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船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計方法

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出版社:科學(xué)出版社出版時間:2022-09-01
開本: 其他 頁數(shù): 204
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船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計方法 版權(quán)信息

船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計方法 內(nèi)容簡介

本書重點介紹船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計方法,主要內(nèi)容包括船舶布置優(yōu)化設(shè)計研究現(xiàn)狀、智能優(yōu)化求解技術(shù)發(fā)展概述、船舶拓?fù)洳贾脙?yōu)化設(shè)計建模方法、船舶幾何布置優(yōu)化設(shè)計建模方法、基于膜計算理論的智能擴散求解算法、船舶總布置優(yōu)化問題的智能協(xié)同求解技術(shù),以及船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計案例。

船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計方法 目錄

目錄
第1章 緒論 1
1.1 船舶總布置設(shè)計特點和優(yōu)化問題 3
1.1.1 船舶總布置設(shè)計特點 3
1.1.2 船舶總布置優(yōu)化問題 5
1.2 船舶布置優(yōu)化設(shè)計國內(nèi)外發(fā)展概述及研究進(jìn)展 7
1.2.1 發(fā)展概述 7
1.2.2 研究進(jìn)展 10
1.3 船舶布置優(yōu)化設(shè)計方法概述 17
1.3.1 現(xiàn)有布置優(yōu)化設(shè)計方法的特點 17
1.3.2 船舶布置優(yōu)化設(shè)計的核心技術(shù) 19
1.3.3 基于智能優(yōu)化算法自動創(chuàng)建船舶布置方案的優(yōu)勢 19
1.4 智能優(yōu)化技術(shù)研究進(jìn)展 20
1.4.1 智能優(yōu)化算法研究進(jìn)展 21
1.4.2 膜計算研究進(jìn)展 23
第2章 船舶拓?fù)洳贾脙?yōu)化設(shè)計建模 27
2.1 基于網(wǎng)絡(luò)表征的船舶拓?fù)洳贾?29
2.1.1 船舶拓?fù)洳贾镁W(wǎng)絡(luò)的定義 29
2.1.2 船舶拓?fù)洳贾镁W(wǎng)絡(luò)的特性 36
2.2 船舶布置對象之間相互影響關(guān)系辨識 41
2.2.1 船舶布置對象間相互影響關(guān)系分類 41
2.2.2 船舶布置對象的功能屬性 42
2.2.3 基于功能屬性的相互影響關(guān)系辨識方法 43
2.2.4 船舶布置對象影響關(guān)系矩陣 44
2.2.5 計算實例:Atlantis號科考船布置對象間相互影響關(guān)系辨識 45
2.3 船舶拓?fù)洳贾迷u估 49
2.3.1 區(qū)域節(jié)點與對象節(jié)點的匹配性 50
2.3.2 對象節(jié)點間的相互影響程度 50
2.3.3 網(wǎng)絡(luò)的流通便捷性 54
2.4 船舶拓?fù)洳贾脙?yōu)化問題數(shù)學(xué)模型 54
2.4.1 設(shè)計變量 55
2.4.2 目標(biāo)函數(shù) 55
2.4.3 約束函數(shù) 56
2.4.4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型 56
2.5 本章小結(jié) 56
第3章 船舶幾何布置優(yōu)化設(shè)計建模 59
3.1 船舶幾何布置的參數(shù)化 61
3.1.1 船舶布置空間 61
3.1.2 船舶布置對象 64
3.2 船舶幾何布置設(shè)計約束 68
3.2.1 設(shè)計約束分類 68
3.2.2 基礎(chǔ)約束 68
3.2.3 法規(guī)約束 71
3.2.4 經(jīng)驗約束 73
3.3 船舶幾何布置評估 75
3.3.1 評價指標(biāo)體系 75
3.3.2 評價指標(biāo)計算 76
3.3.3 基于模糊集合論的評價指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化 78
3.4 船舶幾何布置優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型 81
3.4.1 設(shè)計變量 81
3.4.2 目標(biāo)函數(shù) 82
3.4.3 約束函數(shù) 83
3.4.4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型 83
3.5 本章小結(jié) 83
第4章 基于膜計算理論的智能擴散求解算法 85
4.1 P系統(tǒng)的基本概念和計算原理 87
4.1.1 基本概念 87
4.1.2 計算原理 88
4.2 DAPS的基本結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型 89
4.2.1 DAPS的靈感來源 89
4.2.2 DAPS中的混合膜結(jié)構(gòu)P系統(tǒng) 91
4.2.3 DAPS中的隨機搜索算子 100
4.3 DAPS的算法測試試驗及性能分析 107
4.3.1 單峰函數(shù)測試試驗 108
4.3.2 多峰函數(shù)測試試驗 113
4.3.3 不同維度基準(zhǔn)函數(shù)測試試驗 114
4.3.4 復(fù)合函數(shù)測試試驗 118
4.4 本章小結(jié) 121
第5章 船舶總布置優(yōu)化問題的智能協(xié)同求解 123
5.1 基于DAPS的約束優(yōu)化問題求解 125
5.1.1 智能優(yōu)化算法中的約束處理 125
5.1.2 集成多種約束處理方法的DAPS 129
5.1.3 算法測試試驗及性能分析 134
5.2 船舶拓?fù)?幾何布置映射關(guān)系 139
5.2.1 船舶拓?fù)?幾何布置映射關(guān)系的定義 139
5.2.2 船舶幾何布置g在映射f下的像 139
5.2.3 船舶拓?fù)洳贾胻關(guān)于映射f的原像 141
5.3 基于智能優(yōu)化算法的協(xié)同求解流程 143
5.3.1 計算流程 143
5.3.2 求解流程的基本特點 145
5.4 本章小結(jié) 146
第6章 船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計案例 149
6.1 Atlantis號科考船 151
6.1.1 Atlantis號科考船簡介 151
6.1.2 優(yōu)化設(shè)計輸入 152
6.1.3 優(yōu)化目標(biāo)及約束 159
6.1.4 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果 160
6.1.5 分析討論 161
6.2 150客長江豪華旅游船 170
6.2.1 150客長江豪華旅游船簡介 170
6.2.2 優(yōu)化設(shè)計輸入 171
6.2.3 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果 179
6.2.4 分析討論 182
6.3 本章小結(jié) 184
參考文獻(xiàn) 185
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船舶總布置智能優(yōu)化設(shè)計方法 節(jié)選

