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油船设计的多目标优化

摘要

在阿芙拉型双壳油船的设计中采用参数优化以减少原油流出的概率，并且增加船舶的载货能力，最终的计算结果在文章当中。在modeFrontier（意大利Esteco公司开发的多目标优化软件）中建立了多标准优化程序，使用货物体积，平均漏油量和货物运输通道的钢重量作为目标函数。基于在NAPA中建立的船舶的参数几何模型，以及在POSEIDON中创建的结构模型进行计算。上述软件包的集成形成了一个自动的优化过程，该过程为设计者提供关于各种设计参数和所涉及的优化标准之间的折中的改进的反馈。计算结果表明，已知的设计完善的船厂建造出的船舶的运输能力和漏油现象有了很大的改善。本文所介绍的项目是Germanischer Lloyd（GL ，德国船级社）与雅典国立技术大学船舶设计实验室（NTUA-SDL）之间的联合项目，该项目将由NTUA-SDL在仍在SAFEDOR项目组中继续下去。

1.背景

1.1项目概况

在一系列灾难性的单壳油轮事故之后，目前的IMO规定（早在此之前，美国OPA90）规定双壳油轮设计是油轮船舶安全运输油的唯一可接受的解决方案。根据现行的MARPOL规定，油轮货舱的布置应妥善设计，以提供足够的防止意外油流出的保护，如所谓的平均流出参数所表示的。本文概述了双壳阿芙拉型油轮的基于风险的参数优化，以实现创新设计，增加货物承载能力，减少船舶建造钢重量并改善环境保护。

这里介绍的研究是基于Germanischer Lloyd（GL）和雅典国立技术大学船舶设计实验室（NTUA-SDL）之间的联合项目的结果。这项工作进一步阐述了在欧盟SAFEDOR项目组框架内启动的基于风险的创新型油轮设计程序。在前面介绍的工作基础上，将结构设计软件POSEIDON集成到多标准优化程序中，可以实际估算替代设计的钢重量，以及最新的MARPOL意外油流出规定（适用于2010年1月1日之后的所有新造船都已实施。这里开发的全自动优化程序为设计人员提供了关于各种设计参数与所涉及的优化标准之间的权衡的改进反馈。

本研究的重点是优化阿芙拉型油轮货舱区域的布置，以找出最佳的设计方案，使得既可以减少意外原油流出亦能提高船舶的经济竞争力。尽管本文计算针对阿芙拉型油轮的货舱区域设计，但是本文所提出的方法可以扩展到本船其他目标乃至其他设计方面，例如船体形式和内部布置，并且还可以扩展到其他油轮类别。

1.2参考设计

选择现有的阿芙拉型油轮作为基本参考设计。 其主要数据和总布置细节分别列于表1和图1中。 这是一艘典型的现代化阿芙拉油轮，货舱区内有六个货油舱，两个货油舱已经完全由造船厂优化。
1.3监管框架
“防污公约”第73/78号第4章规定了2010-01-01之后建造的油轮货物区域的安排要求，作为本工作的监管依据。 特别是，实施了以下规定：
bull;第18条 - 隔离压载舱（SBT）最低容量要求
bull;第19条 - 双壳体布置的要求
bull;第23条 - “石油意外泄露”的要求及其计算程序
bull;第27条 - 完整稳性的标准
bull;第28条 – 破损稳性标准。

表1 参考船数据

图1 总布置图

对于在1982.06.01之后交付的载重量大于20,000吨原油油轮和载重量大于30,000吨的成品油船，规范第18条规定了隔离压载舱需求的容量。在压载条件下，在隔离压载舱仅含轻质加隔离压载物的条件下，船舶的吃水和纵倾应符合下列要求：

bull;船舯吃水，dmge;2.0 0.02 L.

bull;尾倾le;0.015L

bull;尾部吃水（Taft）应始终导致螺旋桨完全浸入水中。

对于在1996.07.6号之后交付的载重量ge;5,000吨的油船，规范第19条则对整个货舱区除运载油舱以外的压载舱或空舱等处所有要求，以有效保护货舱，并且这些舱或舱位必须具有以下最小尺寸：

bull;边舱，w = min {0.5 DWT / 20,000; 2.0 m}gt; 1.0 m

bull;双底舱，h = min {B / 15; 2.0 m}gt; 1.0 m。

应该注意Reg的要求。关于舷侧内板和双层底内底板与外壳的最小间距（阿芙拉型船舶为2.0米）的问题在本文中并不得到赞同;也就是说，它们在优化运行期间保持灵活性，并且对于阿芙拉型船舶油轮而言上述间距不小于1.7米既可。

第23条适用于2010年1月1日或之后交付的油轮。对于载重量在5,000吨及以上的油轮，它设定了平均油流出参数（OM）的限值及其计算程序。对于所使用的船舶在这项特殊研究中，如果货油总量lt;200000 m³，则需要OM值不超过0.015。平均油流出参数是针对侧面损伤和底部损伤独立计算的，然后以无量纲化公式如下：

(1)

O_MS和O_MB分别是侧面损坏和底部损坏的原油平均流出量，C是货油舱装载超过98％时的货油总量，单位为m³。由于底部损坏引起的平均流出量是在波高为0和负2.5米的条件独立计算的，平均值如下：

(2)

