船舶加熱盤管自動布置系統設計與開發

許曉東，何麗絲，王德禹

(上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

0 引 言

為了保證遠洋船舶航行燃料使用的經濟性，船舶離開港口后，船舶主機基本上采用燃燒重油為船舶提供動力。船舶加熱盤管是船舶管系中一類特殊的管路，利用蒸汽對常溫下粘度比較高的燃料油艙進行整體加熱到50℃左右，使燃油有較低的粘度，保證燃油輸送和凈化正常工作。以5000TEU集裝箱船為例，燃料油艙6 000 m3左右 ，加熱盤管長度3 000 m左右。在船舶設計過程中，燃料油艙通常分布在機艙區域和貨艙分段區域，加熱盤管設計需要設計人員反復進行三維管路操作繪制，計算修改才能完成。

當前，各類主流的船舶、汽車、飛機等行業的設計軟件提供了可視化的管路建模功能，但是管路設計還是需要設計人員一根根地建模布置。各行業中的管路設計主要依靠設計人員根據規范、制造工藝、工作經驗來完成布置管路設計。船舶復雜管系設計一貫是在船舶設計過程中占有較高的比重，對船舶設計和建造周期有很大影響。船舶管系智能設計系統開發和應用是船舶智能數字化設計的迫切需求，也是未來發展的必然趨勢。船舶加熱盤管系統作為船舶管系的一個組成部分，其環境相對獨立，要求設計較明確。因此船舶加熱盤管自動布置開發可以作為實現船舶管系自動布置的一個突破點，并可以實現較高工程實用價值。

船舶加熱盤管布置設計也可以理解成路徑規劃[1-4]。將艙室加熱盤管的進口作為路徑起點，出口作為路徑終點，船體結構作為障礙物，進行管系路徑規劃。目前的路徑規劃大部分都是以最短時間或者以最短路徑距離規劃為目標[5]，涉及管路自動布置研究一般是根據工藝規則并結合RRT算法、A*算法、遺傳算法等[6-8]實現管路規劃。但加熱盤管路徑規劃有著重要區別，首先，加熱盤管為了保證加熱量具有確定的長度要求。其次，加熱盤管需要保證加熱均勻，要求管路分布均勻。本文在達索公司的3DEXPERINCE V6 三維平臺上進行二次開發船舶加熱盤管自動布置系統，并進行相應船舶分段模型測試。

1 研究對象問題描述

1.1 加熱盤管外部環境

加熱盤管外部環境是封閉船體艙室結構。艙室內部四周主要分布縱骨、艙內肋骨、肋板等結構，有些特殊位置如舷底外板，四周會有一面是曲面板或斜板。艙室底部一般都是平面板。艙壁通常布置液位計、溫度指示器、溫度傳感器、液位高低位傳感器等設備和附件。同時內部通常包含一些測深管、用于料油輸送的吸口管路、加油管路等。

1.2 加熱盤管設計要求

根據油艙蒸汽加熱系統計算方法中的經驗公式可知[9-10]，加熱盤管有效長度有一定的上限值，依據艙室加熱量需要選擇合適的管徑。一般通徑DN40的管路最大長度可以到100 m左右, 通徑DN50的管路最大長度可以到130 m左右。同時，加熱盤管也可以采用多層布置，滿足加熱量要求。特殊要求也可以采用多根管路并排多層布置。如特殊的燃油艙室結構，在其艙室底部無法均勻布置管路時，也可以分區域分組多層均勻布置加熱盤管等多種方案，使總體上滿足加熱均勻即可。

1.3 加熱盤管布置要求

加熱盤管的進出口在艙室中位置，一般根據設計的綜合布置要求已基本確定，本文將此作為已知信息。加熱盤管一般采用套管連接，在設計布置過程中需要充分考慮現場焊接施工的要求。管子之間的間距控制大于250 mm，管子和艙壁結構之間的距離大于300 mm，有利于現場安裝操作。同時，為了有利于管子制作施工和充分發揮加熱效果，加熱盤管布置一般采用平行艙室底部，管系之間距離相等，均勻分布。如果單層加熱盤管布置長度達不到設計要求，可以采用多層布置。加熱盤管布置樣式具有多種方案（見圖1），具體的方案需要根據工藝要求和設計者偏好決定。

