許曉東，何麗絲，王德禹

(上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

0 引 言

為了保證遠洋船舶航行燃料使用的經(jīng)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(shè)計過程中，燃料油艙通常分布在機艙區(qū)域和貨艙分段區(qū)域，加熱盤管設(shè)計需要設(shè)計人員反復(fù)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(yè)的設(shè)計軟件提供了可視化的管路建模功能，但是管路設(shè)計還是需要設(shè)計人員一根根地建模布置。各行業(yè)中的管路設(shè)計主要依靠設(shè)計人員根據(jù)規(guī)范、制造工藝、工作經(jīng)驗來完成布置管路設(shè)計。船舶復(fù)雜管系設(shè)計一貫是在船舶設(shè)計過程中占有較高的比重，對船舶設(shè)計和建造周期有很大影響。船舶管系智能設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用是船舶智能數(shù)字化設(shè)計的迫切需求，也是未來發(fā)展的必然趨勢。船舶加熱盤管系統(tǒng)作為船舶管系的一個組成部分，其環(huán)境相對獨立，要求設(shè)計較明確。因此船舶加熱盤管自動布置開發(fā)可以作為實現(xiàn)船舶管系自動布置的一個突破點，并可以實現(xiàn)較高工程實用價值。

船舶加熱盤管布置設(shè)計也可以理解成路徑規(guī)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(jié)構(gòu)作為障礙物，進行管系路徑規(guī)劃。目前的路徑規(guī)劃大部分都是以最短時間或者以最短路徑距離規(guī)劃為目標[5]，涉及管路自動布置研究一般是根據(jù)工藝規(guī)則并結(jié)合RRT算法、A*算法、遺傳算法等[6-8]實現(xiàn)管路規(guī)劃。但加熱盤管路徑規(guī)劃有著重要區(qū)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(fā)船舶加熱盤管自動布置系統(tǒng)，并進行相應(yīng)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(huán)境

加熱盤管外部環(huán)境是封閉船體艙室結(jié)構(gòu)。艙室內(nèi)部四周主要分布縱骨、艙內(nèi)肋骨、肋板等結(jié)構(gòu)，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(shè)備和附件。同時內(nèi)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(shè)計要求

根據(jù)油艙蒸汽加熱系統(tǒng)計算方法中的經(jīng)驗公式可知[9-10]，加熱盤管有效長度有一定的上限值，依據(jù)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(jié)構(gòu)，在其艙室底部無法均勻布置管路時，也可以分區(qū)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(jù)設(shè)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(shè)計布置過程中需要充分考慮現(xiàn)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(jié)構(gòu)之間的距離大于300 mm，有利于現(xiàn)場安裝操作。同時，為了有利于管子制作施工和充分發(fā)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(shè)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(jù)工藝要求和設(shè)計者偏好決定。

圖1 常規(guī)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(jù)上文的管路布置要求，本文加熱盤管采用“S”型路徑規(guī)劃方案[11-12]。路徑規(guī)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(huán)境發(fā)生干涉，則開始改變方向，轉(zhuǎn)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(fù)，遍歷環(huán)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(guī)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(zhuǎn)折點是否干涉。如果下一個轉(zhuǎn)折點不干涉，且沒有經(jīng)過起點附近，可以繼續(xù)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(jīng)到達艙室內(nèi)部最深處，停止探路（見圖4）。采用回溯算法優(yōu)點是可以完整地遍歷整個艙室內(nèi)部空間，同時避開艙室內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yīng)用回溯算法繼續(xù)探路Fig. 3 Using backtracking algorithm to continue to explore the way

圖4 應(yīng)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(guī)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(cè)。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(cè)，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(shù)，則路徑中最后一個點是和進口在同一側(cè)，需要對現(xiàn)有路徑進行優(yōu)化調(diào)整。如果有一個n值是整數(shù)，則路徑中最后一個點是和出口在同一側(cè)。通過公式對路徑剩余點進行計算，可以區(qū)分路徑點是否在出口側(cè)。對在出口側(cè)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(yōu)化

