一种海上浮体系泊缆的智能化设计方法与流程

本发明涉及海上系泊缆技术领域，尤其是一种海上浮体系泊缆的智能化设计方法。

背景技术：

系泊定位是浮体工程实现与安全作业的关键技术，现有技术中，浮体系泊缆设计一般采用通用方法，具体为需人为进行设计条件分析、浮体水动力计算，在上述基础上，结合工程师经验进行系泊系统初步方案设计，再应用商业软件进行数值计算模拟，根据性能评估结果进行方案调整与优化，再循环至数值计算、评估、调整优化，经过多轮次的循环，得出最终较优的系泊方案。此通用方法存在如下缺陷：

基本基于工程师经验、各设计参数间的平衡难以准确及系统性把握、设计评估与优化过程需反复迭代、工作效率低且耗时长等。

随着技术的发展以及工程需求的提高，智能化设计成为技术发展的必然趋势，结合智能优化算法的浮体系泊缆设计将现代方法应用于工程领域并提高设计效率，目前在国内外还未有现成的浮体系泊缆智能化设计方法。

技术实现要素：

本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种海上浮体系泊缆的智能化设计方法，从而无需人为操作，实现整个设计分析流程的自动化。

本发明所采用的技术方案如下：

一种海上浮体系泊缆的智能化设计方法，包括如下操作步骤：

第一步：基于系泊缆长度的样本点拟合出半经验公式，具体如下：

p1＝659.19×e^-0.06×ω(2)

p2＝0.0103×e^-0.004×ω(3)

p3＝0.0019×e^-0.001×ω(4)

q1＝-1399.8×e^-0.003×ω(6)

q2＝14.561×e^-0.003×ω(7)

q3＝6.0078×e^-0.004×ω(8)

第二步：设计条件并自主分析：输入设计条件，根据设计要求的环境参数，自动分析得出浮体所受到的定常环境载荷与风力、流力系数；基于所建立的系泊材料数据库，确定系泊材料属性参数；结合定常环境载荷，基于式(1)～(4)确定系泊缆长度的建议范围，基于式(5)～(8)确定系泊半径的建议范围；依据浮体类型与系泊形式，明确系泊点坐标；

第三步：初始设计方案生成：根据环境载荷、安全系数，确定系泊缆最小破断强度，依据选材结合数据库，分析出系泊缆所需的最小重量以及各材料属性参数，以此作为智能化设计的初始方案种群；

第四步：性能分析及工程与规范约束条件评估：开展浮体与系泊缆的计算，以系泊缆回复力作用能量作为性能优良评估标准，结合船级社规范以及工程经验等约束条件，对每一系泊方案的综合性能进行分析；

在初始阶段将不满足各约束条件的系泊系统方案逐一淘汰，各约束条件贯穿于整个过程；

第五步：方案优选与种群进化：结合系泊缆力学计算、性能评估与遗传算法于本智能化设计方法中，从初始系泊缆方案开始，生成每一代的方案种群，通过计算与分析评估，形成每一代系泊方案种群的适应值函数，应用算法的遗传算子等进行种群的进化，保留满足条件且适应值高的系泊系统方案个体，淘汰不满足条件或适应值相对较低的方案个体，生成下一代的系泊缆方案种群，通过迭代与不断进化，直至算法收敛并得出最优系泊缆方案；

第六步：系泊缆方案输出：输出智能化设计所得出的系泊缆方案，并给出详细的方案参数，包括系泊缆的设计长度、系泊半径、海底锚点坐标位置，以及选材的干量、湿重、刚度、破断张力的属性。

其进一步技术方案在于：

第一步中，fe、h、w、lmoor、rmoor为环境载荷、水深、系泊缆湿重、系泊缆长度、系泊半径，拟合结果与样本点对比吻合，在方法中，通过半经验公式给出系泊缆长度与系泊半径的建议指导值，以此为基础实现智能优选的功能。

本发明的有益效果如下：

本发明结构紧凑、合理，操作方便，通过基于系泊缆设计的完整流程及关键技术，将设计、分析及评估的完整过程包含于方法中，系统地结合了系泊缆详细设计、力学计算、性能评估与智能优化算法技术，从设计要求输入到自主运行输出具有可行性且性能优良的系泊缆详细方案。

该方法具有智能化的特点与优势，可进行设计过程与方案的自主进化，完成方案的智能化设计与优选；无需人为操作，实现整个设计分析流程的自动化。该方法适合于工程中不同环境条件下浮体系泊缆的设计和优化。

同时，本发明还具备如下优点：

(1)本发明建立的浮体系泊缆智能化设计方法，结合了系泊缆设计、力学计算、性能评估与智能优化算法技术，应用方法可设计出具有可行性且性能优良的系泊缆方案。

(2)本发明所建立的方法，在完成设计要求输入后，可实现整个设计分析流程的自动化，从设计条件输入到自主运行输出，无需人为干预。

(3)本发明所建立的方法极大地节约了工程中系泊缆从设计到方案调整所需的大量的工作及时间成本，提高了系泊缆设计工作的效率。

(4)本发明适合于近岸工程、海洋工程中浮式结构物定位的系泊缆的详细方案设计。

附图说明

图1为本发明系泊缆设计条件自主分析及初始方案种群生成关系图。

图2为本发明基于遗传算法的系泊缆智能化设计方法流程图。

图3为本发明海上浮式运输储油船及智能化设计的系泊缆示图。

图4为本发明应用方法智能化设计出的单一全锚链成分的系泊缆。

图5为本发明应用方法智能化设计出的锚链-钢缆-锚链三段式的系泊缆。

具体实施方式

下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。

如图1和图2所示，本实施例的海上浮体系泊缆的智能化设计方法，包括如下操作步骤：

第一步：基于系泊缆长度的样本点拟合出半经验公式，具体如下：

p1＝659.19×e^-0.006×ω(2)

p2＝0.0103×e^-0.004×ω(3)

p3＝0.0019×e^-0.001×ω(4)

q1＝-1399.8×e^-0.003×ω(6)

q2＝14.561×e-^0.003×ω(7)

q3＝6.0078×e^-0.004×ω(8)

