船舶管路智能布局优化设计研究

翟 超，马维峰，李文秀，王洪玉，孙彦刚

（招商局金陵船舶（威海）有限公司 技术部，山东 威海 264200）

0 引言

在船舶建造过程中，根据部件的设计类型，可以分为总体设计、轮机设计、电气设计和建造设计等部分。其中最重要的是船舶管路设计[1]，船舶管路指的是船舶运行过程中输送各个“部门”所需物资的传输链路。良好的船舶管道设计对保障船舶的正常运行，保证船舶的经济效益有重要作用不受侵犯。随着现代船舶布局设计的日益发展，智能优化的方向也越来越复杂，所需的工作系统也呈现出复杂变化的趋势[2]。目前的客船、邮轮等高端船型本身就需要安装多个系统，包括动力系统、电力系统、暖通系统等，来实现船舶航行时的各种运行需求。特别是近年来海上安全委员会，基于“船舶本身是最好的救生艇”的理念，引入安全返港（SRtP）的要求，目的是提高船舶的生存能力。这对船舶管线布局提出了更高的要求，使得船舶管线的设计布局变得更加复杂，难度更高。

据统计，以威海船厂建造的Stena项目为例，除普通管道外，船舶管道还包括脱硫系统管、安全返港系统管等类型。但大多数船舶都是小批量制造，即使是同类型的船舶，建造工艺也不完全相同，各船级社的设计规范不尽相同、对设计标准、布局效果等都有严格要求，考虑到船舶管系种类繁多，环境约束复杂，布置空间多样，技术上难以尽善尽美。因此，为了更高效地建造船舶，提高设计质量，需要寻求新的布局设计方法，为实际管道布置提供技术支持。

针对当前复杂多变的空间结构，在船舶管路进行布局和空间结构设计时，应当建立模型，不仅要包括布局空间模型，还要包括障碍物模型和管路模型，并且对布局的优、劣区域模型进行设计，建立全面的船舶管路布局，以及具体的环境模型。在具体设计时要结合船舶的管路布局情况，这样的布局和设计才能更加的科学合理，在管路布局时要向着智能方向发展，并对指导机制进行充分地研究，同时提出参考建议。在建立模型和指导机制基础上，运用先进的方法进行优化设计，并进行充分地验证，才能确保设计的可行和有效，为促进相关技术的发展，起到了积极的推动作用。优化船舶的管理布局，应当利用当前先进的技术，寻找自动化方式来解决管理优化布局问题，这是当前最先进和最快的方法。随着计算机技术的发展，促进了人工智能的发展，当前大多数的研究，都集中于对机器人路径的优化，没有对船舶管路布局和环境方面进行深入研究，船舶管理布局环节比较多变，要想更加深入地研究，就应当建立模型，并在这个基础上深入研究，优化自动布局，从而取得较好的效果。

1 船舶管路智能布局优化方法设计

1.1 绘制船舶管路智能布局流程图

在船舶管路的初步设计阶段，确定了船舶的所有基本要素后，就可以开始执行布设任务。在管道设计的初步阶段需要选择合理的管道材质，管道的材质与介质输送的类型有关，由于与管道直接接触的介质在压力、温度、流速和腐蚀性方面都具有差异[3]，因此所选管道的规格和特性也不相同。一般情况下，需要考虑管的尺寸、机械强度、耐腐蚀性、耐热性等来确保使用需求，但也需要考虑布局时管路是否受到外力影响。

此外，在设计管路时必须保证消耗的物资在可承受的范围内，在满足使用要求的基础上，还必须满足安装、使用、维修和保养过程中的各项技术要求。除此之外，要尽量降低船舶建造成本[4]。船舶的管道附件起到调节管道压力、介质温度的作用。确定各种配件的规格也是布局的关键，对确保管道的安全，实现长期运转非常重要。阀门主要负责调节管道正常运行中介质的流动方向和流量。一般情况下，应根据所用管道的尺寸选择满足要求的阀门，保证船舶可靠运行，基于此设计的船舶管路智能布局流程如图1所示。

图1 船舶管路智能布局流程图

可知，初步设计完成后，需要进行详细设计。然后进行智能综放，根据初步设计阶段完成的管道设计示意图，进行船舶管道的综合布置，包括管道走向等具体问题。管道需要兼顾各种规范和标准，确保整体设计符合实际要求。

具体来说，该阶段主要包括3个步骤：

第一步，数据定义。结合确定的信息收集管材、阀门、滤器等各类管件型号；主辅机、锅炉、泵组等各类设备参数；船舶长、宽、高，肋距等各类尺寸，并将其全部定义外形进入部件库。

第二步，详细设计。根据相关定义标准，将上一步中提到的各类部件定义出简化的符号，并与部件库中的各实体模型相关联。并用这些符号，结合不同设备的功能需求、不同船级社的规范要求，优化资源配置，最终形成系统图。

