基于解構(gòu)·重構(gòu)思維的潛水器艙室布局優(yōu)化

王文中,張樹生，余隋懷，陳登凱+

(1.西北工業(yè)大學(xué) 陜西省工業(yè)設(shè)計(jì)工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710072；2.陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710021)

1 問(wèn)題的描述

21世紀(jì)，人類進(jìn)入了一個(gè)開發(fā)海洋的新時(shí)代，具備深海資源及軍事戰(zhàn)略的“藍(lán)色國(guó)土”正在被諸多沿海國(guó)家開發(fā)、利用和保護(hù)。開發(fā)海洋的神兵利器首選載人潛水器，它被稱為“海洋學(xué)研究領(lǐng)域的重要基石”。載人潛水器是一種潛水裝置，它具備水下觀察和作業(yè)能力，主要用于執(zhí)行深海考察、勘探、開發(fā)和打撈等任務(wù)，常常被潛航員當(dāng)成水下活動(dòng)的作業(yè)基地。作為海洋開發(fā)的前沿與制高點(diǎn)，深海載人潛水器是國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)[1]。然而，在深達(dá)數(shù)千米以上的復(fù)雜深海環(huán)境中，多名潛航員需要在內(nèi)徑2 m左右的潛水器艙室，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)十幾個(gè)小時(shí)的高強(qiáng)度、高精度科考工作，這是一項(xiàng)幾乎不可能完成的任務(wù)。如何優(yōu)化潛水器艙室空間布局，并以此提升潛航員的人因可靠性，一直以來(lái)都是海洋強(qiáng)國(guó)研究的熱門課題[2]。

載人潛水器艙室布局在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于功能導(dǎo)向、人機(jī)工效、空間分割及算法等方法進(jìn)行持續(xù)性的升級(jí)改造，效果也越來(lái)越好[3]。例如中國(guó)的蛟龍?zhí)?、美?guó)的阿爾文號(hào)Nadir號(hào)/Deep Rover號(hào)、日本的深海6500號(hào)、法國(guó)的鸚鵡螺號(hào)等。國(guó)內(nèi)外潛水器(如表1)近年來(lái)都在按計(jì)劃進(jìn)行改造，對(duì)艙室布局等方面進(jìn)行了持續(xù)性、有規(guī)劃性的升級(jí)，取得了極大的成功[4]。

表1 國(guó)內(nèi)外載人潛水器主要技術(shù)參數(shù)

載人潛水器艙室空間極為狹小，其布局首先要滿足功能需求，其次考慮潛航員完成任務(wù)時(shí)涉及的諸多人機(jī)工學(xué)要求，確保人因可靠性。傳統(tǒng)做法通常是制作等大的實(shí)體模型，采用試湊法來(lái)布局艙室空間，即便后來(lái)借助計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行三維建模和布局試湊，也無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別，效果不盡人意。依據(jù)某項(xiàng)人機(jī)工學(xué)如潛航員肌肉疲勞度進(jìn)行布局也會(huì)引發(fā)系列問(wèn)題，因而以潛水器功能和人機(jī)工效為導(dǎo)向，結(jié)合多種技術(shù)來(lái)優(yōu)化艙室布局成為趨勢(shì)。隨著載人潛水器下潛深度增加，艙室空間越來(lái)越小，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)體系成為潛水器艙室布局的研究方向，并且在該體系中引入可視化仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)學(xué)算法模型等方法[5]。

尋求新的設(shè)計(jì)方法和手段來(lái)優(yōu)化潛水器艙室布局可以提升人因可靠性。本文以開放跨學(xué)科式的文化視角對(duì)蛟龍?zhí)枬撍髋撌疫M(jìn)行解構(gòu)·重構(gòu)式布局，并結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法進(jìn)行驗(yàn)證，為潛水器艙室布局研究提供一種新方法，也為同類狹小空間如飛機(jī)、船舶、航天器駕駛艙室布局研究提供參考[6]。

