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摘 要：船舶管路空间布局难度较大，一般需要构建多种模型进行分析，而且要与船舶管路环境相适应。本文主要结合船舶管路布局特点，研究了智能船舶管路优化设计，并在环境模型与指导机制基础上使用新型算法对船舶管路智能布局进行了设计，并对设计的可行性进行验证，实际应用效果较理想。
关键词：船舶管路；空间环境模型；方向指导机制；遗传算法
目前在经济发展的影响下，提高了我国船舶产品在国际的影响力。船舶管路布局是目前研究的热点问题，为了适应复杂多变的船舶环境，必须及时对其进行探讨。本次主要在建立模型基础上对船舶自动布局指导机制进行了研究，实现了船舶管路自动布局优化。
一、船舶管路布局环境模型
（一）舱室布局空间模型。首先，根据船舶舱室长、宽、高度，将舱室类比为规则的长方体，然后借助栅格技术划分长方体模型，分布为三维网格节点区域，并使用直角坐标标注栅格节点坐标，（x，y，z）。最后对舱室模型进行调整，由于很多舱室舱壁都是不规则形状，所以舱室空间设置成禁止布局区域。
需要注意的是，栅格划分大小对空间模型具有很大影响，一般可从以下几方面进行考虑：1.管子半径。管路布局经常使用管子中心线替代管子，所以栅格不能小于管路半径，避免产生布局问题；2.管路之间必须留有足够间隙，相邻管路间隙不能少于20毫米，简而言之，栅格大小不能小于管路半径与管路预留间隙之和。3.管路与障碍物及舱壁间隙。管路与障碍物及舱壁均要根据实际情况留有间隙。单管路栅格不能小于管路加舱壁及上管路障碍物之和，实际布局中必须综合分析，结合实际情况正确调整。
（二）障碍物模型。障碍物模型表示舱室设备、舱壁、过道及船体结构不能穿过物体而构建的模型。本次研究中主要使用姿态空间建模方法进行分析，实际建设中需要遵循以下原则。第一，姿态空间属于障碍物包络体，可以将障碍物包含在姿态空间中，没有伸出姿态空间外的内容。第二，姿态空间一般结合障碍物固定屬性设置，如障碍物为电缆，要求管路与电缆距离控制在100毫米，电缆姿态空间还要包含电缆周围100毫米的空间。第三，姿态空间必须对机械设备的可操作性与维修性进行考虑，要求障碍物周围必须留有一定的维修空间，而且要将姿态空间计算在内。
（三）管路模型。该模型设计时一般使用中心线理论进行分析，要求将管路壁厚与半径均缩小成0，布局时使用管路中心线布置管路。
（四）布局优劣区域模型。布局优劣区域模型通常根据物体布置要求、舱室空间环境与功能特性等进行布置，一般由状态值模型和能量值模型组成。前者可对区域布置管路进行判断，一般将布置舱室划分成可不止区域和禁止布置区域分析。后者应用于区域示范适合布置管路，可结合布置物体要求、功能等将舱室分为很多不同的能量区域，并对区域布置物体进行计算。
（五）船舶管路布局指导机制。管路智能布局设计时要求初始种群各对应一条布管路径，必须从起点向终点开展，有时因无法得到初始路径方案而进入死循环，所以必须使用引导机制提高初始个体质量。首先将6个方向分为两组，一组与终点方向相同，另一种与终点方向背离。结合引导机制可知前组概率大于后者概率。
二、数值仿真
本次构建了数值仿真，并布置空间划分为下图3所示的网格，并在WinJows XP基础上开展了进化遗传算法。
图3中，群体大小用n表示，变异概率为Pm，杂交概率为Pc，由于目前还没有得到进化算法最优参数，所以很多研究结果主要应用于进化算法的最优参数选择中，主要从已有实验中得到经验数据。经过试验得到M=40，Pc=0.8，Pm=0.06，A=10000，a=3，b=3，c=4，J=20。终止为稳定状态（种群比例个体相同），反复试验将比例参数设置成0.8，个体达到80%时，算法终止。
在改进遗传算法基础上，本次选取了较多的方向参数值，并开展了仿真实验，从实验分析可知，当P设置为16时，所得到的实验效果较理想。
三、船舶管路智能布局未来发展方向
