基于遗传算法的机舱管路自动布置研究

【摘要】船舶机舱管路的分布十分密集,且走向复杂,在船厂的管路详细设计阶段中接近一半的工作量是管路布置设计,因此,布置在管路详细设计阶段中占有非常重要的地位。由于其复杂性,目前在实际的生产设计过程中,仍然主要依靠经验丰富的专业人员完成。机舱管路布置技术难度大,所需时间长,它与船舶的其他部分在利用自动化技术相比其极度滞后,严重制约船舶设计制造的正常工期。因此,管路布置设计自动化与智能化技术的应用对于提高船舶设计效率、节约设计成本具有至关重要的意义。在科技高度发达的今天,船舶管路的自动布局可以尝试通过将计算机技术与智能算法相结合来实现。通过计算机对机舱空间进行自动分块处理,生成允许布置管路的可用空间,利用动态规划技术和优化算法技术,计算布置管路的最佳路径,然后根据工艺因素精确确定管路在机舱中的具体安装位置,最后对所有管路作整体优化处理,使之更符合实际设计的要求。基于上述背景,本文提出了一种机舱管路的自动布置方法,该方法基于目前较为流行的遗传算法来实现,研究内容主要包括：(1)在研究和综述文献的基础上,对机舱管路的设计流程进行归纳总结,重点是对机舱管路布置所应满足的约束条件及各项规则进行汇总和整理,为自动管路的布置优化奠定基础。(2)确定论文的主要研究问题是遗传算法在机舱管路自动优化布置中的应用。着重寻找遗传算法理论与管路自动布置实际应用间的接口,将达尔文生物进化论的遗传学机理运用到搜索最优解的过程中：首先将机舱的位置坐标进行编码,对种群进行初始化,生成符合条件的管路路径,计算种群中每一个体的适应度值,将适应度值高的个体选择保留并进行交叉、变异等运算,得到下一代种群,经过数代的遗传变异得到最优解,即可得到管路的最优坐标并得到最优管路布局。(3)为了使管路的自动布置算法既具有目标的针对性又具有一定的普遍性,确定整个算法以柴油机为动力的一般大型商用船舶为研究对象。(4)针对此领域相关参考文献中的方法不适用于管路布局优化,对管路布置遗传算法的每个环节进行适当的改进和优化。在初始化种群时即产生能有效避开障碍物的个体,从而避免了非法个体的产生；对交叉算子和变异算子进行适当的改进,采用交叉点杂交和随机点杂交相结合的办法,使管路最优；经过上百次重复实验,找出一组能够使路径结果良好且稳定的参数；同时力图在降低算法复杂度的同时提高算法的计算效率。(5)利用MATLAB/SIMULINK对所述算法进行建模仿真,并且开发出一个可以调整各项参数的管路自动布置软件,以降低操作的复杂性,利于对多个结果进行分析对比。针对在大量生成管路路径时人工评价管路优劣不够直观的情况,利用CATIA软件的宏命令操作,结合EXCEL的数据采集功能进行批量建点,完成了对生成管路路径由坐标化向三维化快速转化的功能,使得能够对优化生成的路径有清晰的立体感受,并且实现了在同一空间中,对不同管路的布局效果进行对比。通过仿真实验,证明了该算法应用于机舱管路自动布置的有效性和应用的可行性。
【作者】高跃峰；
【导师】任光；曾鸿；唐志杰；
【作者基本信息】大连海事大学，船舶与海洋工程，2014，硕士
【关键词】船舶管路；自动布置；遗传算法；建模仿真；

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