船舶管路智能布局優化設計

摘 要：船舶管路空間布局難度較大，一般需要構建多種模型進行分析，而且要與船舶管路環境相適應。本文主要結合船舶管路布局特點，研究了智能船舶管路優化設計，并在環境模型與指導機制基礎上使用新型算法對船舶管路智能布局進行了設計，并對設計的可行性進行驗證，實際應用效果較理想。

關鍵詞：船舶管路；空間環境模型；方向指導機制；遺傳算法

目前在經濟發展的影響下，提高了我國船舶產品在國際的影響力。船舶管路布局是目前研究的熱點問題，為了適應復雜多變的船舶環境，必須及時對其進行探討。本次主要在建立模型基礎上對船舶自動布局指導機制進行了研究，實現了船舶管路自動布局優化。

一、船舶管路布局環境模型

（一）艙室布局空間模型。首先，根據船舶艙室長、寬、高度，將艙室類比為規則的長方體，然后借助柵格技術劃分長方體模型，分布為三維網格節點區域，并使用直角坐標標注柵格節點坐標，（x，y，z）。最后對艙室模型進行調整，由于很多艙室艙壁都是不規則形狀，所以艙室空間設置成禁止布局區域。

需要注意的是，柵格劃分大小對空間模型具有很大影響，一般可從以下幾方面進行考慮：1.管子半徑。管路布局經常使用管子中心線替代管子，所以柵格不能小于管路半徑，避免產生布局問題；2.管路之間必須留有足夠間隙，相鄰管路間隙不能少于20毫米，簡而言之，柵格大小不能小于管路半徑與管路預留間隙之和。3.管路與障礙物及艙壁間隙。管路與障礙物及艙壁均要根據實際情況留有間隙。單管路柵格不能小于管路加艙壁及上管路障礙物之和，實際布局中必須綜合分析，結合實際情況正確調整。

（二）障礙物模型。障礙物模型表示艙室設備、艙壁、過道及船體結構不能穿過物體而構建的模型。本次研究中主要使用姿態空間建模方法進行分析，實際建設中需要遵循以下原則。第一，姿態空間屬于障礙物包絡體，可以將障礙物包含在姿態空間中，沒有伸出姿態空間外的內容。第二，姿態空間一般結合障礙物固定屬性設置，如障礙物為電纜，要求管路與電纜距離控制在100毫米，電纜姿態空間還要包含電纜周圍100毫米的空間。第三，姿態空間必須對機械設備的可操作性與維修性進行考慮，要求障礙物周圍必須留有一定的維修空間，而且要將姿態空間計算在內。

（三）管路模型。該模型設計時一般使用中心線理論進行分析，要求將管路壁厚與半徑均縮小成0，布局時使用管路中心線布置管路。

（四）布局優劣區域模型。布局優劣區域模型通常根據物體布置要求、艙室空間環境與功能特性等進行布置，一般由狀態值模型和能量值模型組成。前者可對區域布置管路進行判斷，一般將布置艙室劃分成可不止區域和禁止布置區域分析。后者應用于區域示范適合布置管路，可結合布置物體要求、功能等將艙室分為很多不同的能量區域，并對區域布置物體進行計算。

（五）船舶管路布局指導機制。管路智能布局設計時要求初始種群各對應一條布管路徑，必須從起點向終點開展，有時因無法得到初始路徑方案而進入死循環，所以必須使用引導機制提高初始個體質量。首先將6個方向分為兩組，一組與終點方向相同，另一種與終點方向背離。結合引導機制可知前組概率大于后者概率。

二、數值仿真

本次構建了數值仿真，并布置空間劃分為下圖3所示的網格，并在WinJows XP基礎上開展了進化遺傳算法。

圖3中，群體大小用n表示，變異概率為Pm，雜交概率為Pc，由于目前還沒有得到進化算法最優參數，所以很多研究結果主要應用于進化算法的最優參數選擇中，主要從已有實驗中得到經驗數據。經過試驗得到M=40，Pc=0.8，Pm=0.06，A=10000，a=3，b=3，c=4，J=20。終止為穩定狀態（種群比例個體相同），反復試驗將比例參數設置成0.8，個體達到80%時，算法終止。

在改進遺傳算法基礎上，本次選取了較多的方向參數值，并開展了仿真實驗，從實驗分析可知，當P設置為16時，所得到的實驗效果較理想。

三、船舶管路智能布局未來發展方向

（一）船舶管路智能布局是設計人員利用長期實踐過程所完成的設計。船舶管路智能布局優化設計要求將人工智能與計算機技術成功應用到實際設計中，然后在行業領域中，根據專家自身知識機構與經驗進行推理和判斷，解決船舶管路的復雜問題。目前專家系統已經成為解決管路設計布局最有效的方法，所以在今后研究中還要構建專家船舶管路布局系統，同時將多種布局與算法應用到系統中，借助人際互換方式開展管路及其附件布局任務設計。

（二）船舶管路布局中不僅有很多直管，同時也有大量分支管路，或串并聯形成的管網。今后研究中還要管網與分支布局問題進行深入探究。

（三）由于船舶管路智能布局較復雜，因此在實際操作中，必須將多種因素考慮在內，避免在今后應用中設備、風道等對管路布局優化造成影響，可以將眾多影響因素進行綜合分析，協調布置，認真探究。

（四）正交管路已經成為船舶管路當前應用的主要布局樣式，一般特殊要求管路布局時，可采用正交管路布置方法操作，結合管路走向與船體結構進行設計，并構建空間模型與網格，讓管路滿足不同走向要求。

（五）船舶管路屬于“單輸入-多輸出”問題，雖然用戶對布置設計目標提出的要求較單一，但是最終設計結果較多樣，而且均能滿足用戶需求。因此在今后研究中必須構建船舶管路布置設計評價方法和體系，設計用戶最滿意的船舶管路。

四、結語

目前在經濟發展的帶動下，海洋工程船只需求量越來越大，已經得到了眾多人員的重視。本文主要對船舶管路智能布局進行優化設計，主要利用障礙物模型、布局空間模型等進行分析，最后開展了改進遺傳算法，設計了船舶管路布局，并對仿真實驗結果進行了驗證，得到了理想的結果，可以給船舶管路智能布局相關問題提供借鑒。

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