第一步中，fe、h、ω、lmoor、rmoor分别为环境载荷、水深、系泊缆湿重、系泊缆长度、系泊半径，拟合结果与样本点对比吻合，在方法中，通过半经验公式给出系泊缆长度与系泊半径的建议指导值，以此为基础实现智能优选的功能。

第二步：设计条件并自主分析：输入设计条件，根据设计要求的环境参数，自动分析得出浮体所受到的定常环境载荷与风力、流力系数；基于所建立的系泊材料数据库，确定系泊材料属性参数；结合定常环境载荷，基于式(1)～(4)确定系泊缆长度的建议范围，基于式(5)～(8)确定系泊半径的建议范围；依据浮体类型与系泊形式，明确系泊点坐标；

第三步：初始设计方案生成：根据环境载荷、安全系数，确定系泊缆最小破断强度，依据选材结合数据库，分析出系泊缆所需的最小重量以及各材料属性参数，以此作为智能化设计的初始方案种群；

第四步：性能分析及工程与规范约束条件评估：开展浮体与系泊缆的计算，以系泊缆回复力作用能量作为性能优良评估标准，结合船级社规范以及工程经验等约束条件，对每一系泊方案的综合性能进行分析，在初始阶段将不满足各约束条件的系泊系统方案逐一淘汰，各约束条件贯穿于整个过程；

第五步：方案优选与种群进化：结合系泊缆力学计算、性能评估与遗传算法于本智能化设计方法中，从初始系泊缆方案开始，生成每一代的方案种群，通过计算与分析评估，形成每一代系泊方案种群的适应值函数，应用算法的遗传算子等进行种群的进化，保留满足条件且适应值高的系泊系统方案个体，淘汰不满足条件或适应值相对较低的方案个体，生成下一代的系泊缆方案种群，通过迭代与不断进化，直至算法收敛并得出最优系泊缆方案；

第六步：系泊缆方案输出：输出智能化设计所得出的系泊缆方案，并给出详细的方案参数，包括系泊缆的设计长度、系泊半径、海底锚点坐标位置，以及选材的干量、湿重、刚度、破断张力的属性。

实际工作过程中，具体实施过程如下：

如图3所示，针对一海上浮式运输储油船，船型参数参表1，设计条件参表2，应用该海上浮体系泊缆的智能化设计方法设计出系泊缆方案。

首先，设计条并件自主分析：输入设计条件，根据设计要求的环境参数，自动分析得出浮体所受到的定常环境载荷与风力、流力系数；

基于所建立的系泊材料数据库，确定系泊材料属性参数；

结合定常环境载荷，基于式(1)～(4)确定系泊缆长度的建议范围，基于式(5)～(8)确定系泊半径的建议范围；

依据浮体类型与系泊形式，明确系泊点坐标。

然后，初始设计方案生成：根据环境载荷、安全系数，确定系泊缆最小破断强度，依据选材结合数据库，分析出系泊缆所需的最小重量以及各材料属性参数，以此作为智能化设计的初始方案种群。具体过程如图1所示。

再然后，性能分析及工程与规范约束条件评估：开展浮体与系泊缆的计算，以系泊缆回复力作用能量作为性能优良评估标准，结合船级社规范以及工程经验等约束条件，对每一系泊方案的综合性能进行分析。将浮体的运动约束、系泊形态要求以及不同状态下系泊缆的力学约束加之于计算每一步，在初始阶段将不满足各约束条件的系泊系统方案逐一淘汰，各约束条件贯穿于整个过程。

其次，方案优选与种群进化：结合系泊缆力学计算、性能评估与遗传算法于本智能化设计方法中，从初始系泊缆方案开始，生成每一代的方案种群，通过计算与分析评估，形成每一代系泊方案种群的适应值函数，应用算法的遗传算子等进行种群的进化，保留满足条件且适应值高的系泊系统方案个体，淘汰不满足条件或适应值相对较低的方案个体，生成下一代的系泊缆方案种群，通过迭代与不断进化，直至算法收敛并得出最优系泊缆方案。

最后，系泊缆方案输出：输出智能化设计所得出的系泊缆方案，并给出详细的方案参数，包括系泊缆的设计长度、系泊半径、海底锚点坐标位置，以及选材的干量、湿重、刚度、破断张力等属性。

上述整个过程的流程如图2所示。

海况1下智能化设计出的单一全锚链成分的系泊缆示例如图4所示，系泊系统详细参数参表3。

海况2下智能化设计出的锚链-钢缆-锚链三段式的系泊缆示例如图5所示，系泊系统详细参数参表4。

表1海上浮式运输储油船参数

表2海洋环境参数

表3海况1下智能化设计出的单一全锚链成分的系泊缆参数

表4海况2下智能化设计出的锚链-钢缆-锚链三段式的系泊缆参数

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。