智能優化平臺在等效水深截斷系統設計中應用

周杭霞,張火明,高明正,楊建民

(1.中國計量學院信息工程學院,浙江 杭州 310018;2.中國計量學院計量測試工程學院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200030)

智能優化平臺在等效水深截斷系統設計中應用

周杭霞1,張火明2,高明正2,楊建民3

(1.中國計量學院信息工程學院,浙江 杭州 310018;2.中國計量學院計量測試工程學院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200030)

構建一個智能優化平臺,包括粒子群算法、蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法、混沌算法和復合形法。該平臺包括四個模塊,分別是優化問題選擇,優化參數設置,優化過程顯示以及優化結果輸出。將該優化平臺應用在等效水深截斷系統的優化設計中,對截斷系泊系統的構造參數進行優化,能在很短時間內給出符合海洋工程需要的等效水深截斷系泊系統。

等效水深截斷系統;優化設計;智能優化算法;優化平臺

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 智能優化平臺(OP)

現有的絕大多數數學規劃優化軟件[1]都是采用經典的局部優化技術,對于普遍存在的多極值非凸優化問題顯得力不從心。因此,集成了多種智能優化算法,包括粒子群算法[2]、蟻群算法[3]、遺傳算法[4-5]、模擬退火算法[6]、混沌算法[7]和復合形法[8],構建了一個智能優化平臺,方便對各種工程問題進行優化,同時,該平臺也可作為教學工具使用。該平臺具有以下四個特點:1)開放性,平臺可以對多學科的工程問題進行優化,可以與多種數據源交換數據;2)集成優化,平臺集成了多種智能算法,可以選擇不同的優化算法對同一個問題進行優化計算;3)良好的維護性,可方便的對算法進行改進以及添加或刪除算法,可方便的增加算例;4)可視化,將尋優進程曲線顯示在界面上,可以直觀的了解尋優過程。優化平臺主界面如圖1所示。

該優化平臺包括四個模塊——優化問題的輸入模塊、優化算法參數調節模塊、優化計算模塊、優化結果輸出模塊。每個模塊與用戶的交互都在可視化圖形界面下進行。

優化問題的輸入模塊:支持各種優化問題的輸入,包括與數據源進行通信。其中數據源包括各種數據庫系統數據源以及非數據庫數據源,達到系統開放性的要求。如圖2所示,這是一個選擇優化算例的界面,其中的算例是已經導入到程序中的。在選擇了算例之后,在界面上顯示待優化目標函數的截圖和簡要說明。還可以將算例需要設置的參數存放在數據庫或文件中,這樣就可以從數據庫文件或者文件中導入一個算例。

圖1 優化平臺界面Fig.1 Interface of the optimization platform

圖2 算例選擇界面Fig.2 Interface of the example selection

優化算法選擇和參數設置模塊:選擇完優化算例之后,根據需要選擇合適的一種或幾種優化算法,如圖3所示。同時可以對各個算法的參數進行調節設置,如果不做調整,算法的參數將采用上一次計算時采用的參數。

優化計算模塊:在收到來自界面的“尋優”命令后,調用此模塊進行計算。通過多線程技術,分別調用多種算法進行并行計算,優化計算模塊是優化平臺的核心,可根據實際工程問題的需要選擇合適的算法。

優化結果的輸出模塊:支持在圖形界面上實時顯示優化進程的當前狀態及一些歷史狀態信息——以供對優化平臺的優化效果進行評價并幫助用戶直觀的了解優化進展情況。根據每次尋優得到的臨時最優值,在主界面上實時繪制出優化過程曲線,如圖1所示。幾種優化算法并行運行,不同優化算法的運行結果同時顯示在界面上,使用戶直觀地看到各種優化算法對同一特定問題的優化表現,評價優化效果,觀察參數的修改對算法的影響。最終可以通過相互間的比較得到一個最好的優化效果,并將該結果保存到文件或EXCEL文件中。

