趙明超 吳桂軍 徐光旗

摘要：社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步極大地推動(dòng)了我國船舶制造行業(yè)的發(fā)展。船舶制造不管是在生產(chǎn)工藝和技術(shù)，還是在生產(chǎn)質(zhì)量和效率方面都實(shí)現(xiàn)了飛躍。船舶是海運(yùn)的基本交通工具，船舶制造的進(jìn)步保證了海洋運(yùn)輸?shù)陌踩?。?yōu)化船舶結(jié)構(gòu)是相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜已芯康闹匾n題，是船舶制造企業(yè)的發(fā)展出路。以現(xiàn)有結(jié)構(gòu)優(yōu)化原理為基礎(chǔ)，加大對新技術(shù)、新工藝的研究投入，擺脫傳統(tǒng)技術(shù)的弊端，加強(qiáng)理念創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新。本文以船舶為研究對象，以船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法為主題，展開了具體細(xì)致的研究，希望對船舶制造企業(yè)具有指導(dǎo)性的意義，提高我國船舶生產(chǎn)制造的質(zhì)量和綜合水平。

關(guān)鍵詞：船舶；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；方法研究；合理建議

引言

物流運(yùn)輸行業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)必不可少的組成部分。改革開放以來，我國物流運(yùn)輸業(yè)取得了一定的成果，呈現(xiàn)出運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)化、高速化、大型化的發(fā)展趨勢。水路運(yùn)輸是五種基本交通運(yùn)輸方式之一，水路運(yùn)輸所依賴的交通工具就是船舶。船舶制造水平的進(jìn)步提高了水路交通的速率，增強(qiáng)了水路運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢。船舶的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是船舶設(shè)計(jì)的核心，只有優(yōu)化船舶結(jié)構(gòu)，才能在保證船舶安全穩(wěn)定航行的前提下，進(jìn)一步提高船舶航行速率。船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化越來越受到船舶制造企業(yè)和相關(guān)政府部門的重視，加強(qiáng)設(shè)計(jì)方法的研究勢在必行。從不同的角度出發(fā)，船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化有不同的設(shè)計(jì)方法，下面將展開具體的研討。

1 船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法分析

1.1 早期應(yīng)用的優(yōu)化方法

在社會發(fā)展水平較為的低下的早期，船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法也比較淺顯，內(nèi)容單一。主要使用公式和計(jì)算機(jī)，對船舶結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的、簡單的優(yōu)化。第一步，相關(guān)人員向計(jì)算機(jī)輸入所需公式，輸入時(shí)要以計(jì)算機(jī)能夠讀懂的代碼為語言。第二步，計(jì)算機(jī)自動(dòng)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)完成計(jì)算，發(fā)揮其強(qiáng)大的計(jì)算功能。第三步，相關(guān)人員在深入分析計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上確定優(yōu)化方法。以計(jì)算機(jī)和公式為主要工具的設(shè)計(jì)方法，體現(xiàn)了船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的初步發(fā)展，提高了相關(guān)人員的設(shè)計(jì)工作效率，促進(jìn)了我國船舶制造和遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展。

早期優(yōu)化方法充分使用了數(shù)學(xué)方法和理論，分析船舶的物理結(jié)構(gòu)，協(xié)調(diào)各級各層結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，從宏觀層面對比分析船舶的兩級結(jié)構(gòu)。從迭代思想出發(fā)，調(diào)整船舶兩級結(jié)構(gòu)的部分變量，使前期問題與目前問題產(chǎn)生固定的聯(lián)系。早期優(yōu)化方法有一定的先進(jìn)性，例如適應(yīng)范圍廣、收斂性高、簡單易懂、計(jì)算方便簡單等。不可否認(rèn)地，早期優(yōu)化方法與現(xiàn)代優(yōu)化方法相比弊端顯露。第一，理論性較強(qiáng)，以數(shù)學(xué)理論為計(jì)算基礎(chǔ)，使用公式計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)難以估計(jì)收斂性，船舶結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。第二，早期優(yōu)化方法受設(shè)計(jì)人員工作經(jīng)驗(yàn)的影響度高。選擇優(yōu)化方法的初始位置是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的首要步驟，對優(yōu)化效果具有直接影響。設(shè)計(jì)人員往往通過多次重復(fù)計(jì)算和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來確定初始位置，容易出現(xiàn)失誤或偏差。因此，為促進(jìn)船舶制造的發(fā)展，要進(jìn)一步加大對船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究。

1.2 智能化優(yōu)化方法

機(jī)遇和挑戰(zhàn)是一對矛盾，社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一方面為船舶運(yùn)輸帶來了極大的發(fā)展機(jī)遇，另一方面對船舶的質(zhì)量和功能提出了更高的要求，具體衡量指標(biāo)有最大運(yùn)輸噸位、最大航行速率、最大存儲空間、安全性能等。船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的內(nèi)容更加豐富，從內(nèi)部艙體結(jié)構(gòu)延伸到包括甲板、剖面的外部結(jié)構(gòu)。擴(kuò)大優(yōu)化工作范圍，計(jì)算時(shí)的數(shù)量、函數(shù)以及約束條件會同步增加。早期優(yōu)化方法的局限性顯露，難以適應(yīng)數(shù)據(jù)龐大、流程復(fù)雜的計(jì)算工作。值得注意的是，早期優(yōu)化方法主要是針對船舶的靈敏度，涵蓋的數(shù)據(jù)較為單調(diào)。船舶運(yùn)輸業(yè)的進(jìn)步和發(fā)展催生了新的需求。如何提高船舶運(yùn)輸?shù)男屎唾|(zhì)量，成為專家和學(xué)者的研究主題。在發(fā)展的時(shí)代背景下，更加科學(xué)合理的智能化優(yōu)化方法應(yīng)運(yùn)而生。