2 解構(gòu)·重構(gòu)思維在蛟龍?zhí)栞d人潛水器艙室布局優(yōu)化中的應(yīng)用

2.1 解構(gòu)·重構(gòu)思維

解構(gòu)即結(jié)構(gòu)分解，是法國(guó)后結(jié)構(gòu)主義哲學(xué)家德里達(dá)提出的一個(gè)術(shù)語(yǔ)，解構(gòu)概念源于《存在與時(shí)間》中的“deconstruction”一詞。重構(gòu)就是通過(guò)調(diào)整，改善質(zhì)量和性能，使其設(shè)計(jì)模式和架構(gòu)更趨合理，提高其擴(kuò)展性和維護(hù)性[7]。簡(jiǎn)而言之：解構(gòu)就是將原物體的結(jié)構(gòu)分解成一個(gè)個(gè)基本單元;重構(gòu)就是將分解的基本單元還原成局部再重新組合，得到一個(gè)全新的、不同于以前的物體結(jié)構(gòu)。

解構(gòu)·重構(gòu)思維，就是將具體的物體形態(tài)分解成基本單元，然后取具有代表性特征的元素，如：整體外觀、局部形態(tài)或者是微觀特征，按照一種新的方式重新組合得到新物體的一種思維方法。解構(gòu)的基本方法包括平面化、幾何化、符號(hào)化、抽象化。重構(gòu)的類型和方法包括具象形態(tài)的重構(gòu)，現(xiàn)實(shí)和超現(xiàn)實(shí)；抽象形態(tài)的重構(gòu)，幾何抽象(冷抽象)和自由抽象(熱抽象)[8]。

2.2 潛水器艙室靜態(tài)空間的符號(hào)化解構(gòu)

蛟龍?zhí)栞d人潛水器艙室近似一橢圓形球體，球形艙內(nèi)徑2.1 m，載人艙能容納3個(gè)人，包括1名操作員、2名科學(xué)家，以及座椅、監(jiān)視器、操縱器、蓄電池和相關(guān)電子設(shè)備。首先將艙內(nèi)人及設(shè)備工效參數(shù)進(jìn)行量化，并依據(jù)潛水器的任務(wù)將球形艙內(nèi)物體演化為簡(jiǎn)單的符號(hào)(如表2)，并以此作為艙室空間布局的構(gòu)成要素，這就是解構(gòu)·重構(gòu)思維的符號(hào)化表達(dá)。本文對(duì)潛水器艙室物體進(jìn)行符號(hào)化解構(gòu)，如圖1所示。在潛水器艙室的中央安排3名潛航員(◎圓形)，周圍的矩形框是他們的活動(dòng)范圍，艙室的周圍安放工作臺(tái)(線體)、監(jiān)視器及操縱設(shè)備(□方形)，將顯示器、監(jiān)控器與艙壁結(jié)合起來(lái)，充分利用艙室的球形艙壁。

表2 球形艙內(nèi)物件及占用面積

如圖2a所示，操作臺(tái)面及監(jiān)控設(shè)備按照潛航員人機(jī)工學(xué)要求，在滿足可視性、可達(dá)性及舒適性的強(qiáng)約束條件下，充分利用球形艙壁的空間特征，將臺(tái)面與下面的空間結(jié)合起來(lái)重構(gòu)(如圖2b)，形成圖2c工作臺(tái)面深色部分的空間，從而節(jié)約空間存放電子設(shè)備及潛航員私人物品。

2.3 潛水器艙室動(dòng)態(tài)區(qū)域的幾何化解構(gòu)

潛水器艙室按功能可分為主控區(qū)、顯示區(qū)、生保區(qū)、工作區(qū)及其他設(shè)備區(qū)。將潛水器球形艙空間形體關(guān)系分解為一些基本的幾何構(gòu)造面，并以此作為基本的造型要素，結(jié)合潛水器任務(wù)、所處海底環(huán)境及艙室工作區(qū)域進(jìn)行幾何化解構(gòu)[9]。

