船舶設計整體優(yōu)化Apostolos Papanikolaou船舶設計實驗室，國家技術大學，雅典，希臘摘 要船舶設計是一項復雜的工作，需要成功的協(xié)調許多技術和非技術性質的學科，以及個別專家研究得出有價值的設計方案。再加上固有的設計過程的優(yōu)化設計，即許多可行的最佳解決方案的一個標準，或者說一套標準的基礎上進行選擇。船舶設計系統(tǒng)可以看作是一個集成了多種系統(tǒng)及其組成部分的復雜的船舶子系統(tǒng)，例如，貨物儲存和處理、能源/發(fā)電和船舶推進，船員/乘客的住宿和船舶航行子系統(tǒng)。單獨的要考慮到船舶的設計應真正解決整個船舶的生命周期，它可分成是傳統(tǒng)概念/初步設計、合同和詳細設計、船舶建造/制造過程、船舶操作所組成的各個階段經濟生活和廢棄/循環(huán)再造。很明顯，最佳船是一個完整的、建立在定義之上的在她整個生命周期船舶系統(tǒng)整體優(yōu)化的結果。但即使是關于上述定義的優(yōu)化問題最簡單的部分，即第一階段（概念 /初步設計） ，是復雜到需要在實踐中加以簡化（降低） 。船舶設計所固有的優(yōu)化也是相互矛盾的要求，從設計約束和優(yōu)化準則（優(yōu)異或目標函數）產生的，反映了各種船舶設計的股份持有人的利益。本文提供了一個簡要介紹了船舶設計整體優(yōu)化的方法，定義了通用的船舶設計優(yōu)化問題并演示了先進的優(yōu)化技術用于計算機輔助生成、優(yōu)化設計的探索和選擇的解決方案。它討論提出了一些典型的船舶設計多目標優(yōu)化問題的基礎方法，從而在增加載貨能力、提高安全性和生存能力、減少所需的供電和改善環(huán)境保護的方面做出提高和部分創(chuàng)新設計。擬議的方法來解決綜合性船舶系統(tǒng)所存在的生命周期的優(yōu)化問題仍然是具有挑戰(zhàn)性的任務，但在不久的將來這會變得簡單。關鍵詞：整體船舶設計；多目標優(yōu)化；遺傳算法；最小敞水阻力；增強生存能力11. 全面介紹船舶設計優(yōu)化船舶設計在過去更是一種藝術而非科學的、高度依賴于經驗豐富的造船工程師與各種基本的、專門的科學和工程學科為良好背景。在設計空間幾乎探索使用啟發(fā)式方法，即常通過幾十年的試錯過程中獲得知識的積累。設計過程的耦合在本質上是設計初始化，即最佳解決方案的缺乏許多可行性的一個標準或者說一套標準。一個船舶設計方法的系統(tǒng)可以考慮作為一個整合了船舶及其部件的各種子系統(tǒng)的復雜的系統(tǒng)，例如，貨物存儲及處理、能源/發(fā)電和船舶推進、船員住宿/乘客和船舶導航子系統(tǒng)。他們都是明確服務于船體功能。船舶功能可分為兩大類，即有效載荷功能和固有的船體功能（圖 1） 。對于貨船，載荷功能是與貨艙空間，貨物裝卸和貨物處理設備的規(guī)定相關的。船舶職能是從港口之間以一定的速度安全的運載有效載荷。圖 1 船舶功能，根據 Levander[1]單獨地考慮到船舶的設計應真正解決整個船舶的生命周期，它可分成是傳統(tǒng)概念/初步設計、合同和詳細設計、船舶建造/制造過程中、船舶操作組成的各個階段經濟生活和廢棄/循環(huán)再造。很顯然，相對于它的整個生命周期的最佳船是一個完整的，上述定義是生命周期船舶系統(tǒng)整體 （根據亞里士多德的原則（形而上學）整體論：整體大于各部分之和）優(yōu)化的結果。值得注意的是，從數學上講每一個上面定義的船舶的生命周期系統(tǒng)本身的組成形式有明顯的約束和標準/各種復雜的目標函數的設計變量非線性優(yōu)化問題還有待共同優(yōu)化。即使是最簡單的船舶設計過程部分，即第一階段（概念/初步設計） ，在實踐中加以簡化（降低 （對還原論的原則可以被看作是整體主義相反，這意味著一個復雜的系統(tǒng)可以通過減少其基本部件接觸。不過，整體論與還原論，應被視為補充方212法，因為它們都需要在實踐中妥善處理復雜的系統(tǒng) ） ）是足夠復雜的。此外，船舶設計所固有的優(yōu)化是設計約束和優(yōu)化準則（優(yōu)點或目標函數）產生的相互矛盾所造成的，反映了各種船舶設計的股份持有人的利益：船舶所有人 經營者、船舶建造商、船級社 海/ /岸警衛(wèi)隊、監(jiān)管機構、保險公司、貨主/貨代、港口運營商等等。假設有一組特定的要求（通常是船東的商船或海軍艦艇的任務說明的要求 ）：船舶需要進行優(yōu)化成本效益的最高運作效率或最低要求運價（RFR） 、提供乘客/船員最高安全性和舒適性、令人滿意的保護貨物和船舶本身的硬件，以及最后但并非最不重要的，最小的環(huán)境影響，特別是在石油運輸方面的海洋污染事故情況和高速船產生的波浪尾流。最近，船舶發(fā)動機排放和空氣污染方面甚至需要考慮進船舶設計和運行中（見海事組織 2008 年，[2]） 。這些規(guī)定顯然是矛盾的并且優(yōu)化船舶設計必須做出有關合理的決定。為了使事情變得更加復雜但越來越接近現(xiàn)實，即使是一套集船舶種類、貨物容量、速度、范圍等規(guī)范的設計要求，都復雜到足夠要求另一項優(yōu)化程序妥善考慮到作為一個工業(yè)產品和服務的國際市場或其他船舶運載工具所有利益相關者的利益。事實上，船舶設計要求，初步建立在一個主要集中在船舶設計和建造方面具有豐富經驗的決策者和試圖表達自己的愿望和權衡他們愿意妥協(xié)的最終用戶之間。由先進的歐盟資助的項目LOGBASED [3]已經以一種方式進行了、并以合理的方式鞏固這種討論。