圖3 優化算法選擇界面Fig.3 Interface of optimization algorithm selection

2 等效水深截斷系統優化平臺(POD)設計

由于深海平臺工作水深越來越深,通常需要采用混合模型試驗技術(hybridmodel testing technique)[9]對其進行模型試驗,這是一種將理論數值計算模型和物理模型結合起來的試驗方法。該方法的首要工作就是參照全水深系泊/立管系統的特性設計相應等效的水深截斷系統(所謂等效水深截斷系統,就是由于水池尺度限制而根據特定原則設計出來的截斷系泊系統,它與全水深系泊/立管系統相比,除了工作水深和跨距小一些,其它特性盡量保持一致,也就是說雖然工作水深改變了,但對深海平臺的系泊作用基本不變,可稱為“等效水深截斷”。),關于該方法的詳細描述參見文獻[9]。

基于上節所述的智能優化平臺OP,還開發出了針對等效水深截斷系統優化設計的軟件平臺系統POD。圖4表示常用的模擬退火方法和等效水深截斷系統優化設計問題參數設置界面。優化結束后,POD能將優化結果對應的等效水深截斷系統相關力學和幾何特性繪制在圖形化界面上,如圖5所示。

關于等效水深截斷系統優化設計的詳細論述參見文獻[10],為節省篇幅,這里不再重復。等效水深截斷系統優化平臺POD的開發工具為Visual Studio 2005,編程語言為C++。在該平臺上執行一次優化計算需要的時間視優化參數的不同而變化,但都能在一個工作日(8小時)內完成并給出一個滿足工程需要的結果。

使用該優化平臺進行優化計算時,需要提供全水深系泊系統的構造參數,并給出截斷系統的工作水深和每種類型錨泊線各材質分段的材質類型,然后選擇一個或多個優化方法即可開始進行優化計算,系統會自動給出優化設計結果并繪制出該結果對應的截斷水深系泊系統的力學特性曲線。

圖4 優化方法及等效水深截斷系統優化問題參數設置界面Fig.4 The optimization algorithm and the optimization problem of equivalentwater-depth truncationmooring system parameter setting interface

圖5 等效水深截斷系統優化設計結果輸出界面Fig.5 The output interface of equivalentwater-depth truncationmooring system optimization design results

3 等效水深截斷系統優化平臺POD計算實例

這里給出在等效水深截斷優化平臺POD上進行的一個從全水深320 m系泊系統到截斷水深80 m系統的優化計算實例。320 m全水深系統的詳細介紹參見文獻[11]。選取截斷水深為80 m,當進行等效水深截斷系泊系統設計時,發現如果不改變原系泊纜的分段數和浮筒/重塊懸掛情況,很難使得截斷系統和原系統的靜力特性相似,經過多次試算發現,將原系泊纜從上到下的第二段分為兩段,在其間加上一個適當的重塊可使得截斷系統和原系統的總水平恢復力特性十分接近,單根系泊纜的靜力特性符合程度也較好[12]。注意,這里設計出來的截斷系泊系統與全水深系泊系統包括相同根數的系泊纜,每根系泊纜的水平布錨角相同。截斷系泊系統的設計,早期一般根據原系統和實驗室水池尺度只能采取人工“試湊”的辦法,難度大,耗時費力,很難得到滿意的結果,近期有計算機輔助設計程序出現,但優化方法較少,而且不是可視化界面,操作比較麻煩。現在根據我們課題組開發出的POD平臺,只需輸入一個數據文件就可以啟動程序進行優化計算,能在較短時間內得到更好的結果。

