基于改进能量法的邮轮客舱智能布局设计

蔡 薇 谭欣静 陈 琪 高 攀

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学邮轮游艇设计研究院2) 武汉 430063)

0 引 言

船舶舱室设计是船舶设计的重要内容之一.邮轮客舱设计的优劣直接影响乘客的船上体验，从而影响邮轮口碑、邮轮收益，以及消费者对邮轮的选择[1].目前，具体以邮轮客舱为研究对象的舱室布局设计研究不多，多数对居住舱室的研究仍然停留于一般船舶.文献[2]以船舶机舱布置设计为研究对象，建立了机舱布置多目标优化模型，并通过粒子群算法实现了机舱布置优化；文献[3]以游艇舱室为研究对象，建立游艇舱室布局的数学优化模型，并采用基于Pareto前沿的NSGA-Ⅱ算法进行优化求解；文献[4]以载人潜水器舱室为研究对象，提出了基于Pareto的PGA算法对载人潜水器舱室进行布局优化；文献[5]提出能量法对船舶居住舱室可行方案进行评价，并采用遗传算法来求解船舶居住舱室智能布局问题.文献[6]以大型舰船舱室为对象，在大型舰船舱室布局设计专家系统的基础上，开发了大型舰船舱室自动布局设计系统，对指挥类舱室布局设计问题进行了实际应用.关于舱室内的智能布局研究，有以船舶机舱，指挥舱等特殊舱室为研究对象的，因其室内布局难度较大，且布局规则专业性较强，因此，不能较好地直接运用于邮轮居住舱室.

在邮轮客舱中，阳台房是一类具有阳台的典型邮轮客舱，也是一艘邮轮上配置数量最多的一类客舱.本文针对邮轮客舱特性对能量法进行改进，并以邮轮阳台房为例，综合考虑舱室采光性、舒适性、维修便利、室内流线等因素，基于栅格法和改进能量法建立舱室布局模型，结合遗传算法和博弈分析法生成可行方案并优选，实现邮轮客舱的智能布局.

1 基于改进能量法的布局方案评价

邮轮客舱是邮轮内部空间的重要组成之一，邮轮客舱布局设计成功的关键在于，满足家具或设备使用功能特性和舒适度要求的前提下，合理地利用舱室内部空间进行家具或设备布局.

船用舱室家具的摆放与陆用家具不同，船用家具为了方便紧固，一般需紧贴舱壁进行布置，即沿舱壁布置[7].文献[5]在研究船员起居舱室布局设计问题中提出的能量法符合船用舱室家具沿舱壁布置的设计特点，其主要思想是：根据待布局组件的特点，为待布局的舱室区域的舱壁赋予不同的能量值，能量值表示该区域对目标组件的吸引值，能量值越高的区域越适宜布局家具.除此之外，能量法还以所有待布局组件的能量值之和，即舱室布局方案的总能量值，来表达不同的舱室布局方案设计效果，在一定程度上解决舱室布局设计中的评价指标模糊性问题.

1.1 能量法的不足

目前，由于能量法对舱壁能量值的设定还不够细致，自其提出后并未被广泛应用.在船舶舱室布局设计中，能量法的不足主要包括以下几点：

1) 无法客观区分待布局组件的纵横摆向，见图1a)～b).

2) 针对每一个待布局家具，能量法需各自设定不同的舱壁值.随着待布局家具数量增多，人为主观性过强，不确定因素较多.

3) 只对舱壁赋予能量值，而对除舱壁外的舱室其余空间不赋予能量值(即能量值均为零).对于舱壁与舱壁附近区域，能量值发生突变，欠缺传递性，见图1a)和图1c).

图1 能量法不足图示

1.2 改进能量法

为解决上述能量法的不足，针对将在同一空间布局的所有待布局组件，需建立一个统一的能量域，并且能量值应具有传递性.运用栅格法对待布局空间进行网格化，根据舱壁属性分别对舱壁赋予能量值.改进能量法提出以舱壁为起点，将能量值向舱室内部呈线性衰减规律扩散，形成一个基础能量域.

由于居住舱室所在的船舶整体环境使其四面舱壁有着不同的属性，为了体现四面舱壁对不同待布局组件的吸引力，改进能量法提出以基础能量值与影响因子的乘积来进行表达，为

(1)

式中：xi为不同的待布局组件；Ebase为居住舱室布局空间的基础能量域；W为待布局组件xi分别对四面舱壁的影响因子.

