智能优化平台在等效水深截断系统设计中应用

周杭霞,张火明,高明正,杨建民

(1.中国计量学院信息工程学院,浙江 杭州 310018;2.中国计量学院计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200030)

智能优化平台在等效水深截断系统设计中应用

周杭霞1,张火明2,高明正2,杨建民3

(1.中国计量学院信息工程学院,浙江 杭州 310018;2.中国计量学院计量测试工程学院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海 200030)

构建一个智能优化平台,包括粒子群算法、蚁群算法、遗传算法、模拟退火算法、混沌算法和复合形法。该平台包括四个模块,分别是优化问题选择,优化参数设置,优化过程显示以及优化结果输出。将该优化平台应用在等效水深截断系统的优化设计中,对截断系泊系统的构造参数进行优化,能在很短时间内给出符合海洋工程需要的等效水深截断系泊系统。

等效水深截断系统;优化设计;智能优化算法;优化平台

Abstract:In this paper,quite a number of intelligence optimization algorithms have been integrated to construct an intellectual optimization platform,including the particle swarm optimization algorithm,ant-colony optimization algorithm,genetic algorithm,simulated annealing algorithm,chaos algorithm and complex algorithm.The platform consistsof fourmodules:the inputmoduleof optimization problem,the parameter adjustingmodule of optimization algorithm,the displaymodule of optimization calculation processand theoutputmoduleof optimization results.The optimization platform is applied in theoptimal design of the equivalentwater-depth truncatedmooring system to obtain the construction parameterof the truncated mooring system.By the platform,the equivalentwater-depth truncatedmooring system can be got in a very short period of time in linewith the needsof ocean engineering.

Key words:equivalentwater-depth truncatedmooring system;optimal design;intelligentoptimization algorithms;optimization platform

1 智能优化平台(OP)

现有的绝大多数数学规划优化软件[1]都是采用经典的局部优化技术,对于普遍存在的多极值非凸优化问题显得力不从心。因此,集成了多种智能优化算法,包括粒子群算法[2]、蚁群算法[3]、遗传算法[4-5]、模拟退火算法[6]、混沌算法[7]和复合形法[8],构建了一个智能优化平台,方便对各种工程问题进行优化,同时,该平台也可作为教学工具使用。该平台具有以下四个特点:1)开放性,平台可以对多学科的工程问题进行优化,可以与多种数据源交换数据;2)集成优化,平台集成了多种智能算法,可以选择不同的优化算法对同一个问题进行优化计算;3)良好的维护性,可方便的对算法进行改进以及添加或删除算法,可方便的增加算例;4)可视化,将寻优进程曲线显示在界面上,可以直观的了解寻优过程。优化平台主界面如图1所示。

该优化平台包括四个模块——优化问题的输入模块、优化算法参数调节模块、优化计算模块、优化结果输出模块。每个模块与用户的交互都在可视化图形界面下进行。

优化问题的输入模块:支持各种优化问题的输入,包括与数据源进行通信。其中数据源包括各种数据库系统数据源以及非数据库数据源,达到系统开放性的要求。如图2所示,这是一个选择优化算例的界面,其中的算例是已经导入到程序中的。在选择了算例之后,在界面上显示待优化目标函数的截图和简要说明。还可以将算例需要设置的参数存放在数据库或文件中,这样就可以从数据库文件或者文件中导入一个算例。

图1 优化平台界面Fig.1 Interface of the optimization platform

图2 算例选择界面Fig.2 Interface of the example selection

优化算法选择和参数设置模块:选择完优化算例之后,根据需要选择合适的一种或几种优化算法,如图3所示。同时可以对各个算法的参数进行调节设置,如果不做调整,算法的参数将采用上一次计算时采用的参数。

优化计算模块:在收到来自界面的“寻优”命令后,调用此模块进行计算。通过多线程技术,分别调用多种算法进行并行计算,优化计算模块是优化平台的核心,可根据实际工程问题的需要选择合适的算法。

优化结果的输出模块:支持在图形界面上实时显示优化进程的当前状态及一些历史状态信息——以供对优化平台的优化效果进行评价并帮助用户直观的了解优化进展情况。根据每次寻优得到的临时最优值,在主界面上实时绘制出优化过程曲线,如图1所示。几种优化算法并行运行,不同优化算法的运行结果同时显示在界面上,使用户直观地看到各种优化算法对同一特定问题的优化表现,评价优化效果,观察参数的修改对算法的影响。最终可以通过相互间的比较得到一个最好的优化效果,并将该结果保存到文件或EXCEL文件中。

