船舶管路管线自动布局计算方法技术

本发明专利技术提供一种船舶管路管线自动布局计算方法，包括步骤：S1：对一船舶舱室进行分析和简化，提取所述船舶舱室的空间几何轮廓；S2：使用单元格表示所述空间几何轮廓；S3：使用网格图记录所述单元格的信息；S4：基于A*算法进行布管路径寻优；S5：进行多管路布管。本发明专利技术的一种船舶管路管线自动布局计算方法，根据船舱结构和布管规律，基于A*算法实现了单管布管路径求解，使用管路优先级排序和代价值修正方法实现了多管布管路径求解；设计质量稳定且设计效率高。率高。率高。

【技术实现步骤摘要】
船舶管路管线自动布局计算方法


[0001]本专利技术涉及管线自动布局
，尤其涉及一种船舶管路管线自动布局计算方法。

技术介绍

[0002]船舶管路系统(以下简称“管系”)是船舶为完成设定任务而专门用来输送和排除液体或气体的管路、机械设备和检测仪表的总称。管系分为动力管路和船舶系统，其中动力管路包括：燃油管路、润滑管路、冷却管路、压缩空气管路、排气管路；船舶系统包括：舱底水系统、压载水系统、消防系统、通风系统、供水系统、制冷与空调系统、货油系统等。上述管系十分复杂庞大,研究表明在轮机专业的图纸中，管系图纸占了70％以上，管系设计是船舶设计的关键之一，管系更是船舶动力系统的关键部分。高质量、高效率和低成本的管系设计对于船舶的安全性、经济性、总体布局的合理性、可操作性、维修及保证船舶各种机械的正常运转和安全航行起着不可替代的作用。
[0003]在管线自动布局算法研究方面，哈尔滨工业大学的付宜利等人先后开展了基于粒子群算法和混沌算法的管路自动布局方法的研究，并取得了一定的成果，但无论是基于粒子群算法或是混沌算法的管路自动布局方法都只关注了管路路径自动寻优问题，对于工程约束仍然缺乏考虑。Christian Vander Velden等人提出了一种融入知识工程技术(KBE)的管线智能布局方法，该方法利用改进的A*算法在三维空间网格中进行路径寻优，并在算法中嵌入了部分工程约束，这使得自动生成的管线在质量上有了很大的提高，但由于该方法考虑的工程约束较少，且工程约束知识被写入程序代码，不能实现对知识的实时编辑和管理，导致其实用性有很大局限。此外该方法未关注多管路间的相互影响。范小宁研究了基于蚁群算法的管路敷设系统，通过大量仿真试验进行了算法参数优化。引入协同进化方法，建立了多蚁群协作机制，实现了多管路的并行敷设。得到了协同效果良好的整体布局。计算仿真所使用模型未人工构建的虚拟模型，和实物模型存在差距。此外，整个计算过程完全闭环，人的智力资源无法发挥作用。路慧彪在船舶机舱管路布局的研究中使用路径模板法，并在AutoCAD平台使用VBA语言进行了实船布置的实现，然而目前主流很少使用AutoCAD作为船舶三维建模软件，且文中输入数据来自数据库，与生产实际尚存在差距。TERUAKI ITO使用遗传算法求解管路路径规划，并基于该方法开发的原型系统，在系统中设计人员可以交互和协作的方式设计管道路径。但该算法只能用于二维平面布管，且未能和三维CAD集成在一起。董宗然结合禁忌搜索与协同进化方法解决了管路敷设中重要的顺序问题，并借助A*算法优化了个体生成效率。
[0004]总的来说，目前已有许多学者针对船舶管路布局开展了研究，但目前的方法大多停留在算法层面，未涉及到应用该算法的实用工具开发。其使用的算法效率往往不够高效，尚不能和人工布管速度相比较。其试验验证大多依据简单数学模型，鲜有依据实际船舶模型进行的测试。总之，当前研究距离落地应用尚有一定距离。且长期以来，管系设计依赖设计人员经验，设计质量波动大、设计效率不高，无法有效考虑物料成本、可制造性以及可维
护性等问题。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术中的不足，本专利技术提供一种船舶管路管线自动布局计算方法，根据船舱结构和布管规律，基于A*算法实现了单管布管路径求解，使用管路优先级排序和代价值修正方法实现了多管布管路径求解；设计质量稳定且设计效率高。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供一种船舶管路管线自动布局计算方法，包括步骤：
[0007]S1：对一船舶舱室进行分析和简化，提取所述船舶舱室的空间几何轮廓；
[0008]S2：使用单元格表示所述空间几何轮廓；
[0009]S3：使用网格图记录所述单元格的信息；
[0010]S4：基于A*算法进行布管路径寻优；
[0011]S5：进行多管路布管。
[0012]优选地，所述S1步骤中：使用AABB包围盒算法，识别出输入的所述船舶舱室在三维空间中的所述空间几何轮廓。
[0013]优选地，所述S2步骤中：
[0014]选择立方体作为所述单元格的形状，所述单元格的比例尺由管道直径确定；根据所述空间几何轮廓的包围盒信息，确定所述单元格对应的实际空间位置、所述单元格的空间是否可布管、所述单元格所处区域和所述单元格所属实体类型；将所有所述单元格保存在一个大数组内，信息全部记录在所述单元格上。
[0015]优选地，记录在所述单元格上的所述信息包括所述单元格中心的三维位置信息和所述单元格空间布管的惩罚值。
[0016]优选地，所述S3步骤中：所述网格图的总体尺寸为整体空间在各个方向上的长度，所述长度为单元格数量；单元格数量＝实际长度/单元格比例尺；当单元网格尺寸设定比较大时，空间划分得到的所述单元格个数相应减少；所述网格图中的网格仅能与相邻的所述网格相互联通；所述网格图中所述单元格的位置使用三维数组进行记录；所述三维数组的坐标从0开始，并完成所述单元格的三维坐标向数组索引的转换。
