一种考虑RMS要求的舰船总体舱室布局设计方法

技术领域

本申请涉及船舶设计领域技术领域，特别是涉及一种考虑RMS要求的舰船总体舱室布局设计方法。

背景技术

舰船舱室设备布局设计主要是确定各设备在舱室有限空间中的位置，是舰船总体设计的重要工作内容。在舰船舱室总体设计过程中，有限的舱室空间内要布置大量的复杂装备，既要满足各种战技术指标要求，又要尽可能满足通用质量特性要求以及舰员的生活保障需求，总体布置工作任务繁重。

在以往型号产品舱室布局设计中，为了较为全面的考虑通用质量特性要求，通常是根据经验进行舱室布局设计之后进行可靠性维修性保障性分析校核，迭代改进设计，这种方法取得了较为显著的成效。然而由于舰船舱室总体布局设计约束较多，反复迭代修改设计牵连的范围广、代价大，导致布局设计效率较低、设计水平不高。有的舱室布局设计到研制阶段后期难以协调修改，为了满足装备基本战技术性能要求而不得不牺牲或忽略维修性、可靠性、保障性(RMS)等通用质量特性要求，导致装备维修保障负担重，甚至难以完成维修保障。另一方面在维修性可靠性保障性等通用质量特性设计过程中，工作项目繁多，各特性设计方案之间缺乏协调平衡，容易出现顾此失彼，导致单个特性“欠设计”等问题时有发生。因此，在舰船总体设计的舱室布局过程中，需要将可靠性维修性保障性等要求融入到总体设计中，协调可靠性、维修性、保障性等通用质量特性，开展一体化同步优化设计，提高设计效率和质量。然而目前的舱室布局优化设计主要是考虑各设备的功能位置约束和几何约束，实现功能、稳定性等属性的优化，缺乏可靠性维修性保障性要求的一体化建模分析考虑，没有合适的方法将可靠性维修性保障性设计融入到舰船舱室总体设计中，大大影响了舱室布局的通用质量特性设计工作的效率和效益，迫切需要一种舰船总体舱室布局可靠性维修性保障性同步设计方法。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种考虑RMS要求的舰船总体舱室布局设计方法。

一种考虑RMS要求的舰船总体舱室布局设计方法，所述方法包括：

获取舱室总体布局的RMS设计准则、舱室总体布局的设计指标，以及所述RMS设计准则和设计指标的关联关系；

对舱室和设备的外形进行描述，并根据描述后的舱室和设备对多个所述指标分别建立设计指标描述模型；

获取总体布局的约束条件并进行描述，根据描述的约束条件和所述设计指标描述模型建立考虑RMS要求的舱室布局优化模型；

选取智能寻优求解算法，对所述舱室布局优化模型进行求解，得到舱室优化布局设计方案；

对所述舱室布局优化模型进行求解包括：扩展应用粒子群算法进行智能寻优，以所述设备的位置、方位为自变量，应用粒子群算法并对多个设计指标描述模型分别进行多次优化求解，将设备位置方位求解结果粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；系统初始化随机产生设定规模的粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；各个粒子在解空间内以设定速度追随最优的粒子进行搜索，获得舱室优化布局设计最优解。

上述方法，在舰船总体设计的舱室布局过程中，将可靠性维修性保障性等要求融入到总体设计中，协调可靠性、维修性、保障性等通用质量特性，开展一体化同步布局优化设计，提高设计效率和质量；同时，通过单目标优化求解与多目标优化求解相结合，保证优化寻优具有良好的全局性，提高舱室设备布局优化求解的有效性。