布局方案的总能量值为所有组件覆盖区域内能量值之和，作为对布局方案设计效果的评价指标.总能量值的高低表征布局方案设计效果的优劣.

以6×6的栅格空间为例，对各舱壁赋予初始能量值为3，形成基础能量域，见图2a).每一个栅格点上有唯一的一个能量值.能量域中有一能量零点，表示该区域不适宜布局家具.若某一待布局组件的影响因子为ω={0.5,1,1,0.5}，则其合成能量域，见图2b).

图2 能量域示意图

2 结合阳台房特性的改进能量法

2.1 基础能量域

邮轮客舱的整体外形多为矩形，且具有较大的长宽比.阳台房是一类具有通道特性的典型邮轮客舱，为保证其阳台的可达性，舱室内必须存在一道明显的流线，即从舱室门至阳台的通道.因此，在针对阳台房进行布局设计时，无论布局空间内组件如何布局，都必须保留这一通道，并保证其畅通性.

针对阳台房具有的通道特性，在生成基础能量域时，只对图3中B，D两面舱壁赋予初始能量值，并使能量值向内部空间线性辐射.由于只存在两个成对的舱壁辐射能量，能量零点扩展成一条能量零点线，即为舱室内流线，该能量零点线与舱室门的中心点对齐.

2.2 影响因子

船用居住舱室的待布局组件以家具为主，通过对各组件的布局要求和邮轮阳台房特性的分析，该布局空间可等分为三段：靠近走廊段、中间段、靠近阳台段，分别命名为I,II,III段，见图4.基于上述空间划分方式，综合考虑阳台房的采光性、舒适性、维修便利等设计因素，双人床单元宜布局于II段，卫生间单元宜布局于I段，

图4 阳台房舱室内空间划分

衣柜单元宜布局于I,II段，梳妆台单元及沙发单元宜布局于III段.

在改进能量法中提出影响因子是为了体现出不同舱壁属性的差异性，若某待布局组件在某区域的影响因子越大，则该区域越适宜布局该组件.为了体现邮轮阳台房的通道式布局空间特性，只对B、D两面舱壁赋予初始能量值，因此组件在布局时具有往B、D两面舱壁靠拢的趋向力.此处为了体现出组件在布局时往A、C舱壁靠拢的趋向力，对I,II,III三段空间分别赋予影响因子，每个能量点的值为基本能量值与影响因子的乘积.

影响因子的确定采用专家打分法，由于在本示例中待布局空间被分为I,II,III三段，其评判准则见表1.按表1所示的评判准则对三段空间内各组件的影响因子进行专家打分，结果见表2.

表2 三段空间内各组件的影响因子

以卫生间单元的能量域为例，加入影响因子后，其能量域见图5.图中曲面上交点的高度值为对应区域的能量点的能量值，曲面即为能量空间所有能量点所在的面.

图5 卫生间单元能量域示意图

3 改进遗传算法求解

3.1 染色体编码

采用浮点编码，要求在阳台房内布局5个组件，在染色体中以16位浮点数来表示，见图6.前10位表示5个组件的x,y坐标值.后5位表示5个组件的状态值，分别对应组件的纵横摆向，0为组件沿船宽方向布局，1为组件沿船长方向布局.最后一位为标识位，表示该个体在初始化、交叉、变异的过程中，是否发育完善(组件在舱室内的位置变化，当组件之间发生空间干涉或者组件跟舱壁发生干涉时，则为发育不完善)，发育完善表示该条染色体有效，以0表示，发育不完善则表示该条染色体无效，以555表示.

图6 染色体编码

3.2 适应度函数

适应度函数是遗传算法的核心，用以影响搜索方向.整个待布局空间以100 mm×100 mm大小的栅格进行栅格化后，待布局空间以矩阵表示.布局空间矩阵的初始值为0，区域内每布局一个组件，该组件所覆盖的区域内的值发生改变，用以布局时进行空间干涉检查.建立适应度函数万

(2)

式中：X为五个组件的布局位置集合；eij为各组件布局后所覆盖区域的平均能量值；xx，yy分别为组件左上角的坐标；hk，wk分别为个组件的宽、长尺寸.