[0017]优选地，所述S3步骤中：使用公式(1)完成所述单元格的三维坐标向数组索引的转换：
[0018][0019]其中，A
′
表示所述网格图中的点索引，A表示所述单元格中心点三维原始坐标，pMin表示整个计算空间中最小的坐标，cellLength表示单元格比例尺，round()为取整方法；由于放缩需要除去所述单元格比例尺，并取整数值，无法整除时，必须对结果进行调整。
[0020]优选地，所述S4步骤中：所述布管路径寻优的要求为由起点按照指定方向出发，在给定空间内尽可能经过存在利好的区域，避开不利的区域，最终从指定方向到达目标点；使用一数学模型对所述布管路径寻优的要求进行刻画：
[0021][0022]其中，f(pipe)表示对管道设计优劣的评价指标；Length(pipe)表示管道的总长度；Bend(pipe)表示管道弯折数量；Punishment(pipe)表示所述单元格空间布管的惩罚值；α，β和γ为系数，系数大小没有固定值，需要经过试验并结合经验确定；A、B为约束条件；node表示节点，pipeSet表示管道；totalArea表示整体空间；约束条件A表示管道经历的所有节点均位于整体空间范围之内；obstacleSet表示已知的实体障碍所占据的点；约束条件B表示所述管道与已知的实体障碍所占据的点不重合。
[0023]优选地，所述S4步骤中，使用A*算法进行寻路包括步骤：
[0024]S41：将起点S的所述单元格的信息加入一open表；
[0025]S42：判断所述open表是否为空，如果是，问题不可解，结束算法，否则进行步骤S43；
[0026]S43：取出所述open表的最佳节点bestnode，将所述最佳节点bestnode加入到一close表；
[0027]S44：判断所述最佳节点bestnode是否为终点T，如果是，完成寻路，结束程序，否则进行步骤S45；
[0028]S45：本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种船舶管路管线自动布局计算方法，包括步骤：S1：对一船舶舱室进行分析和简化，提取所述船舶舱室的空间几何轮廓；S2：使用单元格表示所述空间几何轮廓；S3：使用网格图记录所述单元格的信息；S4：基于A*算法进行布管路径寻优；S5：进行多管路布管。2.根据权利要求1所述的船舶管路管线自动布局计算方法，其特征在于，所述S1步骤中：使用AABB包围盒算法，识别出输入的所述船舶舱室在三维空间中的所述空间几何轮廓。3.根据权利要求2所述的船舶管路管线自动布局计算方法，其特征在于，所述S2步骤中：选择立方体作为所述单元格的形状，所述单元格的比例尺由管道直径确定；根据所述空间几何轮廓的包围盒信息，确定所述单元格对应的实际空间位置、所述单元格的空间是否可布管、所述单元格所处区域和所述单元格所属实体类型；将所有所述单元格保存在一个大数组内，信息全部记录在所述单元格上。4.根据权利要求3所述的船舶管路管线自动布局计算方法，其特征在于，记录在所述单元格上的所述信息包括所述单元格中心的三维位置信息和所述单元格空间布管的惩罚值。5.根据权利要求4所述的船舶管路管线自动布局计算方法，其特征在于，所述S3步骤中：所述网格图的总体尺寸为整体空间在各个方向上的长度，所述长度为单元格数量；单元格数量＝实际长度/单元格比例尺；当单元网格尺寸设定比较大时，空间划分得到的所述单元格个数相应减少；所述网格图中的网格仅能与相邻的所述网格相互联通；所述网格图中所述单元格的位置使用三维数组进行记录；所述三维数组的坐标从0开始，并完成所述单元格的三维坐标向数组索引的转换。6.根据权利要求5所述的船舶管路管线自动布局计算方法，其特征在于，所述S3步骤中：使用公式(1)完成所述单元格的三维坐标向数组索引的转换：其中，A
′
表示所述网格图中的点索引，A表示所述单元格中心点三维原始坐标，pMin表示整个计算空间中最小的坐标，cellLength表示单元格比例尺，round()为取整方法；由于放缩需要除去所述单元格比例尺，并取整数值，无法整除时，必须对结果进行调整。7.根据权利要求6所述的船舶管路管线自动布局计算方法，其特征在于，所述S4步骤中：所述布管路径寻优的要求为由起点按照指定方向出发，在给定空间内尽可能经过存在利好的区域，避开不利的区域，最终从指定方向到达目标点；使用一数学模型对所述布管路径寻优的要求进行刻画：其中，f(pipe)表示对管道设计优劣的评价指标；Length(pipe)表示管道的总长度；Bend(pipe)表示管道弯折数量；Punishment(pipe)表示所述单元格空间布管的惩罚值；α，β
和γ为系数，系数大小没有固定值，需要经过试验并结合经验确定；A、B为约束条件；node表示节点，pipeSet表示管道；totalArea表示整体空间；约束条件A表示管道经历的所有节点均位于整体空间范围之内；obstacleSet表示已知的实体障碍所占据的点；约束条件B表示所述管道与已知的实体障碍所占据的点不重合。8.根据权利要求7所述的船舶管路管线自动布局计算方...

【专利技术属性】
技术研发人员：张执南，张战罗，雷洪涛，崔康，
申请(专利权)人：江南造船集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：