緒論 船舶總布置優(yōu)化設(shè)計是在保證船舶航行安全和營運要求的前提下尋找合理船舶布局方案的過程,需要對所設(shè)計船舶有全面的了解和考慮。船舶總布置設(shè)計通常是由項目總設(shè)計師親自負(fù)責(zé)的一項設(shè)計工作。船舶總布置優(yōu)化設(shè)計研究對船舶型線、結(jié)構(gòu)等多種優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的融合統(tǒng)一具有重要意義,是現(xiàn)代船舶智能設(shè)計方法中亟待突破的核心問題。 本章介紹船舶總布置優(yōu)化設(shè)計的過程、優(yōu)化設(shè)計方法的發(fā)展與應(yīng)用情況;論述智能優(yōu)化算法和膜技術(shù)是求解工程問題的主流趨勢;分析船舶總布置優(yōu)化設(shè)計過程與特點,并對船舶總布置優(yōu)化核心研究內(nèi)容進(jìn)行歸納;通過研究國內(nèi)外在船舶布置優(yōu)化設(shè)計方面的發(fā)展情況,分析多種船舶布置優(yōu)化設(shè)計方法的優(yōu)勢和缺陷,并對智能優(yōu)化求解技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。 1.1 船舶總布置設(shè)計特點和優(yōu)化問題 船舶總布置設(shè)計是在保證船舶航行安全和營運要求的前提下尋找合理船舶布局方案的過程,需要對所設(shè)計船舶有全面的了解和考慮。船舶總布置設(shè)計通常是由項目總設(shè)計師親自負(fù)責(zé)的一項設(shè)計工作。 1.1.1 船舶總布置設(shè)計特點 1959年,Evans通過分析總結(jié)船舶設(shè)計的方法和準(zhǔn)則,首次將船舶設(shè)計過程抽象為如圖1-1所示的螺旋上升過程[1]。船舶設(shè)計螺旋模型是一種被廣泛接受且沿用至今的船舶設(shè)計方法,揭示了船舶設(shè)計思想的一個重要特性:船舶設(shè)計是一個相繼迭代的設(shè)計過程。與當(dāng)前提倡的并行協(xié)同工作模式不同,相繼迭代的設(shè)計過程意味著設(shè)計周期更長,并且需要在設(shè)計過程中投入大量的人力和財力資源。 圖1-1 Evans的船舶常規(guī)設(shè)計螺旋模型 船舶總布置設(shè)計作為船舶設(shè)計的起始環(huán)節(jié),貫穿船舶設(shè)計的各個階段,是決定船舶螺旋迭代設(shè)計的重要原因之一。不同設(shè)計階段船舶總布置設(shè)計的主要工作內(nèi)容如圖1-2所示。在船舶初步設(shè)計階段,為了便于方案構(gòu)思,把握主尺度與載重、艙容、布置地位之間的關(guān)系,并協(xié)調(diào)主要性能之間的矛盾,需要對船舶的總布置有所設(shè)想和考慮。在船舶總布置方案初步構(gòu)思論證之后,船舶的總體布局已基本確定,此時總布置設(shè)計的工作就是完善船舶總布置圖,需要船舶設(shè)計人員參照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各種設(shè)備和舾裝的選型,并根據(jù)型線圖具體詳細(xì)地繪制正式的總布置圖。圖1-3展示了Atlantis號科考船的總布置圖,包含了的船舶艙室、設(shè)備和系統(tǒng)等布置對象的詳細(xì)布置信息。在船舶初步設(shè)計階段后續(xù)的設(shè)計過程中,各專業(yè)開展詳細(xì)設(shè)計以后,往往還會對初步設(shè)計的總布置方案提出各種修改意見,此時總布置設(shè)計的工作就是協(xié)調(diào)和處理好各種矛盾。