圖1 常規加熱盤管布置樣式Fig. 1 General heating pipe layout

2 加熱盤管自動布置算法研究

2.1 加熱盤管自動布置樣式

根據上文的管路布置要求，本文加熱盤管采用“S”型路徑規劃方案[11-12]。路徑規劃方案如下：以直徑等于管路直徑的球體作為探路者，從艙室進口開始一段距離后，以自定義開始方向，采用“S”型路徑向前探路。探路球體前方與周邊環境發生干涉，則開始改變方向，轉向進口方向前進一定距離后，沿著“S”型路徑開始方向的反向探路，通過不繼重復，遍歷環境空間，最終形成“S”型加熱盤管路徑（見圖2）。

圖2 “S”型路徑規劃方案Fig. 2 S type path planning scheme

2.2 加熱盤管路徑終止條件

本文探路球體遇到干涉時，采用路徑回溯算法判斷是否停止。路徑回溯算法如下：當干涉時，探路球體將沿著平行于開始方向的原路徑返回，并檢查沿著出口方向下一個轉折點是否干涉。如果下一個轉折點不干涉，且沒有經過起點附近，可以繼續探路（見圖3）。

反之探路球體如果一直干涉且與起點之間距離已到最小值，說明已經到達艙室內部最深處，停止探路（見圖4）。采用回溯算法優點是可以完整地遍歷整個艙室內部空間，同時避開艙室內部結構部件的干擾。通過完整地遍歷整個模型空間，可以計算單層加熱盤管可布置的長度最大值。

2.3 加熱盤管的出口管路算法

圖3 應用回溯算法繼續探路Fig. 3 Using backtracking algorithm to continue to explore the way

圖4 應用回溯算法終止探路Fig. 4 Using backtracking algorithm to stop to explore the way

在采用“S”型路徑規劃方案探路終止時，已知路徑并沒有與出口進行連接，因此增加出口管路路徑算法。管路路徑可以用一系列點P（x,y,z）坐標序列表達，其管路路徑表示為path={P1,P2,···,P8,P9,···,Pm}（見圖5）。

圖5 加熱盤管的出口管路算法Fig. 5 Outlet pipeline algorithm of heating pipe

從圖中可以看出，由公式i=4n+4和j=4n+5,其中n=0,1,2,3,4,5 ···，計算出來路徑中Pi點和Pj點是在出口側。同時通過公式可以判斷路徑中的最后一點Pm是否在出口側，方法是將m代入上述公式i和j中，計算n值。如果2個n都是非整數，則路徑中最后一個點是和進口在同一側，需要對現有路徑進行優化調整。如果有一個n值是整數，則路徑中最后一個點是和出口在同一側。通過公式對路徑剩余點進行計算，可以區分路徑點是否在出口側。對在出口側的點進行向進口方向平移自定義距離，并連接出口管路，可完成出口管路路徑布置。

2.4 加熱盤管的總長度優化

通過上述加熱盤管采用“S”型路徑規劃方案，采用最小限制的管距和最低的外部環境結構干涉距離參數，遍歷環境空間并計算得到加熱盤管的總長Lw。如果管子設計長度LK要求，則LK應小于等于實現模型總長Lr=2（2m+1）LC+2m（Lb-Ld）+2Lb-La,其中長管根數m=0,1,2,3,4,5 ···,m必需是非負整數。當m=0時，加熱盤管是單圈布置（見圖6）。

圖6 單圈布置加熱盤管Fig. 6 Single-loop pipe heating pipe

當m＞0時，可以保證加熱盤管布置根數必需是偶數（見圖7）。如果加熱盤管布置根數是奇數，將出現加熱盤管內部路徑連接錯誤或者出口路徑連接錯誤。通過調節依次參數m，Ld，LC，Lb的值，使得Lr與LK接近。首先在Ld，LC，Lb初始值情況下求出m的最小值，再在m不變的情況下調節Ld，LC，Lb的值，調節管系總長在設計要求5%以內，完成管系布置優化。

圖7 偶數根布置加熱盤管Fig. 7 Even number of heating pipes

3 加熱盤管自動布置體系統開發

3.1 系統總體框架

船舶加熱盤管自動布置系統總體框架分為4個部分：管路設計的數值參數設定、管路的參照物交互選擇、各種功能實現操作、自動布置管路結果信息的顯示，如圖8所示。

3.2 系統開發平臺

近年來，達索公司推出的3DEXPERINCE V6平臺，在飛機、船舶、汽車等多個領域都有廣泛的應用，同時提供了一套三維管路設計模塊。具有功能豐富的三維管路系統建模功能，但是管路自動布置功能還是處于空白區。因此本文基于組件的一種開發方法