20 世紀 60 年代中期以來，隨著計算機硬件和軟件的進步，在設計過程中越來越多的地方已經應用電腦，特別是多重計算和起草船舶設計元素方面。與此同時，首先計算機輔助設計軟件系統(tǒng)的初步介紹與數學的參數化設計空間探索的基礎上的交易經驗/船舶模型簡化為特定類型或船舶設計變量為特定的經濟標準、優(yōu)化梯度的搜索技術（墨菲等人.[4]，諾瓦茨基等 .[5]）另外，電腦輔助學習上的一個船舶的最小阻力船型優(yōu)化和最好的耐波性的行為（水力設計優(yōu)化）或船舶的中橫剖面/結構設計最小鋼重量（結構設計優(yōu)化 ）在近 幾年開 始被 引入海 軍建筑 科學 界后直 到得到 成熟 的結果 （例如 ，見Papanikolaou 等.[6]，Valdenazzi 等.[7]，Zalek 等.[8]） 。計算機硬件和軟件工具已隨著它們融入強大的硬件和軟件設計集成系統(tǒng)而有了更遠、更快的發(fā)展，時間已經看到未來船舶設計優(yōu)化領先于整體的方式，至少在設計、建造和營運階段，通過處理和優(yōu)化多個，并逐步所有船舶的生活的各個方面（或整船的生命周期系統(tǒng)的所有元素） ；船舶設計整體優(yōu)化這里我們也應該明白詳盡的多目標和多約束的船舶設計優(yōu)化程序，甚至是減少了整個實際問題的船舶的生命（如概念設計）的各個階段。最近推出的總體框架的“X 設計 ” ，即“安全 性設計 ”和“ 危險基礎性設計”（SAFEDOR [9]，Vassalos [10]，Papanikolaou（教育）[11]） 、 “提高效率設計” 、生產設計、設計學科操作等。解決整體上船舶設計優(yōu)化問題表明需要對方法的必要性和成熟的方法和計算工具的可用性（Papanikolaou 等. [12] ） 。3在遺傳算法（GAs）與微觀尺度勘探和基于梯度搜索技術的實用功能設計評價技術相結合，使用本文作為一個先進的通用的類型用于生成和識別，通過有效的優(yōu)化設計優(yōu)化技術探索大規(guī)模，非線性設計空間和眾多的評價標準。微觀尺度探索是基于梯度的搜索技術和實用功能的設計評價技術，結合在其中的遺傳算法（GAs）的使用在本文是作為一個先進的通用型優(yōu)化技術用于生成和識別，通過有效的優(yōu)化設計優(yōu)化技術探索大規(guī)模、非線性設計空間和眾多的評價標準。這個通用的、多目標優(yōu)化船舶設計的一些應用通過使用該方法設計的船舶設計軟件平臺實驗 室NTUA（NTUA-SDL） ，整合各種應用軟件工具的方法和行之有效的海上建筑和優(yōu)化軟件包作為所必需的穩(wěn)定性、阻力、耐波性評價，結構完整性等。在所列出的參考文獻（Abtet al. [13]）可能會發(fā)現(xiàn)。下面的例子是或可能是突出最近完成或正在運行的歐盟資助的項目涉及 NTUA-SDL 的推斷?！て撇ǜ咚賳误w的最小阻力和最佳耐波性的船型優(yōu)化（VRSHIP - ROPAX2000，[14,15]） ?！じ咚賳误w和雙體最小興波阻力船型優(yōu)化（FLOWMART，[16,17]） ?！?yōu)化 RoPax 船的水密分艙從而增加破損穩(wěn)定性和生存能力和最穩(wěn)定的結構重量（ROROPROB，[18,19] ） 。·優(yōu)化海軍艦艇船從而增加生存能力一方在波浪中破損和應用最小結構重量[20]。·優(yōu)化浮動液化天然氣終端以減少對終端的背風面的運動和波浪衰減（ GIFT，[21,22]） ?！の锪鳛榛A的優(yōu)化船舶設計（LOGBASED，[3,23，24]） ?！せ陲L險的增加貨運能力和對環(huán)境影響最小的阿芙拉型船設計的優(yōu)化(SAFE-DOR,[7,25])。通過使用遺傳算法和其他程序，對于一般的概念和多目標最佳化的細節(jié)，參考盧卡斯 [26]和森 [27]。安德魯斯等人最近提交了對現(xiàn)代船舶設計方法和計算機輔助設計程序的最新綜合報告。 [28]和諾瓦茨基 [29] ?？傊疚奶峁┝艘粋€簡要介紹船舶設計整體優(yōu)化方法，定義通用的船舶設計優(yōu)化問題，并演示了遺傳算法和在改進階段探索和選擇發(fā)電相關技術的使用設計。它討論了對兩種典型的多目標優(yōu)化問題的基礎上的船舶設計優(yōu)化方法，即高速船船型優(yōu)化，可降低由于波浪沖洗所造成的供電和環(huán)境影響，滾降（RO-RO）渡輪的最佳化為最小結構重量/提高運輸能力和和碰撞損害的情況下提高生存能力。2. 通用船舶設計優(yōu)化問題在船舶設計整體優(yōu)化中我們應該詳盡的數學化的理解多目標、多約束優(yōu)化程序，以最小的減少整個實際設計問題。通用船舶設計優(yōu)化問題，其基本元素可以被定義為如下4（見圖.2） 。圖 2 通用的船舶設計優(yōu)化問題·優(yōu)化標準（優(yōu)異功能，目標）：這指的是對數學上定義的性能/ 效率指標清單，這個清單可最終成為一個經濟標準，即最初的投資利潤。單獨地，有可能是沒有直接提及經濟指標制定的優(yōu)化準則（優(yōu)異功能或目標） 。對于一個特定的 X 船舶功能優(yōu)化研究，像在靜水和波浪中的船舶性能，船舶安全性、包括疲勞強度的船體強度等。船舶設計的優(yōu)化準則是一個復雜設計參數的非線性函數（設計變量的向量）和計算機輔助設計程序中由程序定義的通用算法?！ぜs束：這主要是指一對數學定義的由有關安全監(jiān)管框架產生的（主要是船舶防污國際海上人命安全公約和法規(guī)）標準清單（以數學等式或不等式的形式 ） 。