摘 要：船舶管路空間布局難度較大，一般需要構(gòu)建多種模型進(jìn)行分析，而且要與船舶管路環(huán)境相適應(yīng)。本文主要結(jié)合船舶管路布局特點(diǎn)，研究了智能船舶管路優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在環(huán)境模型與指導(dǎo)機(jī)制基礎(chǔ)上使用新型算法對(duì)船舶管路智能布局進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)際應(yīng)用效果較理想。

關(guān)鍵詞：船舶管路；空間環(huán)境模型；方向指導(dǎo)機(jī)制；遺傳算法

目前在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響下，提高了我國(guó)船舶產(chǎn)品在國(guó)際的影響力。船舶管路布局是目前研究的熱點(diǎn)問題，為了適應(yīng)復(fù)雜多變的船舶環(huán)境，必須及時(shí)對(duì)其進(jìn)行探討。本次主要在建立模型基礎(chǔ)上對(duì)船舶自動(dòng)布局指導(dǎo)機(jī)制進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了船舶管路自動(dòng)布局優(yōu)化。

一、船舶管路布局環(huán)境模型

（一）艙室布局空間模型。首先，根據(jù)船舶艙室長(zhǎng)、寬、高度，將艙室類比為規(guī)則的長(zhǎng)方體，然后借助柵格技術(shù)劃分長(zhǎng)方體模型，分布為三維網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)區(qū)域，并使用直角坐標(biāo)標(biāo)注柵格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，（x，y，z）。最后對(duì)艙室模型進(jìn)行調(diào)整，由于很多艙室艙壁都是不規(guī)則形狀，所以艙室空間設(shè)置成禁止布局區(qū)域。

需要注意的是，柵格劃分大小對(duì)空間模型具有很大影響，一般可從以下幾方面進(jìn)行考慮：1.管子半徑。管路布局經(jīng)常使用管子中心線替代管子，所以柵格不能小于管路半徑，避免產(chǎn)生布局問題；2.管路之間必須留有足夠間隙，相鄰管路間隙不能少于20毫米，簡(jiǎn)而言之，柵格大小不能小于管路半徑與管路預(yù)留間隙之和。3.管路與障礙物及艙壁間隙。管路與障礙物及艙壁均要根據(jù)實(shí)際情況留有間隙。單管路柵格不能小于管路加艙壁及上管路障礙物之和，實(shí)際布局中必須綜合分析，結(jié)合實(shí)際情況正確調(diào)整。

（二）障礙物模型。障礙物模型表示艙室設(shè)備、艙壁、過(guò)道及船體結(jié)構(gòu)不能穿過(guò)物體而構(gòu)建的模型。本次研究中主要使用姿態(tài)空間建模方法進(jìn)行分析，實(shí)際建設(shè)中需要遵循以下原則。第一，姿態(tài)空間屬于障礙物包絡(luò)體，可以將障礙物包含在姿態(tài)空間中，沒有伸出姿態(tài)空間外的內(nèi)容。第二，姿態(tài)空間一般結(jié)合障礙物固定屬性設(shè)置，如障礙物為電纜，要求管路與電纜距離控制在100毫米，電纜姿態(tài)空間還要包含電纜周圍100毫米的空間。第三，姿態(tài)空間必須對(duì)機(jī)械設(shè)備的可操作性與維修性進(jìn)行考慮，要求障礙物周圍必須留有一定的維修空間，而且要將姿態(tài)空間計(jì)算在內(nèi)。

（三）管路模型。該模型設(shè)計(jì)時(shí)一般使用中心線理論進(jìn)行分析，要求將管路壁厚與半徑均縮小成0，布局時(shí)使用管路中心線布置管路。

（四）布局優(yōu)劣區(qū)域模型。布局優(yōu)劣區(qū)域模型通常根據(jù)物體布置要求、艙室空間環(huán)境與功能特性等進(jìn)行布置，一般由狀態(tài)值模型和能量值模型組成。前者可對(duì)區(qū)域布置管路進(jìn)行判斷，一般將布置艙室劃分成可不止區(qū)域和禁止布置區(qū)域分析。后者應(yīng)用于區(qū)域示范適合布置管路，可結(jié)合布置物體要求、功能等將艙室分為很多不同的能量區(qū)域，并對(duì)區(qū)域布置物體進(jìn)行計(jì)算。

