船舶管路智能布局優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

翟 超，馬維峰，李文秀，王洪玉，孫彥剛

（招商局金陵船舶（威海）有限公司 技術(shù)部，山東 威海 264200）

0 引言

在船舶建造過程中，根據(jù)部件的設(shè)計(jì)類型，可以分為總體設(shè)計(jì)、輪機(jī)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)和建造設(shè)計(jì)等部分。其中最重要的是船舶管路設(shè)計(jì)[1]，船舶管路指的是船舶運(yùn)行過程中輸送各個(gè)“部門”所需物資的傳輸鏈路。良好的船舶管道設(shè)計(jì)對(duì)保障船舶的正常運(yùn)行，保證船舶的經(jīng)濟(jì)效益有重要作用不受侵犯。隨著現(xiàn)代船舶布局設(shè)計(jì)的日益發(fā)展，智能優(yōu)化的方向也越來越復(fù)雜，所需的工作系統(tǒng)也呈現(xiàn)出復(fù)雜變化的趨勢(shì)[2]。目前的客船、郵輪等高端船型本身就需要安裝多個(gè)系統(tǒng)，包括動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、暖通系統(tǒng)等，來實(shí)現(xiàn)船舶航行時(shí)的各種運(yùn)行需求。特別是近年來海上安全委員會(huì)，基于“船舶本身是最好的救生艇”的理念，引入安全返港（SRtP）的要求，目的是提高船舶的生存能力。這對(duì)船舶管線布局提出了更高的要求，使得船舶管線的設(shè)計(jì)布局變得更加復(fù)雜，難度更高。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，以威海船廠建造的Stena項(xiàng)目為例，除普通管道外，船舶管道還包括脫硫系統(tǒng)管、安全返港系統(tǒng)管等類型。但大多數(shù)船舶都是小批量制造，即使是同類型的船舶，建造工藝也不完全相同，各船級(jí)社的設(shè)計(jì)規(guī)范不盡相同、對(duì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、布局效果等都有嚴(yán)格要求，考慮到船舶管系種類繁多，環(huán)境約束復(fù)雜，布置空間多樣，技術(shù)上難以盡善盡美。因此，為了更高效地建造船舶，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，需要尋求新的布局設(shè)計(jì)方法，為實(shí)際管道布置提供技術(shù)支持。

針對(duì)當(dāng)前復(fù)雜多變的空間結(jié)構(gòu)，在船舶管路進(jìn)行布局和空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)建立模型，不僅要包括布局空間模型，還要包括障礙物模型和管路模型，并且對(duì)布局的優(yōu)、劣區(qū)域模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，建立全面的船舶管路布局，以及具體的環(huán)境模型。在具體設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合船舶的管路布局情況，這樣的布局和設(shè)計(jì)才能更加的科學(xué)合理，在管路布局時(shí)要向著智能方向發(fā)展，并對(duì)指導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行充分地研究，同時(shí)提出參考建議。在建立模型和指導(dǎo)機(jī)制基礎(chǔ)上，運(yùn)用先進(jìn)的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行充分地驗(yàn)證，才能確保設(shè)計(jì)的可行和有效，為促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，起到了積極的推動(dòng)作用。優(yōu)化船舶的管理布局，應(yīng)當(dāng)利用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)，尋找自動(dòng)化方式來解決管理優(yōu)化布局問題，這是當(dāng)前最先進(jìn)和最快的方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促進(jìn)了人工智能的發(fā)展，當(dāng)前大多數(shù)的研究，都集中于對(duì)機(jī)器人路徑的優(yōu)化，沒有對(duì)船舶管路布局和環(huán)境方面進(jìn)行深入研究，船舶管理布局環(huán)節(jié)比較多變，要想更加深入地研究，就應(yīng)當(dāng)建立模型，并在這個(gè)基礎(chǔ)上深入研究，優(yōu)化自動(dòng)布局，從而取得較好的效果。

1 船舶管路智能布局優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1 繪制船舶管路智能布局流程圖

在船舶管路的初步設(shè)計(jì)階段，確定了船舶的所有基本要素后，就可以開始執(zhí)行布設(shè)任務(wù)。在管道設(shè)計(jì)的初步階段需要選擇合理的管道材質(zhì)，管道的材質(zhì)與介質(zhì)輸送的類型有關(guān)，由于與管道直接接觸的介質(zhì)在壓力、溫度、流速和腐蝕性方面都具有差異[3]，因此所選管道的規(guī)格和特性也不相同。一般情況下，需要考慮管的尺寸、機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕性、耐熱性等來確保使用需求，但也需要考慮布局時(shí)管路是否受到外力影響。

