船舶管系布局优化探讨

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摘要：随着我国船舶事业的蓬勃发展，对于船舶设计生产也提出了更高的要求。管系设计的优劣直接影响到船舶的建造成本，所以船舶管系布局具有重要作用。通常由于船舶中管系数目众多，管理较为繁琐，同时布局体系较为复杂，现阶段的管理大多凭借行业专家自身的管理经验来完成。对船舶管系优化仍然存在着很多困难，缺少先进的管理方法，也制约了船舶行业的进一步发展。本文提出了船舶管系设计布局中显露的一些弱项，针对性的提出优化方案。并且对现代造船模式进行分析，明确了船舶设计的发展方向。

关键词：船舶，管系布局；优化

对于船舶的生产制造来说，管系设计是重要内容之一。只有设计出具有科学合理的船舶管系布局，才能让船舶在后期的使用过程中表现出良好的使用性能。通常情况下船舶管系设计包括初级阶段、功能阶段、详细阶段、生产阶段，以及系统阶段。主要是依靠二维和三维布局对空间进行设计，对起点与终点建立起有效的连接。由于船舶管路布局的管理工作相对庞大且复杂，所以对于管路的管理由具有多年工作经验的行业专家来负责，所以想要对管路布局设计进行优化，有着较大的难度，需要投入大量的精力。相比于船舶事业的其它技术领域，船舶管路布局在管理方面较为落后，缺乏先进的管理技术，现阶段已然成为制约船舶事业发展的一个因素，所以需要针对船舶管路布局中存在的问题，提出解决策略，使管路布局设计朝着智能化与自动化的方向发展。对此，已经有众多国内外的专家与学者展开了一系列研究，从遗传算法方向入手，根据船舶管路布局的实际情况，采用了基于三维布局空间的设计算法，将过去遗传算法中表现出的缺陷，以自适应调整的形式进行优化，实现退火遗传算法的船舶管路布局设计，从而获得更合理的布局。

1研究船舶管系布局的必要性

由于船舶管系是构成船舶多个舱室的重要管路，由连接起点与终点的管道组成，起到了传输作用。一般船舶管路的组成部件包括管子、连接配件、阀门等，对整个船舶设计来说还具有基础作用，能够保障船只运行的稳定性与安全性，也直接关系到船舶的航行情况。而且，船舶管路布局还能够影响船舶的建造成本，面对着日益激烈的市场竞争，船舶的建造成本也关系到企业的生存与发展，所以更低廉的建造价格、更优异的船舶使用性能显得尤为重要，成为船舶企业竞争实力的体现。所以，合理化的船舶管路布局也是现阶段造船企业在技术上的发展方向。船舶管路布局主要包括几个设计阶段，也是管路布局设计的主要工作任务，具体情况如图1所示。一般情况下，船舶上的管路布局相当繁琐，所以对管路的管理工作也具有一定的难度，需要按照不同的管线，实施不同的约束办法。管路布局的优劣，不仅关系到船舶的系统、装置运行情况，还涉及管路的材质、造价、使用性能等方面，要经过实践的考验，对多种设计方案进行对比，才能选择最佳的管路布局。同时，要求设计人员充分考虑到实际施工条件，结合自身丰富的设计经验对管线进行布局，而从事这一行业的专家面临着退休，却少有新人能够胜任此类工作，这就使船舶管线布局的设计工作更具难度。所以，现阶段对船舶管线布局进行优化设计迫在眉睫，需要以更加科学合理、更加先进的设计方案来增加船舶企业的经营利润，对于这一领域的研究，具有重要意义[1]。

2管系设计布局的要求

船舶管线布局是船舶生产的重要工作流程，直接影响到船舶的建造质量。而在实际的建造过程中，经常会出现多种影响船舶生产的不良因素，船舶的建造必须要满足实际的生产需求，确保达到以下的生产标准。首先，需要满足船舶建造的经济性标准。船舶管线布局要尽量缩短管线的长度，减少非必要配件的使用。其次，满足船舶建造的安全性标准，在管线的布置上，要遵循安全准则，避开不稳定的设备，例如水泵、压缩机等装置，绕开温度过高或者存在蒸汽的设备上。安装管线时要遵循力学规律，充分考虑热胀冷缩等问题，灵活地进行设计与安装。再次，要满足船舶建造的维修标准。确保在投入运行后，能够让管路与其他设备之间留有一定的空间，同时绕开障碍物，这样设计有利于后期的维修与保养。考虑到维修时需要使用到的维修工具，给维修工具的操作留出空间，例如保留扳手扭动的间隙，让后期的维修工作不受影响。最后，要满足船舶建造的精细化标准。由于管系布局包括多种类型的管线，所以要考虑到布局的合理性，需要先布置较粗的管线，在粗管的基础上开始设计较细的管线，让管线的走向便于管理，远离其他设备，整齐的同向排列，避免交叉错位，影响后期管线管理工作的进行。对于存在着受力情况的管线，要考虑到后期的管线变形问题，做好管线的支撑工作，确保管线的布局具有合理性[2]。

3管系设计布局存在的问题

对于船舶管线布局来分析能够发现，大部分管线布局以平面设计的方式进行，通过计算机软件在平面上对管线进行设计，绘制成图纸，再进行安装。通过图纸设计完成后，依照设计图纸进行管道的生产与放置。但是现阶段这样的平面设计布局存在着很多问题，不利于船舶管线布局的管理。首先，采用平面设计的方式，不能清晰明确地表现出管线与设备之间较为复杂的空间关系，很难在图纸上规避很多布局上的问题，例如管路与管路之间的交错，管路与设备之间的连接，在实际的管线布置上，会造成很多线路的串联，显露出缺陷，使后续的工作很难顺利开展。其次，利用计算机软件进行平面设计，存在过度依靠数据的问题，主要依靠数据测量取得的数据进行绘制，这对于实际分布密集的管线布局来说，测量存在着很大的困难，经常出现管路间距过密的问题，导致后续的工作难以有序开展。再次，这种平面设计所形成的二维图纸，在实际的安装时，大多需要经验丰富的专家来安装，对于安装人员的技术能力和工作经验要求较高，容易导致后期的管线布局工作不易管理，很多具有丰富经验的安装人员面临着退休，而新人却不能胜任此类工作，造成管线布局的人才日益紧张的局面[3]。