附图说明

图1为一个实施例中考虑RMS要求的舰船总体舱室布局设计方法的应用场景图；

图2为一个实施例中RMS要求与布局设计指标的关联关系；

图3为一个实施例中舱室布局优化模型求解流程示意图；

图4为一个实施例中机舱设备经验布局图；

图5为一个实施例中优化算法求解收敛曲线；

图6为一个实施例中考虑RMS要求的机舱设备优化布局图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

本申请提供的考虑RMS要求的舰船总体舱室布局设计方法，包括以下步骤：

步骤一，获取舱室总体布局的RMS设计准则、舱室总体布局的设计指标，以及所述RMS设计准则和设计指标的关联关系；以此，本发明的布局设计通过以上准则将维修性、可靠性、保障性等通用质量特性要求落实到具体的设计当中，可协调可靠性、维修性、保障性等通用质量特性，避免出现出现顾此失彼的问题；

步骤二，对舱室和设备的外形进行描述，并根据描述后的舱室和设备、所述RMS设计准则、设计指标及关联关系对多个所述指标建立多个设计指标描述模型；

步骤三，获取总体布局的约束条件并进行描述，根据描述的约束条件和所述设计指标描述模型建立考虑RMS要求的舱室布局优化模型；

步骤四，选取智能寻优求解算法，对所述舱室布局优化模型进行求解，得到舱室优化布局设计方案；

对所述舱室布局优化模型进行求解包括：扩展应用粒子群算法进行智能寻优，以所述设备的位置、方位为自变量，应用粒子群算法并对多个设计指标描述模型分别进行多次优化求解，将设备位置方位求解结果粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；系统初始化随机产生设定规模的粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；各个粒子在解空间内以设定速度追随最优的粒子进行搜索，获得舱室优化布局设计最优解。

上述方法中，在舰船总体设计的舱室布局过程中，将可靠性维修性保障性等要求融入到总体设计中，协调可靠性、维修性、保障性等通用质量特性，开展一体化同步布局优化设计，提高设计效率和质量；同时，通过单目标优化求解与多目标优化求解相结合，保证优化寻优具有良好的全局性，提高舱室设备布局优化求解的有效性。

所述获取舱室总体布局的RMS设计准则、舱室总体布局的设计指标，以及所述RMS设计准则和设计指标的关联关系包括：

针对系统或产品提出的RMS定量指标不能够直接指导和约束系统设计，而是通过一系列定性要求和准则落实到系统具体的设计中。在满足基本功能要求的前提下，制定舰船舱室总体布局的RMS设计一般准则，包括：

(1)在设备固有可靠性的基础上，布局设计应保证设备可靠持久的工作。比如设备之间具有干扰距离要求、设备之间具有功能临近要求或则方位要求等。

(2)基本的管路和线缆布置要求管路线缆长度尽可能短，弯头及各管路附件最少，保证可靠的同时减少维修附件。

(3)舱室布局要保证足够的维修和测试空间，保留人员活动和设备操作维护所必须的空间，以保证对舱室设备运行的稳定性和操作维护的方便性。

(4)舱室布局中要预留合适的维修、测试、保障通道，保证舰员巡回检查、使用操作以及备件搬运等过程中能够方便的通行，没有障碍。

(5)布局要满足维修工艺流程和设备使用流程要求。设备布局应保证维修工艺流程和设备使用流程顺畅，物料搬运方便，减少或避免物流的交叉和回退现象的产生。

(6)舱室设备布局应充分考虑舱室开口以及大型设备吊装的问题，保证设备出舱和吊装牵连工程最少。

舱室系统的维修性、可靠性、保障性等通用质量特性要求主要通过以上准则落实到具体的设计当中。因此，在舱室总体布局设计中，根据这些准则，充分考虑通用质量特性要求建立布局设计指标，实现可靠性维修性保障性要求的一体化分析设计。

根据舱室设备设计准则，确定舰船舱室布局设计指标主要包括：

(1)设备操作空间：舱室各设备日常维护操作及基层级维修时应具备足够的操作空间、维修区域和通道，尽量避免一个设备部件维修时需要拆卸和移动其它设备，特别是自身可靠性不高需要经常检修和测试的设备需要重点考虑其操作空间问题；

