1、第 卷 第 期 年 月 船 海 工 程 .:./.浮式生产装置甲板管路系统分级设计方法梁明霄文艳闫永思(上海外高桥造船有限公司上海)摘 要:为解决 甲板管路系统在设计过程中存在的管路分支点不在最优位置、管路系统设计过程过于复杂的问题基于蚁群算法针对 甲板管路系统的特点将甲板管路分化为主管和分支管路通过先后设计主管路和分支管路的方式完成管路系统的设计实际算例对比发现此方法能有效解决管路分支点不在最优位置的问题同时分级设计的方式能有效降低设计和计算难度关键词:甲板管路系统管道路径设计蚁群算法中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:修回日期:第一作者:梁明霄()男博士工程师研究方向:海工装
2、备研发 作为大型海上石油处理设备 安装的各类型管路系统是其重要的组成部分 的管路系统具有排布复杂、布设空间受限、设计要求严格等特点通常其管路系统的设计工时能占总设计时长的 然而目前的 管路设计主要依赖人工完成设计人员的经验、知识和对设计规范的运用程度直接决定管路设计的效率和设计结果的优劣 管路系统设计中难点在于设计管道的路径在设计时通常要求以最短的路径接连管道的起点和终点同时需要满足避开限制区域、减少弯头数量、避免管路相互干涉等多种约束条件 的管道路径设计问题可以归类为一种路径优化问题这类问题自上世纪 年代起便得到了关注并有大量研究人员对此做了研究蚁群算法最早由 等提出该算法模拟蚂蚁在自然界中
3、搜索食物的行为在解决管路路径优化问题时相对其他算法具有优势在实际设计船舶管路系统的过程中需要面对的管路系统通常存在大量分支管路针对这类管系的设计已有的设计方法的处理方式主要是将管路系统中所有的终点和起点为管路设计起点利用各类算法寻找并确定管路分支点以此实现管路系统的设计针对 甲板管路系统设计问题考虑基于蚁群算法提出管路系统分级设计方法首先将 甲板管路系统分为主管路和分支管路通过分别设计主管路和分支管路完成对管路系统的设计 设计问题分析管路系统的设计首先受到其所处空间的限制对于 而言其管路系统可以根工作空间分为甲板管路系统和舱内管路系统 的甲板管路系统的主要作用在于:连接沿船长方向分布的舱段连接
4、每个舱段中的舱室连接甲板上部模块系统和油气储存空间 因此 的甲板管路系统具有如下的特点)管路系统的垂直方向尺度受到上部模块的限制因此其水平方向尺度远大于垂直方向尺度)管路系统中主管路和分支管路分级明显主管路沿船长方向分布分支管路沿船宽方向分布)各甲板管路系统的主管集中在甲板中部对于分级明显且主管路集中于甲板中部的 甲板管系在进行数值设计时考虑将管路系统拆分成不同层级进行设计即先设计位于甲板中部主管路再设计分支管路 如此设计既能降低计算难度也更符合实际设计逻辑.设计目标与约束条件设计目标与约束条件是管路设计的核心部分通常在管路系统设计过程中需要考虑的设计目标如下)使管路系统的管路长度最小 年第
5、期梁明霄等:浮式生产装置甲板管路系统分级设计方法船海工程第 卷)使管路系统中的弯头数量最小)使管路尽量靠近墙体、甲板等通常在管路系统设计过程中需要考虑的约束条件如下)管路系统需要避开障碍物、危险区域和限制区域)避免管路系统间的相互干涉需要说明的是上述的设计目标与约束条件并非是固定的在设计时可以结合具体的要求进行修改 本文中管道的弯头都被设定为.管路系统设计问题构建管路设计问题可以视为一个多目标、多约束条件的优化问题依照前文所述管路设计问题的数学形式可以表示为:.:()式中:为第 条管路的目标函数为第 条管路的长度和弯头数量为第 条管路的路径 为管道路径的可经过区域如式()中所示管路设计问题是一
