船舶管路智能布局优化设计

船舶管路智能布局优化设计

王金林

扬州中远海运重工有限公司江苏扬州225000

摘要：管系设计是船舶设计的重要内容之一，优质的管系设计对于船舶安全性、经济性、总体布局的合理性、可操作性、维修及保证船舶各种机械的正常运转和安全航行起着不可替代的作用．ＦＰＳＯ、ＬＮＧ和ＬＰＧ等高附加值船型复杂管路布局的优化设计，对提高船舶管系设计质量，降低造船成本，从质量和造价方面增强我国船舶产品在国际市场上的竞争力意义重大．船舶管路布局优化设计是在给定的几何、拓扑、技术、规则等约束中求解各种最优管路布置结果的过程。基于此，本文主要对船舶管路智能布局优化设计进行分析探讨。

关键词：船舶管路；智能布局；优化设计

1、前言

船舶管路布局优化设计研究的主要目的是利用当前先进的计算机技术，满足相关技术和公约规范等约束条件，寻找一种能自动化地解决管路优化布局的快速而有效的方法，类似于三维空间内的机器人路径寻优．近年来，随着全球气候及经济格局的变化，经济，绿色环保逐渐成为船舶领域研究的热点．针对复杂多变的船舶管路布局环境，本文尝试建立船舶管路布局环境模型．该模型包括布局空间模型、障碍物模型和布局优劣区域模型，进行船舶管路的自动布局优化，取得了更好的优化效果．

2、船舶管路布局环境模型

2.1舱室布局空间模型

舱室布局空间模型是指将要进行管路布置的舱室空间的数学模型．本文采用栅格法建立舱室布局空间模型．具体步骤如下：

（１）根据舱室的长宽高将舱室空间简化为一个规则的长方体．

（２）用栅格法技术对长方体模型进行栅格划分，分隔布局空间为三维网格节点区域（栅格），并采用直角坐标系标识法给每个栅格节点赋予一个惟一的坐标（位置）值（ｘ，ｙ，ｚ）．

（３）根据舱室空间的实际情况对模型进行修正．实际上大部分舱室空间通常并不是规则的长方形，如舷侧舱室一般具有曲面舱壁的不规则形状，此时就要对模型进行修正，将模型中不属于舱室布局空间内的区域设置成禁止布置区域．图１显示了舷侧舱室布局空间模型的建立过程．划分栅格时，栅格大小是决定空间模型好坏的一个重要因素．栅格太大，空间划分不够细致，会造成后续自动布局优化困难；栅格太小，则会增加模型空间的数据量，进而增加后续自动布局优化计算的时间．因而，栅格设计直接影响着空间模型的好坏，栅格大小一般要依据如下几个要素进行设定：

（１）管子的半径．因为管路布局时会用管子的中心线来代替管子进行布置，所以栅格的大小不能小于管路的半径大小，否则会造成布局的错误．

（２）管路之间的预留间隙．邻近两根管子及管路附件间应留有间隙，用于检修和安装等，一般间距应不小于２０ｍｍ．因此，栅格大小应不小于管路半径和管路之间的预留间隙之和．

（３）管路与障碍物以及舱壁之间的间隙．管路与障碍物及舱壁之间应留有间隙，该间隙可根据实际情况确定．单管路布局时栅格大小应不小于管路半径加上管路障碍物及舱壁之间的间隙之和．当多管路布局时，栅格大小可选大者，实际布置时再根据管子直径进行调整．

2.2障碍物模型

障碍物模型是指根据舱室中机器设备、舱壁、过道、已敷设的管路和船体结构等管路布局时不能穿过的物体所建立的模型．大多数障碍物的形状都不是规则的，如果建模时按照实际形状建立，则不仅建模的工作量大，而且会增加进行优化计算时的数据量，因而大多数研究学者都将障碍物简化为规则的形状进行建模．然而，这种简化在建模时往往只考虑了障碍物的几何形状尺寸，并未考虑到障碍物本身所固有的特性以及可维修性，因而本文提出了姿态空间建模方法，即通过建立一个或多个规则的长方体将障碍物完全包含在这些长方体中．姿态空间建立时应遵循如下的原则：

