船舶管系布局優化探討

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摘要：隨著我國船舶事業的蓬勃發展，對于船舶設計生產也提出了更高的要求。管系設計的優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目眾多，管理較為繁瑣，同時布局體系較為復雜，現階段的管理大多憑借行業專家自身的管理經驗來完成。對船舶管系優化仍然存在著很多困難，缺少先進的管理方法，也制約了船舶行業的進一步發展。本文提出了船舶管系設計布局中顯露的一些弱項，針對性的提出優化方案。并且對現代造船模式進行分析，明確了船舶設計的發展方向。

關鍵詞：船舶，管系布局；優化

對于船舶的生產制造來說，管系設計是重要內容之一。只有設計出具有科學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出良好的使用性能。通常情況下船舶管系設計包括初級階段、功能階段、詳細階段、生產階段，以及系統階段。主要是依靠二維和三維布局對空間進行設計，對起點與終點建立起有效的連接。由于船舶管路布局的管理工作相對龐大且復雜，所以對于管路的管理由具有多年工作經驗的行業專家來負責，所以想要對管路布局設計進行優化，有著較大的難度，需要投入大量的精力。相比于船舶事業的其它技術領域，船舶管路布局在管理方面較為落后，缺乏先進的管理技術，現階段已然成為制約船舶事業發展的一個因素，所以需要針對船舶管路布局中存在的問題，提出解決策略，使管路布局設計朝著智能化與自動化的方向發展。對此，已經有眾多國內外的專家與學者展開了一系列研究，從遺傳算法方向入手，根據船舶管路布局的實際情況，采用了基于三維布局空間的設計算法，將過去遺傳算法中表現出的缺陷，以自適應調整的形式進行優化，實現退火遺傳算法的船舶管路布局設計，從而獲得更合理的布局。

1研究船舶管系布局的必要性

由于船舶管系是構成船舶多個艙室的重要管路，由連接起點與終點的管道組成，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，對整個船舶設計來說還具有基礎作用，能夠保障船只運行的穩定性與安全性，也直接關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，面對著日益激烈的市場競爭，船舶的建造成本也關系到企業的生存與發展，所以更低廉的建造價格、更優異的船舶使用性能顯得尤為重要，成為船舶企業競爭實力的體現。所以，合理化的船舶管路布局也是現階段造船企業在技術上的發展方向。船舶管路布局主要包括幾個設計階段，也是管路布局設計的主要工作任務，具體情況如圖1所示。一般情況下，船舶上的管路布局相當繁瑣，所以對管路的管理工作也具有一定的難度，需要按照不同的管線，實施不同的約束辦法。管路布局的優劣，不僅關系到船舶的系統、裝置運行情況，還涉及管路的材質、造價、使用性能等方面，要經過實踐的考驗，對多種設計方案進行對比，才能選擇最佳的管路布局。同時，要求設計人員充分考慮到實際施工條件，結合自身豐富的設計經驗對管線進行布局，而從事這一行業的專家面臨著退休，卻少有新人能夠勝任此類工作，這就使船舶管線布局的設計工作更具難度。所以，現階段對船舶管線布局進行優化設計迫在眉睫，需要以更加科學合理、更加先進的設計方案來增加船舶企業的經營利潤，對于這一領域的研究，具有重要意義[1]。

2管系設計布局的要求

船舶管線布局是船舶生產的重要工作流程，直接影響到船舶的建造質量。而在實際的建造過程中，經常會出現多種影響船舶生產的不良因素，船舶的建造必須要滿足實際的生產需求，確保達到以下的生產標準。首先，需要滿足船舶建造的經濟性標準。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準，在管線的布置上，要遵循安全準則，避開不穩定的設備，例如水泵、壓縮機等裝置，繞開溫度過高或者存在蒸汽的設備上。安裝管線時要遵循力學規律，充分考慮熱脹冷縮等問題，靈活地進行設計與安裝。再次，要滿足船舶建造的維修標準。確保在投入運行后，能夠讓管路與其他設備之間留有一定的空間，同時繞開障礙物，這樣設計有利于后期的維修與保養?？紤]到維修時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化標準。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，在粗管的基礎上開始設計較細的管線，讓管線的走向便于管理，遠離其他設備，整齊的同向排列，避免交叉錯位，影響后期管線管理工作的進行。對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管系設計布局存在的問題

對于船舶管線布局來分析能夠發現，大部分管線布局以平面設計的方式進行，通過計算機軟件在平面上對管線進行設計，繪制成圖紙，再進行安裝。通過圖紙設計完成后，依照設計圖紙進行管道的生產與放置。但是現階段這樣的平面設計布局存在著很多問題，不利于船舶管線布局的管理。首先，采用平面設計的方式，不能清晰明確地表現出管線與設備之間較為復雜的空間關系，很難在圖紙上規避很多布局上的問題，例如管路與管路之間的交錯，管路與設備之間的連接，在實際的管線布置上，會造成很多線路的串聯，顯露出缺陷，使后續的工作很難順利開展。其次，利用計算機軟件進行平面設計，存在過度依靠數據的問題，主要依靠數據測量取得的數據進行繪制，這對于實際分布密集的管線布局來說，測量存在著很大的困難，經常出現管路間距過密的問題，導致后續的工作難以有序開展。再次，這種平面設計所形成的二維圖紙，在實際的安裝時，大多需要經驗豐富的專家來安裝，對于安裝人員的技術能力和工作經驗要求較高，容易導致后期的管線布局工作不易管理，很多具有豐富經驗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管系優化布局的有效措施

