船舶管路自動布置方法及應(yīng)用研究.pdf

1、現(xiàn)代船舶系統(tǒng)構(gòu)成中包含大量具有各種功能的管路，管路分布在船體結(jié)構(gòu)中，并延伸到船舶各個系統(tǒng)、艙室、設(shè)備以及角落，用以進(jìn)行船舶各區(qū)域及設(shè)備間的液體、氣體傳輸，以及電力和通訊電纜等管線布置，因此船舶管路設(shè)計是船舶設(shè)計的重要內(nèi)容之一。高質(zhì)量的管路設(shè)計是保障各種船舶機(jī)械和電氣設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要因素，同時也能為全船優(yōu)化布局提供基礎(chǔ)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)

2、將船舶管路設(shè)計分為初步設(shè)計、功能設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、生產(chǎn)設(shè)計和系統(tǒng)支持信息五個連續(xù)階段。管路布置，也稱為管路路徑設(shè)計，作為管路詳細(xì)設(shè)計階段的初始活動格外重要，后續(xù)各管路設(shè)計活動都依賴于管路布置結(jié)果。
　　船舶管路數(shù)量巨大、約束繁雜，設(shè)計結(jié)果易受船體結(jié)構(gòu)和設(shè)備位置變更影響，而且由于船舶生產(chǎn)具有訂制性，管路設(shè)計結(jié)果難以復(fù)用，導(dǎo)致管路布置困難且耗時，目前尚無商品化的船舶管路自動布置系統(tǒng)可供應(yīng)用。隨著造船工業(yè)水平不斷提高，依靠人工完成的傳統(tǒng)管

3、路布置方法已成為影響船舶設(shè)計效率提升的瓶頸因素之一。因此，研究船舶管路自動布置方法、設(shè)計船舶管路自動布置系統(tǒng)，對縮短造船周期，提高管路設(shè)計質(zhì)量，促進(jìn)數(shù)字化造船發(fā)展具有重要意義。
　　從上世紀(jì)七十年代起，船舶管路布置問題開始受到研究者關(guān)注，設(shè)計環(huán)境從二維平面擴(kuò)展到三維空間，限制條件從單目標(biāo)單約束發(fā)展到多目標(biāo)多約束，其間提出了很多有效的求解方法，但由于問題的領(lǐng)域特殊性和復(fù)雜性，迄今為止仍有諸多問題有待深入研究。
　　本文首先從研

4、究自動化管路布置算法的角度對船舶管路布置規(guī)則進(jìn)行分類，并設(shè)計規(guī)則的處理方法;接著分析了管路布置問題的構(gòu)成要素、數(shù)學(xué)表示，以及船舶管路布置中的典型布置情形，進(jìn)而設(shè)計了一種適合船舶管路自動布置系統(tǒng)應(yīng)用的軟件結(jié)構(gòu)，分析了相應(yīng)的軟件應(yīng)用流程，為后續(xù)船舶管路布置方法研究提供方向指導(dǎo);針對四種典型的船舶管路布置情形，提出并實(shí)現(xiàn)了幾種新型的船舶管路自動布置方法，并在方法研究中結(jié)合管路布置約束處理和算法效率優(yōu)化。船舶管路自動布置方法研究包括以下內(nèi)容:<

5、br>　　(1)針對在復(fù)雜約束條件下進(jìn)行高效率船舶管路布置的需求，提出基于最短路徑快速算法和改進(jìn)A*算法在網(wǎng)格空間進(jìn)行管路布置的方法及優(yōu)化策略。首次將最短路徑快速算法擴(kuò)展到求解三維船舶管路布置問題，并對結(jié)點(diǎn)擴(kuò)展策略、路徑回溯機(jī)制和次優(yōu)路徑生成方法等進(jìn)行設(shè)計;在改進(jìn)A*算法中，對Open表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及更新策略、算法并行化改進(jìn)、評價函數(shù)設(shè)計和算法流程優(yōu)化等進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明船舶管路布置的最短路徑快速算法和改進(jìn)A*算法具有可行性和高效性，敷

6、設(shè)結(jié)果滿足管路布置的有效性、經(jīng)濟(jì)性、安全性和易維護(hù)性。
　　(2)針對多管路或帶分支管路布置優(yōu)化結(jié)果受管路或分支管路敷設(shè)順序影響的問題，提出以Lee算法作為路徑生成算法，以禁忌搜索算法作為敷管順序優(yōu)化算法，構(gòu)建組合優(yōu)化算法求解。路徑生成算法按順序決策生成管路布置方案，順序優(yōu)化算法根據(jù)管路布置方案調(diào)整管路敷設(shè)順序，兩個過程互相配合、迭代提升，逐漸實(shí)現(xiàn)管路布置的整體優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該組合方法既能發(fā)揮確定性尋路算法的高效率，又能發(fā)揮

7、非確定性智能算法的尋優(yōu)能力，適合對大規(guī)模管路布置問題按管徑尺寸分組后，求解各分組內(nèi)的多管路或分支管路布置。
　　(3)針對船舶管路布置情形中存在多管路或分支管路需要協(xié)作布置以使管路整體布局優(yōu)化的問題，提出了一種基于協(xié)同進(jìn)化算法求解的統(tǒng)一算法框架，分別采用遺傳算法和粒子群優(yōu)化算法對代表各管路的種群執(zhí)行協(xié)同進(jìn)化過程，將協(xié)同進(jìn)化算法與群智能優(yōu)化算法融合使用，避免了傳統(tǒng)方法在復(fù)雜約束條件下布置多管路會引起組合爆炸的問題。提出基于路徑連接點(diǎn)

8、的定長個體編碼方法，采用A*算法或連接模式法生成相鄰連接點(diǎn)間的子段路徑，降低了進(jìn)化過程中對大量種群個體變換和維護(hù)的代價。為了改善協(xié)同進(jìn)化算法因運(yùn)算量大而效率較低的問題，提出一種基于計算任務(wù)分配策略的并行管路布置方法，并利用OpenMP技術(shù)對以A*算法生成種群個體的協(xié)同進(jìn)化遺傳算法進(jìn)行并行化改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的船舶管路布置方法能夠產(chǎn)生具有協(xié)同布置效果的管路敷設(shè)方案，算法效率和收斂性較好，求解方法具有可行性和先進(jìn)性;此外，由于算法基于