多专业管线的优化布局方法与流程

本发明涉及一种管线在空间内的布局规划方法，尤其涉及各种专业管线的协同布局优化方法。

背景技术：

在海洋石油平台的设计过程中，多专业的管线设计是其中一个非常重要的工作。在管线的具体设计过程中，除了要考虑管线的结构尺寸、材料强度等要求外，还需要考虑管线的空间布局问题。管线的布局目标通常包括长度最小化，弯头数最少化，以及安装位置最优化(尽量沿着障碍铺设以便于固定)，同时还要考虑避障、电气区域、操作和维修区域等工程约束。由于管线布局的复杂性，当前技术人员的布局设计工作多建立在经验的基础之上，需要反复试验和修改，设计效率较低。所以，如何在考虑以上管线布局目标的条件下，以较高效率完成管线的布局设计是个急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服当前管线布局设计的缺点，提供一种能以较高效率完成高质量设计要求的多专业管线的优化布局方法。

本发明的多专业管线的优化布局方法，包括以下步骤：

步骤一、分别给定管线起点位置坐标(x0,y0)和终点位置坐标(xn,yn)，然后分别做如下判断：(1)判断δx＝|xn-x0|与δy＝|yn-y0|的大小，若δx＜δy，则在动点从管线起点出发沿平行于x轴或者y轴的方向到达管线终点寻找最优管线布局路径的过程中允许x坐标跨越x＝xn这条直线；反之则允许在寻找最优管线布局路径的过程中动点的y坐标跨越y＝yn这条直线；

(2)设定动点的寻优方向，过程为：(a)分别把zx和zy的符号方向定义为寻找最优管线布局路径过程中动点移动的寻优正方向，设定zx＝xn-x0，zy＝yn-y0，若zx＜0，zy＞0，则x轴负半轴指向为动点x坐标移动的寻优正方向，y轴正半轴指向为动点y坐标移动的寻优正方向；

步骤二、在动点从起点位置向终点位置移动过程中，首先判断沿x坐标或者y坐标的寻优正方向上在设定的安全距离范围内是否有障碍物，若动点只在一个寻优正方向上有障碍物，则动点根据以下方法移动到距离下一个障碍物安全距离的位置：在无障碍物的方向上沿寻优正方向移动；若动点在两个寻优正方向上都有障碍物，则动点根据以下方法移动到距离下一个障碍物安全距离的位置：沿寻优反方向移动到达下一个障碍物距离较少的一个坐标方向移动；若动点在两个坐标寻优正方向上都没有障碍物，则判断在设定的安全距离之外下一个障碍物所在的位置，具体方法如下：

(a)设其中平行于x坐标方向上的障碍物坐标为(x',a)，平行于y坐标方向上的障碍物坐标为(b,y')，然后判断x'和y'是否分别跨越x＝xn和y＝yn这两条直线；

(b)若步骤(a)的判断结果是x'和y'均分别跨越x＝xn和y＝yn这两条直线，或者有一个跨越而另一个没有跨越，则选择其中做寻优移动并到达下一个障碍物距离较短的方向作为第一步的正向移动方向；

(c)若步骤(a)的判断结果是x'和y'均分别没有跨越x＝xn和y＝yn这两条直线，则选择其中做寻优移动并到达下一个障碍物距离较长的方向作为第一步的正向移动方向；

步骤三、动点在上一步骤寻优移动到达的障碍物处，把原有移动方向朝向终点位置旋转90°得到新的移动方向，然后沿该新的寻优移动方向移动到下一个距离障碍物安全距离的位置处；重复该步骤，动点顺序到达下一个障碍物处，直至到达终点位置，完成管线布局路径的设计；

在所述的步骤二和步骤三中，当动点由上一个障碍物向下一个障碍物寻优移动的过程中，包括对动点是否已经可以直达终点位置进行判断的步骤，具体过程为：

(1)若δx＜δy，则判断动点x坐标是否跨越x＝xn这条直线；若δx＞δy，则判断动点y坐标是否跨越y＝yn这条直线；

(2)若动点x坐标跨越x＝xn或者动点y坐标跨越y＝yn，则动点的移动方向在该跨越位置处朝向终点位置旋转90°，并判定新的方向上是否有障碍物；

(3)若步骤(2)的判断结果为无障碍物，则动点沿新的方向做寻优移动；若步骤(2)的判断结果为存在新障碍物，则动点沿着旋转之前的原方向继续寻优移动到下一个障碍物(xi,yi)处；

(4)若动点x坐标没有跨越x＝xn或者动点y坐标没有跨越y＝yn，则动点寻优移动方向不变,然后到达下一个障碍物处。

与现有技术相比，本发明具有以下特点：

本发明是通过一种近似避障路径寻优的思路来解决管线的布局问题，通过管线起点位置处的动点寻优移动，能够更准确地定位管线的各个位置，并且保证设计出的管线布局弯头数较少，实际总长度较短，而且管线布局的设计效率得到了提高。

附图说明

图1是本发明的多专业管线的优化布局方法的流程示意图；

图2是采用本发明的多专业管线的优化布局方法的一个实例示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明方法本质上相当于一个避障路径寻优问题，即管线如何在起点位置和终点位置中间合理布局，以保证管线功能实现的基础上，满足优化的要求。

如图1所示的本发明的多专业管线的优化布局方法，包括以下步骤：

步骤一、分别给定管线起点位置坐标(x0,y0)和终点位置坐标(xn,yn)，然后分别做如下判断：(1)判断δx＝|xn-x0|与δy＝|yn-y0|的大小，若δx＜δy，则在动点(x,y)从管线起点出发沿平行于x轴或者y轴的方向到达管线终点寻找最优管线布局路径的过程中允许x坐标跨越x＝xn这条直线，这样在管线方向出现折返的情况下，可以保证管线总长度较短；反之则允许在寻找最优管线布局路径的过程中动点的y坐标跨越y＝yn这条直线；