這份清單可以延長由不確定性特點的實際值形成的第二組準則，這由市場條件（商船的需求和供應數據） 、主要材料成本（船舶：鋼材、燃料、工藝成本） 、預計的財務狀況（資金成本、利息率）和其他具體案件的限制來確定。應該指出的是，后一組標準往往被視為一組輸入數據的不確定性的優(yōu)化問題集，并可能對概率評估模型的基礎上進行評估?！ぴO計參數：這指的是參數（設計變量的向量）表征下優(yōu)化設計名單： 這包括船舶設計船舶的主要尺寸，除非獲得船東的要求（長度、型寬、型深、草案）規(guī)定并有可能延長到包括船舶的船型，在空間和（主要）舾裝的（主要）結構元素和（主要）網絡元素安排（配管，電氣等） ，根據不同的拓撲幾何模型與船舶的設計參數的可用性，以一個通用的船舶模型進行優(yōu)化?！ぽ斎霐祿哼@首先是包括傳統(tǒng)的所有者的規(guī)范 /要求，這對一艘商船來說就是所需的貨物容量（載重噸和有效載荷） 、服務速度、續(xù)航力等，并可能輔之以影響船舶設計和經濟生活的進一步的各種數據，如財務數據（利潤預期，利率 ） ，市場狀況（需求和供給5的數據） ，主要材料（鋼材和燃料）等費用。輸入數據集可能包含除了大量參數也包含更多的通用數據類型的知識，像在在計算機輔助優(yōu)化過程中的繪圖（船舶總布置圖）和定性的信息必須適當列入翻譯。·輸出：這包括一整套設計參數（設計變量的向量）為其指定的優(yōu)化準則 / 擇優(yōu)功能獲得數學極端值（最小值或最大值） ；多準則優(yōu)化問題的最優(yōu)設計方案就是所謂的帕累托前沿，并可能在由決策者/設計師權衡的基礎上選出。一套策略和技術可被利用為探索和做出帕累托設計方案的最后選擇?！ぴ跀祵W方面，多目標優(yōu)化問題可表述為min[?1 (χ?),?2 (χ),.?n (χ)] ,條件為 g(χ) ≤?0 和 h(χ) ??0 和 χl ≤?χ?≤?χu其中 ?i 是第 i 個目標函數， g 和 h 是一種分別是不等式和等式約束， χ?為向量的優(yōu)化或設計變量。對上述問題的解決是一個帕累托解集，即解決方案在至少有一個其他目標沒有惡化下，在一種條件下改善就不可能實現(xiàn)。因此，多目標優(yōu)化問題（理論上）有無限的解決方案而不是一個獨特的解決方案，即帕累托一整套解決方案。多目標遺傳算法（MOGAs）與微觀尺度探索基于梯度的搜索技術和實用功能的設計評價技術相結合的應用，通過有效的探索大規(guī)模、非線性設計空間和船舶設計中產生的眾多的評價標準，先進的應用在本文作為一種生成和識別優(yōu)化設計的通用性優(yōu)化技術。該通用，多目標優(yōu)化船舶設計一些應用通過應用雅典國立技術大學的船舶設計實驗室 的設計軟件系統(tǒng)，整合海軍構造軟件數據包 NAPA ，優(yōu)化軟件 modeFRONTIER和各種應用軟件工具，作為穩(wěn)定性、抵抗性、耐波性等評估的必要。在所列出的參考文獻中可能會發(fā)現(xiàn)（見圖.3，一個普通的方法來優(yōu)化問題的通用船舶設計草圖） 。6TR R圖 3 解決船舶設計最優(yōu)化問題的通用程序引進通用的船舶設計雅典國立技術大學的船舶設計實驗室的優(yōu)化過程中應用的幾個典型實例，并在下面的有關評論中簡要介紹。3 典型的船舶設計優(yōu)化問 題31 關于動力估計和尾流的高速船 體形式優(yōu)化311. 問題概述船舶的水動力性能表現(xiàn)在速度、動力估計、耐波性特點，可操作性是非常重要的，尤其是高速船（HSC） 。直到最近發(fā)生波浪震動既沒有讓船舶設計者也沒有讓船舶經營者擔心。由于對海洋環(huán)境和沿海地區(qū)安全活動的影響，目前駕駛海事當局考慮為高速船操作申請一個盡可能合理的大型高速船波浪標準的簡介。因此，至少在高速船的設計、減少尾流已成為船的水動力性能的主要要求以及其他傳統(tǒng)的水動力的目標。從概念上來看，細長船型被認可其有良好的抵抗性和波浪特性。增加雙體船的間隔距離一般會造成洗興波阻力和尾流的減少。遺憾的是船只的主要資料的選擇是眾多因素和制約因素協(xié)調，因此不能僅根據尾流的要求來決定。因此，當定義了船舶的主要事項和進行了船型開發(fā)，在設計過程中最好是在整合的第一階段采用盡量減尾流的方法，這正在成為一個先決條件從而減少監(jiān)管航速的局限性影響，這將大大損害船舶最終的潛在效益。如果這種方法是有效的，就可得到一個可靠的預測尾流的數值方法。雖然波浪尾流預測根本不是一個簡單的問題，尤其是在半規(guī)劃和規(guī)劃條件下的船只，在軟件開發(fā)工具的發(fā)展下計算流體力學有了最新的進展，要么基于信任度好的開爾文或可被應用的蘭7金資源分布。在綜合設計環(huán)境下合并出這種數值工具是本文介紹工作的主要目標。在一個多目標優(yōu)化問題的框架下構想出的船舶設計計算方法，其中減少尾流就是目標函數之一，這種計算方法允許正式優(yōu)化方法的應用，推導出受業(yè)主的要求和技術和監(jiān)管限制的最佳船型。其他的目標函數可能是船只的抵抗性，適航性，動態(tài)穩(wěn)定性等，提供足夠的數值工具是為他們提供可靠的和有效率的計算。此外，優(yōu)化準則反映了船舶的經濟潛力，也可以使用如建設和運營成本、運輸能力、凈現(xiàn)值或必須的運費率。目前雅典國立技術大學的船舶設計實驗室的研究主要集中在將功率估算和過度波浪沖擊造成的環(huán)境影響降低到最小限度。因此，總阻力和波浪沖擊的最小化限制了目標函數的選擇。