基于人機合作的船舶管路布局優化設計研究

陳文科 王亮 劉杰詩 范偉

摘 要：本文主要就船舶管路設計展開研究，結合船舶管路系統自身的復雜性和建設過程中出現的各類問題，創新性地引入人機合作的管路布局手段，推動管路自動化設計順利開展，實現三維畫管道布局優化設計的目標，繼而達到降低船舶生產成本，縮短船舶設計周期的目的。

關鍵詞：人機合作；船舶管路；優化布局

社會經濟的快速發展對船舶制造以及船舶的整體功能等提出了更高的要求。在信息技術和船舶制造技術等的支持下，借助三維管道設計模型引入人工個體，可推動人工與職能設備的有效結合，對船舶制造業的發展等具有重要作用。

一、人機合作的船舶管路布局優點

第一，該類布局模式有效地在船舶布局過程中融入了人工因素，通過借助專業人員的管路布局經驗等，可對管路設計各項工作進行優化，進而得到符合人類設計規律和已有技術水平的管路布局方法。第二，在引入人工之后，可結合優化模型和求解方法的動態性特點，對人工布局的各項因素進行有效優化，提高其優化效率。第三，在引入人工智能算法后，可及時將部分無法解決的管路優化問題等進行人工處理，將其轉化為計算機可接受的各項數據來求解，有效促進了設計效果的優化。第四，面對較為復雜的多管道布局問題時，可以有計劃地將其轉變為單管道模式，管路布局明顯簡單化，更易于操作處理。

二、人機合作的船舶管路布局存在的問題

受到國內具體的船舶設計水平的限制，設計人員在設計的過程中一般選擇首先進行管路的平面設計，在明確船舶設備的位置之后，再就船舶整體進行管路設計工作，但是該類管路布局設計模式需要的時間太長，設計的效率明顯下降，不利于成本控制工作的開展。同時，由于管道布局一般是三維管路布局，這就與平面布局之間產生了一定的沖突，若沒有詳細的安裝步驟和說明，僅依靠平面設計圖進行三維管道的安裝，操作過程中可能會出現諸多問題，具體設備的安裝等偏差較大，導致船舶布局安裝的返工量明顯加大。對造價和安裝技術要求相對較高的管路布局來說，平面布局設計造成的損失無疑是巨大的，導致成本支出大幅增加。同時，雖然引入了人工智能算法為船舶管路設計服務，但是仍存在一定的局限性，通過將人工引入船舶具體設計中，可促進將各類智能計算機無法解答的問題以相對簡單的形式表達出來，推動該技術的進步。通過研究多樣化的人工個體，促進人工智能和機器智能的有效結合，發揮人工和機器算法彼此的長處，推動人機交互式船舶三維管路布局工作的順利開展。

三、人機合作的船舶管路布局優化設計研究

1.人機合作單管布局研究

通過將船舶管道以空間模型的方式表示出來，可為計算機優化設計奠定良好的基礎。在此基礎上，結合具體設計過程中的管路直徑的大小和彎頭大小等因素，將管路布局以長方體空間模型的形式表示出來，對空間進行三維網格化處理，借助不同的節點實現具體的對應。因而，要注意設計過程中節點不能有重合，管道數值應當結合具體的空間走向等因素，采取最優賦值方法。為節約實際建設所需的材料等因素，應當盡量使管道沿著一定的物體布置，可以選擇墻壁、設備和具體的管道支架等，在有一定物體支撐的情況下，管道建設所需要的材料支出等會明顯減少。在設計管路空間布局障礙物模型時，可以選擇使用“層次包圍盒法”對其進行簡化處理，以不可穿越區域表示。管路布局過程中要充分考慮各類約束對合理布局的作用，結合物理約束、經濟約束以及力學約束和具體的管道鋪設過程中的生產約束、安裝約束等，合理處理單管道路的鋪設問題，在考慮各項必要因素的前提下，選擇最短路徑鋪設。同時需要注意的是，對于一些表面熱量相對較高的設備，管路鋪設過程中應當盡可能選擇改道等方式避開。在單管管道模型的支持下，結合試驗的各項內容，對線路管道進行最優化布置，在此過程中可以具體考慮去回路操作、去彎頭操作以及繞障操作的相關內容，及時進行局部和全局信息素更新。在此過程中，要注意全局信息素更新是在一次循環完成之后才開始的，這也是為取得算法最優解所進行的必要操作。借助單管管道模型和各類算法的支持，可實現人機合作模式下較為良好的管道構建目的。要堅持管道沿低能量值區域鋪設和避開高熱量設備的原則，結合具體的算法，集中解決模型求最優解問題，實現單管最優化鋪設的目標。

2.人機合作多管路并行布局研究

船舶管道布局設計過程中，僅依靠單條管路并不能打造完善的船舶管道系統。借助協同進化算法的相關內容，可將生態系統概念引入到管道設計中來，促進管道具體數值最優解設計目標的實現，同時還可有效促進彼此的信息共享，推動打造多元化的管道建設模式。本文主要論述共生協同進化算法，探究實現管道系統整體最優解目標的方法。在管道設計過程中，在按照管路布局優先順序的前提下，可以將不同類型的管道并行，設計成管束的形式，既減少了管道鋪設占用的空間，也有效降低了管道鋪設成本。引入共生協同進化算法后，可以對管道鋪設進行模擬，在管道鋪設三維網格模型上模擬管道鋪設的路徑和其占用的空間，對于重現重復的區域，借助收斂和其它相關知識內容，推動尋求最優解目標的實現，盡可能在多循環形勢下完成管道鋪設工作，尋求最佳鋪設方法。

3.人機合作模式對管路布局設計的影響

在人機合作模式下，人工加入的時機、數量以及個體的性能等都對其有一定的影響。如果人工個體是在種群初始化時加入，其整體算法的復雜度會逐漸降低，但是優秀基因也會隨著雜交而逐漸分解，導致算法最終停止。如果人工個體是在算法未達到進化代數下的最優值時加入，人工基因和算法個體基因則會實現更為有效地結合，可有效提高人工個體的應用程度。此外需要注意的是，算法個體性能是船舶管路優化布局模型設計中的主要影響因素，如果加入太多人工個體，最終算法會收斂到人工個體中去，不僅增加了設計者的工作量，也違背了設計的初衷。只有合理控制加入個體的時機、數量和個體性能，才能真正實現人機合作提高算法優越性的目的。

四、結語

船舶管路布局是船舶制造業研究的重點問題之一，必須加強對管路布局的重視。通過引入新型人機合作式的船舶管路布局模式，在模型設計中找出各類算法的最優解，并將其應用到實際的管路布局中，可推動船舶設計制造業長遠發展。

參考文獻：

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