潛水器艙室物體布局分為三大塊：生保區(qū)、工作休息區(qū)及存儲(chǔ)區(qū)。生保區(qū)主要指艙室頂部區(qū)域，因?yàn)榕鲎采?，相?duì)安全，用來(lái)放置生命保障物資，作為保障潛航員生命安全的最后一道防線，如圖3a所示；工作休息區(qū)主要是指球形艙室中間和前部，3名潛航員的工作休息區(qū)域(如圖3b)，對(duì)潛航員與艙室物體進(jìn)行幾何化的解構(gòu)與重構(gòu)，將顯示和監(jiān)控設(shè)備固定在球形內(nèi)壁上，以便于眼睛觀察的可視性和處于上肢操控范圍內(nèi)，滿足操控的可達(dá)性[10]；存儲(chǔ)區(qū)主要是指潛水器的底部和后部，因?yàn)榇蟛糠制茐男耘鲎布性跐撍鞯撞?，故將能源及電子設(shè)備集中放在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的潛水器底部區(qū)域，另外，根據(jù)不倒翁原理，蓄電池等放在底部以便于維修和維持潛水器平衡。

座椅功效重構(gòu)類似，用幾何體構(gòu)造面為基本造型元素，設(shè)置成連體或折疊幾何體。連體座椅增加儲(chǔ)物空間，折疊座椅折疊時(shí)增加活動(dòng)空間，打開可以滿足3人乘坐需求。本文采用連體座椅，將圖3a中存儲(chǔ)區(qū)與3名潛航員座椅結(jié)合起來(lái)進(jìn)行圖形化重構(gòu)，在滿足潛航員乘坐的要求外，盡可能增加潛水器艙室下部存儲(chǔ)空間。設(shè)置連體座椅時(shí)嚴(yán)格按照人機(jī)工學(xué)要求，對(duì)潛航員視覺(jué)的可視性、舒適性，潛水器設(shè)備操縱的可達(dá)性和舒適性等人機(jī)工效參數(shù)進(jìn)行約束，構(gòu)建如圖4所示的潛航員連體座椅及工作臺(tái)面模型。

2.4 區(qū)域重疊的自由抽象重構(gòu)優(yōu)化

載人潛水器作業(yè)可以簡(jiǎn)化為下潛、坐底、巡航、作業(yè)和上浮5個(gè)階段，其任務(wù)主要是照相、攝像、勘查和取樣等[11]?？辈?、取樣與潛水器操控基本是兩兩重疊，本文對(duì)潛水員重疊工作區(qū)域進(jìn)行自由抽象重構(gòu)，為兩兩重疊工作任務(wù)的潛航員活動(dòng)范圍分配區(qū)域，滿足潛航員同時(shí)開展工作又不相互干擾的要求，如圖5所示。例如取樣作業(yè)，區(qū)域重疊重構(gòu)優(yōu)化就可以節(jié)省1名潛航員的活動(dòng)空間，使分配給這2名人員操作和觀察空間足夠，不相互干擾，而另一名潛航員只需要站在監(jiān)控器前面，邊監(jiān)控邊指揮即可。

3名潛航員工作區(qū)域重疊，其任務(wù)活動(dòng)空間集中在艙室前部，如圖5所示，1人主操作，1人觀察輔助，1人監(jiān)視工作狀態(tài)。潛水器艙壁及后半部分空間重疊權(quán)重為最低，如表3所示，解構(gòu)后的艙室空間后部分用于放置設(shè)備，再次對(duì)連體座椅進(jìn)行優(yōu)化重構(gòu)，座椅和后面空間設(shè)計(jì)成合乎人機(jī)工學(xué)的連體空間模型。后半部分下方空出一部分，供潛航員躺下來(lái)休息緩解疲勞(在直徑為2.1 m的艙室工作十幾個(gè)小時(shí))，球形艙上部空間分開，空出中間部分，并在頂部設(shè)置潛航員出入口，得到如圖6所示的空間布局。