侧面损伤和底部损伤的平均泄露量的计算基于概率方法。侧面损伤泄露量通过以下公式计算：

其中P_S（i）是通过侧面损伤穿透液货舱i的概率，O_S（i）是m³中相应的流出量，而C3是适当的系数。 因此，波高为零或负2.5米条件下的底部损坏流出量通过以下公式计算：

上式中，C_DB（i）是由货油舱流向双层底的油。

2.设计优化

这项研究的主要目的是参考货油舱布置改善意外出油状况，同时最小化钢的重量并最大化货物容量。 改善石油泄露状况，货物容量最大化和钢重量最小化方面提高船舶性能是相互矛盾的目标; 例如，前者需要增加货舱距外壳的距离，导致货油舱体积减小; 此外，平均流出参数的减少可以通过进一步细分，减少每个货舱的平均尺寸，同时增加钢材重量（相应增加施工成本和减少有效载荷）。因此，为了最佳地实现这些矛盾的目标，开发并应用了形式化的多目标优化程序。

图2 通用优化框架

2.1优化框架
系统S的通用优化框架包含以下主要元素（参见图2）：
bull;输入EI
bull;设计变量D.
bull;设计参数P.
bull;优点L
bull;约束条件G.
bull;输出EO。

在目前的工作中，设计参数和设计变量之间的差异在于前者在优化研究期间保持不变，而后者则系统地变化以促进设计空间的有效探索并获得最佳溶液。

在开发的优化框架的核心，有一个“参数化设计工具”，在众所周知的船舶设计软件NAPA中开发。它由一组在NAPA Basic中开发的宏组成，可以根据一系列设计参数和设计变量的值，全面自动生成容器的货物块的详细布局。然后通过系统地改变设计变量来创建设计池，同时使用设计参数的预定义（用户选择）值。此过程评估一组约束的实现，同时优化一组目标。这种方法本质上是整体的，并且允许根据手头的设计问题集成尽可能多的目标函数和约束。

由NTUA-SDL开发的通用优化框架先前应用于各种问题，包括优化RoRo客船的水密细分，以及高速船的外部船体优化。通过为船舶钢结构的结构设计添加方法和相应的软件工具以及用于油流出性能的概率评估，该通用程序适应于当前的优化问题。

2.2多目标优化

船舶设计是一个典型的优化问题，涉及多个且经常相互矛盾的目标函数和约束。解决这种多目标问题的最简单方法是将目标函数合并为一个，假设目标之间的相对权重和关系是已知的。然而，在大多数情况下，这些权重和关系是未知的，并且关于可行解决方案的空间知之甚少。因此，需要一种真正的多目标方法，导致一系列“最佳设计”，换句话说，在不牺牲另一个目标的性能的情况下，任何一个目标都无法改进的设计。这套“最佳设计”被称为帕累托集。它以图形方式表示为帕累托边界。

针对目前的问题，选择多目标遗传算法（GA）作为最合适的优化方法。遗传算法是应用生物进化原理的随机非线性优化方法。特别是，它们利用解决方案的群体并应用选择，再现和变异方法，与使用梯度信息在解空间中的（连续更好的）点之间移动的更传统的优化方法形成对比。 这使得它们能够独特地适应多目标问题，例如寻找帕累托边界。

借助Pareto的非支配设计，设计师可以根据自己的喜好选择最佳解决方案。 这可以通过多种方式完成，例如：

使用效用函数对不同设计进行排名

bull;使用散点图和3D图来直观地识别更具吸引力的设计，根据设计师的首选标准和基于经验的选择进行比较

bull;使用其他可视化工具（平行图，直方图，频率图，学生图等），并根据设计师的经验进行决策。

2.3实施优化程序

这里应用的优化程序如图3所示。它集成了以下软件包：

bull;NAPA，一种海军建筑软件包

bull;POSEIDON，GL开发的结构设计和分析软件包

bull;modeFrontier，一般的优化软件包。

在NAPA中，开发了一组宏，以便：

bull;创建hullform和内部分区的参数化3D模型

bull;计算负载条件

bull;执行完整和损坏稳定性计算

bull;计算意外的油流出量

bull;为软件准备必要的几何数据，执行结构设计的工具（POSEIDON）。

图3 实施优化程序

POSEIDON实施了GL最新的船舶结构分类规则（2008版）。 它允许根据特定船舶参数，船级符号，全局弯曲，货物载荷和外部海压的规则要求自动计算所有结构部件的尺寸。 请注意，开发/实现了一个附加模块，用于根据一组参数创建POSEIDON模型。 使用相同的参数集来定义NAPA中的隔间并在POSEIDON中创建结构模型，从而确保两个模型之间的一致性。

modeFRONTIER是一个通用的优化调度程序。 它提供了几种优化算法：遗传算法，共轭梯度法，准牛顿法，序列二次规划，单纯形等。可以组合各种可选算法，例如用于全局搜索的遗传算法和用于局部搜索（细化）的另一种算法。 在d上运行的软件模块。

2.4设计变量

船舶货物区域的布局和结构布置的参数化定义需要大量参数，控制布置和各种结构部件的细节。 在本研究中，这些参数中的一些在每次优化运行期间保持不变，而其他参数被视为自由变量，并且优化调度程序选择它们的值（在预定范围内）。 关于所采用的设计参数和变量的更多细节在以下描述几何模型的部分中给出。

2.5目标

使用了以下目标：

bull;货物容量最大化

bull;根据MARPOL附则I第23条，最大限度地减少意外油流出参数lt;

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资料编号：[1219]

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