一种基于协同优化的带分支管道布局方法技术

本发明专利技术涉及管道布局技术领域，具体地说，涉及一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其包括以下步骤：一、改进自适应A*算法；二、改进协同优化策略；三、改进的自适应A*算法与协同进化遗传算法相结合，进行分支管道优化布局。本发明专利技术针对特定的布局环境，使用协同进化遗传算法进行带分支管道布局；本发明专利技术解决了冗余拐点问题，改进了自适应A*算法，进一步提升初始种群与子管道的质量，提升整体算法的优化效果与效率；提升了布局质量，能满足工程约束，加快了布局速度，降低了算法运算量，避免无效协同情况的发生。协同情况的发生。协同情况的发生。

【技术实现步骤摘要】
一种基于协同优化的带分支管道布局方法


[0001]本专利技术涉及管道布局
，具体地说，涉及一种基于协同优化的带分支管道布局方法。

技术介绍

[0002]三维管道系统布局设计是工业装置布局设计中最复杂、最耗时的步骤之一，带分支管道的布局时管道布局中经常出现的情况，它不仅需要考虑单管道的布局求解问题，还要考虑分支点与公共路径问题。现在大部分的管道设计是由人工设计，往往耗费大量的时间与精力，其主要原因主要有：布局环境复杂、约束条件众多、布局环境随着设备布局的改变而改变等。随着计算机与智能化时代的发展，使用计算机进行带分支管道的布局对缩短布局周期，给设计者提供布局参考方案，降低设计者负担具有重要的意义。
[0003]基于智能优化算法的带分支管道布局应用较为广泛，它通过将优化目标与约束条件量化为数学模型，然后进行不断的迭代寻优，最终得到全局最优解或较优解，应用较多的有协同进化算法、粒子群算法、Lee算法以及融合多种优化算法的混合式算法。在带分支管道布局中主要有两种思想，第一是首先确定分支点与管道敷设顺序，例如斯坦纳最小树，适用于有确定的必经点或者布局环境较为简单的情况，但是在分支点较多甚至分支点嵌套时，算法的效率较低，并且针对优化目标较多的情况，分支点的数量与位置难以确定；第二种思路是使用协进化思想，将不同的管道集中在一起进化，一个种群进化时会受到其他种群的影响，最终在这种相互影响下，得到整体布局最优(较优)的结果。这种方法的优点是不需要浪费大量的计算量在计算分支点与敷设顺序中，并且可满足多个优化条件。
[0004]由于布局环境的多样性，没有通用的方法可以适应各种管道布局要求，往往根据需求选择不同的方法。带分支管道布局时管道系统设计中重要的一环，并且该布局环境特殊，存在较多的圆柱体障碍物，给设计者带来了很大的困扰。因此，使用计算机技术与优化算法进行管道自动布局能够很大程度上帮助设计者进行管道布局设计，但是现有方法布局质量和速度不足，无法较佳地满足工程约束，因此需要一种新的优化方法来解决带分支管道的布局问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的内容是提供一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。
[0006]根据本专利技术的一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其包括以下步骤：
[0007]一、改进自适应A*算法；
[0008]二、协同优化策略；
[0009]三、改进的自适应A*算法与遗传算法相结合，进行分支管道优化布局。
[0010]作为优选，步骤一中，在自适应A*算法中添加一种反向二次布局机制，具体步骤如下：
[0011](1)在自适应A*算法寻路时，记录每个拐点的位置；
[0012](1.1)初始化open表与close表；
[0013](1.2)根据目前点B寻找落脚点集合；
[0014](1.3)计算落脚点集合中的点的带价值，并根据环境选择一个点前进，到达新的目前点B；
[0015](1.4)重复(1.2)
‑
(1.3)，直到寻找到终点位置；
[0016]判断是否发生了违规拐点现象，记录每段违规拐点路段的起始位置与终止位置作为中间辅助点{(Q
11
,Q
12
),(Q
21
,Q
22
),...,(Q
n1
,Q
n2
)}；
[0017](2)结合记录的拐点位置，将一段管道划分为2N+1段管道；
[0018](3)使用自适应A*算法对违规路段进行二次寻路，寻路方向为违规拐点路段的终止位置至起始位置，最终得到新的N段合规的管道；
[0019](4)拼接2N+1段管道，形成完整的一条管道。
[0020]作为优选，步骤二中，协同优化策略的具体流程如下：
[0021]1)根据每根管道的起点、终点信息构建立方体；
[0022]2)由于管道布局时有可能会跳出该立方体区域，因此在立方体的每个方向扩展三个网格长度；
[0023]3)分别计算每根管道种群与其他种群的解空间交叠量，将结果记录保存；
[0024]4)判断两两立方体是否存在交叠：将两个立方体从X，Y，Z方向进行投影，只要在一个轴向的投影不存在重叠，则判定位两立方体不存在交叠，跳转7)，否则判定存在交叠,跳转5)；
[0025]5)判断交叠部分是否全部为障碍物所在区域，若是，则跳转7)，否则，跳转(f)；
[0026]6)判定两管道种群存在解空间交叠，互为有效协同，返回3)；
