一种船舶机舱多层甲板设备智能布局方法

本发明涉及船舶机舱甲板设备布局，尤其涉及一种船舶机舱多层甲板设备智能布局方法。

背景技术：

1、设备布局是指对特定区域内的设备进行合理布置，以提高工作效率，设备布局问题主要存在于生产车间、智能家居、船舶舱室等领域。

2、现有的船舶机舱布局设计多为船舶设计人员根据母型船经验法，参考以往的设计经验对机舱设备进行布置，然而由于机舱空间较为狭窄，待布置设备又较为复杂，设计人员需要综合考虑设备布置因素，往往需要较长的布置时间和修改过程，同时设计人员的工作量和时间成本也较大。

技术实现思路

1、本发明提供一种船舶机舱多层甲板设备智能布局方法，以克服船舶机舱设备布局时效率低、成本高的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

3、一种船舶机舱多层甲板设备智能布局方法，具体步骤包括：

4、s1：建立机舱设备间的邻接关系强度目标函数和设备间的流通关系强度目标函数；

5、s2：根据机舱设备稳定性要求构建设备均匀布置目标函数，根据设备布局后位置与设备理论最优位置的距离差构建最优位置间隔目标函数；

6、s3：基于所述邻接关系强度目标函数、设备间的流通关系强度目标函数、设备均匀布置目标函数与最优位置间隔目标函数得到船舶机舱底层甲板设备布局总目标函数；

7、s4：基于改进遗传算法求解所述船舶机舱底层甲板设备布局总目标函数，得到船舶机舱底层甲板设备布局方案的最优解；

8、s5：基于所述根据船舶机舱底层甲板设备布局方案求解得到中间甲板设备布局方案的最优解；

9、s6：基于所述船舶机舱底层甲板设备布局方案的最优解和所述中间甲板设备布局方案的最优解，得到船舶机舱多层甲板设备布局方案的最优解。

10、具体地，s1中，建立机舱设备间的邻接关系强度目标函数和设备间的流通关系强度目标函数的具体步骤包括：

11、s11：采用环形布局法建立布局拓扑模型，包括：

12、以机舱的右舷尾部为原点建立笛卡尔坐标系，以船首方向为x轴正方向，以左舷方向为y轴正方向，设定船舶机舱长度为l，宽为w，主机为m，首先将所述主机m位置布置在底层甲板上，且靠近底层甲板形心的位置，设定底层甲板待布置设备总数为n，n个设备的形心布置于底层甲板围绕所述主机m的环形范围上，其中，第i个设备的长度为li，宽度为wi，i＝1，2，…，n，第i个设备的形心坐标为(xi，yi)，第i个设备与第i+1个设备的距离间隔为δ；

13、s12：基于机舱尺寸、机舱设备材质属性、机舱设备尺寸以及机舱设备系统关联图信息，结合系统布局设计slp法对船舶机舱设备进行邻接性强度分析和人员流通性强度分析，得到底层设备间的邻接关系强度矩阵a及流通关系强度矩阵b；

14、s13：基于底层设备间的邻接关系强度矩阵a及流通关系强度矩阵b以及所述布局拓扑模型，建立底层甲板设备间的邻接关系强度目标函数f1和流通关系强度目标函数f2，表示为；

15、

16、

17、式中，n为底层甲板待布置设备总数，i和j分别表示n中的第i个设备和第j个设备，aij为邻接关系强度矩阵a中设备i与j的邻接关系强度系数，bij为流通关系强度矩阵b中i与j的流通关系强度系数；dij为i与j之间的邻接关系距离；d′ij为i与j之间的人员流通关系距离；

18、其中，当进行邻接关系距离计算时，dij采用欧式距离公式计算，表示为：

19、

20、当进行人员流通关系距离计算时，d′ij采用曼哈顿距离公式计算，表示为：

21、d′ij＝|xi-xj|+|yi-yj|；

22、式中，xi和xj分别为i和j在x轴的坐标，yi和yj分别为i和j在y轴的坐标。

23、具体地，s2中，根据机舱设备稳定性要求构建设备均匀布置目标函数，所述设备均匀布置目标函数表示为：

24、

25、式中，表示底层甲板设备质量系数，mi代表i的质量，mmax代表底层甲板中除主机以外所有设备中质量最大的设备的质量，xi为i在x轴的坐标，l为船舶机舱长度；

26、根据设备布局后位置与设备理论最优位置的距离差构建最优位置间隔目标函数，所述最优位置间隔目标函数表示为：

27、f4＝α1×f(x)+α2×f(y)；

28、式中，α1和α2为底层甲板的惩罚系数，且α1+α2＝1，f(x)为底层甲板设备布局后位置与设备理论最优位置在x轴的距离差；f(y)为底层甲板设备布局后位置与设备理论最优位置在y轴的距离差。

