船舶管路自動布置方法及應用研究.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、設備以及角落，用以進行船舶各區(qū)域及設備間的液體、氣體傳輸，以及電力和通訊電纜等管線布置，因此船舶管路設計是船舶設計的重要內(nèi)容之一。高質(zhì)量的管路設計是保障各種船舶機械和電氣設備正常運轉(zhuǎn)的重要因素，同時也能為全船優(yōu)化布局提供基礎。國際標準化組織(International Organization for Standardization，ISO)

2、將船舶管路設計分為初步設計、功能設計、詳細設計、生產(chǎn)設計和系統(tǒng)支持信息五個連續(xù)階段。管路布置，也稱為管路路徑設計，作為管路詳細設計階段的初始活動格外重要，后續(xù)各管路設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，設計結(jié)果易受船體結(jié)構(gòu)和設備位置變更影響，而且由于船舶生產(chǎn)具有訂制性，管路設計結(jié)果難以復用，導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、設計船舶管路自動布置系統(tǒng)，對縮短造船周期，提高管路設計質(zhì)量，促進數(shù)字化造船發(fā)展具有重要意義。
　　從上世紀七十年代起，船舶管路布置問題開始受到研究者關(guān)注，設計環(huán)境從二維平面擴展到三維空間，限制條件從單目標單約束發(fā)展到多目標多約束，其間提出了很多有效的求解方法，但由于問題的領域特殊性和復雜性，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)則進行分類，并設計規(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)學表示，以及船舶管路布置中的典型布置情形，進而設計了一種適合船舶管路自動布置系統(tǒng)應用的軟件結(jié)構(gòu)，分析了相應的軟件應用流程，為后續(xù)船舶管路布置方法研究提供方向指導;針對四種典型的船舶管路布置情形，提出并實現(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)針對在復雜約束條件下進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A*算法在網(wǎng)格空間進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展到求解三維船舶管路布置問題，并對結(jié)點擴展策略、路徑回溯機制和次優(yōu)路徑生成方法等進行設計;在改進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、評價函數(shù)設計和算法流程優(yōu)化等進行研究。實驗結(jié)果表明船舶管路布置的最短路徑快速算法和改進A*算法具有可行性和高效性，敷

6、設結(jié)果滿足管路布置的有效性、經(jīng)濟性、安全性和易維護性。
　　(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)整管路敷設順序，兩個過程互相配合、迭代提升，逐漸實現(xiàn)管路布置的整體優(yōu)化。實驗結(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)同進化過程，將協(xié)同進化算法與群智能優(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

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間的子段路徑，降低了進化過程中對大量種群個體變換和維護的代價。為了改善協(xié)同進化算法因運算量大而效率較低的問題，提出一種基于計算任務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)同進化遺傳算法進行并行化改進。實驗結(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方案，算法效率和收斂性較好，求解方法具有可行性和先進性;此外，由于算法基于