ 形成方案.計算結(jié)果輸出為各待布器材的位姿數(shù)據(jù),從而形成布局方案.

圖2 布局設(shè)計流程圖Fig.2 Flowchart of the proposed layout model areas

2 設(shè)計及優(yōu)化過程

2.1 建立待布器材信息并分類

救援器材的形狀各異,布局時采用單元格分割的方式,且器材之間保持規(guī)定的距離,故將器材的形狀簡化,全部統(tǒng)形為長方形,其幾何參數(shù)包括長×寬×高(長方形)、質(zhì)量、件數(shù),并進行分類編號,按8大類器材分別建立信息幾何,共8個待布器材集N={N1,N2,…,N8},集合信息如表1所示.

表1 救援器材幾何數(shù)據(jù)表Tab.1 Rescue equipment geometric data set

2.2 關(guān)聯(lián)度分析

救援器材的布局主要考慮救援人員的操作性和安全性等因素,需遵循器材的布置原則指功能原則、使用頻率原則、重要性原則、使用順序原則等,其內(nèi)容實質(zhì)性反映的是“器材”與“器材”之間以及“器材”與“人”之間關(guān)系.功能性原則為功能相似的器材統(tǒng)一布置,即為8個待布器材集.使用頻率原則為人最容易、最舒適取用的區(qū)域放置使用頻率較高的器材,即為“人”與“器材”的關(guān)系度.重要性原則為救援任務(wù)實施的關(guān)鍵性器材,表現(xiàn)也為“人”與“器材”的關(guān)系度.使用順序原則為一些器材組合使用或先后使用,即為“器材”與“器材”的關(guān)系度.下面將布置原則通過關(guān)系矩陣進行分析表示.

使用頻率原則關(guān)聯(lián)度用關(guān)系矩陣A表示,采用r表示人與器材間的關(guān)系度,使用頻率較高的關(guān)系度定義為r=1,使用頻率較低的關(guān)系度定義為r=0,根據(jù)多次消防部隊的實地調(diào)研結(jié)果,建立關(guān)系矩陣A,如表2所示.

表2 矩陣關(guān)系A(chǔ)Tab.2 Correlation matrix A

重要度原則關(guān)聯(lián)度用關(guān)系矩陣B表示,采用s表示人與器材間的關(guān)系度,比較重要的器材關(guān)系度定義為s=1,重要度較低的關(guān)系度定義為s=0,根據(jù)多次消防部隊的實地調(diào)研結(jié)果,建立關(guān)系矩陣B,如表3所示.

表3 矩陣關(guān)系BTab.3 Correlation matrix B

關(guān)系矩陣A和關(guān)系矩陣B皆反映了人與器材件的關(guān)系度,故可將表2和表3進行合并求得綜合關(guān)系矩陣C,關(guān)系度用g=r+s來表示.g≥1的表示器材與人的關(guān)系度比較密切,從而將其布置在箱體最外層,方便操作人員的存取；g<1的表示器材與人的關(guān)系度較小,故將其布置箱體內(nèi)層,在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)器材的總體空間劃分[8],用于設(shè)計器材的布置規(guī)則.

使用順序原則關(guān)聯(lián)度用關(guān)系矩陣D表示,采用t表示器材與器材間的關(guān)系度,器材之間需要配合使用的關(guān)系度定義為t=1,器材獨立使用的關(guān)系度定義為t=0,根據(jù)多次消防部隊的實地調(diào)研結(jié)果和器材的使用特性,建立關(guān)系矩陣D,如表4所示.

表4 矩陣關(guān)系DTab.4 Correlation matrix D

關(guān)系矩陣D1中:t=1時,表示這兩種器材需就近布置,便于操作者使用:t=0時,表示這兩種器材無關(guān)系,布局時無需考慮其間關(guān)系.