智能化優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)在于，以數(shù)學(xué)理論為解決問題的基礎(chǔ)，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行智能化運(yùn)算，減少了對數(shù)據(jù)資料的依賴程度，發(fā)展了尋找最優(yōu)變量的新功能。其基本原理為：第一步，整理產(chǎn)品資料，分析數(shù)據(jù)信息，總結(jié)產(chǎn)品具有的普遍性特質(zhì)，建立分析模式。第二步，使用類比法、關(guān)聯(lián)法，找出樣本與設(shè)計(jì)目標(biāo)的異同點(diǎn)。第三步，根據(jù)統(tǒng)一指標(biāo)歸納出新模式，通過比較確定最合適的優(yōu)化方法。智能化優(yōu)化方法相較于早期優(yōu)化方法，具有先進(jìn)之處。智能化優(yōu)化方法具備自動(dòng)查找最優(yōu)變量的功能，突破了早期點(diǎn)對點(diǎn)查找的弊端，發(fā)展以種群、蟻群為典型代表的群體算法，更新了尋優(yōu)算法理論，實(shí)現(xiàn)了理論創(chuàng)新。早期優(yōu)化方法或早或晚會遭到淘汰，新興的智能優(yōu)化方法將取而代之，這是發(fā)展的必然趨勢。以下三個(gè)方面可以充分印證。第一，智能化優(yōu)化方法對復(fù)雜計(jì)算工作的適應(yīng)性強(qiáng)，輸入數(shù)量、函數(shù)、約束條件便可以通過迭代法自動(dòng)完成計(jì)算。第二，智能化優(yōu)化方法對確定初始位置的依賴性較小，計(jì)算結(jié)果受影響小、更加可靠。第三，智能化優(yōu)化方法使用群體算法，能滿足非線性、高緯度的計(jì)算工作，降低設(shè)計(jì)工作的難度，實(shí)現(xiàn)船舶結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化?？偟膩碚f，智能化優(yōu)化方法對船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化至關(guān)重要。

2 提高船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法有效性的措施

2.1 提高設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素養(yǎng)

早期的船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化更多依賴設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)。與之相反，智能化優(yōu)化方法對設(shè)計(jì)人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的依賴性大幅度降低。盡管在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，智能化優(yōu)化方法占有一席之地并繼續(xù)擴(kuò)大其影響力，但并不意味著所有的設(shè)計(jì)人員都掌握了新理念、新方法，提高設(shè)計(jì)工作的有效性仍然是一個(gè)難題。要加大對設(shè)計(jì)人員的培新力度，鼓勵(lì)設(shè)計(jì)人員學(xué)習(xí)新型的設(shè)計(jì)方法，踐行新型的設(shè)計(jì)理念，增強(qiáng)創(chuàng)新意識，提高設(shè)計(jì)人員的專業(yè)素養(yǎng)和綜合能力，為我國船舶制造和運(yùn)輸業(yè)培養(yǎng)一支高素質(zhì)的人才隊(duì)伍。

2.2 算法的進(jìn)一步優(yōu)化

船舶生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步體現(xiàn)之一在于算法的進(jìn)步。在算法的選擇上，要根據(jù)船舶的構(gòu)造確定最合適的算法。算法在船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中占有重要地位，提高算法的有效性是設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)內(nèi)容。一方面，加大對算法的研究投入，減少非相關(guān)因素的負(fù)面影響，提高算法的精準(zhǔn)度。另一方面，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，增強(qiáng)創(chuàng)新能力，根據(jù)成功的船舶優(yōu)化案例，進(jìn)一步開展對優(yōu)化方法的研究，以促進(jìn)我國船舶業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。

總結(jié)

做好船舶結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)工作，有利于保證船舶運(yùn)輸?shù)陌踩€(wěn)定、促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。加大人才培養(yǎng)力度，提高設(shè)計(jì)人員的專業(yè)知識水平，重視結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，提高優(yōu)化方法的科學(xué)性，朝著智能化的方向發(fā)展。減少設(shè)計(jì)人員對以往經(jīng)驗(yàn)的依賴，更多地依靠先進(jìn)的、智能化的專業(yè)知識和技術(shù)。從而縮減我國與歐美等發(fā)達(dá)國家的差距，與發(fā)達(dá)國家船舶制造水平保持一致，實(shí)現(xiàn)我國船舶制造和運(yùn)輸業(yè)的飛躍發(fā)展。

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（作者單位：南通諾德瑞海洋工程研究院有限公司）