（一）船舶管路智能布局是设计人员利用长期实践过程所完成的设计。船舶管路智能布局优化设计要求将人工智能与计算机技术成功应用到实际设计中，然后在行业领域中，根据专家自身知识机构与经验进行推理和判断，解决船舶管路的复杂问题。目前专家系统已经成为解决管路设计布局最有效的方法，所以在今后研究中还要构建专家船舶管路布局系统，同时将多种布局与算法应用到系统中，借助人际互换方式开展管路及其附件布局任务设计。
（二）船舶管路布局中不仅有很多直管，同时也有大量分支管路，或串并联形成的管网。今后研究中还要管网与分支布局问题进行深入探究。
（三）由于船舶管路智能布局较复杂，因此在实际操作中，必须将多种因素考虑在内，避免在今后应用中设备、风道等对管路布局优化造成影响，可以将众多影响因素进行综合分析，协调布置，认真探究。
（四）正交管路已经成为船舶管路当前应用的主要布局样式，一般特殊要求管路布局时，可采用正交管路布置方法操作，结合管路走向与船体结构进行设计，并构建空间模型与网格，让管路满足不同走向要求。
（五）船舶管路属于“单输入-多输出”问题，虽然用户对布置设计目标提出的要求较单一，但是最终设计结果较多样，而且均能满足用户需求。因此在今后研究中必须构建船舶管路布置设计评价方法和体系，设计用户最满意的船舶管路。
四、结语
目前在经济发展的带动下，海洋工程船只需求量越来越大，已经得到了众多人员的重视。本文主要对船舶管路智能布局进行优化设计，主要利用障碍物模型、布局空间模型等进行分析，最后开展了改进遗传算法，设计了船舶管路布局，并对仿真实验结果进行了验证，得到了理想的结果，可以给船舶管路智能布局相关问题提供借鉴。
参考文献：
[1]王晨.基于遗传算法的船舶智能布局设计方法研究[J].大连理工大学，2014，（07）.
[2]范小宁.船舶管路布局优化方法及应用研究[J].大连理工大学，2014，（06）.
[3]吴宏超.复杂产品中的管路自动布局与优化技术研究[J].北京理工大学，2015，（05）.
[4]秦伟.船舶管路布局优化探究[J].山东工业技术，2016，（18）.
[5]葛东枢.船舶管路综合布局优化[J].黑龙江科学，2014，（03）.
关键词：船舶管路；空间环境模型；方向指导机制；遗传算法
目前在经济发展的影响下，提高了我国船舶产品在国际的影响力。船舶管路布局是目前研究的热点问题，为了适应复杂多变的船舶环境，必须及时对其进行探讨。本次主要在建立模型基础上对船舶自动布局指导机制进行了研究，实现了船舶管路自动布局优化。
一、船舶管路布局环境模型
（一）舱室布局空间模型。首先，根据船舶舱室长、宽、高度，将舱室类比为规则的长方体，然后借助栅格技术划分长方体模型，分布为三维网格节点区域，并使用直角坐标标注栅格节点坐标，（x，y，z）。最后对舱室模型进行调整，由于很多舱室舱壁都是不规则形状，所以舱室空间设置成禁止布局区域。
需要注意的是，栅格划分大小对空间模型具有很大影响，一般可从以下几方面进行考虑：1.管子半径。管路布局经常使用管子中心线替代管子，所以栅格不能小于管路半径，避免产生布局问题；2.管路之间必须留有足够间隙，相邻管路间隙不能少于20毫米，简而言之，栅格大小不能小于管路半径与管路预留间隙之和。3.管路与障碍物及舱壁间隙。管路与障碍物及舱壁均要根据实际情况留有间隙。单管路栅格不能小于管路加舱壁及上管路障碍物之和，实际布局中必须综合分析，结合实际情况正确调整。
（二）障碍物模型。障碍物模型表示舱室设备、舱壁、过道及船体结构不能穿过物体而构建的模型。本次研究中主要使用姿态空间建模方法进行分析，实际建设中需要遵循以下原则。第一，姿态空间属于障碍物包络体，可以将障碍物包含在姿态空间中，没有伸出姿态空间外的内容。第二，姿态空间一般结合障碍物固定屬性设置，如障碍物为电缆，要求管路与电缆距离控制在100毫米，电缆姿态空间还要包含电缆周围100毫米的空间。第三，姿态空间必须对机械设备的可操作性与维修性进行考虑，要求障碍物周围必须留有一定的维修空间，而且要将姿态空间计算在内。