表3 重疊權(quán)重等級(jí)與系數(shù)定義

3 建立解構(gòu)·重構(gòu)思維下的潛水器艙室布局優(yōu)化模型

將幾個(gè)基本元素重構(gòu)看作一個(gè)個(gè)模塊，運(yùn)用解構(gòu)和重構(gòu)思維尋找潛水器艙室模塊的來(lái)源、模塊代表的艙室某部分功效及模塊在艙室存在的形式等等，嘗試用不同的思維重構(gòu)艙室模塊系統(tǒng)的空間布局[12]。

抽象化的模塊系統(tǒng)具有邏輯性，設(shè)計(jì)具有連貫性，因此潛水器任務(wù)分解的模塊之間是緊密關(guān)聯(lián)的，不同模塊相互搭配能產(chǎn)生不同意義。對(duì)應(yīng)用了解構(gòu)思維的模塊元素進(jìn)行量化(潛航員選定樣本人群)，如表2所示，艙室布局中每個(gè)量化模塊的空間有確切的范圍，在占用空間不超過(guò)其活動(dòng)范圍最大值的情況下，模塊可以隨意更換;并且模塊之間設(shè)置重疊權(quán)重等級(jí)(如表3)，能進(jìn)一步優(yōu)化艙室空間布局。

3.1 潛水器艙室布局優(yōu)化模型

假定在球形艙室內(nèi)需要布局m個(gè)目標(biāo)物體(包括3個(gè)潛航員)，由m個(gè)物體構(gòu)成的設(shè)計(jì)變量為X=(x1，x2，…，xm)T，表征各物體的空間位置；F為目標(biāo)函數(shù)，表征各物體的設(shè)計(jì)要求；r為潛水器球形艙室半徑，vi為球形艙內(nèi)物體占用的空間量，vj為物體活動(dòng)時(shí)占用的空間量;i為球形艙內(nèi)所有占用空間的物體變量;j為有活動(dòng)空間會(huì)發(fā)生相互干涉的物體變量;k為設(shè)備重疊權(quán)重系數(shù)(如表3)。

maxF={f1(X)，f2(X)，…,fm(X)},

s.t.

0≤i,j≤m;

(1)

依據(jù)艙室模型的人機(jī)工效量化數(shù)據(jù)，對(duì)艙室空間目標(biāo)進(jìn)行初步解構(gòu)與重構(gòu)，同時(shí)滿足潛水器艙室內(nèi)物體活動(dòng)時(shí)不相互碰撞、設(shè)備與設(shè)備及設(shè)備與球壁不相互碰撞的要求，潛水器艙室布局模型如圖7所示。

3.2 不干涉性約束優(yōu)化布局

不干涉性是指潛水器艙室內(nèi)設(shè)備與設(shè)備之間、設(shè)備與球殼之間發(fā)生碰撞行為的概率為零，這是艙室布局優(yōu)化的首要條件[13]。可以用度量值來(lái)衡量不干涉性的碰撞行為，該數(shù)學(xué)模型可表示為：

maxF={f1(X)，f2(X)，…,fm(X)}，

fI=∑I1(x)+∑I2(x)。

s.t.

|Xi|≤R，i=1，2，…，m;

fI=0。

(2)

式中：fI表示艙室空間布局的干涉總量;I1(x)表示設(shè)備與球殼的干涉量;I2(x)表示設(shè)備與設(shè)備之間的干涉量。

4 Pareto多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法

優(yōu)化是指通過(guò)某種規(guī)則或算法得到性能更優(yōu)秀的個(gè)體。在給定區(qū)域內(nèi)，多個(gè)數(shù)值目標(biāo)的最優(yōu)化問(wèn)題稱為多目標(biāo)優(yōu)化。本文主要采用遺傳算法結(jié)合并列選擇策略來(lái)求解解構(gòu)·重構(gòu)后的潛水器艙室多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題[14]。

