一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法技术

一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法：依据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型；根据设备各部件的结构及运动特点分解并分别建立自由空间；针对设备布置优化问题建立数学模型，确定目标函数，在工程知识的作用下确定船舶管系各设备所占据的布局空间位置；利用优化算法和工程规则相结合的方式，规划管路路径求得最优解，完成管路布局；构建船舶管路系统三维实体模型。本文能够有效提高船舶管路系统的设计效率并能较大程度地满足工程约束。

【技术实现步骤摘要】
一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法
本专利技术涉及一种船舶管路系统设计方法。特别是涉及一种针对不同管径规格、考虑设备自由空间的基于管路分级的船舶管路路径优化设计方法。
技术介绍
管路系统在航空、航天、船舶、汽车等行业的机电产品中广泛存在，这些管路系统以气体、液体等流体作为工作介质，实现机电产品的运行、控制、操纵等功能。在管路系统的布局设计阶段需要综合考虑管路系统的可制造性、稳定性、强度和流速等一系列问题，良好的管路布局设计结果是保证机电产品可靠运行的前提之一。其中，船舶管路集成设计是船舶设计、生产和验收等各个环节的中心性工作，对船舶建造质量和建造周期有举足轻重的作用。但其布局空间范围大、管路系统复杂，布置中又要遵守大量布置规则和约束，并且需要专业人员丰富的设计经验知识，才能获得最优布局效果。随着CAD技术的不断发展，商品化三维CAD软件(如TRIBON、CATIA等)都提供了管路数字化布局功能，可在机械产品的三维数字样机基础上进行管路系统的布局设计。但是，目前CAD系统中的管路布局软件主要采用交互式的布局方法，且局限于管路系统的几何建模层面上，无法根据企业的实际加工能力和功能需求对管路布局结果进行综合优化，在布局设计的效率及优化方面存在很大不足。管路布局设计的实质是在对布局空间进行有效描述的基础上，利用工程规则、专家经验和优化算法，规划出一条从起始位置到目标位置与障碍物无碰撞的最优管路路径。近年来，现代优化算法的发展推动了管路布局算法研究的进行，采用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等。但是，当前阶段船舶管路布置算法研究仍不能使自动布置结果完全符合工程实用而不需要人工干预，对自动布置结果的人工验证和修改仍然是必要的设计步骤。因此，提出一种基于知识的管路布局优化设计方法，为设计人员提供有效的参考，对缩短船舶管路设计周期、提高管路敷设质量具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种能够构建一个良好的管路布局设计方案的船舶管路布局优化设计方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，包括如下步骤：步骤1：根据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型；步骤2：参考设备放样时所需的必要参数，简化设备模型，利用轴平行包围盒法和自由空间建模法的结合，实现设备模型的重构；步骤3：收集并整理船舶管系设计规范及工程规则等，以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库；步骤4：分析管系二维原理图，确定设备与管路间的连接关系；步骤5：分析空间布置图，确定管路设备位置参数，在工程知识的作用下放置设备模型；步骤6：结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划，利用二次穿越算法、吊桥算法和蚁群算法的结合的管路布局优化设计方法，确定管路是否与设备发生干涉，并将干涉点转化为连接点，规划管路路径得出最优解；步骤7：依据布局空间参数、设备位置参数、设计规范及工程规则，优化船舶管路布局，构建管系三维模型。优选的，步骤1是利用智能工程设计软件平台Smart3D建立船舶管系布局空间的三维模型。优选的，步骤2所述的对设备模型重构具体步骤如下：(1)依据是否可以拆卸及维修时需进行的操作状态，将设备分解为若干部件；(2)分析设备各部件在工作及检修时的运动状态，通过轴平行包围盒法将部件建立成规则几何体；(3)依据步骤(2)中各部件的结构及其运动特点，建立各部件的自由空间；(4)将步骤(3)中得到的各部件重新组合，实现设备模型的重构，并建立设备整体的自由空间。优选的，步骤2所述的建立设备模型的自由空间，包括设备的操作空间、维修空间、拆卸空间及设备部件的运动空间等，其中，操作空间、维修空间和拆卸空间主要用于设备的日常操作、维修与安装等；设备部件的运动空间指的是部件拆卸及安装时所需空间。根据设备的各部件是否需要进行维修、安装、拆卸等操作，将该设备进行分解；利用体积建模的思想，以及为设备模型各子部件预留维修、保养、拆卸、安装、移动等操作所需空间的方法，考虑在维修等操作过程中，若部件同时进行线性运动和旋转运动，则通过轴平行包围盒法以圆柱体的形式表示该部件结构及其运动空间，若部件仅为线性运动，则通过轴平行包围盒法以规则长方体的形式建立该部件的自由空间；将各子部分的自由空间重组，得到设备整体的简化结构及其自由空间。优选的，步骤3所述的以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库，过程如下：(1)确定论域：抽象分解以自然语言形式存在的管路布局约束知识，确定研究对象；(2)定义谓词：根据研究对象定义谓词符号集，并赋予集合中每个谓词符号确切的含义；(3)连接谓词：根据管路布局知识的定义，用恰当的谓词连接词将(2)中独立的谓词连接为谓词公式。优选的，步骤5所述的放置设备模型是，根据机舱空间布置是一个多目标优化问题，利用加权和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，在工程知识库的作用下求得设备最优解。优选的，步骤6所述结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划有如下过程：(1)根据管路工程知识库，利用一阶谓词的形式将设备约束规则转化为计算机语言，在优化算法初始阶段完成检测与优化，确定基于工程规则的管系设备最优位置，完成设备模型在三维CAD系统中的放样。(2)利用适用于自由空间建模的二次穿越算法确定管路与设备是否发生干涉，将管路分为两种结构：L型管路和I型管路，将L型管路转化为I型管路；(3)通过判断管路穿越设备模型的自由空间的次数来确定二者是否发生干涉，假设穿越次数为N，当N≥2时，则存在干涉现象，从而确定干涉点；(4)利用吊桥算法通过矩阵转化将干涉点转换为代换点，使得N≤1，开始管路的敷设；(5)利用管路工程知识库中管路相关工程规则，结合蚁群优化算法对管路布局进行优化；(6)重复过程(2)、(3)、(4)的操作，直至完成整个管路的敷设。优选的，在工程知识库的作用下求得设备最优解有如下过程：(1)利用加权和法将设备布局多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，求得初始解；(2)提取管系设备位置初始解，将该数据转化为计算机可识别的语言；(3)根据管路工程知识库，系统自动调用工程知识中的相关规则，分析设备布局方案的合理性，并将评价数据反馈给设计人员，指导设计人员对已有的设备布局方案进行修改和优化。优选的，所述的确定干涉点是：假设管路穿越设备次数为N，xgmax、xgmin、ygmax、ygmin、zgmax、zgmin分别为管路模型在x、y、z方向上的最大值和最小值，xsmax、xsmin、ysmax、ysmin、zsmax、zsmin分别为设备模型在x、y、z方向上的最大值和最小值。若管路与设备模型处于无接触或连接状态，即为无干涉现象，此时，N≤1。若二本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n步骤1：根据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型；/n步骤2：参考设备的空间位置、属性特征等必要参数，简化设备模型，利用轴平行包围盒法和自由空间建模法的结合，实现设备模型的重构；/n步骤3：收集并整理船舶管系设计规范及工程规则等，以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库；/n步骤4：分析管系二维原理图，确定设备与管路间的连接关系；/n步骤5：分析空间布置图，确定管路设备位置参数，在工程知识的作用下放置设备模型；/n步骤6：结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划，利用二次穿越算法、吊桥算法和蚁群算法的结合的管路布局优化设计方法，确定管路是否与设备发生干涉，并将干涉点转化为连接点，规划管路路径得出最优解；/n步骤7：依据布局空间参数、设备位置参数、设计规范及工程规则，优化船舶管路布局，构建管系三维模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型；
步骤2：参考设备的空间位置、属性特征等必要参数，简化设备模型，利用轴平行包围盒法和自由空间建模法的结合，实现设备模型的重构；
步骤3：收集并整理船舶管系设计规范及工程规则等，以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库；
步骤4：分析管系二维原理图，确定设备与管路间的连接关系；
步骤5：分析空间布置图，确定管路设备位置参数，在工程知识的作用下放置设备模型；
步骤6：结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划，利用二次穿越算法、吊桥算法和蚁群算法的结合的管路布局优化设计方法，确定管路是否与设备发生干涉，并将干涉点转化为连接点，规划管路路径得出最优解；
步骤7：依据布局空间参数、设备位置参数、设计规范及工程规则，优化船舶管路布局，构建管系三维模型。