(2)设定动点的寻优方向，过程为：(a)分别把zx和zy的符号方向定义为寻找最优管线布局路径过程中动点移动的寻优正方向，设定zx＝xn-x0，zy＝yn-y0，若zx＜0，zy＞0，则x轴负半轴指向为动点x坐标移动的寻优正方向(x轴正半轴指向为动点x坐标移动的寻优反方向)，y轴正半轴指向为动点y坐标移动的寻优正方向(y轴负半轴指向为动点y坐标移动的寻优反方向)。

步骤二、在动点从起点位置向终点位置移动过程中，首先判断沿x坐标或者y坐标的寻优正方向上在设定的安全距离δ范围内是否有障碍物，若动点只在一个寻优正方向上有障碍物，则动点根据以下方法移动到距离下一个障碍物安全距离δ的位置：在无障碍物的方向上沿寻优正方向移动，以减少这段管线的长度；若动点在两个寻优正方向上都有障碍物，则动点根据以下方法移动到距离下一个障碍物安全距离δ的位置：沿寻优反方向移动到达下一个障碍物距离较少的一个坐标方向移动，这样可以减少这段管线的长度；若动点在两个坐标寻优正方向上都没有障碍物，则判断在设定的安全距离δ之外下一个障碍物所在的位置，具体方法如下：

(a)设其中平行于x坐标方向上的障碍物坐标为(x',a)，平行于y坐标方向上的障碍物坐标为(b,y')，然后判断x'和y'是否分别跨越x＝xn和y＝yn这两条直线；

(b)若步骤(a)的判断结果是x'和y'均分别跨越x＝xn和y＝yn这两条直线，或者有一个跨越而另一个没有跨越，则选择其中做寻优移动并到达下一个障碍物距离较短的方向作为第一步的正向移动方向，以减少这段管线的实际长度；

(c)若步骤(a)的判断结果是x'和y'均分别没有跨越x＝xn和y＝yn这两条直线，则选择其中做寻优移动并到达下一个障碍物距离较长的方向作为第一步的正向移动方向，以减少管线可能的弯头数。例如若满足|xn-x'|＞|yn-y'|，则需要使动点向障碍物的(x',a)方向寻优移动并到达距离障碍物安全距离δ的位置(x1,y1)处。

步骤三、动点在上一步骤寻优移动到达的障碍物处，把原有移动方向朝向终点位置旋转90°得到新的移动方向(即如果动点原先沿x坐标方向移动，则旋转90°沿y坐标方向移动；若动点原先沿y坐标方向移动，则旋转90°沿x坐标方向移动)，然后沿该新的寻优移动方向移动到下一个距离障碍物安全距离δ的位置(x2,y2)处；重复该步骤，动点顺序到达下一个障碍物(x3,y3)，(x4,y4)…(xi,yi)处，直至到达终点位置，完成管线布局路径的设计；

在所述的步骤二和步骤三中，当动点由上一个障碍物(xi-1,yi-1)向下一个障碍物(xi,yi)寻优移动的过程中，包括对动点是否已经可以直达终点位置进行判断的步骤，具体过程为：

(1)若δx＜δy，则判断动点x坐标是否跨越x＝xn这条直线；若δx＞δy，则判断动点y坐标是否跨越y＝yn这条直线；

(2)若动点x坐标跨越x＝xn或者动点y坐标跨越y＝yn，则动点的移动方向在该跨越位置处朝向终点位置旋转90°，并判定新的方向上是否有障碍物；

(3)若步骤(2)的判断结果为无障碍物，则动点沿新的方向做寻优移动；若步骤(2)的判断结果为存在新障碍物，则动点沿着旋转之前的原方向继续寻优移动到下一个障碍物(xi,yi)处；

(4)若动点x坐标没有跨越x＝xn或者动点y坐标没有跨越y＝yn，则动点寻优移动方向不变,然后到达下一个障碍物(xi,yi)处。

如图2所示的本发明的多专业管线的优化布局方法的实例示意图，该方法包括以下步骤：

步骤一、(1)由图中所示起点和终点位置关系，起点坐标(10,0.5)，终点坐标(8,7.5)，因为δx＜δy，所以在寻找最优管线布局路径的过程中允许动点x坐标跨越x＝8这条直线；

(2)由图示起点和终点位置关系，设定zx＜0，zy＞0，所以x轴负半轴指向为动点x坐标移动的寻优正方向(x轴正半轴指向为动点x坐标移动的寻优反方向)，y轴正半轴指向为动点y坐标移动的寻优正方向(y轴负半轴指向为动点y坐标移动的寻优反方向)。

步骤二、在起点位置，因为动点在两个坐标方向上都可以寻优正方向移动，且沿着y坐标移动较短的距离到达下一个障碍物，所以动点沿着平行于y坐标方向做寻优正方向移动，并到达距离障碍物1安全距离0.5处。

步骤三、动点移动方向在障碍物1处朝向终点旋转90°得到新的寻优移动方向，沿着新的方向移动到跨越x＝8这条直线时，动点在此位置朝向终点旋转90°，因为该新的方向上有障碍物，则动点继续沿着原方向移动，并到达距离障碍物2安全距离0.5处。重复步骤二和步骤三，陆续到达障碍物3、障碍物4和障碍物5处。

步骤四、动点沿着障碍物5做平行于x坐标方向的寻优反方向移动，并再次跨越x＝8这条直线，同样动点在此跨越位置处朝向终点位置旋转90°，并判断新方向上是否有新的障碍物，判断结果为无，则动点沿着新的方向做寻优移动。

步骤五、动点最终到达终点位置，完成管线布局路径的设计。