（１）姿态空间是障碍物的一个包络体，即障碍物完整地被包含在姿态空间中，没有伸出姿态空间外的部分．

（２）姿态空间要根据障碍物的固有属性来设置．例如，障碍物是电缆，且要求电缆与管路之间距离至少为１００ｍｍ，电缆的姿态空间应包含电缆周围１００ｍｍ的空间．

（３）姿态空间要考虑机械设备的可操作性和维修性，即要在障碍的周围保留一定的操作维修空间时，可将其也计算在姿态空间的包络体内．

2.3管路模型

管路布局设计时通常采用中心线理论，即将管路的半径和壁厚都缩小为０，在布局设计时用管路的中心线来代表管路进行布置．

2.4布局优劣区域模型

船舶管路布局优劣区域模型是根据待布置物体的布置要求、功能特性、舱室空间环境等，将待布置舱室空间划分成各个不同的布置区域，并且通过状态值和能量值来判断该区域是否适合布置待布置管路．船舶管路布局优劣区域模型由状态值模型和能量值模型２部分构成．

状态值模型用于判断该区域能否布置管路．在管路布局设计时，通常将待布置舱室空间划分成２大类区域：可布置区域和禁止布置区域．禁止布置区域是指在舱室空间中由于舱室环境或者管路自身的功能特性而不能进行管路布置的区域．前面提到的建立舱室空间时的舱室外的区域以及障碍物区域都属于禁止布置区域．为了将禁止布置区域与可布置区域的区别，给每个栅格节点赋予一个状态值．通过栅格节点状态值的大小来判断栅格节点是否位于禁止布置区域内，进而判断能否让管路通过该区域．本文将禁止布置区域内的栅格节点的状态值都设置为１，而位于可布置区域的栅格节点的状态值为０．能量值模型用于判断区域是否适合布置管路．

能量值模型通过根据待布置物体的布置要求和功能特性，以及舱室空间环境，用能量值法将待布置舱室空间划分成各个不同的能量区域，并且赋予这些能量区域不同的能量值，根据能量值的大小，计算机可以判断该区域是否适合布置待布置物体．由于本文舱室布局空间模型采用了栅格法中的坐标系法的标识方法，故可以通过赋予每个栅格节点能量值的方式来建立能量区域模型．在管路布局设计时，能量值越小的节点，其优先权值越大，越希望管路通过该节点，即栅格节点的能量值越小，越适合布置管路．因为管路一般沿着舱壁或障碍物进行布置，所以舱壁或障碍物附近的区域的能量值要小于其他区域的能量值．根据管路的布置规则和约束，将布局空间按能量值的不同化分为优势区、过渡区、一般区域和禁止区，能量值从优势区域的最小能量值逐渐增大到一般区域最大值，同时设定网格节点的状态值．

2.5船舶管路布局方向指导机制

在管路智能布局设计时，初始种群中的每个个体都对应着一条布管路径．一条路径必须从起点走到终点，在格栅法建立的舱室布局空间模型中路径在通过一个节点进入下一个节点之前，有６个方向可供选择，如果路径在布局空间内完全随机性生成，那么６个方向选择的概率是一致的，可能造成路径前进的方向与终点方向相背离，不仅使生成个体的时间变长，而且生成个体的质量也得不到保证．有时甚至可能无法得到有效的初始路径方案，使得程序陷入死循环中进而崩溃．因此，需要通过采用一种机制来引导路径前进的方向，由此便提出了方向指导机制的概念．方向指导机制是指在生成初始路径时，设定向终点方向前进的概率要大于其相反方向的概率，以此来提高初始个体的质量．

3、结语

随着海洋工程船和海洋平台的需求量日益增加，管路智能优化设计越来越受到设计建造人员的重视，本文针对复杂多变的船舶管路布局空间结构建立了管路布局环境模型．该模型包括：布局空间模型、障碍物模型和布局优劣区域模型．

参考文献：

［1］王运龙，王晨，纪卓尚，等．船舶居住舱室智能布局优化设计方法研究［Ｊ］．中国造船，２０１３，５４（３）：１３９－１４６．

［2］范小宁，林焰，纪卓尚．船舶管路三维布局优化的变长度编码遗传算法［Ｊ］．中国造船，２００７，４８（１）：８２－９０．