基于改進能量法的郵輪客艙智能布局設計

蔡 薇 譚欣靜 陳 琪 高 攀

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學郵輪游艇設計研究院2) 武漢 430063)

0 引 言

船舶艙室設計是船舶設計的重要內容之一.郵輪客艙設計的優劣直接影響乘客的船上體驗，從而影響郵輪口碑、郵輪收益，以及消費者對郵輪的選擇[1].目前，具體以郵輪客艙為研究對象的艙室布局設計研究不多，多數對居住艙室的研究仍然停留于一般船舶.文獻[2]以船舶機艙布置設計為研究對象，建立了機艙布置多目標優化模型，并通過粒子群算法實現了機艙布置優化；文獻[3]以游艇艙室為研究對象，建立游艇艙室布局的數學優化模型，并采用基于Pareto前沿的NSGA-Ⅱ算法進行優化求解；文獻[4]以載人潛水器艙室為研究對象，提出了基于Pareto的PGA算法對載人潛水器艙室進行布局優化；文獻[5]提出能量法對船舶居住艙室可行方案進行評價，并采用遺傳算法來求解船舶居住艙室智能布局問題.文獻[6]以大型艦船艙室為對象，在大型艦船艙室布局設計專家系統的基礎上，開發了大型艦船艙室自動布局設計系統，對指揮類艙室布局設計問題進行了實際應用.關于艙室內的智能布局研究，有以船舶機艙，指揮艙等特殊艙室為研究對象的，因其室內布局難度較大，且布局規則專業性較強，因此，不能較好地直接運用于郵輪居住艙室.

在郵輪客艙中，陽臺房是一類具有陽臺的典型郵輪客艙，也是一艘郵輪上配置數量最多的一類客艙.本文針對郵輪客艙特性對能量法進行改進，并以郵輪陽臺房為例，綜合考慮艙室采光性、舒適性、維修便利、室內流線等因素，基于柵格法和改進能量法建立艙室布局模型，結合遺傳算法和博弈分析法生成可行方案并優選，實現郵輪客艙的智能布局.

1 基于改進能量法的布局方案評價

郵輪客艙是郵輪內部空間的重要組成之一，郵輪客艙布局設計成功的關鍵在于，滿足家具或設備使用功能特性和舒適度要求的前提下，合理地利用艙室內部空間進行家具或設備布局.

船用艙室家具的擺放與陸用家具不同，船用家具為了方便緊固，一般需緊貼艙壁進行布置，即沿艙壁布置[7].文獻[5]在研究船員起居艙室布局設計問題中提出的能量法符合船用艙室家具沿艙壁布置的設計特點，其主要思想是：根據待布局組件的特點，為待布局的艙室區域的艙壁賦予不同的能量值，能量值表示該區域對目標組件的吸引值，能量值越高的區域越適宜布局家具.除此之外，能量法還以所有待布局組件的能量值之和，即艙室布局方案的總能量值，來表達不同的艙室布局方案設計效果，在一定程度上解決艙室布局設計中的評價指標模糊性問題.

1.1 能量法的不足

目前，由于能量法對艙壁能量值的設定還不夠細致，自其提出后并未被廣泛應用.在船舶艙室布局設計中，能量法的不足主要包括以下幾點：

1) 無法客觀區分待布局組件的縱橫擺向，見圖1a)～b).

2) 針對每一個待布局家具，能量法需各自設定不同的艙壁值.隨著待布局家具數量增多，人為主觀性過強，不確定因素較多.

3) 只對艙壁賦予能量值，而對除艙壁外的艙室其余空間不賦予能量值(即能量值均為零).對于艙壁與艙壁附近區域，能量值發生突變，欠缺傳遞性，見圖1a)和圖1c).

圖1 能量法不足圖示

1.2 改進能量法

為解決上述能量法的不足，針對將在同一空間布局的所有待布局組件，需建立一個統一的能量域，并且能量值應具有傳遞性.運用柵格法對待布局空間進行網格化，根據艙壁屬性分別對艙壁賦予能量值.改進能量法提出以艙壁為起點，將能量值向艙室內部呈線性衰減規律擴散，形成一個基礎能量域.

由于居住艙室所在的船舶整體環境使其四面艙壁有著不同的屬性，為了體現四面艙壁對不同待布局組件的吸引力，改進能量法提出以基礎能量值與影響因子的乘積來進行表達，為

(1)

式中：xi為不同的待布局組件；Ebase為居住艙室布局空間的基礎能量域；W為待布局組件xi分別對四面艙壁的影響因子.