2.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤1中是利用智能工程设计软件平台Smart3D建立船舶管系布局空间的三维模型。


3.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤2所述的对设备模型重构具体步骤如下：
(1)依据是否可以拆卸及维修时需进行的操作状态，将设备分解为若干部件；
(2)分析设备各部件在运行及检修时的运动状态，通过轴平行包围盒法将部件建立成规则几何体；
(3)依据步骤(2)中各部件的结构及其运动特点，建立各部件的自由空间；
(4)将步骤(3)中得到的各部件重新组合，实现设备模型的重构，并建立设备整体的自由空间。


4.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤3所述的以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库，过程如下：
(1)确定论域：抽象分解以自然语言形式存在的管路布局约束知识，确定研究对象；
(2)定义谓词：根据研究对象定义谓词符号集，并赋予集合中每个谓词符号确切的含义；
(3)连接谓词：根据管路布局知识的定义，用恰当的谓词连接词将(2)中独立的谓词连接为谓词公式。


5.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤5所述的放置设备模型是，根据机舱空间布置是一个多目标优化问题，利用加权和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，在工程知识库的作用下求得设备最优解。


6.根据权利要求4所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤6所述结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划有如下过程：
(1)利用一阶谓词的形式将设备约束规则转化为计算机语言，在优化算法初始阶段完成检测与优化，确定基于工程规则的管系设备最优位置，完成设备模型在三维CAD系统中的放样。
(2)利用适用于自由空间建模的二次穿越算法确定管路与设备是否发生干涉，将管路分为两种结构：L型管路和I型管路，将L型管路转化为I型管路；
(3)通过判断管路穿越设备模型的自由空间的次数来确定二者是否发生干涉，假设穿越次数为N，当N≥2时，则存在干涉现象，从而确定干涉点；
(4)利用吊桥算法通过矩阵转化将干涉点转换为代换点，使得N≤1，开始管路的敷设；
(5)利用管路工程知识库中管路相关工程规则，结合蚁群优化...

【专利技术属性】
技术研发人员：包泓，李晨洁，刘建峰，掌俊玮，李家富，蒋雨洋，张礼华，
申请(专利权)人：江苏科技大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32