一种机舱布置优化方法与流程
本发明涉及船舶或海洋结构物机舱布置优化领域，尤其涉及一种机舱布置优化方法。
背景技术：
常见的船舶或海洋结构物机舱布置设计方法多借助cad系统提供的交互方式，反复设计，逐步调整，使得船舶机舱布置设计过程繁琐冗长，效率低下。机舱区域内设备繁多，相对位置及关系复杂，且需要满足设备运行的条件、设备维修空间等要求，因此设计效率极其低下。
技术实现要素：
针对上述的现有技术的缺陷，本发明提供一种机舱布置优化方法，应用于机舱设备，其特征在于，所述机舱设备布置在不同位置以形成对应的布置方式，设置多个不同的布置属性用于表示所述机舱设备的布置方式；所述机舱布置优化方法具体包括：
步骤1，从所有所述布置属性中选取多个包括在一联合布置准则中；
步骤2，依据所述联合布置准则处理得到所述机舱设备的最优布置方式；
步骤3，根据所述最优布置方式建立虚拟的机舱三维系统；
步骤4，判断所述机舱三维系统是否完全符合所有所述布置属性：
若是，则结束；
若否，则返回至步骤2，以重新得到所述最优布置方式。
优选的，所述步骤2中，依据所述联合布置准则，采用以下公式处理得到所述最优布置方式：
其中，
f(x)用于表示所述布置方式所对应的取值；
x用于表示所述布置方式；
q用于表示选取的所有所述布置属性的总数量；
fp(x)用于表示所述布置属性，p用于表示所述布置属性在选取的布置属性中的排序序号；
ωp用于表示所述布置属性对应的权重系数；
将f(x)取最小值时所对应的所述布置方式作为所述最优布置方式。
优选的，将所有所述布置方式的取值分布于一取值空间内；则所述步骤2中，采用一改进粒子群算法实现对所述布置方式的取值的均匀分布调节；
于所述改进粒子群算法中包括一种群分布熵的计算过程，具体采用以下公式处理得到：
其中，
e(x)用于表示所有所述布置方式的取值的种群分布熵；
x用于表示所述布置方式；
t用于表示所有所述布置方式的个数；
qs(x)用于表示所述布置方式出现在特定取值区域的概率，s用于表示所述布置方式在所有所述布置方式中的排序序号；
于所述改进粒子群算法中还包括一平均粒距的计算过程，具体采用以下公式处理得到：
其中，
d(x)用于表示所有所述布置方式的取值的平均粒子距；
n用于表示所述布置方式对应的所有所述机舱设备的总数量；
l用于表示所述取值空间的最长半径；
所述步骤2中，动态调节所有所述布置方式的取值在所述取值空间内的位置，以使所述种群分布熵和所述平均粒距均尽可能取到最大值。
优选的，所述布置属性中包括机舱稳定性；
所述机舱稳定性所对应的取值中包括用于表征机舱纵向稳定性的第一稳定值以及用于表征机舱高度稳定性的第二稳定值中的至少一个。
优选的，采用下述公式计算得到所述第一稳定值：
其中，
x用于表示所述布置方式；
f1(x)用于表示所述第一稳定值；
n用于表示所有所述机舱设备的总数量；
mi用于表示所述布置方式中所述机舱设备对应的质量，i用于表示所述机舱设备在所有所述机舱设备中的排序序号；
xiy用于表示所述机舱设备的纵向位置坐标值。
优选的，采用下述公式计算得到所述第一稳定值：
其中，
x用于表示所述布置方式；
f2(x)用于表示所述第二稳定值；
n用于表示所有所述机舱设备的总数量；
mi用于表示所述布置方式中所述机舱设备对应的质量，i用于表示所述机舱设备在所有所述机舱设备中的排序序号；
xiz用于表示所述机舱设备的纵向位置坐标值。
优选的，所述布置属性中包括人员流动性，所述人员流动性所对应的取值为第三稳定值，所述第三稳定值采用下述公式表示：
其中，
x用于表示所述布置方式；
f3(x)用于表示所述第三稳定值；
n用于表示所有所述机舱设备的总数量；
γi用于表示所述布置方式中所述机舱设备对应的功能区的权重系数，i用于表示所述机舱设备在所有所述机舱设备中的排序序号；
ti用于表示安全通道与所述功能区的距离；
lij用于表示不同的所述机舱设备对应的不同的设备区之间距离。
优选的，所述布置属性中包括人机功效性，所述人机功效性所对应的取值为第四稳定值，所述第四稳定值采用下述公式表示：
其中，
x用于表示所述布置方式；
f4(x)用于表示所述第四稳定值；
e用于表示人机功效规定内的所述机舱设备的总数量；
|xi-xj|用于表示所述布置方式中不同的所述机舱设备之间的距离，i和j用于表示不同的所述机舱设备在所有所述机舱设备中的排序序号；