通過上述加熱盤管采用“S”型路徑規(guī)劃方案，采用最小限制的管距和最低的外部環(huán)境結(jié)構(gòu)干涉距離參數(shù)，遍歷環(huán)境空間并計算得到加熱盤管的總長Lw。如果管子設(shè)計長度LK要求，則LK應(yīng)小于等于實現(xiàn)模型總長Lr=2（2m+1）LC+2m（Lb-Ld）+2Lb-La,其中長管根數(shù)m=0,1,2,3,4,5 ···,m必需是非負整數(shù)。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(shù)必需是偶數(shù)（見圖7）。如果加熱盤管布置根數(shù)是奇數(shù)，將出現(xiàn)加熱盤管內(nèi)部路徑連接錯誤或者出口路徑連接錯誤。通過調(diào)節(jié)依次參數(shù)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(diào)節(jié)Ld，LC，Lb的值，調(diào)節(jié)管系總長在設(shè)計要求5%以內(nèi)，完成管系布置優(yōu)化。

圖7 偶數(shù)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(tǒng)開發(fā)

3.1 系統(tǒng)總體框架

船舶加熱盤管自動布置系統(tǒng)總體框架分為4個部分：管路設(shè)計的數(shù)值參數(shù)設(shè)定、管路的參照物交互選擇、各種功能實現(xiàn)操作、自動布置管路結(jié)果信息的顯示，如圖8所示。

3.2 系統(tǒng)開發(fā)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(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，同時提供了一套三維管路設(shè)計模塊。具有功能豐富的三維管路系統(tǒng)建模功能，但是管路自動布置功能還是處于空白區(qū)。因此本文基于組件的一種開發(fā)方法

圖8 系統(tǒng)總體框架Fig. 8 Overall framework of the system

3DEXPERINCE CAA（Components Application Architecture）和C++語言開發(fā)加熱盤管自動布置系統(tǒng)。主要調(diào)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(tǒng)功能介紹

開發(fā)的系統(tǒng)界面如圖9所示，其中主要參數(shù)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(shè)計總長）。有2個方向調(diào)節(jié)輔助功能：Start Direction功能是調(diào)整管路在艙室的進口方向，F(xiàn)irst Direction功能是調(diào)整加熱盤管路徑規(guī)劃的開始方向。應(yīng)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(tǒng)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(shè)置管子通徑為50 mm，探路步長20 mm，加熱盤管設(shè)計長度為50 000 mm；

2）在程序分別選擇艙室內(nèi)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(jié)構(gòu)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(diào)整加熱盤管進口方向和加熱盤管規(guī)劃開始方向。應(yīng)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(tǒng)，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(yīng)用中，如果加熱盤管設(shè)計要求是90 000 mm，在單層布置不能滿足設(shè)計要求的情況下，可以在程序中設(shè)置Layer Number（管路層數(shù)）參數(shù)為2，進行自動布置。加熱盤管出口可以根據(jù)Layer Distance（層高）參數(shù)，自動計算出口位置。應(yīng)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(tǒng)，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(jīng)過實際調(diào)研，設(shè)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(tǒng)至少可以縮短80%以上設(shè)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(jié) 語

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

1）通過對船舶加熱盤管設(shè)計和安裝要求進行分析可知，加熱盤管布置具有特定的規(guī)則，其外部環(huán)境影響較小，是管路自動布置系統(tǒng)實現(xiàn)有利條件。加熱盤管自動布置系統(tǒng)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(yīng)用價值。

2）通過采用“S”型路徑規(guī)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(yōu)化算法，達到設(shè)計長度要求。

3）在3D EXPERIENCE V6 軟件平臺，應(yīng)用CAA二次開發(fā)實現(xiàn)船舶加熱盤管系統(tǒng)。通過在具有代表性的船舶艙室分段結(jié)構(gòu)環(huán)境下驗證，實現(xiàn)多種實用方案的船舶加熱管系自動布置，并縮短設(shè)計時間80%以上，取得了滿意的應(yīng)用效果，驗證此系統(tǒng)具有工程實用價值。