為了進一步簡化計算，無論是噴水推進器還是螺旋槳，該船只的推進系統(tǒng)對波浪沖擊產生的影響都省略掉了。遺漏的目標函數在強加的不變運輸能力條件下反映了船舶經濟表現(xiàn)的正確性。在實踐中這需要由最低限度的滾裝貨物甲板面積和恒定的排水量來確定。選定的目標已接近如下：（a）總阻力近似等于興波阻力和摩擦阻力的和，其中摩擦阻力的計算由國際船模試驗池會議上的摩擦阻力系數公式算出。船舶流體力學設計分析軟件 Shipflow 作為一個著名的商業(yè)計算流體力學的軟件被用作興波阻力和船尾波的計算。自從興波阻力和船尾波有必要考慮下沉和流動效果的影響時，進行了非線性迭代計算。（b）對于第二個目標函數，一個適當的船尾波測量標準應該取決于對不同類型的波浪影響進行評估，從而被每個特定的應用選擇出來。在本研究中，一個簡單的波浪評估方法已經被采納，主要目的是證明的優(yōu)化概念的潛力，沿著縱波從船的中心線一定距離切割即為平均波高 W 。2 1其中 ζ?( x, y) 是波高，而 x1 和 x2 是沿一個海蝕積分區(qū)間的起點和終點?？晒┻x擇的尾流標準可以很容易被引進到優(yōu)化程序中，如當地發(fā)生的最大波高。波得周期和波長可能也被引進，連同波高獲得尾流標準來表達當地的波能量密度。對于此優(yōu)化問題的解決方案，通用過程概述圖.2 已被應用。312. 參考船只為示范概述的兩個已選定的參考高速船只的優(yōu)化過程，即一個高速單體船和一個雙體船。有關工作已經在內部的歐盟資助的項目快速低浪沿海運輸 [16,17]進行了。選定的單體船是由勒魯船廠制造的海盜 11000，該船的主要技術特征見表 1。8Rx 2W ?????????????ζ?( x, y) dx （1）∫1總長水線間長船寬吃水服務航速表 1 選定的海盜 11000 單體船的主要特點102m 運輸能力 566 名乘客和 148 輛汽車87.5m 推進功率 4 ×6500KW15.4m 主機 4 MTU 20V 1163TB73L2.5m 柴油發(fā)動機37 節(jié) 推進器 4KaMeWa 噴水推進器在 FLOWMART 工程的實施下 SIRHENA 進行的上述船只的模型試驗，試驗采用h于在拖曳水池寬度較窄，反射波預計將顯著影響船尾波的測量。因此，計算是船舶在無限水面寬度和 90m 深度（滿量程）的條件下進行的，還有一個與拖曳水池的尺寸通道想對應的寬度和深度。在距離船體中心線 0.25L 和 0.5L 的橫剖面預測結果和測量結果的比較結果顯示在圖.4 和圖.5 中。圖四 0.25L 處橫剖面預測結果和測量結果比較圖 5 0.5L 處橫剖面預測結果和測量結果比較在波浪剖線的第一部分和從船首近似三個船長范圍，數值預測的有限通道寬度的影響是比較薄弱的。在遠處的船尾，船舶在通道中的預測要大大好于試驗的測量值，這種效果顯著增強。一個非常陡峭的波峰，大約從船首兩個船長范圍處，可觀察到在 0.25L處產生波浪削減的實驗結果。這波峰大約比數值預報高出 50％以上。在 0.5L 處也出現(xiàn)了明顯的波浪削弱的現(xiàn)象，在試驗測量值中可觀測到一個從船首 300m 到 400m 的陡峭91:30 的模型，在一個寬 5m 深 3m 的拖曳水池中進行，相當傅汝德數為 。由的波產生的數據顯著的預測這一結果。第二個選擇的船只是高速雙體船 Red Jet I II ，由 FBM 設計。該船的主要技術特點列于表 2。表 2 高速噴射雙體船 Red Jet III 主要特征總長 32.9m 服務航速 33Kn水線間長 29.58m 運輸能力 120 名乘客船寬 8.32m 推進功率 2×1360KW片體寬度 2.27m 主機 2 MTU 12V 396 TE 84吃水 1.133m 推進器 2 MJP 650 噴水推進器這條船的長度傅汝德數等于 0.97 并工作在規(guī)劃區(qū)域。挪威船舶技術研究所對上述船只進行了模型試驗，同樣也包括了快速低浪沿海運輸[16]，在比例尺為 1:12.5，速度范圍為 10 節(jié)到 33 節(jié)，并且水深相當于 3.75m、7.5m、15m、和 37.5m（滿量程） 。在 30 kn的速度和距中心線 0.845L 橫剖面的預測對比測試結果比較列于圖 . 6 和圖.7。圖 6 0.845L 和 7.5m 水深處橫剖面預測結果和測量結果比較圖 7 0.845L 和 15m 水深處橫剖面預測結果和測量結果比較數值計算結果與試驗測量值之間令人滿意的一致，從船首達到 5.5 倍船長。在遠處的尾部，可以看出兩條曲線之間的巨大差異，可能是由于鄰近船尾處對自由表面板架區(qū)域的限制。10船型開發(fā)所開發(fā)的優(yōu)化程序是基于通過使用 NAPA R 產生的可替代船舶參數。仔細識別最適合的設計參數以及它們的變化適當的范圍，是需要確定生成了可行并有效的船型。對于單體船船型的產生是受到由一組點和傾角控制的。通過這些點創(chuàng)建一個網格從而定義船體。典型的船型透視圖見圖.8，其中包括柵格和定義點。圖 8 網格定義和產生的船體形式對于雙船體的情況下，兩步船型開發(fā)程序獲得通過。首先，輔助船型已被推導出，此外再使用適當的定義點（見圖.9） 。這船體的特點是貫穿整個船長有一較長船體折角線，并在底部和側面以直線段通過橫截面。兩個過渡曲線，然后投影在側面和底部（如圖.9虛線所示） 。一個新的柵格定義最終船體被創(chuàng)建時，在兩條過渡曲線之間繞行出橫剖面。適當的宏指令已發(fā)展到充分利用 NAPA 宏語言方便船型參數化建模。