圖8 系統總體框架Fig. 8 Overall framework of the system

3DEXPERINCE CAA（Components Application Architecture）和C++語言開發加熱盤管自動布置系統。主要調用CAA中CATInterfereSolver類用于檢查干涉檢查，CATFrmEditor類用于模型識別讀取，CATIMmiMechanicalFeature類用于三維模型特征讀取，CATMath-Point類和CATMathVector類用于空間向量計算。

3.3 系統功能介紹

開發的系統界面如圖9所示，其中主要參數有Pipe Diameter（管徑），Step Length（探路步長），Start Point（進口中心點）， Start Direction（進口方向），End Point（出口中心點），End Direction（出口方向）， Support Plane（管路的支撐面/參照面） ，Direction Plane（管路方向約束參照面），Total Length（設計總長）。有2個方向調節輔助功能：Start Direction功能是調整管路在艙室的進口方向，First Direction功能是調整加熱盤管路徑規劃的開始方向。應用Automatic Routing功能完成管路自動布置，Total Length欄顯示生成的管系模型實際總長。

圖9 軟件主界面Fig. 9 Software main interface

4 實例驗證

為驗證船舶加熱盤管的自動布置系統的可行性，在3DEXPERINCE V6軟件中打開需驗證艙室模型。其模型外形尺寸為15 000 mm×4 500 mm×4 600 mm，分成2個艙室，如圖10所示。

圖10 測試艙室模型Fig. 10 Test ship tank model

1）主程序中設置管子通徑為50 mm，探路步長20 mm，加熱盤管設計長度為50 000 mm；

2）在程序分別選擇艙室內進出口中心點和方向線來分別確定加熱盤管的起點和方向，加熱盤管的終點和方向；

3）分別選擇艙室結構的底面和正面來確定加熱盤管支撐面和管路布置開始方向。如果方向不對，可以調整加熱盤管進口方向和加熱盤管規劃開始方向。應用Automatic Routing功能計算加熱盤管路徑；

4）自動生成加熱盤管路徑和三維管路系統，如圖11所示。單層加熱盤管自動布置程序總計運行時間約為5 min。

圖11 單層加熱盤管布置Fig. 11 Single layer heating pipe arrangement

在實際應用中，如果加熱盤管設計要求是90 000 mm，在單層布置不能滿足設計要求的情況下，可以在程序中設置Layer Number（管路層數）參數為2，進行自動布置。加熱盤管出口可以根據Layer Distance（層高）參數，自動計算出口位置。應用加熱管路自動布置軟件 Automatic Routing功能計算加熱盤管布置路徑，如圖12所示。

圖12 多層加熱盤管布置路徑Fig. 12 Arrangement path of multi-layer heating pipe

最終自動生成加熱盤管三維管路系統，如圖13所示。雙層加熱盤管自動布置程序總計運行時間約為6 min。經過實際調研，設計人員在能一次性正確地布置本實例加熱盤管下，通常至少需要30 min以上。因此通過船舶加熱盤管的自動布置系統至少可以縮短80%以上設計時間。

圖13 多層加熱盤管布置模型Fig. 13 Layout model of multilayer heating pipe

5 結 語

本文通過研究船舶加熱盤管布置基本設計安裝要求和加熱盤管路徑規劃算法，在三維設計軟件平臺上開發船舶加熱盤管管路自動布置系統，進行開拓性的探索和實踐驗證。

1）通過對船舶加熱盤管設計和安裝要求進行分析可知，加熱盤管布置具有特定的規則，其外部環境影響較小，是管路自動布置系統實現有利條件。加熱盤管自動布置系統可有效減少加熱盤管手工布置的工作量，具有一定的工程應用價值。

2）通過采用“S”型路徑規劃方案，路徑回溯算法來判斷終止條件，出口管路算法形成完整路徑。最終采用加熱盤管的總長度優化算法，達到設計長度要求。

3）在3D EXPERIENCE V6 軟件平臺，應用CAA二次開發實現船舶加熱盤管系統。通過在具有代表性的船舶艙室分段結構環境下驗證，實現多種實用方案的船舶加熱管系自動布置，并縮短設計時間80%以上，取得了滿意的應用效果，驗證此系統具有工程實用價值。