船舶管系布局優(yōu)化探討

導(dǎo)語：船舶管系布局優(yōu)化探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著我國船舶事業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)于船舶設(shè)計(jì)生產(chǎn)也提出了更高的要求。管系設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響到船舶的建造成本，所以船舶管系布局具有重要作用。通常由于船舶中管系數(shù)目眾多，管理較為繁瑣，同時(shí)布局體系較為復(fù)雜，現(xiàn)階段的管理大多憑借行業(yè)專家自身的管理經(jīng)驗(yàn)來完成。對(duì)船舶管系優(yōu)化仍然存在著很多困難，缺少先進(jìn)的管理方法，也制約了船舶行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。本文提出了船舶管系設(shè)計(jì)布局中顯露的一些弱項(xiàng)，針對(duì)性的提出優(yōu)化方案。并且對(duì)現(xiàn)代造船模式進(jìn)行分析，明確了船舶設(shè)計(jì)的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：船舶，管系布局；優(yōu)化

對(duì)于船舶的生產(chǎn)制造來說，管系設(shè)計(jì)是重要內(nèi)容之一。只有設(shè)計(jì)出具有科學(xué)合理的船舶管系布局，才能讓船舶在后期的使用過程中表現(xiàn)出良好的使用性能。通常情況下船舶管系設(shè)計(jì)包括初級(jí)階段、功能階段、詳細(xì)階段、生產(chǎn)階段，以及系統(tǒng)階段。主要是依靠二維和三維布局對(duì)空間進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)起點(diǎn)與終點(diǎn)建立起有效的連接。由于船舶管路布局的管理工作相對(duì)龐大且復(fù)雜，所以對(duì)于管路的管理由具有多年工作經(jīng)驗(yàn)的行業(yè)專家來負(fù)責(zé)，所以想要對(duì)管路布局設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，有著較大的難度，需要投入大量的精力。相比于船舶事業(yè)的其它技術(shù)領(lǐng)域，船舶管路布局在管理方面較為落后，缺乏先進(jìn)的管理技術(shù)，現(xiàn)階段已然成為制約船舶事業(yè)發(fā)展的一個(gè)因素，所以需要針對(duì)船舶管路布局中存在的問題，提出解決策略，使管路布局設(shè)計(jì)朝著智能化與自動(dòng)化的方向發(fā)展。對(duì)此，已經(jīng)有眾多國內(nèi)外的專家與學(xué)者展開了一系列研究，從遺傳算法方向入手，根據(jù)船舶管路布局的實(shí)際情況，采用了基于三維布局空間的設(shè)計(jì)算法，將過去遺傳算法中表現(xiàn)出的缺陷，以自適應(yīng)調(diào)整的形式進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)退火遺傳算法的船舶管路布局設(shè)計(jì)，從而獲得更合理的布局。

1研究船舶管系布局的必要性

由于船舶管系是構(gòu)成船舶多個(gè)艙室的重要管路，由連接起點(diǎn)與終點(diǎn)的管道組成，起到了傳輸作用。一般船舶管路的組成部件包括管子、連接配件、閥門等，對(duì)整個(gè)船舶設(shè)計(jì)來說還具有基礎(chǔ)作用，能夠保障船只運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，也直接關(guān)系到船舶的航行情況。而且，船舶管路布局還能夠影響船舶的建造成本，面對(duì)著日益激烈的市場競爭，船舶的建造成本也關(guān)系到企業(yè)的生存與發(fā)展，所以更低廉的建造價(jià)格、更優(yōu)異的船舶使用性能顯得尤為重要，成為船舶企業(yè)競爭實(shí)力的體現(xiàn)。所以，合理化的船舶管路布局也是現(xiàn)階段造船企業(yè)在技術(shù)上的發(fā)展方向。船舶管路布局主要包括幾個(gè)設(shè)計(jì)階段，也是管路布局設(shè)計(jì)的主要工作任務(wù)，具體情況如圖1所示。一般情況下，船舶上的管路布局相當(dāng)繁瑣，所以對(duì)管路的管理工作也具有一定的難度，需要按照不同的管線，實(shí)施不同的約束辦法。管路布局的優(yōu)劣，不僅關(guān)系到船舶的系統(tǒng)、裝置運(yùn)行情況，還涉及管路的材質(zhì)、造價(jià)、使用性能等方面，要經(jīng)過實(shí)踐的考驗(yàn)，對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，才能選擇最佳的管路布局。同時(shí)，要求設(shè)計(jì)人員充分考慮到實(shí)際施工條件，結(jié)合自身豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)管線進(jìn)行布局，而從事這一行業(yè)的專家面臨著退休，卻少有新人能夠勝任此類工作，這就使船舶管線布局的設(shè)計(jì)工作更具難度。所以，現(xiàn)階段對(duì)船舶管線布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)迫在眉睫，需要以更加科學(xué)合理、更加先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案來增加船舶企業(yè)的經(jīng)營利潤，對(duì)于這一領(lǐng)域的研究，具有重要意義[1]。