這項工作往往一直持續(xù)到完工設(shè)計階段。 圖1-2 不同設(shè)計階段的船舶總布置設(shè)計內(nèi)容 在傳統(tǒng)總布置設(shè)計方法中,船舶設(shè)計人員需要經(jīng)歷一個漫長的迭代設(shè)計過程來逐步揭示布置對象與布置對象之間的影響關(guān)系及布置對象對總體布局的影響,并不斷權(quán)衡決策對船舶布置方案做出調(diào)整。*終,在有關(guān)設(shè)計知識及各種布置調(diào)整對應(yīng)的相關(guān)后果都被充分了解之后,船舶設(shè)計人員才能夠給出滿足所有設(shè)計要求的船舶總布置方案。因此,在船舶設(shè)計之初,很難直接給出一個合適的總布置方案,使其完全滿足之后設(shè)計環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量設(shè)計要求。對于一些布局簡單且母型船資料豐富的散貨船、油船等,船舶設(shè)計人員往往能夠快速給出與*終方案相近的布局。然而,對于一些復(fù)雜的工程船、科考船及艦船等,傳統(tǒng)的總布置設(shè)計流程不僅設(shè)計周期長,設(shè)計成本高,而且*終給出的總布置方案也僅僅是一個滿足各項設(shè)計要求的可行方案,仍具備巨大的優(yōu)化潛力[2]。 圖1-3 Atlantis號科考船的總布置示意圖 1.1.2 船舶總布置優(yōu)化問題 船舶總布置設(shè)計的核心思想包括兩點:一是對布置空間的管理分配;二是對布置對象之間的影響關(guān)系進(jìn)行管理協(xié)調(diào)。1998年,Bernstein便明確指出:船舶初步設(shè)計階段,總布置初步方案設(shè)計論證的重要意義在于其不僅能夠很好地限制船舶設(shè)計空間,并在設(shè)計早期初步確定船舶成本、性能和風(fēng)險的驅(qū)動因素,還能夠為后續(xù)船舶設(shè)計提供很好的指導(dǎo)[3]。在船舶初步設(shè)計階段創(chuàng)建高質(zhì)量的船舶總布置方案對后續(xù)的船舶設(shè)計具有非常重要的意義。 船舶總布置需要不斷協(xié)調(diào)型線、結(jié)構(gòu)、舾裝等多方面的修改意見而*終得出,因此,當(dāng)初步設(shè)計階段得到的總布置方案存在設(shè)計缺陷時,后續(xù)的船舶設(shè)計工作將持續(xù)受到這些設(shè)計缺陷的干擾,并在*終的總布置方案上體現(xiàn)出來。如果初始設(shè)計缺陷過大,將可能導(dǎo)致后續(xù)設(shè)計過程中各方面的設(shè)計矛盾協(xié)調(diào)難度過大,無法得出可行的總布置方案;并且,后續(xù)對設(shè)計缺陷的修改彌補會導(dǎo)致整個船舶設(shè)計過程存在大量的設(shè)計反復(fù),拉長設(shè)計周期,提高設(shè)計成本。因此,在船舶初步設(shè)計階段進(jìn)行充分的論證分析,調(diào)整、完善可能存在的設(shè)計缺陷,為后續(xù)總布置設(shè)計提供正確的指引,對提高船舶設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量都有積極的意義。 目前,船舶型線、結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的自動化和智能化程度越來越高,與船舶總布置設(shè)計始終沿用的傳統(tǒng)設(shè)計方法形成鮮明對比。通過研究改進(jìn)用于船舶初步設(shè)計階段的總布置設(shè)計方法能夠提高船舶設(shè)計公司的船舶設(shè)計能力,從而設(shè)計出更具競爭力的復(fù)雜船舶[4]。