對船舶管線布局存在問題進行分析，針對性地提出解決方案，想要解決平面設計的缺陷，就要結合現代化技術優化管系布局，讓船舶建造朝著更加智能化的方向發展。在布局設計方面，引進三維數字技術，從而實現自動化的管線布局，對后期的檢測手段進行優化，采用數字化的檢測方法，讓船舶制造業走向數字化[4]。

4.1進行三維數字化放樣

相比于二維平面設計，引進三維化數字設計已經成為現代船舶布局的必然趨勢，將三維數字化應用在管線布局的方案設計上，更能滿足船舶事業的發展需要。三維數字化在管線布局設計中展現出了明顯的技術優勢，能夠有效提升安裝效率，讓管線設計與設備安裝處于同一階段，減少過去先設計、再生產的環節。而且選擇三維數字化的設計方式，可以通過三維建模，提前模擬出管線與管線之間，管線與設備之間的具體位置關系，并以三維立體模型呈現出來，更容易讓安裝人員理解，也能讓管線與設備的安裝一目了然，既可以提高工作效率，也不需要豐富的安裝經驗，只需要專門的技術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的發展，已經有部分造船企業開始嘗試采用三維數字化的設計方式進行管系布局，并且已經獲得了顯著的成績，所以這也是未來船舶制造業的主要發展方向。只有不斷地引進國內外先進的技術方法，才能提升我國的船舶制造水平，促進行業的進一步發展[5]。

4.2實現自動化管系布局

自動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，提升船舶系統的穩定性。相比于二維平面布局設計，采用三維數字化的布局方式能夠將管系設計方案優化，但是仍然需要具有豐富經驗的設計人員。但是自動化管系布局系統是通過計算機系統進行運算，通過預先輸入的算法進行運算，只需填寫出必要數據就可以實現自動化管系布局。自動化管系布局具有廣闊的發展前景，雖然現在仍然處于發展階段，但是已經能夠在小范圍內取得一定的成績，所以未來一定能夠在船舶管系布局方面發揮出重要作用[6]。

4.3檢測反饋手段的數字化

對于船舶管系布局來說，不僅要在設計方案上投入大量精力，還需要重視管系布局方案的檢測反饋。虛擬技術的應用能夠在三維數字化布局設計中發揮重要作用，但是在后期的生產與安裝工作方面，還有著較大的應用空間。想要提升應用能力，就需要在監測反饋技術方面投入較大的精力，利用三維虛擬技術來進行監測，將監測后的數據與三維設計圖中的數據進行比對，出現較大的誤差情況要提出警示，讓安裝人員能夠及時發現安裝不合理的問題，提升工作效率，減少生產與安裝過程中的返工問題，節約材料，提高工作效率[7]。

5基于遺傳算法的船舶管路布局優化

5.1遺傳算法

一般來說，遺傳算法由以下幾個部分構成：問題解編碼、初始種群生產、根據不同的適應情況進行優劣判斷的適應函數、遺傳算子、遺傳算法參數值。同時具有自學能力，能夠自主地進行信息搜索，也就是所說的利用智能化解決問題。遺傳算法可以讓多個計算機同時運行，對函數進行求解，獲取最優解，能夠在多個技術領域有效應用。

5.2應用于船舶管路三維布局優化的遺傳算法

對于船舶管路布局的優化設計，遺傳算法能夠解決平面設計存在的缺陷，獲得更有效的運輸方法。雖然遺傳算法在布局設計中能夠發揮較大的作用，但是本質上還是無法解決實際的三維布局問題。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上實現三維數字化模型的構建。

5.3自適應退火遺傳算法的船舶管路布局優化方法

相比于傳統算法，遺傳算法具有更多技術優勢，能夠應用在更多領域，但是遺傳算法也同樣存在缺陷，需要針對性的改進。模擬退火遺傳算法是一個組合形式的優化，調整適應度，讓整個體系得到優化。對算法進行優化與改進，能夠形成具有自適應效果的管路布局優化算法。通過變異算子的有效利用，讓適應值獲得最優解，從而實現管路布局的最佳效果。

6結語

現代社會的飛速發展，使船舶生產建造的水平得到了很大的提升，也對船舶管系布局提出了更高的要求。作為船舶設計布局的重要工作程序，提升船舶管系布局的整體水平，便于后期的生產與安裝，成為現階段重要的研究任務。對現階段的船舶管系布局進行分析，大多的管線布局都是采用二維平面布局的形式，后期的生產與安裝還需要等前期的平面設計完成后才能進行，直接影響了工作效率的提升；同時，對施工人員提出了較高要求，只有具有豐富作業經驗的技術人員才能夠開展安裝工作，會造成后期的大量返工，不利于船舶企業經濟效益的提高。對于船舶管系布局進行研究，針對現階段顯露出的一些缺陷進行改進與優化，讓管系布局設計朝著智能化、自動化的方向發展，成為未來船舶事業發展的主要趨勢，希望本文的研究能夠為行業的發展提供參考。

作者：慕林江 單位：黃海造船有限公司