2管系設(shè)計(jì)布局的要求

船舶管線布局是船舶生產(chǎn)的重要工作流程，直接影響到船舶的建造質(zhì)量。而在實(shí)際的建造過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多種影響船舶生產(chǎn)的不良因素，船舶的建造必須要滿足實(shí)際的生產(chǎn)需求，確保達(dá)到以下的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。首先，需要滿足船舶建造的經(jīng)濟(jì)性標(biāo)準(zhǔn)。船舶管線布局要盡量縮短管線的長度，減少非必要配件的使用。其次，滿足船舶建造的安全性標(biāo)準(zhǔn)，在管線的布置上，要遵循安全準(zhǔn)則，避開不穩(wěn)定的設(shè)備，例如水泵、壓縮機(jī)等裝置，繞開溫度過高或者存在蒸汽的設(shè)備上。安裝管線時(shí)要遵循力學(xué)規(guī)律，充分考慮熱脹冷縮等問題，靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)與安裝。再次，要滿足船舶建造的維修標(biāo)準(zhǔn)。確保在投入運(yùn)行后，能夠讓管路與其他設(shè)備之間留有一定的空間，同時(shí)繞開障礙物，這樣設(shè)計(jì)有利于后期的維修與保養(yǎng)。考慮到維修時(shí)需要使用到的維修工具，給維修工具的操作留出空間，例如保留扳手扭動(dòng)的間隙，讓后期的維修工作不受影響。最后，要滿足船舶建造的精細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)。由于管系布局包括多種類型的管線，所以要考慮到布局的合理性，需要先布置較粗的管線，在粗管的基礎(chǔ)上開始設(shè)計(jì)較細(xì)的管線，讓管線的走向便于管理，遠(yuǎn)離其他設(shè)備，整齊的同向排列，避免交叉錯(cuò)位，影響后期管線管理工作的進(jìn)行。對(duì)于存在著受力情況的管線，要考慮到后期的管線變形問題，做好管線的支撐工作，確保管線的布局具有合理性[2]。

3管系設(shè)計(jì)布局存在的問題

對(duì)于船舶管線布局來分析能夠發(fā)現(xiàn)，大部分管線布局以平面設(shè)計(jì)的方式進(jìn)行，通過計(jì)算機(jī)軟件在平面上對(duì)管線進(jìn)行設(shè)計(jì)，繪制成圖紙，再進(jìn)行安裝。通過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后，依照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行管道的生產(chǎn)與放置。但是現(xiàn)階段這樣的平面設(shè)計(jì)布局存在著很多問題，不利于船舶管線布局的管理。首先，采用平面設(shè)計(jì)的方式，不能清晰明確地表現(xiàn)出管線與設(shè)備之間較為復(fù)雜的空間關(guān)系，很難在圖紙上規(guī)避很多布局上的問題，例如管路與管路之間的交錯(cuò)，管路與設(shè)備之間的連接，在實(shí)際的管線布置上，會(huì)造成很多線路的串聯(lián)，顯露出缺陷，使后續(xù)的工作很難順利開展。其次，利用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行平面設(shè)計(jì)，存在過度依靠數(shù)據(jù)的問題，主要依靠數(shù)據(jù)測(cè)量取得的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，這對(duì)于實(shí)際分布密集的管線布局來說，測(cè)量存在著很大的困難，經(jīng)常出現(xiàn)管路間距過密的問題，導(dǎo)致后續(xù)的工作難以有序開展。再次，這種平面設(shè)計(jì)所形成的二維圖紙，在實(shí)際的安裝時(shí)，大多需要經(jīng)驗(yàn)豐富的專家來安裝，對(duì)于安裝人員的技術(shù)能力和工作經(jīng)驗(yàn)要求較高，容易導(dǎo)致后期的管線布局工作不易管理，很多具有豐富經(jīng)驗(yàn)的安裝人員面臨著退休，而新人卻不能勝任此類工作，造成管線布局的人才日益緊張的局面[3]。