（五）船舶管路布局指導(dǎo)機(jī)制。管路智能布局設(shè)計(jì)時(shí)要求初始種群各對(duì)應(yīng)一條布管路徑，必須從起點(diǎn)向終點(diǎn)開展，有時(shí)因無(wú)法得到初始路徑方案而進(jìn)入死循環(huán)，所以必須使用引導(dǎo)機(jī)制提高初始個(gè)體質(zhì)量。首先將6個(gè)方向分為兩組，一組與終點(diǎn)方向相同，另一種與終點(diǎn)方向背離。結(jié)合引導(dǎo)機(jī)制可知前組概率大于后者概率。

二、數(shù)值仿真

本次構(gòu)建了數(shù)值仿真，并布置空間劃分為下圖3所示的網(wǎng)格，并在WinJows XP基礎(chǔ)上開展了進(jìn)化遺傳算法。

圖3中，群體大小用n表示，變異概率為Pm，雜交概率為Pc，由于目前還沒有得到進(jìn)化算法最優(yōu)參數(shù)，所以很多研究結(jié)果主要應(yīng)用于進(jìn)化算法的最優(yōu)參數(shù)選擇中，主要從已有實(shí)驗(yàn)中得到經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得到M=40，Pc=0.8，Pm=0.06，A=10000，a=3，b=3，c=4，J=20。終止為穩(wěn)定狀態(tài)（種群比例個(gè)體相同），反復(fù)試驗(yàn)將比例參數(shù)設(shè)置成0.8，個(gè)體達(dá)到80%時(shí)，算法終止。

在改進(jìn)遺傳算法基礎(chǔ)上，本次選取了較多的方向參數(shù)值，并開展了仿真實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)分析可知，當(dāng)P設(shè)置為16時(shí)，所得到的實(shí)驗(yàn)效果較理想。

三、船舶管路智能布局未來(lái)發(fā)展方向

（一）船舶管路智能布局是設(shè)計(jì)人員利用長(zhǎng)期實(shí)踐過(guò)程所完成的設(shè)計(jì)。船舶管路智能布局優(yōu)化設(shè)計(jì)要求將人工智能與計(jì)算機(jī)技術(shù)成功應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，然后在行業(yè)領(lǐng)域中，根據(jù)專家自身知識(shí)機(jī)構(gòu)與經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行推理和判斷，解決船舶管路的復(fù)雜問題。目前專家系統(tǒng)已經(jīng)成為解決管路設(shè)計(jì)布局最有效的方法，所以在今后研究中還要構(gòu)建專家船舶管路布局系統(tǒng)，同時(shí)將多種布局與算法應(yīng)用到系統(tǒng)中，借助人際互換方式開展管路及其附件布局任務(wù)設(shè)計(jì)。

（二）船舶管路布局中不僅有很多直管，同時(shí)也有大量分支管路，或串并聯(lián)形成的管網(wǎng)。今后研究中還要管網(wǎng)與分支布局問題進(jìn)行深入探究。

（三）由于船舶管路智能布局較復(fù)雜，因此在實(shí)際操作中，必須將多種因素考慮在內(nèi)，避免在今后應(yīng)用中設(shè)備、風(fēng)道等對(duì)管路布局優(yōu)化造成影響，可以將眾多影響因素進(jìn)行綜合分析，協(xié)調(diào)布置，認(rèn)真探究。

（四）正交管路已經(jīng)成為船舶管路當(dāng)前應(yīng)用的主要布局樣式，一般特殊要求管路布局時(shí)，可采用正交管路布置方法操作，結(jié)合管路走向與船體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并構(gòu)建空間模型與網(wǎng)格，讓管路滿足不同走向要求。

（五）船舶管路屬于“單輸入-多輸出”問題，雖然用戶對(duì)布置設(shè)計(jì)目標(biāo)提出的要求較單一，但是最終設(shè)計(jì)結(jié)果較多樣，而且均能滿足用戶需求。因此在今后研究中必須構(gòu)建船舶管路布置設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)方法和體系，設(shè)計(jì)用戶最滿意的船舶管路。

四、結(jié)語(yǔ)

目前在經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，海洋工程船只需求量越來(lái)越大，已經(jīng)得到了眾多人員的重視。本文主要對(duì)船舶管路智能布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要利用障礙物模型、布局空間模型等進(jìn)行分析，最后開展了改進(jìn)遺傳算法，設(shè)計(jì)了船舶管路布局，并對(duì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，得到了理想的結(jié)果，可以給船舶管路智能布局相關(guān)問題提供借鑒。

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