（三）管路模型。该模型设计时一般使用中心线理论进行分析，要求将管路壁厚与半径均缩小成0，布局时使用管路中心线布置管路。
（四）布局优劣区域模型。布局优劣区域模型通常根据物体布置要求、舱室空间环境与功能特性等进行布置，一般由状态值模型和能量值模型组成。前者可对区域布置管路进行判断，一般将布置舱室划分成可不止区域和禁止布置区域分析。后者应用于区域示范适合布置管路，可结合布置物体要求、功能等将舱室分为很多不同的能量区域，并对区域布置物体进行计算。
（五）船舶管路布局指导机制。管路智能布局设计时要求初始种群各对应一条布管路径，必须从起点向终点开展，有时因无法得到初始路径方案而进入死循环，所以必须使用引导机制提高初始个体质量。首先将6个方向分为两组，一组与终点方向相同，另一种与终点方向背离。结合引导机制可知前组概率大于后者概率。
二、数值仿真
本次构建了数值仿真，并布置空间划分为下图3所示的网格，并在WinJows XP基础上开展了进化遗传算法。
图3中，群体大小用n表示，变异概率为Pm，杂交概率为Pc，由于目前还没有得到进化算法最优参数，所以很多研究结果主要应用于进化算法的最优参数选择中，主要从已有实验中得到经验数据。经过试验得到M=40，Pc=0.8，Pm=0.06，A=10000，a=3，b=3，c=4，J=20。终止为稳定状态（种群比例个体相同），反复试验将比例参数设置成0.8，个体达到80%时，算法终止。
在改进遗传算法基础上，本次选取了较多的方向参数值，并开展了仿真实验，从实验分析可知，当P设置为16时，所得到的实验效果较理想。
三、船舶管路智能布局未来发展方向
（一）船舶管路智能布局是设计人员利用长期实践过程所完成的设计。船舶管路智能布局优化设计要求将人工智能与计算机技术成功应用到实际设计中，然后在行业领域中，根据专家自身知识机构与经验进行推理和判断，解决船舶管路的复杂问题。目前专家系统已经成为解决管路设计布局最有效的方法，所以在今后研究中还要构建专家船舶管路布局系统，同时将多种布局与算法应用到系统中，借助人际互换方式开展管路及其附件布局任务设计。
（二）船舶管路布局中不仅有很多直管，同时也有大量分支管路，或串并联形成的管网。今后研究中还要管网与分支布局问题进行深入探究。
（三）由于船舶管路智能布局较复杂，因此在实际操作中，必须将多种因素考虑在内，避免在今后应用中设备、风道等对管路布局优化造成影响，可以将众多影响因素进行综合分析，协调布置，认真探究。
（四）正交管路已经成为船舶管路当前应用的主要布局样式，一般特殊要求管路布局时，可采用正交管路布置方法操作，结合管路走向与船体结构进行设计，并构建空间模型与网格，让管路满足不同走向要求。
（五）船舶管路属于“单输入-多输出”问题，虽然用户对布置设计目标提出的要求较单一，但是最终设计结果较多样，而且均能满足用户需求。因此在今后研究中必须构建船舶管路布置设计评价方法和体系，设计用户最满意的船舶管路。
四、结语
目前在经济发展的带动下，海洋工程船只需求量越来越大，已经得到了众多人员的重视。本文主要对船舶管路智能布局进行优化设计，主要利用障碍物模型、布局空间模型等进行分析，最后开展了改进遗传算法，设计了船舶管路布局，并对仿真实验结果进行了验证，得到了理想的结果，可以给船舶管路智能布局相关问题提供借鉴。
参考文献：
[1]王晨.基于遗传算法的船舶智能布局设计方法研究[J].大连理工大学，2014，（07）.
[2]范小宁.船舶管路布局优化方法及应用研究[J].大连理工大学，2014，（06）.
[3]吴宏超.复杂产品中的管路自动布局与优化技术研究[J].北京理工大学，2015，（05）.
[4]秦伟.船舶管路布局优化探究[J].山东工业技术，2016，（18）.
[5]葛东枢.船舶管路综合布局优化[J].黑龙江科学，2014，（03）.