在創(chuàng)建了船體的形式之后，其他的宏指令被執(zhí)行去檢查遵守情況與幾何約束并準備適當的輸出文件，這種文件經過船舶流體力學分析專用軟件 Shipflow 的處理，用適當的方式來描述幾何學。313.結果優(yōu)化圖 9 雙體船網格定義和產生的船體形式在以下各節(jié)對上述半排水量單體船和高速雙體船船型優(yōu)化的典型結果進行了討論。3.1.3.1. 優(yōu)化單體船。 關于船尾波估測出的平均波高得散點圖與總阻力 RT （估算公式T F W體力學分析專用軟件的計算）都以密集的源泉顯示在右上角的圖中。11R ??R ??R ）相對抗產生的設計被表示見圖.10。原始船舶相應的測試值（根據船舶流圖 10 總阻力和波高散點圖一些具有良好動力 特性的設計是被認可的。與原始船相比較，得到阻力，船尾波3 0.25L的測量值和最大波高的減少列于表 。類似的比較可從在位于距離船體中心線 和0.75L 橫剖面處的波的削減計算中得到。對應著最佳結果的邊界線（“ 帕累托前沿”）如圖.10 所示。所有位于該行的設計都被認為是“最佳的” ，因為這不可能在提高船舶的一個性能方面的標準而不影響其他方面的性能。在這條線之間的設計中選擇出最適合的解決方案是設計師的責任，主要根據他的經驗，并可能做出進一步的評估標準。決策者支持像有使用功能的技術工具，它在前沿模式下被應用為在本次選擇程序中輔助設計者。表 3 比較的結果最大可能垂RT（KN） 差值% W（m ） 差值% 向破損 H 差值%（m）原船 500.5 0 0.205 0 1.0515 047 號船 449.3 -10.2 0.173 -15.6 0.8840 -15.9118 號船 464.3 -7.2 0.160 -22.0 0.789 -24.9282 號船 494.4 -1.2 0.155 -24.4 0.7473 -28.9列于圖.11 中的結果被計算在潮濕表面上應用 2×686 面板和在自由表面上用 2×3345面板。一套最大的四次迭代數集導致每個船只應用 1000 個 XP 工作站造成大約 630 秒中央處理器時間。表 3 給出的結果已具有較大的自由表面排版面積編輯器。相應的，與其相一致的幾乎 100％的計算機能力（2×7742 自由表面板：7602 秒的 CPU 時間） 。在所有船只九次迭代后就已經收斂。注意到在表 3 中測得的平均波高 W 也需要為一個較大的集合間隔做出重新計算（當其船尾部在波浪削弱的零交叉點位置時，這位于靠近船首后面的 500m 處的點） 。與其相應的在船型軌跡 Lpp/2 處的波浪自由表面的正視圖見圖.11。12圖 11 Lpp/2 處自由表面高度比較3.1.3.2. 雙體船的優(yōu)化。 對于選定的高速雙體船進行了一系列的優(yōu)化研究。在最后的優(yōu)化階段圖表顯示對于每個試驗過的船只，已獲得的船尾波估測平均波高與總阻力 RT 比較見圖.12。與原船（根據流體力學分析專用軟件 shipflow 的計算）相應的測試值用濃密的實心圓圈表示。應該指出的是原始的 Red Jet III 已經仔細的被設計為低阻力和低船尾波的船型，它是從一開始就預計，已經實施的最優(yōu)化很難再獲得進一步的改善。至少對于阻力來說，這已證實最大獲得的減少量依次為 0.7%的試驗結果。然而，許多波浪特性良好的船型都可在圖.12 中確定得到。其中，船尾波測得的平均波高 W 減少了 13.8％的船號為 98B15W 的船舶和總阻力實際上是等同于原始的或者還可能被認為是一個強大的可供選擇的原始船型。相對于原來的船只，在阻力、船尾波的測量和最大波高獲得的減少均被記載在表 4。13圖 12 高速雙體船總阻力和波高散點體?98B15W 號船舶的計算運行整理等同于由船首 0.163 。為了研究對生成的船尾波運行整理的影響，一些列這種船的變體船被測試。在零運行整理下的一種變體（98B125W號船舶）的結果被列入表 4。表 4 比較的結果最大可能垂RT（KN） 差值% W（m ） 差值% 向破損 H 差值%（m）原船 64.09 0 0.116 0 0.546 0船船應用濕表面上的 2×348 面板和自由表面上的 2×1763 面板而計算得出的結果見圖.12。五次迭代的最大數集導致了每條船大約 310 秒的處理時間。在一個大的自由表面排版區(qū)域（2×8455 自由表面面板：34960 秒得中央處理時間）和十次反復迭代計算出了結果并呈現(xiàn)在表 4 中。表 4 船尾波測得的平均波高已經再次為一個更大的積分區(qū)間計算，這與圖.12 中的數值相比較產生了明顯的降低。相應的位于船舶中心線 Lpp/2 處的剪切波自由表面主視圖見圖.13。1498B15W 號 63.65 -0.7 0.100 -13.8 0.462 -15.498B125W 號 63.76 -0.5 0.105 -9.5 0.496 -9.2314.結論圖 13 雙體船 Lpp/2 處自由表面高度比較可以證明的是先進的程序為各種各樣高速船船型的發(fā)展提供了有價值的設計工具。應用局部形狀的不斷變化，并根據速度、位移、設計水線長度和間距（對于雙體船的情況下）的假設，根據數值表示的船尾波預測，最大獲得的波高下降為單體船的 30%和雙體船的 15%。注意到，這兩個具有良好水動力性能和市場性能的原始船都被精心優(yōu)化設計。該方法允許目標函數的進一步引入和與設計師在日常實踐中的需求相一致。為更低的速度設計的其他各種船舶，這種應用呈現(xiàn)出簡單的甚至更少的問題，因為的合適的流體力學軟件工具可以更好的對簡單的平靜水面流體力學進行評估。