6、个典型的三维路径优化问题对于求解这一类问题蚁群算法具有针对性强、收敛性好等优势 因此基于蚁群算法构建用于 甲板管路分级设计方法 分级设计方法 甲板管路系统具有明显的分级特点其甲板管路中的主管路集中于甲板中部沿船长方向延伸分支管路由主管路向船舷延伸 对于这类型的管路系统在设计时可以将其分为主管路和分支管路进行设计 设计流程见图 图 甲板管路系统分级设计流程针对所需要设计甲板管路系统首先确定主管路的起点、终点以及分支管路的终点并划分管路所在区域的网格 设置蚂蚁种群数量搜索主管路起点、终点间的最优路径 在主管路路径搜索完成后以分支管路终点为起点搜索到达主管路的最优路径 在主管路和分支管路搜索完成后计
7、算管路系统的长度和弯头数量等目标函数依据目标函数的大小更新网格边界的信息素完成第一步迭代 重复上述计算过程直至迭代步数到达设定值.蚂蚁移动方向在蚁群算法中路径的搜过程实质是蚂蚁不断的选择和移动到相邻的未探索节点 蚂蚁在网格中的移动方向由信息素和启发因子共同决定其中信息素的强度取决于先前经过蚂蚁的数量经过某一路径的蚂蚁越多该路径上的信息素强度越高 信息素记录的是前序计算的信息其作用是保留下优秀的计算结果用于后续迭代 启发因子用于评价当前迭代步中蚂蚁某前进方向的优劣其大小与前述计算结果无关 启发因子与信息素联合使用可以避免蚁群算法发散或者陷入局部最优解蚂蚁移动方向的具体选取过程如下()()()式中
8、:为当前点 到相邻点 间路径的信息素为当前点 到相邻点 间路径的启发因子、和为经验系数其中()为当前点 到相邻点 的概率具体计算方法如下()()()()()在计算时首先生成均布随机数 若 则蚂蚁向具有最大 值的点移动否则依据每个相邻点的概率选择下一点的移动方向.启发因子蚁群算法中的启发因子用于在当前迭代步中评价蚂蚁某一移动方的优劣 本文管路系统被分为主管路和分支管路两部分在主管路部分设计完成后分支管路再进行设计 在设计主管路时其管路的起点和终点是确定的因此主管路设计使用的启发因子如下 ()式中:、为蚂蚁当前所在位置的相邻点 的 年第 期梁明霄等:浮式生产装置甲板管路系统分级设计方法船海工程第
9、卷三维坐标、为主管路终点的三维坐标在主管路的路径搜索完成后分支管路开始设计 与主管路不同的是分支管路路径的搜索是由分支管路的终点开始的当分支管路的路径到达主管路时搜索结束 因此分支管路路径的起点是确定的而其终点是不确定的 对于分支管路蚂蚁当前所在位置相邻点 的启发因子可以表示为()式中:为点 到主管路的最近曼哈顿距离具体可以表示为 ()式中:、为主管路上点 的三维坐标.信息素更新利用蚁群算法搜索主管路和分支管路路径时在一个迭代步中会设置多组蚂蚁对路径进行搜索每组蚂蚁之间的搜索过程互不影响 在路径搜索完成后根据每条路径经过蚂蚁的情况更新对应路径中的信息素强度 信息素强度的更新分为三个部分:第一部
10、分为每只蚂蚁经过后增加的信息素强度第二部分是根据每条路径对应的目标函数值更新的信息素强度第三部分是每一次迭代完成后更新全局信息素强度 因此在第 次迭代完成后点 至点 间路径的信息素强度可以表示为()()式中:为信息数残留系数为每只蚂蚁经过是增加的信息素强度为跟条路径上基于目标函数值更新的信息素强度 其中和 可分别表示为()()式中:为经验系数 为每条路径上蚂蚁留下的信息数总量 和 分别为每一步迭代过程中蚂蚁搜索得到的最好路径和最坏路径的数量和是权重系数为第 条路径对应的目标函数在 甲板管路系统分级设计方法中主管路和分支管路的搜索过程是分开进行的因此主管路和分支管路在搜索时使用的信息素信息也应当