(2)通道宽度：舰船舱室布局的通道宽度不仅影响使用和维修保障人员的流通，对保障资源的转运通过也有影响，应尽可能满足使用维修要求；

(3)大修吊装量：舱室设备的布局和开口应保证舰船具有良好开敞性，方便设备大修吊装，减少吊装距离和吊装代价；

(4)可靠安全距离：某些舱室设备之间的距离应遵循一定的原则和要求以保证工作可靠和安全，综合考虑管路和线缆连接、设备干扰距离等；

(5)操作便利性：舱室设备的布局应保证船员在巡回检查、使用设备以及备件存储搬运便利，减少维修保障距离。

舱室RMS布局设计目标因素综合考虑了舱室设备布局的可靠性、维修性、保障性等要求的设计准则，舱室布局设计指标与RMS要求之间的关系如图2所示，设备操作空间指标主要与舱室设备可靠性、维修性和保障性要求相关；通道宽度指标主要与维修性、保障性要求相关；大修吊装量指标主要与维修性、保障性要求相关；可靠安全距离指标主要与舱室设备可靠性要求相关；操作便利性指标主要与舱室设备维修性、保障性要求相关。

所述对舱室和设备的外形进行描述包括：

简化建模舱室和设备描述，根据舰船舱室和设备的外形特点，将各设备近似简化为长方体、圆柱体的包络体，使机舱设备由舱室甲板平面上的矩形图元和圆形图元表示；为方便布局设备模型的描述，定义平面直角坐标系xoy，设舱室RMS布局方案X中包含个n+m有待布局的设备，其中n个设备简化为n个矩形图元A

X＝{x

其中(x

所述根据描述后的舱室和设备对多个所述指标分别建立设计指标描述模型包括：各设计指标描述模型如下：

(1)设备操作空间指标

舱室设备的维修操作部位一侧必须保留足够的空间以方便对其操作和维修。采用设备操作和维护部位一侧与周围设备之间的空间距离来衡量该设备保留的操作空间，定义设备A

其中，D

考虑到各个设备的维护操作频率，舱室设备总体的操作空间指标描述为：

f

(2)通道宽度指标

通道的宽度应在满足最小通道宽度要求的情况下尽可能增大。单条通道宽度指标采用通道实际宽度与通道最小宽度要求之间关系的分段函数来衡量，其表示为：

其中，b

考虑到各个通道的重要性，舱室总体的通道宽度指标描述为：

f

f

(3)大修吊装量指标

参照生产车间物流成本的数学模型，舱室设备大修吊装量指标定义描述为：

f

T

(4)可靠安全距离指标

可靠安全距离指标采用布局设备之间距离满足功能关联要求的程度来衡量，其表示为：

f

若设备A

式中，om

若设备A

式中，OM

(5)操作便利性指标

操作便利性指标采用操作、检查、维修舱室设备时的人员流通距离来衡量，其表示为：

f

T

所述获取总体布局的约束条件并进行描述，根据描述的约束条件和所述设计指标描述模型建立考虑RMS要求的舱室布局优化模型包括：

所述获取总体布局的约束条件包括不干涉约束、相容性约束和舱室布局领域约束：

(1)不干涉约束

舱室设备布局方案中各图元之间不能发生干涉，布局方案X的不干涉约束描述为：

(2)可容性约束

舱室设备的任何部分都应位于舱室内部，布局图元不得超出给定的布局空间P，满足可容性约束，描述为：

(3)领域约束条件

领域约束主要是舱室设备布置的规范、常识及特殊要求，表现为布局图元之间的关联关系、方位距离的约束限定，比如轴连接约束等，可记为：

然后根据总体舱室RMS布局的约束条件和布局目标，将布局设计问题转化为多约束多目标优化问题，其舱室布局优化模型表示为：

所述选取智能寻优求解算法，对所述舱室布局优化模型进行求解，得到舱室优化布局设计方案还包括：

首先对舱室布局优化模型中的目标和约束进行处理，选用线性加权和法构造一个评价函数将多目标转化为单目标问题，构造惩罚函数将约束优化问题转化为无约束优化问题，得到舱室布局优化方案X的适应度函数表示为：