2.3 建立數(shù)學(xué)模型

器材布局主要的設(shè)計目標(biāo)是空間利用率最大化和人機性最優(yōu)化,其中空間利用率可定量表示和分析,人機性只能定性分析.通過關(guān)聯(lián)度分析,將人機化的要求轉(zhuǎn)化為關(guān)系矩陣,嵌入算法中,所以將設(shè)計及優(yōu)化的目標(biāo)定為空間利用率最大化,即為器材布局所占的空間體積與箱體體積的比值最大.其他目標(biāo)轉(zhuǎn)為約束條件:整個器材布局的質(zhì)心在容許范圍內(nèi);器材不超過箱體邊界;相鄰器材無干涉等.

待布器材集合

N={N1,N2,…,N8}=

{nij|nij∈Ni,i=1,2,…,8;j=1,2,…,mi}

通過以上分析,該器材布局的目標(biāo)函數(shù)為

式中:vij為器材nij的體積；Vc為器材箱體的有效容積.

便于描述后續(xù)空間位置尺寸,建立直角坐標(biāo)系:以車輛前進方向為基準(zhǔn),箱體右下前角為坐標(biāo)原點,箱體下表面為xy平面,x軸為箱體前下邊緣,正方向由右向左;y軸為箱體右下邊緣,正方向由前向后;z軸垂直于箱體底面向上.

要求器材布局的質(zhì)心在容許范圍內(nèi)可描述為

要求器材布局不超過箱體邊界可描述為

aij≤W

bij≤L

hij≤H

式中：aij,bij,hij分別為器材nij布局后的x,y,z3個方向的坐標(biāo)長度值；L,W,H分別為箱體有效的長、寬、高.

2.4 設(shè)計算法

器材布局需解決的問題是空間利用率最大化、平衡布局(保證重心位置)以及人性化要求.按照將器材布局原則轉(zhuǎn)化的綜合關(guān)系矩陣,提出待布器材的提取、布置方式與待布空間相匹配的構(gòu)造方法;利用空間規(guī)劃的思路,提出先外層后內(nèi)層的布局策略,將問題轉(zhuǎn)化為帶已布物群約束的布局.基于以上方法,設(shè)計適用于器材布局的啟發(fā)式算法.

2.4.1待布器材的提取規(guī)則

根據(jù)關(guān)系矩陣C的分析,使用頻率高和重要的器材布置在外層,便于存取.

算法1首先，提取外層待布器材集N外={N1外,N2外,…,N8外}，Ni外即g≥1和t=1器材組成的合集;然后提取內(nèi)層待布器材集N內(nèi)={N1內(nèi),N2內(nèi),…,N8內(nèi)}，Ni內(nèi)即g<1和t=0器材組成的合集;最后，需對Ni外和Ni內(nèi)分別進行排序,Ni外排序的方式是先將g≥1的器材按質(zhì)量進行降序排列,將t=1的器材按相關(guān)性穿插進行序列二次調(diào)整,并將有相關(guān)度的器材進行綁定,Ni內(nèi)排序的方式是先將g<1的器材按質(zhì)量進行降序排列即可.

2.4.2設(shè)計算法

布局采用先外層后內(nèi)層,布局方式為順序擺放策略,分別從右下角和左下角開始,將器材沿著箱體兩外側(cè)面進行堆垛,然后再進行內(nèi)層的擺放布局.

算法2外層布置規(guī)則:提取Ni外集合中的奇數(shù)項形成子集Pi1，提取Ni外集合中的偶數(shù)項形成子集Pi2，分別計算子集合的最小面積minS.左側(cè)外層依序提取Pi1集合中的器材按最小面積組合進行堆垛，右側(cè)外層依序提取P2集合中的器材按最小面積組合進行堆垛，左右兩側(cè)交替進行，過程中進行干涉檢查.若干涉需進行擺放面調(diào)整,

外層布置完成后,內(nèi)層布置問題已轉(zhuǎn)化為帶已布物群約束的布局問題,內(nèi)層的布局需在外層器材布局后形成的待布空間內(nèi)進行布局.

定義1凹凸度[9].以外層布局面的最低點為基點,規(guī)定經(jīng)過基點的橫截面為外層布局面的底面,則由外層布局面底面之上的器材的頂點坐標(biāo)確定為外層布局面的凹凸度.凹凸度將決定放入器材的外形.

定義2待布空間T.在器材布局方式一定的前提下,每布置一件器材都對應(yīng)形成一個待布空間.

