船舶管路自动布置方法及应用研究
: 现代船舶系统构成中包含大量具有各种功能的管路,管路分布在船体结构中,并延伸到船舶各个系统、舱室、设备以及角落,用以进行船舶各区域及设备间的液体、气体传输,以及电力和通讯电缆等管线布置,因此船舶管路设计是船舶设计的重要内容之一。
高质量的管路设计是保障各种船舶机械和电气设备正常运转的重要因素,同时也能为全船优化布局提供基础。
国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)将船舶管路设计分为初步设计、功能设计、详细设计、生产设计和系统支持信息五个连续阶段。
管路布置,也称为管路路径设计,作为管路详细设计阶段的初始活动格外重要,后续各管路设计活动都依赖于管路布置结果。
船舶管路数量巨大、约束繁杂,设计结果易受船体结构和设备位置变更影响,而且由于船舶生产具有订制性,管路设计结果难以复用,导致管路布置困难且耗时,目前尚无商品化的船舶管路自动布置系统可供应用。
随着造船工业水平不断提高,依靠人工完成的传统管路布置方法已成为影响船舶设计效率提升的瓶颈因素之一。
因此,研究船舶管路自动布置方法、设计船舶管路自动布置系统,对缩短造船周期,提高管路设计质量,促进数字化造船发展具有重要意义。
从上世纪七十年代起,船舶管路布置问题开始受到研究者关注,设计环境从二维平面扩展到三维空间,限制条件从单目标单约束发展到多目标多约束,其间提出了很多有效的求解方法,但由于问题的领域特殊性和复杂性,迄今为止仍有诸多问题有待深入研究。
本文首先从研究自动化管路布置算法的角度对船舶管路布置规则进行分类,并设计规则的处理方法;接着分析了管路布置问题的构成要素、数学表示,以及船舶管路布置中的典型布置情形,进而设计了一种适合船舶管路自动布置系统应用的软件结构,分析了相应的软件应用流程,为后续船舶管路布置方法研究提供方向指导;针对四种典型的船舶管路布置情形,提出并实现了几种新型的船舶管路自动布置方法,并在方法研究中结合管路布置约束处理和算法效率优化。
船舶管路自动布置方法研究包括以下内容:(1)针对在复杂约束条件下进行高效率船舶管路布置的需求,提出基于最短路径快速算法和改进A*算法在网格空间进行管路布置的方法及优化策略。
首次将最短路径快速算法扩展到求解三维船舶管路布置问题,并对结点扩展策略、路径回溯机制和次优路径生成方法等进行设计;在改进A*算法中,对Open表数据结构及更新策略、算法并行化改进、评价函数设计和算法流程优化等进行研究。
实验结果表明船舶管路布置的最短路径快速算法和改进A*算法具有可行性和高效性,敷设结果满足管路布置的有效性、经济性、安全性和易维护性。
(2)针对多管路或带分支管路布置优化结果受管路或分支管路敷设顺序影响的问题,提出以Lee算法作为路径生成算法,以禁忌搜索算法作为敷管顺序优化算法,构建组合优化算法求解。
路径生成算法按顺序决策生成管路布置方案,顺序优化算法根据管路布置方案调整管路敷设顺序,两个过程互相配合、迭代提升,逐渐实现管路布置的整体优化。
实验结果表明,该组合方法既能发挥确定性寻路算法的高效率,又能发挥非确定性智能算法的寻优能力,适合对大规模管路布置问题按管径尺寸分组后,求解各分组内的多管路或分支管路布置。
-(3)针对船舶管路布置情形中存在多管路或分支管路需要协作布置以使管路整体布局优化的问题,提出了一种基于协同进化算法求解的统一算法框架,分别采用遗传算法和粒子群优化算法对代表各管路的种群执行协同进化过程,将协同进化算法与群智能优化算法融合使用,避免了传统方法在复杂约束条件下布置多管路会引起组合爆炸的问题。
提出基于路径连接点的定长个体编码方法,采用A*算法或连接模式法生成相邻连接点间的子段路径,降低了进化过程中对大量种群个体变换和维护的代价。
为了改善协同进化算法因运算量大而效率较低的问题,提出一种基于计算任务分配策略的并行管路布置方法,并利用OpenMP技术对以A*算法生成种群个体的协同进化遗传算法进行并行化改进。
实验结果表明所提出的船舶管路布置方法能够产生具有协同布置效果的管路敷设方案,算法效率和收敛性较好,求解方法具有可行性和先进性;此外,由于算法基于非确定搜索机制,可因参数设置不同或在不同次的执行中产生多种候选优化方案。