式中，λ

由于以上舱室布局优化具有高维、多峰、非凸特点，求解困难，因此扩展应用粒子群算法进行智能寻优。对粒子群算法进行扩展应用，以舱室可布局设备的位置、方位为自变量，首先应用粒子群算法针对5个舱室布局RMS指标单目标f

本发明考虑RMS要求的舰船总体舱室布局设计装置，所述装置包括：

准则、指标获取模块，用于获取舱室总体布局的RMS设计准则、舱室总体布局的设计指标，以及所述RMS设计准则和设计指标的关联关系；

设计指标描述模型建立模块，用于对舱室和设备的外形进行描述，并根据描述后的舱室和设备对多个所述指标分别建立设计指标描述模型；

舱室布局优化模型建立模块，用于获取总体布局的约束条件并进行描述，根据描述的约束条件和所述设计指标描述模型建立考虑RMS要求的舱室布局优化模型；

求解模块，用于选取智能寻优求解算法，对所述舱室布局优化模型进行求解，得到舱室优化布局设计方案；对所述舱室布局优化模型进行求解包括：扩展应用粒子群算法进行智能寻优，以所述设备的位置、方位为自变量，应用粒子群算法并对多个设计指标描述模型分别进行多次优化求解，将设备位置方位求解结果粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；系统初始化随机产生设定规模的粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；各个粒子在解空间内以设定速度追随最优的粒子进行搜索，最终获得RMS布局优化最优解。

在一个实施例中，提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行计算机程序时实现以下步骤：

获取舱室总体布局的RMS设计准则、舱室总体布局的设计指标，以及所述RMS设计准则和设计指标的关联关系；

对舱室和设备的外形进行描述，并根据描述后的舱室和设备对多个所述指标分别建立设计指标描述模型；

获取总体布局的约束条件并进行描述，根据描述的约束条件和所述设计指标描述模型建立考虑RMS要求的舱室布局优化模型；

选取智能寻优求解算法，对所述舱室布局优化模型进行求解，得到舱室优化布局设计方案；

对所述舱室布局优化模型进行求解包括：扩展应用粒子群算法进行智能寻优，以所述设备的位置、方位为自变量，应用粒子群算法并对多个设计指标描述模型分别进行多次优化求解，将设备位置方位求解结果粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；系统初始化随机产生设定规模的粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；各个粒子在解空间内以设定速度追随最优的粒子进行搜索，获得舱室优化布局设计最优解。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

获取舱室总体布局的RMS设计准则、舱室总体布局的设计指标，以及所述RMS设计准则和设计指标的关联关系；

对舱室和设备的外形进行描述，并根据描述后的舱室和设备对多个所述指标分别建立设计指标描述模型；

获取总体布局的约束条件并进行描述，根据描述的约束条件和所述设计指标描述模型建立考虑RMS要求的舱室布局优化模型；

选取智能寻优求解算法，对所述舱室布局优化模型进行求解，得到舱室优化布局设计方案；

对所述舱室布局优化模型进行求解包括：扩展应用粒子群算法进行智能寻优，以所述设备的位置、方位为自变量，应用粒子群算法并对多个设计指标描述模型分别进行多次优化求解，将设备位置方位求解结果粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；系统初始化随机产生设定规模的粒子作为RMS布局优化问题搜索空间的部分初始解；各个粒子在解空间内以设定速度追随最优的粒子进行搜索，获得舱室优化布局设计最优解。

本发明还提供一个具体实施例：

步骤一，考虑RMS要求，选择某舰船的动力舱进行布局设计，长方形机舱内布置有柴油主机、变速箱、柴油发电机组、消防泵、生活污水柜、锅炉等设备。首先确定舱室布局RMS设计的详细准则和要求，选择设备操作空间、通道宽度、大修吊装量、可靠安全距离和操作便利性为该动力舱布局优化设计指标。

