船舶管系布局優(yōu)化的研究

張建明

摘要：船舶管系就像人身體里的血管，有了它，才能使船上各系統(tǒng)的功能得以正常連接和發(fā)揮作用，它是船舶設(shè)計中的重要內(nèi)容。同時，管系設(shè)計的好壞直接關(guān)系到一條船的經(jīng)濟成本。船舶管系設(shè)計由五個連續(xù)的階段組成：初步設(shè)計、功能設(shè)計、詳細設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)計和系統(tǒng)支持信息。管路布局設(shè)計是在二維或三維布局空間內(nèi)尋找滿足約束準則，并連接給定起點和終點的管道路徑。占有管系詳細設(shè)計50%的管路布局設(shè)計是管系詳細設(shè)計階段的重要組成部分。由于船舶管子數(shù)量龐大，約束繁雜及布局空間較大，目前在實踐中，還主要依靠經(jīng)驗豐富的專家去完成。所以，管路布局設(shè)計優(yōu)化非常困難、耗時，與整個船舶在利用先進技術(shù)方面相比嚴重滯后，并已成為制約船舶設(shè)計周期的瓶頸，是一項亟待解決的技術(shù)難題。為此，管路布局設(shè)計的自動化和優(yōu)化對船舶設(shè)計質(zhì)量，縮短造船周期有重要意義。

關(guān)鍵詞：船舶；管系設(shè)計；管路系統(tǒng)；水泵

1 船舶管系的基本狀況

“船舶機體”是一個綜合性概念，它所包含的管系較為復雜，涉及到的直徑差異性管子數(shù)量極其多，且管子的品種也很多，規(guī)格較為復雜多樣。如果從管子的具體作用來劃分，可以將其劃分為動力管系和船舶管系兩種類型。從這2種管系各自作用的發(fā)揮來看，兩者是既相互獨立又相互配合的關(guān)系，在互補中共同發(fā)揮優(yōu)勢，以確保船舶機體性能良好。這也從側(cè)面說明了對船舶管系進行安裝監(jiān)管是監(jiān)督監(jiān)管人員的工作重點所在。從整個流程來看，船舶工程中的管系安裝主要涉及圖紙設(shè)計、現(xiàn)場制作、表面處理、船上安裝密試及效用等幾個主要階段。

2 管系設(shè)計布局存在的缺陷

船舶管系是分布于船舶各艙室的用于傳遞氣體與液體的管路系統(tǒng)，包括管子、閥門、法蘭、管路支架、減振接管等部分。船舶管系遍布全船各艙室、各個部位，合理的管系布局是保證船舶安全性、操作方便、維修便捷和機械正常運轉(zhuǎn)的重要前提。

目前，管系在設(shè)計布局時主要采用平面方法進行管系布局放樣，在平面上按照一定比例繪制船體型線和有關(guān)結(jié)構(gòu)圖。繪制出艙內(nèi)主要機械設(shè)備的安裝位置后，繪制管系的放樣總圖，而后依據(jù)放樣總圖生成各系統(tǒng)管系的放樣圖，開展管件加工和生產(chǎn)。目前，設(shè)計方法存在多方面的缺陷：①平面設(shè)計方法無法表示管路錯綜復雜的三維立體關(guān)系，不易在設(shè)計階段規(guī)避管路之間、管路與設(shè)備之間干涉情況，且要求在現(xiàn)場放樣完成后再開展設(shè)備布置，這種串行設(shè)計的方法不利于生產(chǎn)周期的縮短。②該方法依賴對設(shè)備安裝位置的數(shù)據(jù)測量，且因管系密集，在設(shè)計不同系統(tǒng)管系時，易出現(xiàn)管路相互影響的情況，導致返工。③人工放樣、設(shè)計管系布局的最大缺陷是設(shè)計布局的結(jié)果極度依賴設(shè)計者的經(jīng)驗、專業(yè)知識。