布局方案的總能量值為所有組件覆蓋區域內能量值之和，作為對布局方案設計效果的評價指標.總能量值的高低表征布局方案設計效果的優劣.

以6×6的柵格空間為例，對各艙壁賦予初始能量值為3，形成基礎能量域，見圖2a).每一個柵格點上有唯一的一個能量值.能量域中有一能量零點，表示該區域不適宜布局家具.若某一待布局組件的影響因子為ω={0.5,1,1,0.5}，則其合成能量域，見圖2b).

圖2 能量域示意圖

2 結合陽臺房特性的改進能量法

2.1 基礎能量域

郵輪客艙的整體外形多為矩形，且具有較大的長寬比.陽臺房是一類具有通道特性的典型郵輪客艙，為保證其陽臺的可達性，艙室內必須存在一道明顯的流線，即從艙室門至陽臺的通道.因此，在針對陽臺房進行布局設計時，無論布局空間內組件如何布局，都必須保留這一通道，并保證其暢通性.

針對陽臺房具有的通道特性，在生成基礎能量域時，只對圖3中B，D兩面艙壁賦予初始能量值，并使能量值向內部空間線性輻射.由于只存在兩個成對的艙壁輻射能量，能量零點擴展成一條能量零點線，即為艙室內流線，該能量零點線與艙室門的中心點對齊.

2.2 影響因子

船用居住艙室的待布局組件以家具為主，通過對各組件的布局要求和郵輪陽臺房特性的分析，該布局空間可等分為三段：靠近走廊段、中間段、靠近陽臺段，分別命名為I,II,III段，見圖4.基于上述空間劃分方式，綜合考慮陽臺房的采光性、舒適性、維修便利等設計因素，雙人床單元宜布局于II段，衛生間單元宜布局于I段，

圖4 陽臺房艙室內空間劃分

衣柜單元宜布局于I,II段，梳妝臺單元及沙發單元宜布局于III段.

在改進能量法中提出影響因子是為了體現出不同艙壁屬性的差異性，若某待布局組件在某區域的影響因子越大，則該區域越適宜布局該組件.為了體現郵輪陽臺房的通道式布局空間特性，只對B、D兩面艙壁賦予初始能量值，因此組件在布局時具有往B、D兩面艙壁靠攏的趨向力.此處為了體現出組件在布局時往A、C艙壁靠攏的趨向力，對I,II,III三段空間分別賦予影響因子，每個能量點的值為基本能量值與影響因子的乘積.

影響因子的確定采用專家打分法，由于在本示例中待布局空間被分為I,II,III三段，其評判準則見表1.按表1所示的評判準則對三段空間內各組件的影響因子進行專家打分，結果見表2.

表2 三段空間內各組件的影響因子

以衛生間單元的能量域為例，加入影響因子后，其能量域見圖5.圖中曲面上交點的高度值為對應區域的能量點的能量值，曲面即為能量空間所有能量點所在的面.

圖5 衛生間單元能量域示意圖

3 改進遺傳算法求解

3.1 染色體編碼

采用浮點編碼，要求在陽臺房內布局5個組件，在染色體中以16位浮點數來表示，見圖6.前10位表示5個組件的x,y坐標值.后5位表示5個組件的狀態值，分別對應組件的縱橫擺向，0為組件沿船寬方向布局，1為組件沿船長方向布局.最后一位為標識位，表示該個體在初始化、交叉、變異的過程中，是否發育完善(組件在艙室內的位置變化，當組件之間發生空間干涉或者組件跟艙壁發生干涉時，則為發育不完善)，發育完善表示該條染色體有效，以0表示，發育不完善則表示該條染色體無效，以555表示.

圖6 染色體編碼

3.2 適應度函數

適應度函數是遺傳算法的核心，用以影響搜索方向.整個待布局空間以100 mm×100 mm大小的柵格進行柵格化后，待布局空間以矩陣表示.布局空間矩陣的初始值為0，區域內每布局一個組件，該組件所覆蓋的區域內的值發生改變，用以布局時進行空間干涉檢查.建立適應度函數萬

(2)

式中：X為五個組件的布局位置集合；eij為各組件布局后所覆蓋區域的平均能量值；xx，yy分別為組件左上角的坐標；hk，wk分別為個組件的寬、長尺寸.