步骤二，首先简化舱室和设备描述，对舰船机舱设备布局方案进行建模，布局空间即长方形舱室大小为：D＝4m，H＝4m，待布局设备有12个，其中8个简化为矩形图元、4个简化为圆形图元，该布局方案的设计变量数目为32个，为各个图元的中心坐标和矩形图元的方位参数，机舱设备的布置位置及参数如

表1所示。

表1机舱设备布置位置及参数表

机舱经验布局简化图如图4所示。

根据相关参数建立舰船舱室布局RMS指标(设备操作空间、通道宽度、大修吊装量、可靠安全距离和操作便利性)的描述计算模型。设定机舱吊装口位置(x

表2机舱设备维修性布局优化参数表

以此构建设备操作空间f

该舱室布局中包含4条通道，其中主机两侧的两条通道为主要通道，通道最小宽度要求PD

根据布局设备功能要求分析，得到各设备功能关联距离要求，如表3所示。

表3各设备功能关联距离要求表

以此构建舱室总体的可靠安全距离指标模型f

该机舱入口位置为(x

表4舱室设备间人员流通频率表

其中，0表示机舱入口，以此构建舱室总体的操作便利性指标模型f

步骤三，确定舱室RMS布局设计的约束。首先明确设备布局的不干涉约束G

确定舱室布局领域约束G

根据舱室RMS布局的约束条件和布局目标，构建布局优化的数学模型为：

步骤四，确定设备操作空间、通道宽度、大修吊装量、可靠安全距离和操作便利性指标的权重分别为0.3、0.3、0.2、0.1和0.1，构建舱室布局优化方案X的适应度函数F(X)。

以布局图元的中心坐标和矩形图元的方位参数为自变量，柴油主机、变速箱和燃油箱位置固定，分析舱室布局优化可动对象的自由度，确定设计变量X＝[x

首先针对单个舱室布局RMS指标进行优化求解，单次求解粒子数取30，迭代次数为100次，每个单目标优化求解10次，获得50个单目标优化粒子位置方位解，同时随机初始化50个位置方位粒子，共计100个初始粒子群体。在此基础上，随机初始化初始粒子群体中粒子的速度。

在各个粒子中，方位变量的搜索求解域为离散二值空间，即0或1；位置变量的搜索求解域为舱室范围的横纵坐标，横坐标求解范围为[0,4]，纵坐标求解范围为[-2,2]，每个变量的更新速度范围为[-0.2,0.2]。如果粒子的更新速度超过[-0.2,0.2]，则取粒子速度为边界值。

计算100个粒子的适应度函数，记录更新第t次迭代的全局最佳位置gbest

其中，gbest

根据粒子更新速度计算各个粒子的新位置和方位(如果粒子中变量值超过了其边界，则变量停在边界逆向飞行)，再计算各个粒子的适应度值，经过500次的迭代，求解得到一个舱室RMS布局优化方案的指标如表5所示。

表5机舱设备布局优化方案指标

其求解过程的最优适应度函数曲线如图5所示。通过求解，相比于经验布局，优化布局方案的设备操作空间、通道宽度、可靠安全距离和操作便利性指标均得到改善，说明舱室设备关联的可靠性、维修性、保障性等指标得到权衡优化。

该机舱设备布局优化方案中各设备的位置、方位数据如表6所示。

表6优化布局方案数据表

其对应的布局方案如图6所示。

通过经验布局方案和考虑RMS要求的优化布局方案对比，可以发现通过布局优化后大部分机舱设备的操作部位均具有良好的维修操作空间，特别是维修操作比较频繁的柴油主机、变速箱和柴油发电机组两侧具有合适的通道和维修操作空间，维修操作时不会受到其它设备的干扰而拆除其它设备。另外，优化布局方案中舱室通道宽度更加满足RMS要求。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。