4管系優(yōu)化布局的有效措施

對(duì)船舶管線布局存在問題進(jìn)行分析，針對(duì)性地提出解決方案，想要解決平面設(shè)計(jì)的缺陷，就要結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)優(yōu)化管系布局，讓船舶建造朝著更加智能化的方向發(fā)展。在布局設(shè)計(jì)方面，引進(jìn)三維數(shù)字技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的管線布局，對(duì)后期的檢測(cè)手段進(jìn)行優(yōu)化，采用數(shù)字化的檢測(cè)方法，讓船舶制造業(yè)走向數(shù)字化[4]。

4.1進(jìn)行三維數(shù)字化放樣

相比于二維平面設(shè)計(jì)，引進(jìn)三維化數(shù)字設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代船舶布局的必然趨勢(shì)，將三維數(shù)字化應(yīng)用在管線布局的方案設(shè)計(jì)上，更能滿足船舶事業(yè)的發(fā)展需要。三維數(shù)字化在管線布局設(shè)計(jì)中展現(xiàn)出了明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升安裝效率，讓管線設(shè)計(jì)與設(shè)備安裝處于同一階段，減少過去先設(shè)計(jì)、再生產(chǎn)的環(huán)節(jié)。而且選擇三維數(shù)字化的設(shè)計(jì)方式，可以通過三維建模，提前模擬出管線與管線之間，管線與設(shè)備之間的具體位置關(guān)系，并以三維立體模型呈現(xiàn)出來，更容易讓安裝人員理解，也能讓管線與設(shè)備的安裝一目了然，既可以提高工作效率，也不需要豐富的安裝經(jīng)驗(yàn)，只需要專門的技術(shù)人員能夠看懂三維圖紙就可以操作，這就有效地解決了安裝領(lǐng)域人才匱乏的問題，也讓返工問題大幅度降低。隨著我國船舶制造業(yè)的發(fā)展，已經(jīng)有部分造船企業(yè)開始嘗試采用三維數(shù)字化的設(shè)計(jì)方式進(jìn)行管系布局，并且已經(jīng)獲得了顯著的成績，所以這也是未來船舶制造業(yè)的主要發(fā)展方向。只有不斷地引進(jìn)國內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)方法，才能提升我國的船舶制造水平，促進(jìn)行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[5]。

4.2實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管系布局

自動(dòng)化管系布局作為全新的布局手段，能夠明顯提升管系布局的合理性，能夠讓布局更加精確與安全，提升船舶系統(tǒng)的穩(wěn)定性。相比于二維平面布局設(shè)計(jì)，采用三維數(shù)字化的布局方式能夠?qū)⒐芟翟O(shè)計(jì)方案優(yōu)化，但是仍然需要具有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員。但是自動(dòng)化管系布局系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算，通過預(yù)先輸入的算法進(jìn)行運(yùn)算，只需填寫出必要數(shù)據(jù)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管系布局。自動(dòng)化管系布局具有廣闊的發(fā)展前景，雖然現(xiàn)在仍然處于發(fā)展階段，但是已經(jīng)能夠在小范圍內(nèi)取得一定的成績，所以未來一定能夠在船舶管系布局方面發(fā)揮出重要作用[6]。

