基于模塊化的船舶艙室智能布置優化設計方法研究

王子銘 陳順懷 汪 皓

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (高性能船舶技術教育部重點實驗室2) 武漢 430063)

0 引 言

船舶艙室布置設計問題一直是船舶設計領域中的重要研究問題，其傳統的設計方法是設計人員根據相關規范及設計經驗手工設計，對于功能稍微復雜的船舶,傳統的設計方法過程繁瑣、效率不高.為了提高設計效率，近年來研究人員通過引入優化算法，利用計算機對船舶艙室進行布置.王運龍等[1-2]基于能量法建立優化模型，并利用遺傳算法和禁忌搜索算法求解得到船舶艙室內部各設備位置布置方案和船舶甲板區域各艙室位置的布局方案.王宇等[3]利用改進的引力搜索算法對一段船體多層夾板的船舶艙室的位置布局進行求解，并驗證了方法的可行性.Kim等[4]利用遺傳算法對潛艇內部艙室的位置以及各設備的位置進行布置.楊德慶等[5]提出了艙室聲學布局模型并利用匈牙利解法和準則法對艙室布局進行求解.胡耀等[6-7]通過遺傳算法對船舶內部艙室位置的布置以及船舶生活區艙室的布局進行了求解.

針對船舶艙室在船舶內的布局問題，通過參考船舶設計規范及有關知識，提出了一種基于模塊化的船舶艙室布置優化方法，并以內河客船為例探討了該方法的應用，通過與算例原布置方案對比，采用該方法所獲得的布置方案有效可行，證明了該方法的有效性.

1 基于模塊化的艙室布置優化模型

1.1 船舶空間模塊化模型的建立

船舶空間由一系列的功能艙室、過道、開敞空間組成，要通過數學的方法準確表述各個子空間的幾何尺寸及相互之間的拓撲關系非常困難.為此，提出了一種將甲板區域除功能艙室及過道以外的其他具有一定布置能力的區域抽象化為虛擬空艙的新思路，從而將復雜的艙室布置問題簡化為具有各種屬性的布置單元的分布問題，進而為船船艙室布置采用模塊化設計提供了可能.

以某內河客船為例，該船可歸類為18個待布置艙室，見圖1和表1.

表1 待布置艙室編號

圖1 目標船各層甲板待布置艙室布置圖

該船沒有中間過道，各艙室沿船長方向依次排列布置.圖中區域8、區域9在算例中分別布置為樓梯和尾尖艙，不考慮這兩處區域的布置.將目標船輪機監控室和船員休息區中間的區域1、大廳1與多功能廳之間的區域2、普通餐廳與大廳2中間的區域3、VIP休閑區與酒吧臺中間的區域4、VIP休閑區以左的區域5和區域6、陽光浴場以左的區域7抽象化為虛擬空艙.將18個待布置艙室和7個虛擬空艙視為獨立的布置單元模塊.

本文重點考慮拓撲層面上的布置，為簡化問題，將該船每層甲板空間劃分為多個長度相等，寬度等于船舶空間可布置區域寬度的子空間，各子空間沿縱向依次排列，進而將船舶空間簡化為圖2的船舶空間模塊化模型.假設每個子空間僅能放置一個布置單元，并在x方向和z方向設置每個子空間的坐標,于是可利用布置單元模塊所在的子空間的坐標(xi，zi)為該單元模塊在船舶空間模塊化模型中的位置.

圖2 船舶空間模塊化模型圖

1.2 艙室模塊屬性定義

對各模塊化的艙室，定義絕對位置和相對位置兩類屬性以評價布置方案的優劣.

1) 絕對位置屬性 不同艙室具有不同功能，例如，提供游客休息的游客休息區、提供輪機等機械設備放置的主機艙等.各艙室模塊布置在船舶空間不同位置時其合理程度是不同的，比如，主機艙放置在船舶空間模塊化模型的第一層是合理的，放在高層是不合理的，駕駛室放置在首端是合理的.為評價各布置單元模塊在船舶空間模塊化模型的不同子空間的合理程度，引入垂向評價向量αi=(ai1,αi2，…，αij)T與縱向評價向量βi=(βi1,βi2，…，βik)衡量布置單元模塊i沿船舶空間模塊化模型z方向和x方向各子空間布置的滿意度，其中和分別為模型z方向層數與x方向最大子空間數.參考模糊數學能量法[8]相關概念，αi和βi各元素能量值可取0，1，2，3，4，5，數值越大表示布置單元模塊i在該方向相應位置的合理程度越好.根據內河客船艙室布置經驗，目標船各布置單元模塊αi和βi具體設置見表2.

表2 目標船各布置艙室垂向評價向量與縱向評價向量

建立布置單元模塊i的絕對位置評價矩陣Ei=(αi·βi)T，通過定義布置單元模塊i的絕對位置屬性值Ei(xi,zi)衡量布置單元模塊i布置在坐標為(xi，zi) 的子空間的合理程度，數值越大合理程度越好.以目標船主機艙為例，該布置單元模塊的絕對位置評價矩陣E1為

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其中，絕對位置屬性值E1(5,1)最大，故認為主機艙布置在坐標為(5,1)的子空間最合理.