最優(yōu)化程序呈現(xiàn)出的結果的正確性嚴格依賴于準確的數值處理方法被應用為對可供選擇的船型的流體動力學的評估。雖然從有效地實驗測量值中的數值預測的比較中得出的結果表明了令人鼓舞的一致，但是需要對完善數值方法的應用做進一步的驗證工作。同時使用關于評估船舶阻力和波浪特性的勢流理論做出了重大的簡化，即使預測到方法不能對目標函數的絕對值（特別是關于船舶阻力）做出非常準確的結果，它仍然是一個相當有用的工具，特別是在設計的初步階段，它啟用快速設計空間探索和協(xié)助設計師在不好的設計中區(qū)分出好的并且在正確的執(zhí)行順序下分類可供選擇的設計解決方案。3.2. 對滾裝客船艙間布置優(yōu)化從而增加安全性和效率321. 問題概述大約在 35 年以前，概率破艙穩(wěn)性控制概念（A.265 [30])， ）作為可替代具有決定性的海上人命安全公約 74 條被引進了，它一直被認為是朝著評估船舶破損后的穩(wěn)定性的15合理化邁出了重要的一步。在 2009 年 1 月 1 日，新的海上人命安全公約破損穩(wěn)定性條例生效，它適用于完全以概率性概念為基礎的任何客船或任何類型的貨物的新建筑。因此設計師現(xiàn)在要強制學會運用概率性的概念來工作，相對于傳統(tǒng)的確定性的概念，這個非常復雜且難懂的。相關的計算來那個相當大并且只能應用專門的軟件程序，這需要它與其他的船舶設計軟件工具和優(yōu)化程序接口并用。這 種 設 計 經 驗 和 系 統(tǒng) 研 究 的 不 足 激 發(fā) 了 基 于 概 率 性 規(guī) 則 的 滾 裝 客 船ROROPROB[18]的優(yōu)化歐洲聯(lián)盟資助的項目?；诟怕势婆摲€(wěn)性規(guī)定的項目于 2003 年完成，它的目的是制定和實施的滾裝客船細分綜合優(yōu)化設計方法。下面的概述是與雅典國立技術大學的船舶設計實驗室基于概率性規(guī)則的滾裝客船ROROPROB 項目有關，它基于破艙穩(wěn)定性評估的概率方法[19]，指的是一個正式的多目標的滾裝客船內部分艙優(yōu)化程序的開發(fā)。最優(yōu)化的目標是依據同時增大載重量和車庫甲板空間使船舶抵抗傾覆的能力達到最大化 ，這由船舶的分艙指數和運輸能力來表達。另外，獲得的分艙指數 可能會被看做是（通過表單獲得分艙指數 ≥?需求的分艙指數）一種約束，并且可能對運輸能力的最大化和建造成本的最小化進行優(yōu)化，這是一種更接近船東觀點的方法。建造費用的減少被認為主要是鋼材重量最小化的結果。除了結構重量之外，甲板一下的水密艙室的細分數量的減少，同樣也包括設備費用的減少均被認為有重大的影響。322. 程序的概述所采用的程序是基于一個著名商業(yè)船舶設計軟件（ NAPA）和通用優(yōu)化軟件包（modeFRONTIER）的集成。在通用的解決方案中概述的程序框架圖 . 2 中。根據假設的船型和給定的主要布局概念，船舶的水密分艙是在大量設計變量和設計參數的基礎上自動生成的。對于每個設計變量，獲得的分艙指數與全部運載工具的航線長度保持在較低的水平并且鋼材重量達到的主甲板的頂端一起都要被計算。已采納的程序的主要特點在以下各節(jié)中概述。3.2.2.1. 艙室內部布置的參數化發(fā)展 。基于一些列設計變量，為了船舶內部的水密布置的產生已經創(chuàng)造了適當的船舶設計軟件指令，并形成了所謂的 “設計空間” ，同時除此之外用戶還提供了一整套的設計參數。在優(yōu)化的過程中多樣設計變量系統(tǒng)更新，在前沿模式下應用適當的實用程序來完成設計空間的探索。用戶提供的設計參數被用來定義局部船舶的完整裝載條件和滿載出水，同時為各種各樣的運算（結構重量計算的比重，運載工具的尺寸為計算航道的長度）提供了必要的數據。在優(yōu)化過程中設計參數始終保持不變。挑選出來的工程量可能被視為設計變量或參數，這需要根據用戶的意圖或每個設計方案的具體要求而定。例如，在特殊情況下，如水密分艙的優(yōu)化要受到船舶前段的輪機艙的限制，用戶可能將定義尾機型船艙室布置的相應的設計變量作為參數。167繼內部布局的產生后，程序在每個設計變量的估測下繼續(xù)充分應用 船舶設計軟件NAPA 有效的計算能力。適當的 NAPA 指令已經被發(fā)展為控制破艙穩(wěn)性分析，并用來計算結構重量和運輸能力（依據載重噸數和航線長度）并驗證每個設計的一致性。由上述過程產生，同時包含中央和舷側在主甲板上的安排的特點設計均見圖.14 和圖.15。除了主殼，在船尾主甲板處的小的雙舷側都可以在總布置圖中見到。所有較低貨艙（靠前或靠后，如果有的話）的縱向和橫向范圍，橫向艙壁的位置、垂向位置、雙層底的范圍和所有其他內部艙室布置的細節(jié)都由設計變量控制。在本研究中提出的，43 種設計變量和28 種設計參數一起是用來定義船舶內部布置的。根據用戶的選擇，設計變量的子集用來定義設計空間，而其余的變量在優(yōu)化過程中保存在固定不變。圖 14 中央和舷側在主甲板上的布置17圖 15 側后布置較低的設計變種3.2.2.2. 破艙穩(wěn)性計算。 根據概率破艙穩(wěn)性的概念，獲得的分艙因數的運算已經進行。盡管我們處理的是滾裝客船，所得的結果是根據海上人命安全公約第 25 部分的 B - 1，但這原本適用于貨船。然而，發(fā)展的優(yōu)化程序可以很容易地延伸到解釋最新統(tǒng)一的由船舶設計軟件包審議的概率破艙穩(wěn)性構想（海上人命安全公約 2009） 。