對同一算例,優化結果的目標函數值小的視為較好。通常情況下,各種算法的計算結果會存在一定的差異,也就是不太一致,一般取目標函數值小的作為最終結果。尋優初始點可以在自變量取值范圍內任意指定,得到的結果在給定算法和允許最大迭代步數情況下是概率統計意義上的最好解,但不一定是全局最優解,真正的全局最優解目前的技術手段還無法保證一定能獲得。此次計算選用模擬退火法和遺傳算法,經計算,模擬退火算法結果更好一些,因此POD自動選用模擬退火法的結果作為最終的優化結果。尋優初始點為X0=[0.06,270,0.158 8,45,290 000,0.076 2,40,-170 000,0.076 2,1]T,經 11 127 s(約 3 h∶5m∶27 s)的計算,得出最優點為X＊=[0.045,250,0.177 5,55,350 000,0.076 2,30,-200 000,0.101 6,19]。初始點和最優點各維參數含義依次為:末端錨鏈直徑(m)、末端錨鏈長度(m)、下段鋼索直徑(m)、下段鋼索長度(m)、重塊水中重量(N)、上段鋼索直徑(m)、上段鋼索長度(m)、浮筒水中重量(N)、接轉塔鋼索直徑(m)、接轉塔鋼索長度(m)。對應的最優目標函數值為0.117 973,最優點對應的80 m截斷水深錨泊線主要參數如表1所示。

表1 截斷系統(80 m)系泊纜主要參數與屬性Tab.1 Main parameters of themooring line of the truncated system 80 m

這樣就得到了該80m截斷水深的系泊系統,該系統平面布置情況如圖6所示,該系泊系統由3組各3根共9根系泊纜組成,3組系泊纜成間隔120°均勻布置,每組3根系泊纜成5°間隔均勻布置。每根系泊纜的主要參數及屬性參見上表1所示。圖7給出了模擬退火算法的尋優進程曲線,可見算法的收斂是前快后慢的,最后出現了平臺現象,達到穩定狀態。

圖8(a)給出全水深和截斷水深單根錨泊線靜力特性比較情況,L1-P表示全水深系統,L1-T表示截斷水深系統,可見兩者是十分接近的。圖8(b)給出全水深和截斷水深系統總的靜力特性比較情況,FH-P、FV-P分別表示全水深系統總的水平和垂直恢復力,FH-T、FV-T分別表示截斷水深系統總的水平和垂直恢復力,從該圖可見總的水平恢復力十分接近,但總的垂直恢復力存在較大差異,這是由于截斷系統長度短,水中量量輕,能為海洋平臺提供的垂直恢復力自然就小了。值得指出的是,圖8中截斷水深系統總的垂直恢復力(FV-T)在位置大約44m有突變,此時大于FV-P,這是由于在該位置下,截斷系系泊系統總共9根纜索中,有的纜索被拉起部分變得較長,有的纜索其上端點纜索角從銳角變為鈍角,導致了垂直恢復力有個較大的突變。

圖6 80 m系泊系統布置平面示意Fig.6 Plan view of the 80m mooing system

圖7 模擬退火法優化進程Fig.7 Optimization processof AS

圖8 截斷系統和原系統靜力特性比較Fig.8 Static characteristicsof the truncated&full depthmooring system

圖9給出了全水深和截斷水深系統單根系泊纜水下初始形狀對比情況,從圖上可看出,工作水深變小后,系泊纜初始形狀發生較大的變化,但盡管如此,兩者還是具有十分接近的靜力特性,由于合理設計準則的使用,兩者的動力特性也是能夠做到比較相似的。

圖9 截斷水深和全水深系泊纜示意(側視圖)Fig.9 Side view of themooring line of the truncated&full depth system

4 結 語

簡要介紹了智能優化平臺OP的功能和特點,隨后介紹了基于OP開發出來的等效水深截斷系統優化設計軟件平臺POD,并給出了在該平臺上進行一次截斷系泊系統優化計算的算例,在較短時間里獲得了一個令人滿意的結果。計算結果表明,該POD系統操作簡便,計算快速,精度較好,顯示直觀明了,具有較強的推廣價值。進一步研究中,將加強系泊纜動力特性的模擬和優化,并拓廣該軟件平臺的應用領域,爭取申報軟件著作權將其推廣到國內和國際市場。

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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

國家自然科學青年基金資助項目(10602055);國家863計劃資助項目(2008AA09Z303)

周杭霞(1963-),女,浙江杭州人,副教授,主要從事計算機技術在工程中應用研究。E-mail:zhx@cjlu.edu.cn

張火明。E-mail:zhmlandi@cjlu.edu.cn