基于协同差分进化算法的船舶分支管路布局优化设计.pdfVIP

基于协同差分进化算法的船舶分支管路

布局优化设计

摘要

摘要

分支管路是船舶管路系统中最常见和最重要的管路形式。基于协同进化算法和差分进化算法，提出了一

种船舶分支管路的新型优化设计方法，并通过3组仿真算例验证了所提优化方法的有效性和实用性。与现有

的船舶分支管路设计方法相比，所提优化方法不依赖于网格空间，节省了预处理计算时间和内存；此外，所

提优化方法能够对分支管路的每条分支进行并行优化设计，具有较强的全局搜索能力。研究内容对船舶管路

智能化设计具有一定意义。

关键词：船舶分支管路；布局优化；协同进化算法；差分进化算法；自动化设计

0引言

管路系统在船舶上发挥着重要作用，油、水和电通过管路系统输送到各个舱室。管路的布局直

接影响到船舶的工作效率、安全性和美观性。然而船舶管路布局工作量巨大，耗费的生产成本也较

大。Park等[]的研究认为船舶管路布局的工作量约占管路详细设计阶段总工作量的50%。Asmaral[2]

通过采访船厂设计部门的管道工程师发现，一艘中等复杂程度船舶的管路布局设计需要3～4万人时

的工作量。

船舶管路布局优化是指在一定的约束条件下，利用确定性算法或启发式算法找到最优的管路布局

方案。自20世纪末以来，船舶管路设计优化是船舶智能化生产设计的研究难点和热点之一，管路布局

优化方法受到众多学者的广泛关注。Ito[3]和范小宁等[4]采用单元分解法对布局空间进行网格划分，使用

遗传算法搜索最优管路路径。Kniat等[5]在网格化布局空间内使用迷宫算法和逃逸算法优化船舶单管路。

Park等[!]设计了13种桥单元作为管路基本单元，提出了船舶机舱管路的单元生成法。Asmara[2]使用

Dijkstra算法和粒子群算法优化了三维空间内的船舶管路。王运龙等[6]和董宗然等[7]利用改进的遗传算

法优化混合型船舶管路。

收稿日期：2022-09-01；修改稿收稿日期：2023-07-16

64卷第4期（总第250期）林焰，等：基于协同差分进化算法的船舶分支管路布局优化设计195

Asmara[2]通过大量实船考察发现，70%的船舶管路是分支管路，分支管路的优化设计方法是研

究重点之一。Liu等[8]用Steiner最小生成树来表示分支管路，提出一种基于粒子群算法的直线分支管

路布局方法。Jiang等[9]将分支管路拆解为多个单管路，结合协同进化算法和蚁群算法对这些单管路

进行优化。类似地，Sui等[10]和Dong等[1]将分支管路视为多条单管路的组合，Sui等采用基于迷宫

算法和遗传算法的混合算法对这些单管路逐个进行优化，而Dong等采用改进的遗传算法对这些单管

路进行协同优化。本文作者[12]在对分支管路自动设计的研究中，将分支管路拆解为主管和侧管，并

使用改进的A*算法生成管路。

现有船舶分支管路优化方法大多基于网格空间，布局空间网格化处理不仅浪费存储空间，而且增

加了预处理阶段的计算量。将分支管路拆解为多根单管路，并对这些单管路逐个优化的方法，属于贪

婪策略，当约束条件较为复杂时贪婪策略可能导致结果陷入局部最优，Jiang等[9]针对这一问题提出了

相应的改进方法，但使用能量区域引导管路合并不仅不符合工程习惯，而且干扰了其他能量区域的引

导作用。为了解决这些问题，本文基于差分进化算法和协同进化算法提出了改进分支管路优化方法，

并通过3组对比仿真算例验证了所提方法的可行性和有效性，为船舶管路的智能化设计提供参考。

1船舶管路布局优化

1.1分支管路表达形式

现有的管路数学表达形式包括基于网格的字符串编码和定长编码[1，13]、基于最小Steiner生成树的

矩阵编码[14-15]和一些专有编码[4，但仍然缺乏适用性强、结构简洁的管路编码。本文作者提出了船舶

单管路高维向量编码[16]，如式（1）和式（2）所示：

Ppipe(S,E,E,.,E,T)(1)

式中，Pipe为管路的向量编码；S和T分别为管路的起始节点和目标节点的三维坐标；E;为管路上的

第i个弯头的三维坐标（xi,yi,zi)，i=1,2,,n。

如图1所示