3.2.3.3. 優(yōu)化程序的執(zhí)行。 該優(yōu)化程序的協(xié)調通過使用 modeFrontier 軟件包來執(zhí)行，提供了定義和計算控制鏈和必要的外部軟件集成的方法。一個圖形用戶界面被用于實施和邏輯的優(yōu)化方案審查（見圖.16） 。輸入變量以及它們的變化區(qū)間和必要的設計參數，均被定義在相關的出入文件中。相應的外部應用程序的鏈接已經在批處理文件的幫助下確定了，這種鏈接優(yōu)化軟件 modeFrontier 控制程序的執(zhí)行并在網絡各種路徑和電腦之間上執(zhí)行必要的數據傳輸。適當的優(yōu)化調度程序的選擇取決于特定的需要解決的問題。在我們的案例研究單一和多目標遺傳算法（MOGA）已被使用。為了優(yōu)化程序輸出的分析，由 modeFrontier（平行圖，散點圖和分段劃分）所提供的各種選擇進行了研究。后者是用來評估每個輸出值的輸入變量的重要性。18323.圖 16案例研究為提高滾裝船的效率和安全性應用的多目標化的邏輯方案系統(tǒng)化的案例研究已經將上述程序適用于抽樣滾裝客船（圖.17） 。船舶的詳細資料及兩個初始荷載條件（完全和部分負荷）的定義列于表 5。橫傾角的計算僅限于 60 和沒有向下浸水的開口均在這里介紹的案例研究中界定。艙組的滲透設置等于 0.90；輪機艙是 0.85，并且其他的空間設置為 0.95。圖 17 所選的船體形式滾裝船渡輪19?總長垂線間長型寬型深（參考）設計吃水滿載吃水滿載排水量表 5 船的特殊要求及加載條件193.6m176.0m25.0m9.100m6.550m6.520m17520t3.2.3.1.滿載參考穩(wěn)性高 GM部分負荷吃水部分負荷位移部分負荷參考穩(wěn)性高 GM多目標優(yōu)化是為了分艙指數 A2.440m5.884m14880t1.830m和運輸能力的最大化和結構重量的最小化。在所提出的優(yōu)化研究已處理了獲得的分艙指數 A 和航線計程的最大化，而結構重量縮到最小。很明顯前兩個目標是矛盾的，因為分艙指數 A 的最大化需要密集的分隔，而這將限制較低的可浸長度，從而限制了全部的許用艙長。該結構重量的最小化也與分艙指數 A的最大化的目標相矛盾。對于適用的方法示范，在主甲板中央套管配置的結果列在下面（見套管的配置評估 3.2.3.2） 。船舶的艙室內部布置優(yōu)化受到前部的主機艙區(qū)域的限制，船尾部分保持固定安排。優(yōu)化程序的邏輯計劃如圖.18 所示。描述前部主機艙的艙室布置的 7 個設計變量被選定來定義設計空間（自由變量） 。約束分艙指數的最小容許值已經被應用。多目標遺傳算法（MOGA）優(yōu)化調度已被選定為實際的優(yōu)化，設計了 42 個隨機產生的初始種群。若干初始設計是根據經驗法則估算出來的，經驗法則建議 “2×變量數目×目標數目”。為定向過零技術 0.5 抽選概率 0.5 突變概率 0.1 的 30 個改進階段的優(yōu)化進程隨后被發(fā)起。這項研究的帕累托設計結果載于圖. 19-21。圖 18 邏輯設計的程序開發(fā)的案例研究。20圖 19 帕累托圖的最大指標分散和最小結構重量的比較。圖 20 帕累托圖的最大指標 A 與最大許用長度的比較21圖 21 帕累托圖的最大長度與最小分艙結構重量比較設計值 最好 的選擇 除了生 成的 帕累托 設計可 能被 多準則 決策技 術[E.STE.CO（2003） ， “modeFrontier 軟件 v.2.5.x ”，h ttp://www.esteco.it/]的效用函數的支持。假設這三個目標平等，主要外殼設計的排列見圖.22。由此產生的最優(yōu)設計（編號 782）綜合布置如圖.23 所示。圖 22 滾裝船權重安排目標22圖 23 船中央套管滾裝船優(yōu)化設計(782 號):統(tǒng)一權重的目標當給予更高的載貨能力優(yōu)先權（許用艙長） ，這被認為更接近潛在船東經典設計的期望，航長度為對船舶的經濟價值產生直接影響，然而結果改變了，要達到的分艙指數剛剛超過了安全法規(guī)，如圖. 24 和圖.25 所示。23圖 24 滾裝船船中分布:非均勻權重的目標。圖 25 船中央套管滾裝船優(yōu)化設計(651 號):統(tǒng)一權重的目標3.2.3.2. 中間和兩側外殼結構的比較。 當對中間和兩側外殼結構進行優(yōu)化，從獲得的結果中比較如圖.26-28 所示。從這些數字可以觀察到兩側外殼的結構可能導致運輸能力的大大增強，并結合這分艙指數的明顯增加。運輸能力的增加主要歸因于主甲板面積更有效地利用。此外，雙舷側的存在，對船舶在受損下的穩(wěn)定性特征產生積極的影響，使較低的船艙區(qū)域同時要滿足增加的獲得的貨艙因數的需求成為可能。從比較中可觀察到關24于結構重量的兩種設計概念之間沒有顯著差異。但是，應該指出的是，此處結構重量計算是根據船舶的各個分段預定義的具體每平方米比重，無論選擇的設計理念如何。在這方面，比較可能會在一定程度上偏向側面的結構，考慮到中間外殼的布置本身可增加結構剛度。在實踐中，較重的橫梁，深縱向大梁和許多柱子都需要支持側面外殼的甲板重量。圖 26圖 2725324.結論圖 28一個多目標優(yōu)化過程已經提出，旨在協(xié)助在初步設計階段幫助滾裝客船的設計師，當研究了水密分艙的內部布局后，考慮到概率破艙穩(wěn)性規(guī)定和效率方面的影響和建設成本。