3.3 遺傳算子

遺傳算子由選擇、交叉和變異算子組成，選擇算子的策略采用輪盤賭策略；交叉算子采用雙點交叉策略；變異算子采用單點變異，其變異步長為變步長.進行變異操作時隨機選擇某個基因位，若是選擇第11～15位基因，則是狀態碼的變異，由0變異為1或由1變異為0.若是選擇第1～10位基因，則是組件坐標值的變異，該步長為

Δ=9·r·(1-curr/maxg)+1

(3)

式中：Δ為步長；r為區間內的隨機數；curr為當前代數；maxg為總迭代次數.

3.4 基于博弈分析法的種群初始化

結合博弈分析法[8]，本文所研究的問題簡單描述為：把5個待布局組件布局在一個矩形空間內，在滿足組件互不干涉的約束條件下得到能量值最大的布局方案，最終使各組件在空間內發揮各自的功能，實現最佳的整體效果.

得到非合作博弈均衡的一個有效方法是利用參與者的最佳響應求得[9].參與者的最佳響應即為組件的最佳收益，每一個參與者均以各自的最佳收益來選擇布局策略，在艙室布局設計中即為每個待布局組件選擇使自己能量值最高的布局位置進行布局.各組件在艙室內的布局要求是不同的，在依據上述得到的影響因子(見表2)的基礎上確定各組件選擇不同布局策略的收益，并強調各組件最優布局策略的收益，見表3～4.

表3 參與者所得收益的評判準則

表4 參與者選擇不同布局策略的收益情況

為了與遺傳算法的概率性轉換規則相統一，將組件在不同區段的收益等級轉化為組件出現在該區段的概率.以雙人床單元為例，在種群初始化時，其布局位置出現在區域II段的概率為66.7%，出現在區域I段和Ⅲ段的概率均為16.7%.在種群初始化時加入上述影響后，模型求解起點相對較好，最后能比較穩定的收斂至較優結果.

3.5 艙室智能布局實現流程

艙室智能布局實現流程圖見圖7.

圖7 艙室智能布局實現流程圖

4 實例分析

在本試驗中，郵輪陽臺房的艙室布局空間取除去陽臺部分的陽臺房室內艙室空間.文獻[10]對申請郵輪休閑體驗設計指數CEDI(OX)附加標志的郵輪規定了乘客空間的要求，見表5.結合當今熱門郵輪的客艙實例，取郵輪陽臺房的艙室布局空間尺度為6 000 mm×3 000 mm.

表5 乘客人均居住面積要求

文獻[11]給出了船舶起居艙室主要家具設備的協調尺寸，并把家具設備配合尺寸模數限制在n×100 mm或n×50 mm系列之內.進行艙室布局時，選取待布局組件包括雙人床、衛生間、沙發、化妝桌和衣柜5個對象，設定的具體尺寸見表6.

表6 艙室待布局組件尺寸 mm

在仿真計算時，設置種群規模為20，遺傳代數為500次，交叉概率為0.4，變異概率為0.1.5個艙室待布局組件根據其所占空間面積大小，按照從大到小的順序進行布局，即布局的優先順序為：雙人床，衛生間，沙發，梳妝臺，衣柜.從收斂過程來看，試驗有較好的收斂結果，且搜索過程在前期就已趨近于最終結果，收斂速度較快.

經過計算后，得到郵輪陽臺房布局方案,見圖8a)，與圖8b)中地中海郵輪某陽臺房布局圖進行對比，兩者的布局方案極為相似，區別僅在于化妝桌和沙發的位置.從布局功能分析，若對兩者的位置進行互換，其使用功能并無區別.由此驗證了該布局方案的有效性.

圖8 試驗和現有郵輪陽臺房布局

5 結 束 語

本文通過分析能量法的優點與不足，提出了改進能量法，解決了能量值欠缺傳遞性的問題，并能有效區分組件的縱橫擺向，使其對不同的布局方案有著更好的識別能力.結合大型郵輪陽臺房室內流線設定基礎能量域，綜合考慮艙室采光性、舒適性、維修便利等因素確定待布局組件的影響因子，以此量化設計規則與經驗，解決艙室布局方案評價指標模糊性問題，提高艙室智能布局設計的客觀性.該方法能在一定程度上解決郵輪客艙布局設計冗雜繁瑣問題，提高郵輪艙室設計效率，后續研究可將該方法推廣至大型郵輪其他類型的乘客居住艙室布局設計中.