3 管系設(shè)計布局的要求

船舶管系是船舶建造過程中的重要過程和工序，對于船舶制造有重大的影響。在生產(chǎn)過程中，船舶管系會受到重多因素的約束和影響，主要應滿足以下 4 方面的要求：①經(jīng)濟性要求。管路長度盡量短，彎頭、管卡數(shù)量盡量少。②安全性要求。管路應避免在振動較大的設(shè)備上面布置，比如水泵、壓縮機等；油管應避免在高溫蒸汽等高溫管路及設(shè)備上方布置；管路安裝時應滿足管系的力學要求，同時，考慮到管系受熱膨脹會影響使用中管系的受力情況，在安裝時，應考慮管系布置的靈活性。③維修性要求。保證管路與管路、管路與設(shè)備之間有一定的間距，管路中的閥件及控制裝置應避開障礙物，并處于易維護的范圍內(nèi)；為安裝與維修階段所用的扳手、絞車等移動設(shè)備預留足夠的操作空間。④精細化要求。管系布置時應先布置粗管，后布置細管，管路應盡量與艙壁、設(shè)備、管路支架正交成束敷設(shè)；管路必須排列整齊，系統(tǒng)閥門應整齊布置；水平與垂直管路安裝時應在管路垂直位移最小的位置支撐，防止管路過度變形扭曲。

4 管系優(yōu)化布局的發(fā)展趨勢

隨著自動化與信息化技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代造船模式向著數(shù)字化發(fā)展，設(shè)計模式也向著自動化發(fā)展，傳統(tǒng)的管系優(yōu)化布局模式也應緊隨科技革新。筆者認為，船舶管系優(yōu)化布局應向以下幾方面發(fā)展。

4.1 實現(xiàn)自動化管系布局

提高管系設(shè)計效率和布局精度的根本方法是進行自動化管系布局。三維數(shù)字化管系布局將管系設(shè)計工作從二維平面發(fā)展到了三維空間，但本質(zhì)上還是依賴經(jīng)驗豐富的設(shè)計者，且設(shè)計不一定是最優(yōu)的。一套成熟的自動化管系優(yōu)化布局系統(tǒng)是利用預設(shè)的專家知識、算法自動輸出最優(yōu)的管系布局。國內(nèi)外學者對自動化管系優(yōu)化布局展開了大量的研究，研究過的管系優(yōu)化布局方法有試湊法、動態(tài)規(guī)劃法、迷宮法、逃逸法、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化法、遺傳算法、專家系統(tǒng)和模糊集理論及單元生成法等。經(jīng)過對管路布局優(yōu)化設(shè)計的多年研究，取得了一定的研究成果，部分行業(yè)形成了小范圍的自動化管系布局系統(tǒng)，但目前研究的算法中依然存在問題，未形成一套完整的自動化管路優(yōu)化布局系統(tǒng)。

4.2 進行三維數(shù)字化放樣

以三維化為基礎(chǔ)的數(shù)字化造船模式已經(jīng)成為現(xiàn)代造船業(yè)的發(fā)展趨勢，開展三維數(shù)字化管路布局設(shè)計迫在眉睫。三維數(shù)字化管路布局的優(yōu)點在于使管路布局與設(shè)備安裝同時進行，設(shè)備安裝完成即可進入管系安裝階段，從而縮短生產(chǎn)周期。此外，三維數(shù)字化管系布局設(shè)計可以模擬出管系之間、管系與設(shè)備之間的三維空間關(guān)系，避免在生產(chǎn)階段出現(xiàn)返工、材料浪費的情況。近年來，國內(nèi)主力船企（比如廣州造船廠、渤海造船廠等）已經(jīng)在三維數(shù)字化管系布局放樣方面進行了有益嘗試——引進國際上先進的三維設(shè)計軟件（比如Tribon、CATIA 等）進行可管系布局設(shè)計，并取得了一定的效果。

4.3 檢測反饋手段的數(shù)字化

虛擬化在現(xiàn)代造船模式下起著十分重要的作用。當前的虛擬化僅限于設(shè)計效果的演示及生產(chǎn)結(jié)果的演示中，對于指導生產(chǎn)的作用比較薄弱。要想加強虛擬化在生產(chǎn)過程中的作用，則要強化監(jiān)測反饋手段，發(fā)展三維在線監(jiān)測手段，實時監(jiān)測、采集管路安裝的三維數(shù)據(jù)，并與三維的設(shè)計效果圖進行對比；對安裝誤差過大的部位進行報警提醒，施工人員應及時糾正，在提高生產(chǎn)水平的同時縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。

5 結(jié)束語

本文分析了船舶管系設(shè)計布局的具體要求，指出了目前管系設(shè)計布局中存在的主要缺陷，討論了布局優(yōu)化的方法及發(fā)展方向。

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