第三步，规则定义。根据船舶的尺寸参数以及设备摆放位置，考虑管道的性能要求和约束条件，包括管道的安全可靠性、操作便捷性、施工可行性等，通过对点、线、面的定义确定管路的走向规则。最后发布系统原理图，让管路按照定义的规则进行自动布放。

1.2 构建船舶管路仿真模型

管道布局设计的本质是在充斥着各种障碍物的复杂空间环境中，寻找连接空间中2个或多个不同位置的最佳路径。这些障碍物按照一定的规则放置于船舶布置环境中，是管道布置环境的主要组成部分。

船舶管道自动布局是一项复杂而艰巨的任务，在建立模型之前，首先需要解决布置环境和设备模型的准确性，为后续操作提供可靠的依据。主要考虑以下方面：1）模型必须要能精确定位自身的空间位置。2）在布局的不同阶段，同一设备模型可以反映不同的信息，3）空间边界必须明确定义，才能规划管路的走向。4）设备模型和空间环境的定义要尽量简化，目标对象的原始几何空间应尽可能保持简单，如长方体、圆柱体或多面体。但简化的模型应该能够精确定位管道管嘴的位置。考虑到协同设计的需要，模型应该是可编辑的，基于此构建的仿真模型如式（1）所示。

式中，O1、O2、O3、O4、Ok分别代表布置管路、设备设置、维修区域、船舱、限制区域。

1.3 实现船舶管路智能化布局

实现管路的智能布局，需要进行各类设备模型的完善，在完善设备模型的过程中，考虑以下方面：1）模型尽量简化，结构越简单对计算运行的反应速度越快，可以用几何平面的形式表示。2）对于空间区域的划分，越细致越好，这对于管路智能布放精准度很有帮助，一般使用长方体或长方体的组合来进行处理。3）对不规则设备或特殊类型的装置，例如船上的各种舱柜，可以考虑立方体外壳或圆柱体外壳。4）在船舶管路智能布放的过程中，需要根据船舶管道布置规范的要求，设计合理的管道布置规则。

除此之外，还可以使用轴平行包围法，该方法可以减少包围过程中的设备干扰，在实际管道铺设过程中，包围法可以将管道重叠相交，产生比原模型体积略大的线路组，保证管道的安全，设备和管道之间也不会产生明显的干扰。船舶布局空间可以定义为利用几何形状布局，并进行数学表达，结合三维网格划分技术来完成整个管道布置过程。轴平行包围法在管道布设过程中要求完全封闭的空间，通过光栅化将包络处理后的封闭空间均匀划分，划分后的每个网格代表1个网格单元，可以通过描述每个网格单元在空间中的位置来定义其坐标。

2 实验

为了检验设计的船舶管路智能优化布局方法的布局效果，根据涉及的管路仿真模型，进行如下实验。为了保证对比实验的效果，在指定的空间内，根据仿真模型设计了空间布局模型，如图2所示。

图2 空间布局模型

可知，通过定义了空间类型，并规定了管路的布放逻辑，对管路需要经过哪些点、面才可以从泵出口到水柜进口进行设计。然后对那些需要避让，不允许通过的空间进行规划。最终生成图2，从而实现管路智能布局的测试。

3 改进算法

3.1 改进遗传算法

遗传算法具有鲁棒性强的特点，当前被广泛地应用，同时在布局优化方面，有一些成功的经验可以参考，虽然过程比较简单，但是收敛速度比较慢，非常容易陷入到早熟的情况，从而陷入了布局最优的问题，所以对于这样的情况，应当进行相应的改进。运用爬山法具有非常明显的优势，而且在出色局部方面有非常强的优势，可以有效优化算法，将爬山法于GA进行组合，可有效弥补局部寻优的不足，并且取得较好的优化效果。爬山法可以改进性能，可以快速地寻找到目标函数，改变函数性能，当确定好方向后，进行模式移动，逐渐获得最优解。

3.2 编码

在具体实验过程中，应当注重确定染色体的编码方式，这是遗传算法的基本步骤，也是基本前提。编码设计的的好坏，会影响遗传算法，也会影响计算效率，从布局空间模型上就可以看出，在布局空间划分上，使用了栅格划分，并赋予了节点坐标位置，进行管线布置时，要从起点开始最后到达终点，中途会经过许多的节点，将这些节点组合起来，就形成了管路布置路径。

3.3 函数

要想得到最优解，就应当充分考虑实用度函数问题，通过引导遗传算法可以得到最优解，尤其是在管理优化布局和设计过程中，要充分考虑各种因素的影响。在计算管路布置时，要综合考虑相关因素，使用适用度函数来进行计算，公式为：f(p)=A-[aL(p)+bB(p)+cE(p)]-dO(p)。

4 结语

船舶管线的优化布局是船舶设计中的重要部分，对保证船舶正常运行有重要意义。因此，对传统的船舶布局方法进行优化，设计了新的布局优化方法，实验结果表明，简单的管路系统在制定一定的规则下，已经可以脱离人力自动生成管路布置，具有深远的意义。有一定的应用价值，为了提升性能，完善其功能，需要持续进行优化。