oij用于表示所述人机功效规定的不同的所述机舱设备之间的最佳距离。
优选的，所述布置属性中包括机舱设备边界性，所述机舱设备边界性所对应的取值为第五稳定值，所述第五稳定值采用下述公式表示：
其中，
x用于表示所述布置方式；
f5(x)用于表示所述第五稳定值；
xix用于表示所述布置方式中所述机舱设备的横向位置坐标值；
xb用于表示所述机舱的边界位置值。
优选的，所述布置属性中包括机舱设备安装高度性，所述机舱设备安装高度性所对应的取值为第六稳定值，所述第六稳定值采用下述公式表示：
其中，
x用于表示所述布置方式；
f6(x)用于表示所述第六稳定值；
xix用于表示所述布置方式中所述机舱设备的横向位置坐标值；
xb用于表示所述机舱的基座位置值。
优选的，所述布置属性中包括机舱设备补给性，所述机舱设备补给性所对应的取值为第七稳定值，所述第七稳定值采用下述公式：
其中，
x用于表示所述布置方式；
f7(x)用于表示所述第七稳定值；
xix用于表示所述布置方式中所述机舱设备的横向位置坐标值；
xt用于表示所述机舱的舱柜位置值。
上述技术方案的有益效果是：提高机舱设备布置效率，缩短船厂施工三维放样周期。
附图说明
图1为本发明的一种较优实施例中的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明提供一种机舱布置优化方法，应用于机舱设备，其特征在于，设置多个不同的布置属性用于表示机舱设备的布置方式；如图1所示，机舱布置优化方法具体包括：
步骤1，从所有布置属性中选取多个包括在一联合布置准则中；
步骤2，依据联合布置准则处理得到机舱设备的最优布置方式；
步骤3，根据最优布置方式建立虚拟的机舱三维系统；
步骤4，判断机舱三维系统是否完全符合所有布置属性：
若是，则结束；
若否，则返回至步骤2，以重新得到最优布置方式。
具体地，机舱中有多个机舱设备，不同的机舱设备布置在不同的位置以对应形成一布置方式，预设多个机舱设备布置属性f1(x),f2(x),…,f7(x)来表示机舱设备的布置方式，从所有布置属性中选取多个机舱设备布置属性形成一个联合布置准则，根据粒子群分布熵和平均粒距构建改进粒子群算法，利用改进粒子群算法对联合布置准则进行处理，得到机舱设备的最优布置方式，将最优的布置方式导入catia三维模型，建立虚拟的机舱三维系统，判断此时的机舱三维系统是否完全符合预设的所有布置属性，若是则以此时的最优布置方式为机舱设备的最优布置方式，若否，则重新利用改进粒子群算法对联合布置准则进行处理得到最优布置方式。
本发明的一种较优实施例中，步骤2中，依据联合布置准则，采用以下公式处理得到最优布置方式：
其中，
f(x)用于表示布置方式所对应的取值；
x用于表示布置方式；
q用于表示选取的所有布置属性的总数量；
fp(x)用于表示布置属性，p用于表示布置属性在选取的布置属性中的排序序号；
ωp用于表示布置属性对应的权重系数；
将f(x)取最小值时所对应的布置方式作为最优布置方式。
具体地，采用线性加权法根据选取的布置属性建立联合布置准则，以将f(x)取最小值时所对应的布置方式作为最优布置方式，比如只选取布置属性中的机舱稳定性作为联合布置准则时，根据本领域内的常识可知，重心位置在在水平平面上靠后，在竖直平面上靠低时能够让船舶在海面上遇到大风大浪也可实现平稳运行，不至于因重心靠前或过高而倾倒翻船，因此机舱稳定性取值包括的第一稳定值和第二稳定值越小越好。
本发明的一种较优实施例中，将所有布置方式的取值分布于一取值空间内；则步骤2中，采用一改进粒子群算法实现对布置方式的取值的均匀分布调节；
于改进粒子群算法中包括一种群分布熵的计算过程，具体采用以下公式处理得到：
其中，
e(x)用于表示所有布置方式的取值的种群分布熵；
x用于表示布置方式；
t用于表示所有布置方式的个数；
qs(x)用于表示布置方式出现在特定取值区域的概率，s用于表示布置方式在所有布置方式中的排序序号；
于改进粒子群算法中还包括一平均粒距的计算过程，具体采用以下公式处理得到：
其中，
d(x)用于表示所有布置方式的取值的平均粒子距；
n用于表示布置方式对应的所有机舱设备的总数量；
l用于表示取值空间的最长半径；
步骤2中，动态调节所有布置方式的取值在取值空间内的位置，以使种群分布熵和平均粒距均尽可能取到最大值。