图3 优化算法选择界面Fig.3 Interface of optimization algorithm selection

2 等效水深截断系统优化平台(POD)设计

由于深海平台工作水深越来越深,通常需要采用混合模型试验技术(hybridmodel testing technique)[9]对其进行模型试验,这是一种将理论数值计算模型和物理模型结合起来的试验方法。该方法的首要工作就是参照全水深系泊/立管系统的特性设计相应等效的水深截断系统(所谓等效水深截断系统,就是由于水池尺度限制而根据特定原则设计出来的截断系泊系统,它与全水深系泊/立管系统相比,除了工作水深和跨距小一些,其它特性尽量保持一致,也就是说虽然工作水深改变了,但对深海平台的系泊作用基本不变,可称为“等效水深截断”。),关于该方法的详细描述参见文献[9]。

基于上节所述的智能优化平台OP,还开发出了针对等效水深截断系统优化设计的软件平台系统POD。图4表示常用的模拟退火方法和等效水深截断系统优化设计问题参数设置界面。优化结束后,POD能将优化结果对应的等效水深截断系统相关力学和几何特性绘制在图形化界面上,如图5所示。

关于等效水深截断系统优化设计的详细论述参见文献[10],为节省篇幅,这里不再重复。等效水深截断系统优化平台POD的开发工具为Visual Studio 2005,编程语言为C++。在该平台上执行一次优化计算需要的时间视优化参数的不同而变化,但都能在一个工作日(8小时)内完成并给出一个满足工程需要的结果。

使用该优化平台进行优化计算时,需要提供全水深系泊系统的构造参数,并给出截断系统的工作水深和每种类型锚泊线各材质分段的材质类型,然后选择一个或多个优化方法即可开始进行优化计算,系统会自动给出优化设计结果并绘制出该结果对应的截断水深系泊系统的力学特性曲线。

图4 优化方法及等效水深截断系统优化问题参数设置界面Fig.4 The optimization algorithm and the optimization problem of equivalentwater-depth truncationmooring system parameter setting interface

图5 等效水深截断系统优化设计结果输出界面Fig.5 The output interface of equivalentwater-depth truncationmooring system optimization design results

3 等效水深截断系统优化平台POD计算实例

这里给出在等效水深截断优化平台POD上进行的一个从全水深320 m系泊系统到截断水深80 m系统的优化计算实例。320 m全水深系统的详细介绍参见文献[11]。选取截断水深为80 m,当进行等效水深截断系泊系统设计时,发现如果不改变原系泊缆的分段数和浮筒/重块悬挂情况,很难使得截断系统和原系统的静力特性相似,经过多次试算发现,将原系泊缆从上到下的第二段分为两段,在其间加上一个适当的重块可使得截断系统和原系统的总水平恢复力特性十分接近,单根系泊缆的静力特性符合程度也较好[12]。注意,这里设计出来的截断系泊系统与全水深系泊系统包括相同根数的系泊缆,每根系泊缆的水平布锚角相同。截断系泊系统的设计,早期一般根据原系统和实验室水池尺度只能采取人工“试凑”的办法,难度大,耗时费力,很难得到满意的结果,近期有计算机辅助设计程序出现,但优化方法较少,而且不是可视化界面,操作比较麻烦。现在根据我们课题组开发出的POD平台,只需输入一个数据文件就可以启动程序进行优化计算,能在较短时间内得到更好的结果。