11、分为互不干扰的两组 在主管路和分支管路路径搜索完成后再依据式()()分别更新主管路和分支管路的信息素 算例设置 个长、宽、高分别为 、和 的管路系统设计区域区域网格的长、宽、高分别为 、和 管路系统需要连接的 个点坐标分别为点()、点()和点()其中主管路需要连接、两点分支管路需要连接 点 通过在区域内为管路系统设计路径对比 甲板管路系统分级设计方法与常用方法所得结果见图 图 常用方法与本文方法结果对比在图)中为了保证 条路径能最终合拢从 点出发的蚂蚁将另两只蚂蚁的当前位置和已搜索的路径作为搜索目标 蚂蚁和 蚂蚁首先在点()处相遇 蚂蚁停止搜索而 蚂蚁由点 出发继续向 轴正方向搜索直至与 蚂蚁
12、相遇 观察图)中不难发现、蚂蚁的汇合点 实际成为了管路系统的分支点但分支点 并非最优的分支点()这一问题是目前常用方法中的一个缺陷对于常用方法管路系 年第 期梁明霄等:浮式生产装置甲板管路系统分级设计方法船海工程第 卷统中的分支点的位置由网格划分、起点位置等多种参数共同决定并不能保证其位置最优 在图)中通过增加迭代步数或者蚂蚁种群数并不能继续优化分支点位置 针对这个问题一个比较好的处理方式是修正网格 论文给出了一种网格修正方法以图)为例 图中()至()间的节点以及()至()间的节点可以视作、两蚂蚁汇合过程中的过程节点去掉这些节点可以使得、两蚂蚁在第一步迭代时直接在点()汇合 然而对于有多套并行
13、管路系统需要同时设计的情况论文中给出的网格修正方法并无优势它在去掉某些过程节点的同时又会增加新的过程节点因此对于分级现象明显、分支管路众多、多管路系统并行排列的 甲板管路系统常用方法并无优势在图)中、三点间的管路系统被分为两级其中连接点 和点 的为主管路连接点 和主管路的为分支管路 图)中的管路路径由 甲板管路系统分级设计方法所得设计时 蚂蚁首先沿 轴搜索确定了由 点至 点的主管路随后 蚂蚁开始搜索并在点()与主管路汇合 相较于图)本方法通过将管路系统分级在降低了每级管路系统的计算难度的同时避免了路径汇合对管路分支点的不利影响 结论基于蚁群算法建立的用于设计 甲板管路系统的分级设计方法将甲板管
14、路分化为主管和分支管路通过先后设计主管路和分支管路的方式完成对管路系统的设计 对比一般方法表明所提出的设计方法能有效解决分支管路设计中由多起点同时设计管道路径造成的分支点不在最优位置的问题同时通过将管路系统分级的方式可有效降低数值计算和程序编写难度所提出的设计方法能有效辅助实际 甲板管路系统设计提高设计效率 在后续研究中可以将该方法进一步拓展将管路系统的受力等作为约束条件提高设计结果的完成度参考文献 .:.():.():.():.():.():.():.().():.():.():.:.(下转第 页)年第 期祁麟等:船舶铝合金焊接工艺方法对比分析船海工程第 卷接工艺的适用位置、板厚、焊接速度和
15、技术特点进行横向综合对比分析揭示了各类工艺在高效自动焊接背景下的优劣为企业在铝合金工艺开发方面提供参考 未来应重点开展铝合金脉冲 焊的工艺开发研究、同时充分利用薄板车间的激光电弧复合焊接设备开发铝合金焊接工艺尽快拥有铝合金材料的高效自主焊接能力参考文献 茅海波丁荣辉朱其柱等.船舶用铝合金板材性能应用与展望.中国长三角铝业高峰论坛暨上海铝业行业协会年会论文集():.刘晓莉.船舶制造中铝合金焊接工艺研究.上海:上海交通大学:.张宏伟.铝合金常见焊接缺陷分析.轻合金加工技术():.钟广军毛申飞.铝合金船体焊接变形及其控制措施.船舶与海洋工程():.陈和.铝合金船舶建造中的工艺特点初探.船舶物资与市场():.():.张欣.铝镁复合板直流双脉冲 工艺及质量控制技术研究.南京:南京理工大学:.高智慧仇凤平郑向宇等.船舶上层建筑铝合金分段焊接质量控制要点.造船技术():.庄凯.船用 级钢高功率激光焊接接头组织与韧性的研究.上海:上海交通大学.():.刘红伟王法科王冬生等.铝合金焊接接头性能研究.兵器材料科学与工程():.毛秋水李敬勇张新宇等.焊接热循环对铝铝钢复合过渡接头性能的影响.船舶工程():.(.):.:(上接第 页)(.):.:
