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整体船舶设计优化
Apostolos Papanikolaou
希腊雅典国立理工大学船舶设计实验室
摘要：
船舶设计是一项复杂的工作。它需要成功地协调包括技术类和非技术类专业以及专家个人的专业知识，以获取有价值的设计方案。本质上船舶设计过程就是设计优化，即在一套标准下，从许多可行方案中选择最佳方案的过程。船舶系统设计法可以将船舶视为一个复杂的系统，它可以拆分成很多子系统以及组成部分，比如，用于货物储存以及处理的子系统，能源发电和船舶推进子系统，船员/乘客居住与船舶航行。仅考虑船舶设计需要解决整个船舶生命周期中可能会遇到的各种问题，设计过程分为不同的阶段。传统上船舶的设计过程由概念/初步设计、合同与详细设计、船舶建造/制造流程以及整个经济寿命中船舶的运营以及报废/回收。显然，最优船舶方案是在船舶生命周期中由上述船舶系统整体优化的结果。但即使是上述优化问题中最简单的部分，即第一阶段（概念/初步设计）也是复杂到不得不简化实际设计过程。船舶设计优化的固有问题是设计约束和优化标准（优点或目标函数）产生的冲突，这也反映了不同的船舶设计利益相关者的利益冲突。
本文简要介绍了船舶设计优化的整体方法，定义了船舶通用设计优化问题，并通过使用先进的优化技术（即利用计算机辅助软件来生成、探索以及选择最佳设计），展示了其解决方案。并基于一些典型船舶设计优化问题讨论了上述方法的可行性，从而改进了部分创新设计，提高了货物承载能力，提高了安全性以及生存能力，减少了船舶所需动力，并提高了环境友好能力。将上述方法应用于船舶综合生命周期优化问题依然是未来几年间一项颇有挑战但直截了当的任务。
1.整体船舶设计优化简介
在过去，设计一艘船与其说是科学，不如说是艺术。它非常依赖于那些具有良好的基础和专业的科学与工程背景的经验丰富的船舶建筑师。设计可行域实际上是用启发式的方法进行探索的，即通过一系列实验和大量的错误来获取知识，而这常常需要好几十年的时间。船舶设计本质上就是优化设计，即在一套标准下，从许多可行方案中选择最佳方案。船舶整体设计方法可以将船舶视为一个复杂的系统，它可以被拆分成很多子系统以及组成部分，比如，用于货物储存以及处理的子系统，能源发电和船舶推进子系统，船员/乘客居住与船舶航行。它们全都服务于已精细规划好的船舶功能。船舶功能可以大致分为两大类，即荷载功能和船舶固有功能（图1），对于货船来说，荷载功能就是些与船舶提供货物空间、处理货物以及理货设备相关的功能。船舶固有功能就是与以一定速度安全地将货物从一个港口运到另一个港口相关的功能。仅考虑船舶设计是为解决整个船舶生命周期中可能会遇到的各种问题，因此，设计过程分为不同的阶段。传统上讲，船舶的设计过程由概念/初步设计、合同与详细设计、船舶建造/制造流程以及整个经济寿命中船舶的运营以及报废/回收。显然，最优船舶是在她的生命周期中上述船舶系统的整体优化的结果。值得注意的是，从数学上讲，上述船舶生命周期系统的每个组成部分本身都明显形成了设计变量的复杂非线性优化问题，需要联合优化各种约束和标准/目标函数。即使是上述优化问题中最简单的部分，即第一阶段（概念/初步设计）也是复杂到不得不简化实际设计过程。船舶设计优化的固有问题是设计约束和优化标准（优点或目标函数）产生的冲突，这也反映了不同的船舶设计利益相关者的利益冲突，如：船东/运营商，造船商，船级社/海岸警卫队，监管机构，保险公司，货主/货运代理人等。假设一套确切的要求(一般是船东对于商船的要求或者是军舰对于任务的要求。)，船舶需要针对成本效益进行优化，以获得最高的运营效益或者最低的运费，为船员和乘客提供最高的安全性和舒适性，对于货物需要充分保护，船舶自身同样要坚固，还有，最小的环境影响，特别是对于海洋污染的油船事故，以及高速船产生的波浪冲刷现象（由波浪拍打或破碎引起的对海岸或堤岸的侵蚀作用）。近些年来，船舶设计与运营优化（参考IMO 2008）甚至需要考虑船舶发动机的排放和空气污染等各个方面。其中，很多要求显然是相互矛盾的。因此，最优船舶设计方案需要合理地制定。
即使是关于船型，货舱容积，航速，航程等一系列设计规范等也复杂到不得不针对所有股东的利益做出另一个令其满意的优化，这使得事情更加复杂但更贴近现实，但毕竟船舶本身就是国际以及其他市场的工业产品和服务工具。实际上，最初的船舶设计要求就是设计师们与船东之间密集讨论、互相妥协的一个中和方案。一方是主专于船舶设计与建造领域的决策者，另一方则是试图表达自己期望的船舶以及最大让步的用户。欧盟资助的项目LOGBASED已经提出了合理进行和巩固这种讨论的方法。
20世纪60年代中叶，随着计算机不断发展，设计过程中越来越多的工作都可以由计算机代替完成，尤其是设计中繁重的计算和单元的绘制草图工作。同时，第一个计算机辅助初步设计软件面世，它可以处理基于具体船型的经验/简化船模的数学参数化研究或是利用梯度搜索技术优化具体经济标准的船舶变量(Murphy et al. [4], Nowacki et al. [5])。船舶建造研究机构已开始对针对船体形式优化以期获得最小阻力以及最佳耐波性能（水动力优化设计）或是最小钢料重量的船中横剖面或结构型式设计的计算机辅助研究技术的探索，近年来，已经出了很多成熟的成果(如 Papanikolaou et al. [6], Valde-nazzi et al. [7], Zalek et al. [8])。
随着计算机硬件和软件工具进一步快速的发展，以及更强的硬件与设计软件系统集成化发展，我们可以解决和优化船舶使用期限中的部分问题，并逐渐发展为可以解决船舶设计、建造、运营阶段，乃至全方位的问题（或者船舶整个寿命循环系统中所有单元），是时候向船舶整体设计优化的方向看了。在整体船舶设计优化中，哪怕是为了在船的个别阶段（如概念设计阶段）中尽可能减少现实问题，我们也应详尽地理解多目标和多约束优化流程。近年来，“XX设计”（即安全设计、基于风险设计、效率设计、产品设计以及操作设计等）通用框架科学学科的兴起表明探索解决船舶整体设计优化问题的可用计算机工具和成熟的方法之迫切。
本文提出了遗传算法（GA）的使用，结合基于梯度的搜索技术进行微观探索，并结合实用功能技术进行设计评估，作为通用类型优化技术，通过有效生成和识别优化设计探索大规模，非线性设计空间和众多评估标准。通过使用NTUA船舶设计实验室（NTUA SDL）的设计软件平台，将完善的海军建筑和优化软件包与各种应用方法和软件工具相结合，这种通用的多目标船舶设计优化方法的几个应用，评估稳定性，阻力性能，耐波性，结构完整性等所必需的参见文献（Abt等[13]）。可以突出显示以下示例，这些示例是从最近完成或正在运行的涉及NTUA SDL的欧盟资助项目中推导出来的。
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- 船体形状优化波穿孔高速单体船，用于最小阻力和最佳耐波性（VRSHIP-ROPAX2000，[14,15]）。
- 船体形状优化高速单体和双体船体，用于最小波阻和波浪冲洗（FLOWMART，[16,17]）。 优化滚装客船的舱室划分以提高损伤稳定性和生存能力以及最小结构重量（ROROPROB，[18,19]）。
- 优化海军舰艇，以便在波浪损坏和结构重量最小的情况下提高生存能力[20]。
- 优化LNG浮动终端，减少终端背风处的运动和波衰减（GIFT，[21,22]）。
- 基于物流的船舶设计优化（LOGBASED，[3,23,24]）。
- 基于风险的AFRAMAX油轮设计优化，可提高货物容量和减少对环境的影响（SAFEDOR，[7,25]）。
关于使用遗传算法和替代程序进行多目标优化的一般概念和细节，可参考Lucas [26]和Sen [27]。 Andrews等人 [28]和Nowacki [29]最近提出了关于现代船舶设计方法和计算机辅助设计程序的综合最新报告。
总之，本文简要介绍了船舶设计优化的整体方法，定义了通用船舶设计优化问题，并通过使用遗传算法和相关技术进行设计生成，勘探和选择来演示其解决方案。在两个典型的多目标船舶设计优化问题的基础上，讨论了船舶设计优化方法的建议，即高速船舶的船体形状优化，以减少动力和波浪产生的环境影响以及滚动船（Ro-Ro）具有最小的结构重量/增加的运输能力，并在碰撞损坏的情况下提高生存能力。
2. 通用船舶设计优化问题
在整体船舶设计优化中，我们应该在数学上理解详尽的多目标和多约束优化程序，同时最少化整个实际设计问题。 通用船舶设计优化问题及其基本要素可以定义如下（见图2）。
优化标准（绩效函数，目标）：这是指一系列数学定义的绩效/效率指标，最终可以降低到经济标准，即初始投资的利润。独立地，可能存在可以在不直接参考经济指标的情况下制定的优化标准（绩效函数或目标）;例如，针对特定X船舶功能的优化研究，如平静水和海上航行中的船舶性能，船舶安全性，船舶强度，包括疲劳等。船舶设计优化标准一般是设计参数的复杂非线性函数（矢量设计变量）并且通常由计算机辅助设计过程中的算法例程定义。
约束：这主要是指由安全相关的监管框架（对于船舶主要是国际SOLAS和MARPOL法规）产生的数学定义标准（以数学不等式或等式的形式）的列表。该清单可以通过第二组标准进行扩展，其特征在于其实际值的不确定性，并且由市场条件（商船的需求和供应数据），主要材料的成本确定（对于船舶：钢的成本） ，燃料，工艺），由预期的财务状况（货币成本，利率）和其他特定情况的限制。应当注意，后一组标准通常被视为对优化问题具有不确定性的一组输入数据，并且可以基于概率评估模型来评估。
设计参数：这是指在优化下表征设计的参数列表（设计变量的矢量）;对于船舶设计，这包括船舶的主要尺寸，除非船东的要求（长度，横梁，侧面深度，吃水深度）规定，并且可以扩展到包括船体形式，空间布置和（主要）out装（）主要）结构元素和（主要）网络元素（管道，电气等），取决于将船舶设计参数与待优化的通用船舶模型相关联的拓扑 - 几何模型的可用性。
输入数据：首先包括传统所有者的规格/要求，对于商船而言，其是所需的货物容量（载重量和有效载荷），服务速度，范围等，并且可以通过影响船舶设计的各种其他数据来补充。及其经济生活，如财务数据（利润预期，利率），市场条件（需求和供应数据），主要材料（钢铁和燃料）的成本等。输入数据集可能还包括数量更多的数字知识数据的类型，如图纸（船舶的一般布置）和需要正确翻译以包含在计算机辅助优化程序中的定性信息。
输出：这包括整套设计参数（设计变量的矢量），其中指定的优化标准/优值函数在数学上获得极值（最小值或最大值）;对于多标准优化问题，优化设计解决方案在所谓的帕累托前沿，并且可以基于决策者/设计者的权衡来选择。对于帕累托问题的探索和最终选择，可以采用各种策略和技术。
在数学术语中，多目标优化问题可以由下列公式表达：
限制条件：
其中，是第i个目标函数，g和h分别是一组不等式和等式约束，x是优化向量或者说是设计变量向量。 上述问题的解决方案是一组帕累托最优化问题，即某一目标性能的提高无法避免地损害其他目标性能。 因此，多目标优化问题（理论上）具有无穷多解，即帕累托解集，而不是唯一解。
本文提出了多目标遗传算法（MOGAs）的使用，结合基于梯度的搜索技术进行微观探索，并结合实用功能技术进行设计评估，作为生成和识别的通用类型优化技术。通过有效探索大型非线性设计空间和船舶设计中出现的众多评估标准，优化设计。通过使用NTUA SDL3的设计软件系统，集成海军建筑软件包NAPA4，优化软件modeFRONTIER和各种应用软件工具，这种通用的多目标船舶设计优化方法的应用，以评估稳定性，阻力，耐波性等可以在列出的参考文献中找到（参见图3，通用船舶设计优化问题的一般方法草图）。
下文介绍了NTUA SDL引入的通用船舶设计优化程序的一些典型应用实例，并进行了简要评述。
3. 典型船舶设计优化问题
3.1船体形式优化高速船的动力和尾流
3.1.1问题概况
船舶的航速、动力、耐波性和操纵性方面的水动力性能至关重要，特别是对于高速船舶（HSC）。在此之前，尾流并不在设计师和船员担忧的范畴之内。由于对海洋环境的影响和沿海地区活动的安全性，大型高速船舶的大量面世推动了海事局考虑尽可能适用于HSC运行的合理尾流标准。 因此，至少对于高速船设计而言，减少尾流已成为船舶水动力性能的主要要求，以及其他传统的流体动力学目标。
从概念的角度来看，长而细长的船体形式因其良好的阻力和冲刷特性而得到认可。 增加双壳船的分离距离通常会导致兴波阻力和尾流减小。不幸的是，船舶主要细节的选择是众多考虑因素和限制因素的共同作用，因此不能仅仅根据低尾流要求来规定。 因此，在设计过程中，最好是在第一阶段，当船舶的主要部件被定义并且船体形式被开发时，最小化尾流方法的整合正在成为减少监管速度影响的先决条件。限制将严重损害船舶的最终经济潜力。 如果要使这种方法有效，必须提供可靠的洗涤预测数值方法。 尽管冲洗波预测根本不是一个简单的问题，特别是对于半规划和规划条件下的船舶，最近CFD的进展导致了软件工具的开发，这些工具基于可以与之配合使用的Kelvin或Rankine源分布。很有信心。 在集成设计环境中并入这些数字工具是本文提出的工作的主要目标。 在多目标优化问题的框架下制定船舶设计程序，其中减少水洗是目标函数之一，允许应用形式优化方法根据业主的要求和技术和监管约束得出最佳船体形式。 其他目标函数可能是船舶的总阻力，适航性，动态稳定性等，只要有足够的数值工具可用于其可靠和有效的计算。 此外，还可以使用反映船舶经济潜力的优化标准，如建筑和运营成本，运输能力，净现值或所需运费。
目前NTUA-SDL的研究主要集中在最大限度地减少能耗和过度尾流对环境的影响。 因此，所选择的目标函数限于总阻力和尾
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资料编号：[1221]
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