所開發(fā)的程序是基于 modeFrontier，應用船舶設計軟件 NAPA 而產生的一個多目標的和協(xié)同設計優(yōu)化，它是一個著名的海軍和通用建筑設計軟件包。從上述程序應用的結果顯示它作為一種有用且實用的設計工具的可能性，從而使設計師能夠系統(tǒng)的并在很短的時間評價許許多多的可供選擇的設計，并使它服從各種各樣的和船舶的效率和安全性相關的約束和目標函數。所開發(fā)的程序既可被用作船舶內部從無到有的劃分的產生，也可被用作顯著改進現(xiàn)有的設計。它允許設計者獲得更好的設計空間的概覽，并取得了較好的設計目標矛盾的妥協(xié)。為了評價每艘船，在每一船的破艙穩(wěn)性的概率計算方法都需要大量的評估，這導致了用一個 2.4 千兆赫的奔騰 4 個人電腦微處理器計算時間約 3.5分鐘。近幾年，這種計算時間通過使用更多的在可利用的功效強大的電腦可能被顯著的降低，結果顯示最初在 2003 年產生的。上述程序擴展到其他類型船舶直接的出現(xiàn)，尤其是像貨船這樣布置較少的，因為他們可以通過顯著減少分隔設計參數而生成。4. 結論及未來導向本文提供了一個簡要介紹了船舶設計整體優(yōu)化的方法，定義了通用的船舶設計優(yōu)化問題，通過應用遺傳算法和發(fā)達的綜合性船舶設計優(yōu)化過程論證了它的解決方案。這適用于兩個不同的例子，即水動力性能的優(yōu)化和高速船舶的環(huán)境影響和滾裝船舶強生存能力和運輸效率的優(yōu)化。結果表明，多目標數學優(yōu)化方法是非常寶貴的工具，它可大大提高船舶設計質量，即使是采用傳統(tǒng)方法已經優(yōu)化過的船只。可能發(fā)現(xiàn)目前可供參考的進26一步應用程序更接近其它設計問題的解決。據指出，這份名單是在很大程度上僅限于雅典國立大學的船舶設計實驗室的引用并且它確實不全面。一個未來導向上的最后的評論：雖然通用的解決方案接近整體的船舶設計問題似乎很好的確立了。它仍然是研究人員開發(fā)和集成相關的一長串的應用軟件算法，解決了船舶的生命周期設計的多樣性。這是幾十年的長期任務，需要深刻的技能和對物理學和船舶設計的理解，一個領域需要適當的已培訓的造船工程師及相關學科的科學家。27致 謝所提出的財政工作已經部分由歐洲聯(lián)盟支持，F(xiàn)P5 和 FP6 ，項目 FLOWMART，ROROPROB 和 SAFEDOR 。歐洲共同體和作者，不得以任何方式負責或承擔任何此類知識、信息或數據，或有關其后果的責任。作者想要感謝他的合作助手 G.Zaraphonitis教授、E. Boulougouris 博士、E. Eliopoulou 博士和 D. Mourkoyiannis 碩士，感謝他們對目前的工作所作出的貢獻。最后，筆者想表達對他的導師 Horst Nowacki 教授的感謝，在他在柏林技術大學研究和工作期間，感謝他介紹他進入哲學、船舶設計方法和優(yōu)化實踐，而在此同時只有極少數世界各地的科學家正在處理這個在很多方面都非常嚴格的學科系統(tǒng)。28附 錄在文件中使用的重要概念·整體論（希臘，這意味著全，總計）·還原論- 還原：有時解釋為整體論相反·“ ”一個復雜的系統(tǒng)可通過減少它的基本部分來解決·為了適當的考慮復雜系統(tǒng)，整體論和還原論需要被當做是對系統(tǒng)分析的補充。·風險（財務）：“ 量化損失的可能性和低于預期的回報。 ”·風險（一般）：“ 可接受條件下的可量化損失的可能性或比預期更糟糕的條件” ?！ぐ踩嚎梢员欢x為“ 可接受的風險狀態(tài) ”。·耐久性：在工程上，耐久性是一個系統(tǒng)的、次要系統(tǒng)、設備、工藝或過程量化能力在自然或人為干擾期間或之后能夠繼續(xù)運作。船舶的生存能力可能被定義為船舶能在環(huán)境干擾（例如，航道的影響）或者是它的船體發(fā)生損壞或是由碰撞，擱淺或武器的影響（海軍船舶）造成的設備損壞下能繼續(xù)運作?！?yōu)化：“一個系列的許多最好的可行方案進行鑒定” ?！ご霸O計整體優(yōu)化：船舶設計的多目標優(yōu)化要同時考慮到所有（全面地）船舶系統(tǒng)的設計方面和船舶的整個生命周期。-主要設計目標：性能、安全風險的生存能力、成本。-主要設計約束：安全法規(guī)、市場狀況（需求、供應、鋼材、燃料等費用） 、其他大部分特殊情況?！?yōu)化的整體風險：考慮到在新造船的風險投資，在設計中應以整體上優(yōu)化，我們可以解釋整體船舶設計優(yōu)化也作為一種通用的基于風險的船舶設計優(yōu)化，一個具體的盈利預期投資風險最小化，或為一個可接受風險的利益最大化?！か@得的分艙指數 A，是為對一個在統(tǒng)計上可能受損的船舶的生存概率的措施。這應該比所謂的規(guī)定分艙指數 R 少，這是獲得分艙指數 A 的最小值并代表了船舶在條件下、相當大小下和暴露在發(fā)生碰撞危險的船上人數普遍的可接受的（施加在條例中）生存水平。·因此，通過 A 和 R 船舶直接比較，關于它的碰撞下的生存能力、相對安全的水平就可被確立了?！??i i i因子 Pi 代表了在考慮中的（i）分艙或艙組已浸水的概率?？紤]到艙室（i）的合適的水29·該指數一般公式 A 是 ，這里的總和必須在所有水密艙或艙組采取。在此，平的分艙（邊界）的可能性，并且 i 代表現(xiàn)有水平邊界的空間不浸水的概率。上述因素都直接依賴于船舶的幾何構造，同時由有系統(tǒng)收集的受損船舶數據統(tǒng)計分析來決定。因子 S 代表的考慮浸水因素后的生存的艙或艙組生存的可能性，同時也包括水平邊界的可能性。30υ