2) 相對位置屬性 借鑒車間設備布局中物流的概念，船舶某些艙室之間存在大量的人流和物流上的需求，例如,廚房和餐廳存在大量食物的流通.這里認為這類存在人流和物流需求的艙室具有相近關系，在布置時需要盡量的靠近.同時為使人在船舶航行期間具有良好的舒適度體驗，考慮各艙室在衛生、噪聲、油煙三個屬性上的影響，認為某些艙室之間存在相遠關系，存在相遠離關系的艙室在布置時希望盡量遠離.例如，主機艙會產生巨大的噪聲對VIP休閑區產生噪聲污染，在布置時希望距離更遠.故各艙室之間具有相對位置屬性，并定義相對位置屬性系數：Qij.布置單元模塊i與布置單元模塊j之間僅具有相遠關系時取值為-1、僅具有相近關系時取值為1、其余情況取值為0.Qij以矩陣Q的形式表現，Qij即為Q矩陣的i行j列元素.根據內河客船艙室布置經驗，目標船Q矩陣設置為

1.3 目標函數及約束條件

通過各布置單元的絕對位置屬性和相對位置屬性建立本優化方法的目標函數.

(1)

式中：a和b為權重系數；εi為布置單元i的優先布置權系數；N為布置單元模塊總數.根據目標船各艙室功能特點，優先布置權系數見表3.

表3 目標船各艙室優先布置權系數

為符合艙室布置實際情況并使求解盡快收斂，參考內河客船艙室布置規范并結合客船艙室布置經驗，設置如下的約束條件.

1) 單元模塊絕對位置約束

(2)

xk=e

(3)

zg=f

(4)

式中：c、d，e，f為常數.對于目標船，約束主機艙位于船舶空間模塊化模型底層尾端，即：x1=5，z1=1.駕駛室位于頂部船首，即：x3=1，z3=5.目標船輪機監控室在主機艙之外，為符合正常布置要求，約束輪機監控室在主機艙的船艏方向并與主機艙相連，即：x2=4，z2=1.廚房不能在其他艙室之間，在本優化模型里約束廚房在尾端，即：x6=5.約束目標船VIP天臺與陽光浴場布置在最高層甲板，即：z17=5，z18=5.

2) 單元模塊相對位置約束

(5)

zk≤zg

(6)

目標船大廳1與大廳2上下連同，即：x10=x9，|z9-z10|=1.根據內河客船艙室布置規范，衛生間的布置和設置應避免其氣味滲入鄰近居住艙室，公共處所，餐廳，廚房，食品庫等處所，并且衛生間不能設置在廚房，餐廳之上，即：z7≤z6，z7≤z8，z7≤z11.

3) 單元模塊不重疊約束 為避免布置模塊單元i與布置模塊單元j布置在同一個子空間內，有如下不等式約束：

|xi-xj|+|zi-zj|≥1

(7)

1≤xi≤5

(8)

1≤zi≤5

(9)

需要指出的是，不同船舶艙室布置情況有所不同，所以針對其他船舶需重新構建船舶空間模塊化模型、屬性的系數、約束，所需時間成本在可接受范圍內.本文確定的布置優化方法可以推廣至其他船舶.

2 遺傳算法求解

遺傳算法是模擬生物在自然環境中的遺傳和進化過程而形成的一種自適應全局優化的搜索算法[9]，運算流程圖見圖3.

圖3 遺傳算法運算流程圖

用遺傳算法對目標船進行求解，其中算法的種群規模M為50,迭代次數為200代,交叉概率為0.9,變異概率為0.1，目標函數作為算法適應度函數.圖4為a,b取不同值時對應的適應度進化曲線，隨迭代次數增加，算法收斂.當a=0.5，b=0.5時，迭代次數為125左右時得到最優解，并且最優解對應的適應度值也最大，故取a=0.5，b=0.5.

圖4 適應度進化曲線

目標船優化后可得到表4的布置方案，根據該布置方案將布置單元模塊放入船舶空間模塊化模型得到圖5.由圖5和圖2對比可知，目標船經本方法優化后，主要艙室如主機艙、駕駛室、衛生間區、廚房均在各自較合理的位置.游客休息區、VIP休閑區、VIP會客廳等艙室更加遠離主機艙，保證了游客旅游的舒適性.同時游客休息區與VIP休息區、餐廳；廚房與餐廳相對更近，滿足了這些艙室在人流和物流上的需求.游客休息區與衛生間、餐廳保持更合理的距離，使游客即能方便的到達餐廳、衛生間區，也避免餐廳和衛生間區距離游客休息區太近而影響游客的休息.

表4 布置方案

圖5 基于船舶空間模塊化模型優化后布置方式

3 結 束 語

文中以某內河客船為例，提出一種模塊化的艙室布置優化方法.引入虛擬空艙的概念將船舶空間分解為具有特定屬性的，規則的獨立單元模塊.在拓撲層面上，通過定義各布置單元模塊絕對位置屬性和相對位置屬性建立數學模型.利用遺傳算法對目標船進行優化求解.優化結果表明，該布置優化方法在滿足艙室布置規范的前提下，對各艙室的舒適性和各艙室之間的流通性有加大程度的優化.同時該優化方法規避了在船舶艙室布置中艙室重疊的問題，有效解決了各艙室布置在哪一層的問題，也得到了各層艙室的排列關系.可作為船舶艙室模塊化布置的一種方法，并為其他船舶艙室布置優化問題提供理論依據.