4.3檢測(cè)反饋手段的數(shù)字化

對(duì)于船舶管系布局來說，不僅要在設(shè)計(jì)方案上投入大量精力，還需要重視管系布局方案的檢測(cè)反饋。虛擬技術(shù)的應(yīng)用能夠在三維數(shù)字化布局設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用，但是在后期的生產(chǎn)與安裝工作方面，還有著較大的應(yīng)用空間。想要提升應(yīng)用能力，就需要在監(jiān)測(cè)反饋技術(shù)方面投入較大的精力，利用三維虛擬技術(shù)來進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)后的數(shù)據(jù)與三維設(shè)計(jì)圖中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，出現(xiàn)較大的誤差情況要提出警示，讓安裝人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)安裝不合理的問題，提升工作效率，減少生產(chǎn)與安裝過程中的返工問題，節(jié)約材料，提高工作效率[7]。

5基于遺傳算法的船舶管路布局優(yōu)化

5.1遺傳算法

一般來說，遺傳算法由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：問題解編碼、初始種群生產(chǎn)、根據(jù)不同的適應(yīng)情況進(jìn)行優(yōu)劣判斷的適應(yīng)函數(shù)、遺傳算子、遺傳算法參數(shù)值。同時(shí)具有自學(xué)能力，能夠自主地進(jìn)行信息搜索，也就是所說的利用智能化解決問題。遺傳算法可以讓多個(gè)計(jì)算機(jī)同時(shí)運(yùn)行，對(duì)函數(shù)進(jìn)行求解，獲取最優(yōu)解，能夠在多個(gè)技術(shù)領(lǐng)域有效應(yīng)用。

5.2應(yīng)用于船舶管路三維布局優(yōu)化的遺傳算法

對(duì)于船舶管路布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)，遺傳算法能夠解決平面設(shè)計(jì)存在的缺陷，獲得更有效的運(yùn)輸方法。雖然遺傳算法在布局設(shè)計(jì)中能夠發(fā)揮較大的作用，但是本質(zhì)上還是無法解決實(shí)際的三維布局問題。所以解決船舶三維布局存在的問題，還要在遺傳算法的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化模型的構(gòu)建。

5.3自適應(yīng)退火遺傳算法的船舶管路布局優(yōu)化方法

相比于傳統(tǒng)算法，遺傳算法具有更多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠應(yīng)用在更多領(lǐng)域，但是遺傳算法也同樣存在缺陷，需要針對(duì)性的改進(jìn)。模擬退火遺傳算法是一個(gè)組合形式的優(yōu)化，調(diào)整適應(yīng)度，讓整個(gè)體系得到優(yōu)化。對(duì)算法進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，能夠形成具有自適應(yīng)效果的管路布局優(yōu)化算法。通過變異算子的有效利用，讓適應(yīng)值獲得最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)管路布局的最佳效果。

6結(jié)語

現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，使船舶生產(chǎn)建造的水平得到了很大的提升，也對(duì)船舶管系布局提出了更高的要求。作為船舶設(shè)計(jì)布局的重要工作程序，提升船舶管系布局的整體水平，便于后期的生產(chǎn)與安裝，成為現(xiàn)階段重要的研究任務(wù)。對(duì)現(xiàn)階段的船舶管系布局進(jìn)行分析，大多的管線布局都是采用二維平面布局的形式，后期的生產(chǎn)與安裝還需要等前期的平面設(shè)計(jì)完成后才能進(jìn)行，直接影響了工作效率的提升；同時(shí)，對(duì)施工人員提出了較高要求，只有具有豐富作業(yè)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員才能夠開展安裝工作，會(huì)造成后期的大量返工，不利于船舶企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的提高。對(duì)于船舶管系布局進(jìn)行研究，針對(duì)現(xiàn)階段顯露出的一些缺陷進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化，讓管系布局設(shè)計(jì)朝著智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展，成為未來船舶事業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)，希望本文的研究能夠?yàn)樾袠I(yè)的發(fā)展提供參考。

作者：慕林江 單位：黃海造船有限公司