具体地，将机舱内空间视为一个3维搜索空间，划分为横向、纵向和高度向，并分别对应地表示为x向，y向和z向，将机舱设备的一种布置方式视为一个粒子，则整个粒子群表示为：
其中，第i个粒子xi用于表示当前布置方式，而当前布置方式中包括所有机舱设备的布置方式，也相当于粒子群中的第i个粒子的数值，具体表示为xi＝(xi1,xi2,…,xin)，xi1为第1个机舱设备布置数值，其中第i个机舱设备在机舱空间中的位置为(xiix,xiiy,xiiz)，在下述描述中为简化数值表示，也可用(xix,xiy,xiz)中默认的当前的布置方式中的第i个机舱设备的布置方式。
第i个粒子的局部最优布置方式为
第i个粒子在第k次迭代后的x方向上的位置为：
其中，
然而，普通的粒子群算法的求解过程中，当粒子群整体分布的越不均匀，粒子群中粒子过于聚集特定区域，此时，粒子群的多样性丢失，粒子间传递的共享信息会局限在这个区域中，当粒子群进行下一次迭代时，粒子的速度和位置变化就会很小，粒子群整体的位置集中速度缓慢，容易提前收敛，求得的解会陷于局部最小点。
相反，当粒子群整体分布的越均匀，粒子个体出现在特定区域出现的概率越小，粒子群内的搜索范围加大，粒子群的收敛速度较慢，会避免提前收敛，此时，陷入局部最优解的可能性就越小。基于上述理由，提高优化精度，保证整个求解过程的持续收敛，
因此引入粒子群分布熵和平均粒距构建改进粒子群算法，粒子群分布熵仿照信息熵的概念进行定义，采用公式(2)通过将整体的搜索空间进行等区域划分，得到粒子个体出现在特定区域的概率，平均粒距采用以下公式(3)表示粒子群的粒子之间的距离来描述各粒子之间的分布状态。
在粒子群的粒子处于聚集的过程中，当粒子群的粒子都集中在某个很小的区域内，粒子个体出现在特定区域出现的概率越大，粒子群分布熵值e(t)就越小，平均粒距值d(t)也在逐渐变小，此时，粒子群的多样性已经丢失，而当粒子群分布的越均匀时，粒子个体出现在特定区域出现的概率越小，粒子群分布熵值e(t)就越大，群体粒子比较分散，平均粒距值也越大。
在利用粒子群算法求解联合布置准则时，利用粒子群分布熵和平均粒距提高粒子群的多样性，避免提前收敛，得到最优的机舱设备布置方式。
本发明的一种较优实施例中，布置属性中包括机舱稳定性；
机舱稳定性所对应的取值中包括用于表征机舱纵向稳定性的第一稳定值以及用于表征机舱高度稳定性的第二稳定值中的至少一个。
本发明的一种较优实施例中，采用下述公式计算得到第一稳定值：
其中，
x用于表示布置方式；
f1(x)用于表示第一稳定值；
n用于表示所有机舱设备的总数量；
mi用于表示布置方式中机舱设备对应的质量，i用于表示机舱设备在所有机舱设备中的排序序号；
xiy用于表示机舱设备的纵向位置坐标值。
本发明的一种较优实施例中，采用下述公式计算得到第一稳定值：
其中，
x用于表示布置方式；
f2(x)用于表示第二稳定值；
n用于表示所有机舱设备的总数量；
mi用于表示布置方式中机舱设备对应的质量，i用于表示机舱设备在所有机舱设备中的排序序号；
xiz用于表示布置方式中机舱设备的纵向位置坐标值。
具体地，船舶机舱内的机舱设备布置方式会影响到船舶的重心位置，而船舶的重心位置又会影响到船舶在航行中的稳定性，考虑到海面上的海风影响，若船舶的重心位置过高，船舶在转弯时受到的力矩会过大从而引起船舶侧翻。由于力矩代数和与重心具有明确的数学关系，因此采用机舱的力矩代数和来限定机舱稳定性。
将机舱内的空间以笛卡尔坐标系进行划分，船尾的螺旋桨作为坐标系原点，横向为x轴方向，纵向为y轴方向，高度方向为z轴方向，将每个机舱设备进行标号，利用公式(7)即可得出按照此时的机舱设备布置方式进行布置时，机舱在纵向上的力矩代数和f1(x)，由此表征机舱纵向稳定性的第一稳定值，利用公式(8)即可得出此时的机舱设备布置方式进行布置时，机舱在高度方向上的力矩代数和f2(x)，由此表征机舱高度稳定性的第二稳定值，可选取第一稳定值和第二稳定值中的至少一个表征机舱稳定性。
本发明的一种较优实施例中，布置属性中包括人员流动性，人员流动性所对应的取值为第三稳定值，第三稳定值采用下述公式表示：
其中，
x用于表示布置方式；
f3(x)用于表示第三稳定值；
n用于表示所有机舱设备的总数量；