4.1 改進(jìn)的遺傳算法

先將潛水器艙室群體(所有設(shè)備)按解構(gòu)·重構(gòu)后的艙室布局類別目標(biāo)函數(shù)的數(shù)目分成不同的子群，再為每個(gè)子群匹配相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，各子函數(shù)在艙室布局約束條件下獨(dú)立進(jìn)行擇優(yōu)篩選，然后將選出優(yōu)異個(gè)體分別組成相應(yīng)的新子群，子群組合成新群體，然后再進(jìn)行交叉變異運(yùn)算，最后生成下一代的群體，循環(huán)往復(fù)最終生成Pareto最優(yōu)解[15]，如圖8所示。解構(gòu)·重構(gòu)后并列選擇遺傳算法流程圖如圖9所示。

解構(gòu)·重構(gòu)后遺傳算法從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：將Pareto最優(yōu)個(gè)體直接保留到下一代子群體中，不參與個(gè)體的交叉運(yùn)算和變異運(yùn)算；待搜索區(qū)域如解構(gòu)·重構(gòu)后的連體座椅及后半球物品放置區(qū)，可作為最終獲得的搜索結(jié)果，如圖10所示。圖10a改進(jìn)遺傳算法搜索軌跡比圖10b隨機(jī)搜索更為有效，并以此建立適應(yīng)度函數(shù)值來(lái)指導(dǎo)搜索，速度快且穩(wěn)定。

4.2 編碼及適應(yīng)度函數(shù)

求解變量為蛟龍?zhí)枬撍髋撌也季值母髟O(shè)備坐標(biāo)，并以此作為染色體基因進(jìn)行編碼。

X=(x1c,y1c,z1c,x2c,y2c,z2c,…,xmc,ymc,zmc)。

(3)

式中：X表示某一布局方案;xic，yic，zic表示各設(shè)備的質(zhì)心坐標(biāo)。

適應(yīng)度函數(shù)值在遺傳算法中常常用來(lái)評(píng)估個(gè)體性能并指導(dǎo)搜索，它直接決定遺傳算法的穩(wěn)定性及速度。以蛟號(hào)潛水器艙室的空間布局為例，球形艙室R為2 000 mm，尋找到一個(gè)滿足蛟龍?zhí)枬撍髋撌也季肿顑?yōu)的布局方案，首要條件是設(shè)備之間不能相互碰撞(即fI=0)。本例適應(yīng)度函數(shù)為

(4)

式中:P為潛水器艙室布局方案；Qi為解構(gòu)重構(gòu)后艙室優(yōu)先布置指數(shù)；fi(p)為潛水器布局方案中各設(shè)備所得最優(yōu)個(gè)體數(shù)值；k為設(shè)備重疊權(quán)重系數(shù)。

4.3 優(yōu)化算法主要參數(shù)

潛水器群體規(guī)模N=50；根據(jù)式(3)，n取10；交叉概率Pc=0.8；變異概率Pm=0.1；子群代溝差GGap(generation gap)=0.8(每一代有20%的優(yōu)秀的個(gè)體遺傳進(jìn)入下一代)；最大進(jìn)化代數(shù)Gmax=500。初始個(gè)體隨機(jī)布局，算法運(yùn)行過(guò)程中自動(dòng)優(yōu)化，對(duì)子群的目標(biāo)函數(shù)值均進(jìn)行了無(wú)量綱、歸一化處理[16]。

4.4 算例結(jié)果分析

本例進(jìn)行了20次計(jì)算的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了解構(gòu)重構(gòu)思維后構(gòu)建的潛水器艙室布局優(yōu)化布局具有較好的穩(wěn)定性。抽取其中一組計(jì)算結(jié)果(只取部分結(jié)果)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11所示。