此外，在設(shè)計(jì)管路時(shí)必須保證消耗的物資在可承受的范圍內(nèi)，在滿足使用要求的基礎(chǔ)上，還必須滿足安裝、使用、維修和保養(yǎng)過程中的各項(xiàng)技術(shù)要求。除此之外，要盡量降低船舶建造成本[4]。船舶的管道附件起到調(diào)節(jié)管道壓力、介質(zhì)溫度的作用。確定各種配件的規(guī)格也是布局的關(guān)鍵，對(duì)確保管道的安全，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。閥門主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)管道正常運(yùn)行中介質(zhì)的流動(dòng)方向和流量。一般情況下，應(yīng)根據(jù)所用管道的尺寸選擇滿足要求的閥門，保證船舶可靠運(yùn)行，基于此設(shè)計(jì)的船舶管路智能布局流程如圖1所示。

圖1 船舶管路智能布局流程圖

可知，初步設(shè)計(jì)完成后，需要進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。然后進(jìn)行智能綜放，根據(jù)初步設(shè)計(jì)階段完成的管道設(shè)計(jì)示意圖，進(jìn)行船舶管道的綜合布置，包括管道走向等具體問題。管道需要兼顧各種規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，確保整體設(shè)計(jì)符合實(shí)際要求。

具體來說，該階段主要包括3個(gè)步驟：

第一步，數(shù)據(jù)定義。結(jié)合確定的信息收集管材、閥門、濾器等各類管件型號(hào)；主輔機(jī)、鍋爐、泵組等各類設(shè)備參數(shù)；船舶長(zhǎng)、寬、高，肋距等各類尺寸，并將其全部定義外形進(jìn)入部件庫。

第二步，詳細(xì)設(shè)計(jì)。根據(jù)相關(guān)定義標(biāo)準(zhǔn)，將上一步中提到的各類部件定義出簡(jiǎn)化的符號(hào)，并與部件庫中的各實(shí)體模型相關(guān)聯(lián)。并用這些符號(hào)，結(jié)合不同設(shè)備的功能需求、不同船級(jí)社的規(guī)范要求，優(yōu)化資源配置，最終形成系統(tǒng)圖。

第三步，規(guī)則定義。根據(jù)船舶的尺寸參數(shù)以及設(shè)備擺放位置，考慮管道的性能要求和約束條件，包括管道的安全可靠性、操作便捷性、施工可行性等，通過對(duì)點(diǎn)、線、面的定義確定管路的走向規(guī)則。最后發(fā)布系統(tǒng)原理圖，讓管路按照定義的規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)布放。

1.2 構(gòu)建船舶管路仿真模型

管道布局設(shè)計(jì)的本質(zhì)是在充斥著各種障礙物的復(fù)雜空間環(huán)境中，尋找連接空間中2個(gè)或多個(gè)不同位置的最佳路徑。這些障礙物按照一定的規(guī)則放置于船舶布置環(huán)境中，是管道布置環(huán)境的主要組成部分。

船舶管道自動(dòng)布局是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的任務(wù)，在建立模型之前，首先需要解決布置環(huán)境和設(shè)備模型的準(zhǔn)確性，為后續(xù)操作提供可靠的依據(jù)。主要考慮以下方面：1）模型必須要能精確定位自身的空間位置。2）在布局的不同階段，同一設(shè)備模型可以反映不同的信息，3）空間邊界必須明確定義，才能規(guī)劃管路的走向。4）設(shè)備模型和空間環(huán)境的定義要盡量簡(jiǎn)化，目標(biāo)對(duì)象的原始幾何空間應(yīng)盡可能保持簡(jiǎn)單，如長(zhǎng)方體、圓柱體或多面體。但簡(jiǎn)化的模型應(yīng)該能夠精確定位管道管嘴的位置?？紤]到協(xié)同設(shè)計(jì)的需要，模型應(yīng)該是可編輯的，基于此構(gòu)建的仿真模型如式（1）所示。

式中，O1、O2、O3、O4、Ok分別代表布置管路、設(shè)備設(shè)置、維修區(qū)域、船艙、限制區(qū)域。

1.3 實(shí)現(xiàn)船舶管路智能化布局

實(shí)現(xiàn)管路的智能布局，需要進(jìn)行各類設(shè)備模型的完善，在完善設(shè)備模型的過程中，考慮以下方面：1）模型盡量簡(jiǎn)化，結(jié)構(gòu)越簡(jiǎn)單對(duì)計(jì)算運(yùn)行的反應(yīng)速度越快，可以用幾何平面的形式表示。2）對(duì)于空間區(qū)域的劃分，越細(xì)致越好，這對(duì)于管路智能布放精準(zhǔn)度很有幫助，一般使用長(zhǎng)方體或長(zhǎng)方體的組合來進(jìn)行處理。3）對(duì)不規(guī)則設(shè)備或特殊類型的裝置，例如船上的各種艙柜，可以考慮立方體外殼或圓柱體外殼。4）在船舶管路智能布放的過程中，需要根據(jù)船舶管道布置規(guī)范的要求，設(shè)計(jì)合理的管道布置規(guī)則。