[0027]7)判定两管道种群不存在解空间交叠，互为无效协同，返回3)。
[0028]作为优选，在协同之前，每个种群单独进化一定代数，进一步提升种群中个体的质量；在一个种群进化时，其进化环境包括两个部分，一个是原始布局环境，包括空间与障碍物信息，另一个是由其他种群的最优个体组成的环境，用来评价协同程度。
[0029]作为优选，步骤三中，具体流程如下：
[0030]步骤1、初始化N个种群，即N个管道；
[0031]步骤2、每个种群单独进化k代；
[0032]步骤3、挑选每个种群中的最优个体，组成当前最优集合P
best
；
[0033]步骤4、计算每个种群对应的有效协同种群；
[0034]步骤5、判断进化次数m是否小于最大进化代数；若是，进行下一步，若否，输出P
best
并结束；
[0035]步骤6、对每个种群分别进行选择、交叉、变异操作产生新的种群，环境为原始环境与有效协同种群最优个体共同组成；
[0036]步骤7、挑选每个新种群的最优个体，替换在P
best
对应的管道，计算整体适应度值，若表现更优则保留此次更新，然后返回步骤5。
[0037]作为优选，步骤1和步骤2中，对于一个带有N对起止点的带分支管道，对每根管道单独初始化；对于一个种群中每个个体，在起点与终点为顶点组成的立方体空间中随机选
择m个中间连接点，然后将这些点根据距离终点的曼哈顿距离的远近依次使用改进的自适应A*算法连接，组成一条完整的管道，并以此方式循环k(种群数量)次。
[0038]作为优选，步骤3中，根据适应度值公式挑选每个种群中的最优个体，适应度值公式为：
[0039]f1(x)＝A
‑
(a
×
L1(x)+b
×
B1(x)+c
×
W1(x)+d
×
K1(x)+e
×
E1(x))+m
×
R
[0040]其中f1(x)代表种群中某个个体的适应度值，可根据情况与各个优化目标重要程度调整，R为该管道与其他种群最优个体出现重复管道的长度，m为其参数，A是一个极大值；a,b,c,d,e为参数，L1(x)为每个管道长度，B1(x)为管道拐点数量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其特征在于：包括以下步骤：一、改进自适应A*算法；二、协同优化策略；三、改进的自适应A*算法与协同进化遗传算法相结合，进行分支管道优化布局。2.根据权利要求1所述的一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其特征在于：步骤一中，在自适应A*算法中添加一种反向二次布局机制，具体步骤如下：(1)在自适应A*算法寻路时，记录每个拐点的位置；(1.1)初始化open表与close表；(1.2)根据目前点B寻找落脚点集合；(1.3)计算落脚点集合中的点的带价值，并根据环境选择一个点前进，到达新的目前点B；(1.4)重复(1.2)
‑
(1.3)，直到寻找到终点位置；判断是否发生了违规拐点现象，记录每段违规拐点路段的起始位置与终止位置作为中间辅助点{(Q
11
,Q
12
),(Q
21
,Q
22
),...,(Q
n1
,Q
n2
)}；(2)结合记录的拐点位置，将一段管道划分为2N+1段管道；(3)使用自适应A*算法对违规路段进行二次寻路，寻路方向为违规拐点路段的终止位置至起始位置，最终得到新的N段合规的管道；(4)拼接2N+1段管道，形成完整的一条管道。3.根据权利要求1所述的一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其特征在于：步骤二中，协同优化策略的具体流程如下：1)根据每根管道的起点、终点信息构建立方体；2)由于管道布局时有可能会跳出该立方体区域，因此在立方体的每个方向扩展三个网格长度；3)分别计算每根管道种群与其他种群的解空间交叠量，将结果记录保存；4)判断两两立方体是否存在交叠：将两个立方体从X，Y，Z方向进行投影，只要在一个轴向的投影不存在重叠，则判定位两立方体不存在交叠，跳转7)，否则判定存在交叠,跳转5)；5)判断交叠部分是否全部为障碍物所在区域，若是，则跳转7)，否则，跳转(f)；6)判定两管道种群存在解空间交叠，互为有效协同，返回3)；7)判定两管道种群不存在解空间交叠，互为无效协同，返回3)。4.根据权利要求4所述的一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其特征在于：在协同之前，每个种群单独进化一定代数，进一步提升种群中个体的质量；在一个种群进化时，其进化环境包括两个部分，一个是原始布局环境，包括空间与障碍物信息，另一个是由其他种群的最优个体组成的环境，用来评价协同程度。5.根据权利要求1所述的一种基于协同优化的带分支管道布局方法，其特征在于：步骤三中，具体流程如下：步骤1、初始化N个种群，即N个管道；步骤2、每个种群单独进化k代；步骤3、挑选每个种群中的最优个体，组成当前最优集合P
best
；步骤4、计算每个种群对应的有效协同...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦娜，吕纬航，黄德青，苗怡然，袁鹏，赵欣宇，郝军凯，
申请(专利权)人：中国核动力研究设计院，
类型：发明
国别省市：