29、具体地，s3中，基于所述邻接关系强度目标函数、设备间的流通关系强度目标函数、设备均匀布置目标函数与最优位置间隔目标函数，赋予所述各目标函数不同权值并求和得到船舶机舱底层甲板设备布局总目标函数，所述船舶机舱底层甲板设备布局总目标函数表示为：

30、f＝ω1×f1+ω2×f2+ω3×f3+ω4×f4；

31、

32、

33、

34、f4＝α1×f(x)+α2×f(y)；

35、式中，ω1、ω2、ω3和ω4分别为底层甲板各目标函数的权重值。

36、具体地，s4中，基于改进遗传算法求解所述船舶机舱底层甲板设备布局总目标函数过程中，进行如下设置：

37、对机舱底层甲板设备的符号布置顺序序列进行编码，编码方式采用十进制序列，选择函数采用随机均匀选择法，交叉函数选用部分匹配交叉方法，变异算子采用反转突变算子。

38、具体地，s5中，基于所述根据船舶机舱底层甲板设备布局方案求解得到中间甲板设备布局方案的最优解的步骤包括：

39、s51：建立船舶机舱中间甲板设备目标评价函数，表示为：

40、f′＝ω1′×f1′+ω2′×f2′+ω3′×f3′+ω4′×f4′；

41、其中，

42、

43、

44、

45、f4′＝α1′×f(x)′+α2′×f(y)′；

46、式中，f1′和f2′分别表示中间甲板设备间的邻接关系强度目标函数和流通关系强度目标函数；f3′表示中间甲板设备均匀布置目标函数；f4′表示中间甲板最优位置间隔目标函数；n′为中间甲板待布置设备总数，e与f分别表示n′中的第e个设备与第j个设备，k表示n中的第k个设备；m′e表示中间甲板设备质量系数，α1′和α2′为中间甲板的惩罚系数，且α1′+α2′＝1；f(x)′为中间甲板设备布局后位置与设备理论最优位置在x轴的距离差；f(y)′为中间甲板设备布局后位置与设备理论最优位置在y轴的距离差；ω1′、ω2′、ω3′和ω4′分别为中间甲板各目标函数的权重值；aef为邻接关系强度矩阵a′中e与f的邻接关系强度系数，bef为流通关系强度矩阵b′中e与f的流通关系强度系数，def为e与f之间的邻接关系距离；d′ef为e与f之间的人员流通关系距离；afk为中间甲板和底层甲板联合邻接关系强度矩阵a″中f与k的邻接关系强度系数，bfk为中间甲板和底层甲板联合流通关系强度矩阵b″中f与k的流通关系强度系数，dfk为中间甲板f与k之间的邻接关系距离，d′fk为f与k之间的人员流通关系距离；

47、其中，当进行邻接关系距离计算时，dfk采用欧式距离公式计算，表示为：

48、

49、当进行人员流通关系距离计算时，d′jk采用曼哈顿距离公式计算，表示为：

50、d′fk＝|xf-xk|+|yf-yk|+|zf-zk|

51、式中，xf和xk分别为f和k在x轴的坐标，yf和yk分别为f和k在y轴的坐标，zf和zk分别为f和k在机舱高度方向z轴的坐标；

52、s52：基于改进遗传算法求解所述船舶机舱中间甲板设备布局总目标函数，得到中间甲板设备布局方案的最优解。

53、有益效果：本发明提供了一种船舶机舱多层甲板设备智能布局方法，通过建立机舱多层甲板设备布局的拓扑模型，建立设备间的邻接关系及流通关系强度矩阵；建立机舱多层甲板设备智能布局的目标函数；采用改进遗传算法，对目标函数进行求解，获得船舶机舱多层甲板设备最佳布局方案，从而提高了船舶机舱布置效率，节省船舶设计成本，实现船舶机舱设计的智能化、合理化、立体化。