对同一算例,优化结果的目标函数值小的视为较好。通常情况下,各种算法的计算结果会存在一定的差异,也就是不太一致,一般取目标函数值小的作为最终结果。寻优初始点可以在自变量取值范围内任意指定,得到的结果在给定算法和允许最大迭代步数情况下是概率统计意义上的最好解,但不一定是全局最优解,真正的全局最优解目前的技术手段还无法保证一定能获得。此次计算选用模拟退火法和遗传算法,经计算,模拟退火算法结果更好一些,因此POD自动选用模拟退火法的结果作为最终的优化结果。寻优初始点为X0=[0.06,270,0.158 8,45,290 000,0.076 2,40,-170 000,0.076 2,1]T,经 11 127 s(约 3 h∶5m∶27 s)的计算,得出最优点为X＊=[0.045,250,0.177 5,55,350 000,0.076 2,30,-200 000,0.101 6,19]。初始点和最优点各维参数含义依次为:末端锚链直径(m)、末端锚链长度(m)、下段钢索直径(m)、下段钢索长度(m)、重块水中重量(N)、上段钢索直径(m)、上段钢索长度(m)、浮筒水中重量(N)、接转塔钢索直径(m)、接转塔钢索长度(m)。对应的最优目标函数值为0.117 973,最优点对应的80 m截断水深锚泊线主要参数如表1所示。

表1 截断系统(80 m)系泊缆主要参数与属性Tab.1 Main parameters of themooring line of the truncated system 80 m

这样就得到了该80m截断水深的系泊系统,该系统平面布置情况如图6所示,该系泊系统由3组各3根共9根系泊缆组成,3组系泊缆成间隔120°均匀布置,每组3根系泊缆成5°间隔均匀布置。每根系泊缆的主要参数及属性参见上表1所示。图7给出了模拟退火算法的寻优进程曲线,可见算法的收敛是前快后慢的,最后出现了平台现象,达到稳定状态。

图8(a)给出全水深和截断水深单根锚泊线静力特性比较情况,L1-P表示全水深系统,L1-T表示截断水深系统,可见两者是十分接近的。图8(b)给出全水深和截断水深系统总的静力特性比较情况,FH-P、FV-P分别表示全水深系统总的水平和垂直恢复力,FH-T、FV-T分别表示截断水深系统总的水平和垂直恢复力,从该图可见总的水平恢复力十分接近,但总的垂直恢复力存在较大差异,这是由于截断系统长度短,水中量量轻,能为海洋平台提供的垂直恢复力自然就小了。值得指出的是,图8中截断水深系统总的垂直恢复力(FV-T)在位置大约44m有突变,此时大于FV-P,这是由于在该位置下,截断系系泊系统总共9根缆索中,有的缆索被拉起部分变得较长,有的缆索其上端点缆索角从锐角变为钝角,导致了垂直恢复力有个较大的突变。

图6 80 m系泊系统布置平面示意Fig.6 Plan view of the 80m mooing system

图7 模拟退火法优化进程Fig.7 Optimization processof AS

图8 截断系统和原系统静力特性比较Fig.8 Static characteristicsof the truncated&full depthmooring system

图9给出了全水深和截断水深系统单根系泊缆水下初始形状对比情况,从图上可看出,工作水深变小后,系泊缆初始形状发生较大的变化,但尽管如此,两者还是具有十分接近的静力特性,由于合理设计准则的使用,两者的动力特性也是能够做到比较相似的。

图9 截断水深和全水深系泊缆示意(侧视图)Fig.9 Side view of themooring line of the truncated&full depth system

4 结 语

简要介绍了智能优化平台OP的功能和特点,随后介绍了基于OP开发出来的等效水深截断系统优化设计软件平台POD,并给出了在该平台上进行一次截断系泊系统优化计算的算例,在较短时间里获得了一个令人满意的结果。计算结果表明,该POD系统操作简便,计算快速,精度较好,显示直观明了,具有较强的推广价值。进一步研究中,将加强系泊缆动力特性的模拟和优化,并拓广该软件平台的应用领域,争取申报软件著作权将其推广到国内和国际市场。

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Application of the intelligent optimization platform in design of the equivalent water-depth truncated mooring system

ZHOU Hang-xia1,ZHANG Huo-ming2,GAOMing-zheng2,YANGJian-min3
(1.College of Information Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China;2.College of Metrology Technology and Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China;3.State key Laboratory of Ocean Eng.,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200030,China)

P75,TP309

A

1005-9865(2011)01-0094-06

2010-02-02

国家自然科学青年基金资助项目(10602055);国家863计划资助项目(2008AA09Z303)

周杭霞(1963-),女,浙江杭州人,副教授,主要从事计算机技术在工程中应用研究。E-mail:zhx@cjlu.edu.cn

张火明。E-mail:zhmlandi@cjlu.edu.cn