近年來,隨著計算機輔助設(shè)計技術(shù)的不斷進(jìn)步,船舶總布置設(shè)計方法和技術(shù)的發(fā)展更多地關(guān)注于開發(fā)保真度和詳細(xì)程度越來越高的三維計算機輔助設(shè)計(computer aided design,CAD)模型,并盡可能提高運行的流暢程度[5]。FORAN、NAPA和CATIA等許多設(shè)計軟件都能夠為船舶總布置提供保真度非常高的總布置可視化設(shè)計平臺,但是在這些軟件中創(chuàng)建船舶總布置方案所需的信息是船舶設(shè)計之初難以提供的。這些三維可視化軟件平臺更多的是應(yīng)用于詳細(xì)設(shè)計階段,隨著設(shè)計的深入根據(jù)各專業(yè)提供的調(diào)整意見對船舶總布置進(jìn)行快速調(diào)整,并可視化船舶總布置方案的調(diào)整細(xì)節(jié)。雖然這類三維設(shè)計軟件對提高船舶設(shè)計人員工作效率有著非常顯著的效果,但對船舶總布置優(yōu)化設(shè)計的作用是十分有限的。考慮船舶總布置圖包含過多的設(shè)計信息且非常復(fù)雜,基于現(xiàn)有的工程技術(shù)手段對船舶總布置圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是不切實際的[4]。因此,船舶總布置優(yōu)化設(shè)計應(yīng)重點關(guān)注船舶初步設(shè)計階段,在船舶設(shè)計之初根據(jù)有限的設(shè)計信息快速生成合理、優(yōu)秀的船舶總布置方案,為后續(xù)的船舶詳細(xì)設(shè)計提供更好的指導(dǎo)。 船舶總布置設(shè)計與船舶設(shè)計相似,僅存在好壞之分[5]。對船舶總布置而言,更好的布局方案通常意味著更優(yōu)的布置空間分配和布置對象間的相互影響。此外,考慮船舶總布置設(shè)計的后驗特性,生成更多的船舶布局方案通常也意味著更優(yōu)的船舶總布置設(shè)計。然而,船舶布局問題屬于NP完全(non-deterministic polynomial complete)問題[6],是多項式復(fù)雜的非確定問題。理論上這類問題可以使用窮舉法進(jìn)行求解,但也意味著計算時間隨問題復(fù)雜程度呈指數(shù)增長,無論是對船舶設(shè)計人員還是電子計算機均是一項無法完成的任務(wù)。在傳統(tǒng)的船舶總布置設(shè)計方法中,受人工設(shè)計效率的制約,船舶設(shè)計人員通常僅能從有限的總布置方案中對比選擇出*佳的方案,用于指引后續(xù)的船舶設(shè)計過程。 綜上所述,船舶總布置優(yōu)化問題的核心研究內(nèi)容主要包括以下三點。 (1)船舶總布置方案的描述:基于電子計算機數(shù)據(jù)特點,建立易于計算機識別、讀取和展示的船舶總布置模型,實現(xiàn)計算機替代傳統(tǒng)的人工迭代調(diào)整設(shè)計過程。 (2)船舶總布置方案的評估:基于船舶設(shè)計的基本要求,形式化船舶總布置設(shè)計約束條件是判斷船舶總布置方案可行性的重要前提;建立合理且量化的船舶總布置評估方法,對船舶布置空間的管理分配及布置對象之間的相互影響做出綜合的評估,為創(chuàng)建高質(zhì)量船舶總布置方案提供指引。 (3)船舶總布置方案的自動創(chuàng)建:船舶總布置方案的創(chuàng)建過程即為船舶總布置優(yōu)化

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