4管系优化布局的有效措施

对船舶管线布局存在问题进行分析，针对性地提出解决方案，想要解决平面设计的缺陷，就要结合现代化技术优化管系布局，让船舶建造朝着更加智能化的方向发展。在布局设计方面，引进三维数字技术，从而实现自动化的管线布局，对后期的检测手段进行优化，采用数字化的检测方法，让船舶制造业走向数字化[4]。

4.1进行三维数字化放样

相比于二维平面设计，引进三维化数字设计已经成为现代船舶布局的必然趋势，将三维数字化应用在管线布局的方案设计上，更能满足船舶事业的发展需要。三维数字化在管线布局设计中展现出了明显的技术优势，能够有效提升安装效率，让管线设计与设备安装处于同一阶段，减少过去先设计、再生产的环节。而且选择三维数字化的设计方式，可以通过三维建模，提前模拟出管线与管线之间，管线与设备之间的具体位置关系，并以三维立体模型呈现出来，更容易让安装人员理解，也能让管线与设备的安装一目了然，既可以提高工作效率，也不需要丰富的安装经验，只需要专门的技术人员能够看懂三维图纸就可以操作，这就有效地解决了安装领域人才匮乏的问题，也让返工问题大幅度降低。随着我国船舶制造业的发展，已经有部分造船企业开始尝试采用三维数字化的设计方式进行管系布局，并且已经获得了显著的成绩，所以这也是未来船舶制造业的主要发展方向。只有不断地引进国内外先进的技术方法，才能提升我国的船舶制造水平，促进行业的进一步发展[5]。

4.2实现自动化管系布局

自动化管系布局作为全新的布局手段，能够明显提升管系布局的合理性，能够让布局更加精确与安全，提升船舶系统的稳定性。相比于二维平面布局设计，采用三维数字化的布局方式能够将管系设计方案优化，但是仍然需要具有丰富经验的设计人员。但是自动化管系布局系统是通过计算机系统进行运算，通过预先输入的算法进行运算，只需填写出必要数据就可以实现自动化管系布局。自动化管系布局具有广阔的发展前景，虽然现在仍然处于发展阶段，但是已经能够在小范围内取得一定的成绩，所以未来一定能够在船舶管系布局方面发挥出重要作用[6]。

4.3检测反馈手段的数字化

对于船舶管系布局来说，不仅要在设计方案上投入大量精力，还需要重视管系布局方案的检测反馈。虚拟技术的应用能够在三维数字化布局设计中发挥重要作用，但是在后期的生产与安装工作方面，还有着较大的应用空间。想要提升应用能力，就需要在监测反馈技术方面投入较大的精力，利用三维虚拟技术来进行监测，将监测后的数据与三维设计图中的数据进行比对，出现较大的误差情况要提出警示，让安装人员能够及时发现安装不合理的问题，提升工作效率，减少生产与安装过程中的返工问题，节约材料，提高工作效率[7]。

5基于遗传算法的船舶管路布局优化

5.1遗传算法

一般来说，遗传算法由以下几个部分构成：问题解编码、初始种群生产、根据不同的适应情况进行优劣判断的适应函数、遗传算子、遗传算法参数值。同时具有自学能力，能够自主地进行信息搜索，也就是所说的利用智能化解决问题。遗传算法可以让多个计算机同时运行，对函数进行求解，获取最优解，能够在多个技术领域有效应用。

5.2应用于船舶管路三维布局优化的遗传算法

对于船舶管路布局的优化设计，遗传算法能够解决平面设计存在的缺陷，获得更有效的运输方法。虽然遗传算法在布局设计中能够发挥较大的作用，但是本质上还是无法解决实际的三维布局问题。所以解决船舶三维布局存在的问题，还要在遗传算法的基础上实现三维数字化模型的构建。

5.3自适应退火遗传算法的船舶管路布局优化方法

相比于传统算法，遗传算法具有更多技术优势，能够应用在更多领域，但是遗传算法也同样存在缺陷，需要针对性的改进。模拟退火遗传算法是一个组合形式的优化，调整适应度，让整个体系得到优化。对算法进行优化与改进，能够形成具有自适应效果的管路布局优化算法。通过变异算子的有效利用，让适应值获得最优解，从而实现管路布局的最佳效果。

6结语

现代社会的飞速发展，使船舶生产建造的水平得到了很大的提升，也对船舶管系布局提出了更高的要求。作为船舶设计布局的重要工作程序，提升船舶管系布局的整体水平，便于后期的生产与安装，成为现阶段重要的研究任务。对现阶段的船舶管系布局进行分析，大多的管线布局都是采用二维平面布局的形式，后期的生产与安装还需要等前期的平面设计完成后才能进行，直接影响了工作效率的提升；同时，对施工人员提出了较高要求，只有具有丰富作业经验的技术人员才能够开展安装工作，会造成后期的大量返工，不利于船舶企业经济效益的提高。对于船舶管系布局进行研究，针对现阶段显露出的一些缺陷进行改进与优化，让管系布局设计朝着智能化、自动化的方向发展，成为未来船舶事业发展的主要趋势，希望本文的研究能够为行业的发展提供参考。

作者：慕林江 单位：黄海造船有限公司