圖11a中，艙室重疊權(quán)重低的設(shè)備優(yōu)化變化情況是：初始物體隨機(jī)布局，艙室設(shè)備運(yùn)動(dòng)軌跡雜亂無(wú)章，活動(dòng)空間存在較多的碰撞現(xiàn)象，多是設(shè)備與球形倉(cāng)內(nèi)壁碰撞、設(shè)備與設(shè)備碰撞。隨著多目標(biāo)遺傳算法的進(jìn)行，艙室內(nèi)碰撞次數(shù)(干涉量)慢慢減少，設(shè)備(小黑點(diǎn))向球心和球形倉(cāng)內(nèi)壁靠攏，且設(shè)備間距離變大，從而使得艙室重疊權(quán)重低的設(shè)備活動(dòng)空間分散在艙室球形壁運(yùn)動(dòng)。圖11a證明在解構(gòu)·重構(gòu)后，用多目標(biāo)遺傳算法合乎艙室重疊權(quán)重低的設(shè)備優(yōu)化布局合理性。

圖11b中，艙室重疊權(quán)重高的設(shè)備優(yōu)化變化情況是：初始設(shè)備隨機(jī)布局，活動(dòng)空間范圍大，因此設(shè)備之間存在較大干涉量，如3名潛航員的活動(dòng)范圍與艙室內(nèi)設(shè)備相交、執(zhí)行任務(wù)與設(shè)備相交等。解構(gòu)·重構(gòu)后，隨著多目標(biāo)遺傳算法的進(jìn)行，艙室設(shè)備(小黑點(diǎn))向球型倉(cāng)前部聚齊，且設(shè)備間距離優(yōu)化后相互間干涉量變少，從而使得艙室重疊權(quán)重高的目標(biāo)物體活動(dòng)空間在合適的范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。圖11b證明在解構(gòu)·重構(gòu)后，用多目標(biāo)遺傳算法合乎艙室重疊權(quán)重高的設(shè)備優(yōu)化布局的合理性。

多目標(biāo)遺傳算法結(jié)果顯示：在艙室設(shè)備干涉總量fI為0的情況下，重疊權(quán)重低的設(shè)備穩(wěn)定在球形艙室的艙壁，重疊權(quán)重高的設(shè)備穩(wěn)定在球形艙室的前半部分，操作與可視頻率高的設(shè)備布局在3名潛航員可達(dá)性與可視性范圍內(nèi)。

如圖12所示為基于解構(gòu)·重構(gòu)后并經(jīng)過(guò)多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化后的艙室布局效果圖，在艙室設(shè)備干涉總量為零的情況下得到的解是優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的Pareto最優(yōu)解。輔助載人潛水器人機(jī)一體化評(píng)價(jià)系統(tǒng)，可以從最優(yōu)解中選擇相對(duì)合理的布局方案。由圖12的布局情況可以得出，解構(gòu)·重構(gòu)后經(jīng)過(guò)多目標(biāo)遺傳算法優(yōu)化后的艙室布局不存在干涉，說(shuō)明尋優(yōu)過(guò)程是合理的。

5 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化布局載人潛水器艙室對(duì)提高人因可靠性具有至關(guān)重要的作用。本文針對(duì)蛟龍?zhí)栞d人潛水器的設(shè)計(jì)要求，以跨學(xué)科式的文化視角對(duì)潛水器艙室空間進(jìn)行解構(gòu)·重構(gòu)思維式布局優(yōu)化，再結(jié)合人機(jī)功效等條件對(duì)空間布局進(jìn)行約束，建立了蛟龍?zhí)枬撍髋撌也季值膬?yōu)化數(shù)學(xué)模型，解構(gòu)·重構(gòu)后結(jié)合多目標(biāo)遺傳算法求解，最終得到了較好的布局方案，為載人潛水器方案設(shè)計(jì)提供了另一種優(yōu)化的新方法，體現(xiàn)了跨領(lǐng)域、多學(xué)科組合優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)。但優(yōu)化數(shù)學(xué)模型在更深入的學(xué)科分析和計(jì)算工具研究有待進(jìn)一步細(xì)化，以提高其工程實(shí)用性。