γi用于表示布置方式中机舱设备对应的功能区的权重系数，i用于表示机舱设备在所有机舱设备中的排序序号；
ti用于表示安全通道与功能区的距离；
lij用于表示不同的机舱设备对应的不同的设备区之间距离。
具体地，在船舶运险时，便于操控机舱设备的工作人员能够快速撤离，采用人员流动性限定机舱内的机舱设备布置方式，机舱设备具有不同的功能，而不同功能的机舱设备的布置方式也不同，如具有驱动功能的柴油机常设置于机舱最底层，具有排气功能的排风扇常设置于机舱中上层，此处的安全流通通道与功能区的距离ti采用下述公式进行计算：
ti＝|xix-xd|+|xiy-yd|(10)
其中，xix为当前布置方式中第i个机舱设备在机舱空间内的横向位置坐标值，xiy为当前布置方式中第i个机舱设备在机舱空间内的纵向位置坐标值，xd为第d个安全流通通道在机舱空间内的横向位置坐标值，yd为第d个安全流通通道在机舱空间内的纵向位置坐标值。
考虑到船舶运险时，运险人员要对出现故障的设备进行维修以避免事故更加严重，因此人员流动性原则还包括设备之间的流通距离lij采用下述公式进行计算：
lij＝|xix-xjx|+|xiy-xjy|(11)
其中，xjx为当前布置方式中第j个机舱设备在机舱空间内的横向位置值，xjy为当前布置方式中第j个机舱设备在机舱空间内的纵向位置值。
本发明的一种较优实施例中，布置属性中包括人机功效性，人机功效性所对应的取值为第四稳定值，第四稳定值采用下述公式表示：
其中，
f4(x)用于表示第四稳定值；
e用于表示人机功效规定内的机舱设备的总数量；
|xi-xj|用于布置方式中表示不同的机舱设备之间的距离，i和j用于表示不同的机舱设备在所有机舱设备中的排序序号；
oij用于表示人机功效规定的不同的机舱设备之间的最佳距离。
具体地，为了确保机舱内设备操作和维修方便，要确保操作人员能够尽快到达需要维护的设备，采用人机功效性限定机舱内的机舱设备布置方式，在满足设备要求的最佳距离的设定下，让设备之间的距离越小，即可保证机舱内设备操作和维修的简便性。
本发明的一种较优实施例中，布置属性中包括机舱设备边界性，机舱设备边界性所对应的取值为第五稳定值，第五稳定值采用下述公式表示：
其中，
x用于表示布置方式；
f5(x)用于表示第五稳定值；
xix用于表示布置方式中机舱设备的横向位置坐标值；
xb用于表示机舱的边界位置值。
具体地，确保机舱设备在布置过程中能够最大化利用机舱内空间，采用机舱设备边界性限定机舱内的机舱设备布置方式，xix-xb为机舱设备和机舱边界之间的距离。
本发明的一种较优实施例中，布置属性中包括机舱设备安装高度性，机舱设备安装高度性所对应的取值为第六稳定值，第六稳定值采用下述公式表示：
其中，
x用于表示布置方式；
f6(x)用于表示第六稳定值；
xix用于表示布置方式中机舱设备的横向位置坐标值；
xb用于表示机舱的基座位置值。
具体地，确保机舱设备能够正常安装，因此采用机舱设备安装高度原则限定机舱内的机舱设备布置方式，xix-xf为设备安装的基座高度值。
本发明的一种较优实施例中，布置属性中包括机舱设备补给性，机舱设备补给性所对应的取值为第七稳定值，第七稳定值采用下述公式：
其中，
x用于表示布置方式；
f7(x)用于表示第七稳定值；
xix用于表示布置方式中机舱设备的横向位置坐标值；
xt用于表示机舱的舱柜位置值。
具体地，为了确保部分需要配备补充液体介质舱柜的设备正常工作，因此采用机舱设备补给原则限定机舱内的机舱设备布置方式，xix-xt为机舱设备和舱柜之间的距离
此外，在求解过程中，可能会获得多个最优解，得到多个最优布置方式，而这些最优布置方式中的机舱设备可能不满足机舱设备的安装要求，因此，步骤3中根据最优布置方式建立机舱三维系统，此时可将求解得到的最优布置方式导入catia三维模型，建立机舱三维系统。步骤4中对获取的最优布置方式进行判断，是否适用于对预设的机舱设备布置原则，若适用，则以此时的最优布置方式为机舱设备的布置方式，若不适用，则调整此时的最优布置方式，重新以改进粒子群算法求解联合布置准则。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
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