船舶管系布局優化的研究

張建明

摘要：船舶管系就像人身體里的血管，有了它，才能使船上各系統的功能得以正常連接和發揮作用，它是船舶設計中的重要內容。同時，管系設計的好壞直接關系到一條船的經濟成本。船舶管系設計由五個連續的階段組成：初步設計、功能設計、詳細設計、生產設計和系統支持信息。管路布局設計是在二維或三維布局空間內尋找滿足約束準則，并連接給定起點和終點的管道路徑。占有管系詳細設計50%的管路布局設計是管系詳細設計階段的重要組成部分。由于船舶管子數量龐大，約束繁雜及布局空間較大，目前在實踐中，還主要依靠經驗豐富的專家去完成。所以，管路布局設計優化非常困難、耗時，與整個船舶在利用先進技術方面相比嚴重滯后，并已成為制約船舶設計周期的瓶頸，是一項亟待解決的技術難題。為此，管路布局設計的自動化和優化對船舶設計質量，縮短造船周期有重要意義。

關鍵詞：船舶；管系設計；管路系統；水泵

1 船舶管系的基本狀況

“船舶機體”是一個綜合性概念，它所包含的管系較為復雜，涉及到的直徑差異性管子數量極其多，且管子的品種也很多，規格較為復雜多樣。如果從管子的具體作用來劃分，可以將其劃分為動力管系和船舶管系兩種類型。從這2種管系各自作用的發揮來看，兩者是既相互獨立又相互配合的關系，在互補中共同發揮優勢，以確保船舶機體性能良好。這也從側面說明了對船舶管系進行安裝監管是監督監管人員的工作重點所在。從整個流程來看，船舶工程中的管系安裝主要涉及圖紙設計、現場制作、表面處理、船上安裝密試及效用等幾個主要階段。

2 管系設計布局存在的缺陷

船舶管系是分布于船舶各艙室的用于傳遞氣體與液體的管路系統，包括管子、閥門、法蘭、管路支架、減振接管等部分。船舶管系遍布全船各艙室、各個部位，合理的管系布局是保證船舶安全性、操作方便、維修便捷和機械正常運轉的重要前提。

目前，管系在設計布局時主要采用平面方法進行管系布局放樣，在平面上按照一定比例繪制船體型線和有關結構圖。繪制出艙內主要機械設備的安裝位置后，繪制管系的放樣總圖，而后依據放樣總圖生成各系統管系的放樣圖，開展管件加工和生產。目前，設計方法存在多方面的缺陷：①平面設計方法無法表示管路錯綜復雜的三維立體關系，不易在設計階段規避管路之間、管路與設備之間干涉情況，且要求在現場放樣完成后再開展設備布置，這種串行設計的方法不利于生產周期的縮短。②該方法依賴對設備安裝位置的數據測量，且因管系密集，在設計不同系統管系時，易出現管路相互影響的情況，導致返工。③人工放樣、設計管系布局的最大缺陷是設計布局的結果極度依賴設計者的經驗、專業知識。

3 管系設計布局的要求

船舶管系是船舶建造過程中的重要過程和工序，對于船舶制造有重大的影響。在生產過程中，船舶管系會受到重多因素的約束和影響，主要應滿足以下 4 方面的要求：①經濟性要求。管路長度盡量短，彎頭、管卡數量盡量少。②安全性要求。管路應避免在振動較大的設備上面布置，比如水泵、壓縮機等；油管應避免在高溫蒸汽等高溫管路及設備上方布置；管路安裝時應滿足管系的力學要求，同時，考慮到管系受熱膨脹會影響使用中管系的受力情況，在安裝時，應考慮管系布置的靈活性。③維修性要求。保證管路與管路、管路與設備之間有一定的間距，管路中的閥件及控制裝置應避開障礙物，并處于易維護的范圍內；為安裝與維修階段所用的扳手、絞車等移動設備預留足夠的操作空間。④精細化要求。管系布置時應先布置粗管，后布置細管，管路應盡量與艙壁、設備、管路支架正交成束敷設；管路必須排列整齊，系統閥門應整齊布置；水平與垂直管路安裝時應在管路垂直位移最小的位置支撐，防止管路過度變形扭曲。

4 管系優化布局的發展趨勢

隨著自動化與信息化技術的快速發展，現代造船模式向著數字化發展，設計模式也向著自動化發展，傳統的管系優化布局模式也應緊隨科技革新。筆者認為，船舶管系優化布局應向以下幾方面發展。

4.1 實現自動化管系布局

提高管系設計效率和布局精度的根本方法是進行自動化管系布局。三維數字化管系布局將管系設計工作從二維平面發展到了三維空間，但本質上還是依賴經驗豐富的設計者，且設計不一定是最優的。一套成熟的自動化管系優化布局系統是利用預設的專家知識、算法自動輸出最優的管系布局。國內外學者對自動化管系優化布局展開了大量的研究，研究過的管系優化布局方法有試湊法、動態規劃法、迷宮法、逃逸法、網絡優化法、遺傳算法、專家系統和模糊集理論及單元生成法等。經過對管路布局優化設計的多年研究，取得了一定的研究成果，部分行業形成了小范圍的自動化管系布局系統，但目前研究的算法中依然存在問題，未形成一套完整的自動化管路優化布局系統。

4.2 進行三維數字化放樣

以三維化為基礎的數字化造船模式已經成為現代造船業的發展趨勢，開展三維數字化管路布局設計迫在眉睫。三維數字化管路布局的優點在于使管路布局與設備安裝同時進行，設備安裝完成即可進入管系安裝階段，從而縮短生產周期。此外，三維數字化管系布局設計可以模擬出管系之間、管系與設備之間的三維空間關系，避免在生產階段出現返工、材料浪費的情況。近年來，國內主力船企（比如廣州造船廠、渤海造船廠等）已經在三維數字化管系布局放樣方面進行了有益嘗試——引進國際上先進的三維設計軟件（比如Tribon、CATIA 等）進行可管系布局設計，并取得了一定的效果。

4.3 檢測反饋手段的數字化

虛擬化在現代造船模式下起著十分重要的作用。當前的虛擬化僅限于設計效果的演示及生產結果的演示中，對于指導生產的作用比較薄弱。要想加強虛擬化在生產過程中的作用，則要強化監測反饋手段，發展三維在線監測手段，實時監測、采集管路安裝的三維數據，并與三維的設計效果圖進行對比；對安裝誤差過大的部位進行報警提醒，施工人員應及時糾正，在提高生產水平的同時縮短生產周期，降低生產成本。

5 結束語

本文分析了船舶管系設計布局的具體要求，指出了目前管系設計布局中存在的主要缺陷，討論了布局優化的方法及發展方向。

參考文獻

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