除此之外，還可以使用軸平行包圍法，該方法可以減少包圍過程中的設(shè)備干擾，在實(shí)際管道鋪設(shè)過程中，包圍法可以將管道重疊相交，產(chǎn)生比原模型體積略大的線路組，保證管道的安全，設(shè)備和管道之間也不會(huì)產(chǎn)生明顯的干擾。船舶布局空間可以定義為利用幾何形狀布局，并進(jìn)行數(shù)學(xué)表達(dá)，結(jié)合三維網(wǎng)格劃分技術(shù)來完成整個(gè)管道布置過程。軸平行包圍法在管道布設(shè)過程中要求完全封閉的空間，通過光柵化將包絡(luò)處理后的封閉空間均勻劃分，劃分后的每個(gè)網(wǎng)格代表1個(gè)網(wǎng)格單元，可以通過描述每個(gè)網(wǎng)格單元在空間中的位置來定義其坐標(biāo)。

2 實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的船舶管路智能優(yōu)化布局方法的布局效果，根據(jù)涉及的管路仿真模型，進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)。為了保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)的效果，在指定的空間內(nèi)，根據(jù)仿真模型設(shè)計(jì)了空間布局模型，如圖2所示。

圖2 空間布局模型

可知，通過定義了空間類型，并規(guī)定了管路的布放邏輯，對(duì)管路需要經(jīng)過哪些點(diǎn)、面才可以從泵出口到水柜進(jìn)口進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后對(duì)那些需要避讓，不允許通過的空間進(jìn)行規(guī)劃。最終生成圖2，從而實(shí)現(xiàn)管路智能布局的測(cè)試。

3 改進(jìn)算法

3.1 改進(jìn)遺傳算法

遺傳算法具有魯棒性強(qiáng)的特點(diǎn)，當(dāng)前被廣泛地應(yīng)用，同時(shí)在布局優(yōu)化方面，有一些成功的經(jīng)驗(yàn)可以參考，雖然過程比較簡(jiǎn)單，但是收斂速度比較慢，非常容易陷入到早熟的情況，從而陷入了布局最優(yōu)的問題，所以對(duì)于這樣的情況，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。運(yùn)用爬山法具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，而且在出色局部方面有非常強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，可以有效優(yōu)化算法，將爬山法于GA進(jìn)行組合，可有效彌補(bǔ)局部尋優(yōu)的不足，并且取得較好的優(yōu)化效果。爬山法可以改進(jìn)性能，可以快速地尋找到目標(biāo)函數(shù)，改變函數(shù)性能，當(dāng)確定好方向后，進(jìn)行模式移動(dòng)，逐漸獲得最優(yōu)解。

3.2 編碼

在具體實(shí)驗(yàn)過程中，應(yīng)當(dāng)注重確定染色體的編碼方式，這是遺傳算法的基本步驟，也是基本前提。編碼設(shè)計(jì)的的好壞，會(huì)影響遺傳算法，也會(huì)影響計(jì)算效率，從布局空間模型上就可以看出，在布局空間劃分上，使用了柵格劃分，并賦予了節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)位置，進(jìn)行管線布置時(shí)，要從起點(diǎn)開始最后到達(dá)終點(diǎn)，中途會(huì)經(jīng)過許多的節(jié)點(diǎn)，將這些節(jié)點(diǎn)組合起來，就形成了管路布置路徑。

3.3 函數(shù)

要想得到最優(yōu)解，就應(yīng)當(dāng)充分考慮實(shí)用度函數(shù)問題，通過引導(dǎo)遺傳算法可以得到最優(yōu)解，尤其是在管理優(yōu)化布局和設(shè)計(jì)過程中，要充分考慮各種因素的影響。在計(jì)算管路布置時(shí)，要綜合考慮相關(guān)因素，使用適用度函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算，公式為：f(p)=A-[aL(p)+bB(p)+cE(p)]-dO(p)。

4 結(jié)語

船舶管線的優(yōu)化布局是船舶設(shè)計(jì)中的重要部分，對(duì)保證船舶正常運(yùn)行有重要意義。因此，對(duì)傳統(tǒng)的船舶布局方法進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)了新的布局優(yōu)化方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，簡(jiǎn)單的管路系統(tǒng)在制定一定的規(guī)則下，已經(jīng)可以脫離人力自動(dòng)生成管路布置，具有深遠(yuǎn)的意義。有一定的應(yīng)用價(jià)值，為了提升性能，完善其功能，需要持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化。