定義3待布空間的匹配集R.待布器材集中與待布空間的高度或長度尺寸相接近的器材稱為待布空間的匹配集.

引入小塊預(yù)留策略[9],對凹凸的外層空間進行分隔計算,優(yōu)先布局體積小的器材,減小零碎空間,從而提高車輛空間的利用率.

內(nèi)層的布置方式為在xz平面上逐層進行碼放,分為兩種碼放順序:xy→z和yx→z.

算法3內(nèi)層布置規(guī)則:① 凹凸度計算.計算內(nèi)層待布空間T的凹凸度,尋找Ni內(nèi)的一個子集R,分別滿足不同的凹凸度,減小零碎空間.② 先以xy→z布置方式進行剩余器材集合的逐層布置,計算待布空間T的長或?qū)?尋找剩余Ni內(nèi)的一個子集R′,使R′中的元素長度之和≈T的長,高度相當(dāng),質(zhì)量相近.然后將R′按元素寬度進行遞減次序排列后,逐次堆放于待布空間內(nèi).③ 并核算空間利用率和約束條件,形成布局方案1.④ 以xy→z布置,重復(fù)步驟2和3,形成布局方案2,比較空間利用率是否有改善后,輸出布局方案1或方案2.

2.5 布局方案數(shù)據(jù)

初始條件為待布器材集和箱體的空間,運用2.3節(jié)的啟發(fā)式算法,可得出器材布局的布置信息,如表5所示.

表5 器材布局位姿數(shù)據(jù)信息Tab.5 Layout information after optimization

3 實例

以某救援器材車器材布局為例:車輛為6×6全輪驅(qū)動,載重36 t,其箱體尺寸為7 360 mm×2 500 mm×2 250 mm;依據(jù)消防救援車輛標(biāo)準(zhǔn)、橋荷載重以及行車穩(wěn)定性要求得出合重心高度<1 800 mm(底盤車架高度為1 400 mm),橫向偏移中心<150 mm,縱向坐標(biāo)范圍在3 000 mm～3 300 mm;裝載器材裝備為8類,共120種700件.根據(jù)器材信息建立如表1的幾何數(shù)據(jù),并分析得出其關(guān)系矩陣.根據(jù)所提出的模型和算法,運用Matlab進行計算,快速得出器材的布局方案(見圖3);并輸出優(yōu)化目標(biāo)值,器材的合重心坐標(biāo)值、有效容積率等(見表6).

圖3 布局方案示意圖Fig.3 Sketch map of layout scheme

表6 優(yōu)化目標(biāo)值Tab.6 Optimal value generated from proposed model

從圖3可以看出，關(guān)系度>1器材放置相對集中，質(zhì)量重的器材布置下方區(qū)域，質(zhì)量輕的器材布置于中上方區(qū)域，使用頻率高的布局在箱體外層.以上說明布局方案符合布局規(guī)則.從表6中可以看出,合重心的坐標(biāo)皆在要求范圍內(nèi),箱體有效容積率高達85%.綜上所述,利用該方法得到的器材布局方案既符合布局原則,又達到了優(yōu)化目標(biāo),布局方案合理且優(yōu)良.

4 結(jié)語

針對現(xiàn)有救援車輛器材布局設(shè)計的經(jīng)驗式定性設(shè)計方法存在主觀性較強、缺乏科學(xué)性的問題,提出了基于啟發(fā)式算法的器材布局快速設(shè)計方法.通過分析人與器材以及器材與器材關(guān)系,將設(shè)計人員的主觀經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為定量分析的關(guān)系矩陣,并將器材布局需解決的空間利用率最大化、平衡布局(保證重心位置)要求轉(zhuǎn)化為目標(biāo)函數(shù),利用器材布置原則得出先外層后內(nèi)層的布局策略,最終得出布局方案.通過實例驗證,該方法為器材布局提供了一種快速、可行并有效的定量化設(shè)計方法,但在布局策略和約束定義方面仍存在不足,對于復(fù)雜的箱體表達、數(shù)學(xué)模型及布局策略優(yōu)化還要進一步研究和探討.

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