3.3 遗传算子

遗传算子由选择、交叉和变异算子组成，选择算子的策略采用轮盘赌策略；交叉算子采用双点交叉策略；变异算子采用单点变异，其变异步长为变步长.进行变异操作时随机选择某个基因位，若是选择第11～15位基因，则是状态码的变异，由0变异为1或由1变异为0.若是选择第1～10位基因，则是组件坐标值的变异，该步长为

Δ=9·r·(1-curr/maxg)+1

(3)

式中：Δ为步长；r为区间内的随机数；curr为当前代数；maxg为总迭代次数.

3.4 基于博弈分析法的种群初始化

结合博弈分析法[8]，本文所研究的问题简单描述为：把5个待布局组件布局在一个矩形空间内，在满足组件互不干涉的约束条件下得到能量值最大的布局方案，最终使各组件在空间内发挥各自的功能，实现最佳的整体效果.

得到非合作博弈均衡的一个有效方法是利用参与者的最佳响应求得[9].参与者的最佳响应即为组件的最佳收益，每一个参与者均以各自的最佳收益来选择布局策略，在舱室布局设计中即为每个待布局组件选择使自己能量值最高的布局位置进行布局.各组件在舱室内的布局要求是不同的，在依据上述得到的影响因子(见表2)的基础上确定各组件选择不同布局策略的收益，并强调各组件最优布局策略的收益，见表3～4.

表3 参与者所得收益的评判准则

表4 参与者选择不同布局策略的收益情况

为了与遗传算法的概率性转换规则相统一，将组件在不同区段的收益等级转化为组件出现在该区段的概率.以双人床单元为例，在种群初始化时，其布局位置出现在区域II段的概率为66.7%，出现在区域I段和Ⅲ段的概率均为16.7%.在种群初始化时加入上述影响后，模型求解起点相对较好，最后能比较稳定的收敛至较优结果.

3.5 舱室智能布局实现流程

舱室智能布局实现流程图见图7.

图7 舱室智能布局实现流程图

4 实例分析

在本试验中，邮轮阳台房的舱室布局空间取除去阳台部分的阳台房室内舱室空间.文献[10]对申请邮轮休闲体验设计指数CEDI(OX)附加标志的邮轮规定了乘客空间的要求，见表5.结合当今热门邮轮的客舱实例，取邮轮阳台房的舱室布局空间尺度为6 000 mm×3 000 mm.

表5 乘客人均居住面积要求

文献[11]给出了船舶起居舱室主要家具设备的协调尺寸，并把家具设备配合尺寸模数限制在n×100 mm或n×50 mm系列之内.进行舱室布局时，选取待布局组件包括双人床、卫生间、沙发、化妆桌和衣柜5个对象，设定的具体尺寸见表6.

表6 舱室待布局组件尺寸 mm

在仿真计算时，设置种群规模为20，遗传代数为500次，交叉概率为0.4，变异概率为0.1.5个舱室待布局组件根据其所占空间面积大小，按照从大到小的顺序进行布局，即布局的优先顺序为：双人床，卫生间，沙发，梳妆台，衣柜.从收敛过程来看，试验有较好的收敛结果，且搜索过程在前期就已趋近于最终结果，收敛速度较快.

经过计算后，得到邮轮阳台房布局方案,见图8a)，与图8b)中地中海邮轮某阳台房布局图进行对比，两者的布局方案极为相似，区别仅在于化妆桌和沙发的位置.从布局功能分析，若对两者的位置进行互换，其使用功能并无区别.由此验证了该布局方案的有效性.

图8 试验和现有邮轮阳台房布局

5 结 束 语

本文通过分析能量法的优点与不足，提出了改进能量法，解决了能量值欠缺传递性的问题，并能有效区分组件的纵横摆向，使其对不同的布局方案有着更好的识别能力.结合大型邮轮阳台房室内流线设定基础能量域，综合考虑舱室采光性、舒适性、维修便利等因素确定待布局组件的影响因子，以此量化设计规则与经验，解决舱室布局方案评价指标模糊性问题，提高舱室智能布局设计的客观性.该方法能在一定程度上解决邮轮客舱布局设计冗杂繁琐问题，提高邮轮舱室设计效率，后续研究可将该方法推广至大型邮轮其他类型的乘客居住舱室布局设计中.