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船舶压载水置换优化设计方法研究

陈静  
【摘要】:船舶压载水管理是IMO公约强制性要求,其方法的选择是船舶设计中的关键问题之一。若采用顺序法这种海上压载水置换方法,置换方案的设计至关重要,它不仅直接决定置换时的船舶安全性,而且影响着船舶的完整稳性、结构强度、建造和营运费用等诸多方面。本文研究的压载水置换设计问题专指顺序法置换。顺序法又被称为“排空注入法”,是指先将压载舱内的水排出,再注入洁净的压载水的过程。 顺序法压载水置换方案的求解,属于带有多个非线性约束的多目标组合优化问题,当变量组合数目较多时,存在组合爆炸,并具有计算复杂性。目前置换方案的求解,多采用人工经验法,不仅设计速度慢、周期长和反复修改的工作量大,而且不能保证能求解出可行方案,对于变量组合数目较多,其中存在的可行方案数目也较多的问题,不易求得其中的优秀解。落后的设计方法阻碍了顺序法这一快速、高效和经济性较好的置换方法的推广应用。因此,针对这一问题,论文从设计出新的置换策略和新的置换方案求解方法入手,针对不同的船型,研究有针对性的置换方案求解方法。研究目标为: (1)对现有船舶,实现最优置换方案的自动、快速和高效的求解; (2)对新设计船舶,希望能找到可提高置换时船舶性能(指浮态、总纵强度和驾驶室可视范围等,以下简称为“置换性能”)的设计方法。 主要研究内容及创新点为: (1)针对压载水舱数目较多、每个舱内水量占总压载水量比例较小的船型(如散货船等),其变量组合数目太多,采用现有方法不易求得可行解和优秀解的难题,提出了一种新的多舱同时对称置换策略与多目标优化算法相结合的求解方法。综合考虑压载水置换过程中的多种安全指标要求,建立了可变舱数多舱同时对称置换问题的多目标优化数学模型,并引入基于Pareto解集的多目标遗传算法NSGA-Ⅱ进行求解。在算法中,采用基于Deb非支配排序的Pareto解集多目标优化策略,避免了传统多目标罚函数法将多目标转化为单目标时权重值和归一化系数值难以设定的问题。以一艘176,000DWT双壳散货船的压载水置换问题为例进行数值实验,分别对两对舱、三对舱、和四对舱同时置换策略进行了研究与比较。数值实验的结果证明了该方法具有快速性、精确性、有效性和工程实用价值。 (2)针对压载水舱数目较少、每个舱内水量占总压载水量比例较大的船型(如油船等),采用传统的人工经验法难以求得可行解,采用多舱同时对称置换策略也不太适用的难题,提出了单舱对角线置换策略与多目标优化算法相结合的设计方法。此方法不仅可以求得现有方法求不到的可行解,而且实现了优化解的自动快速求解。本文建立了对角线置换的多目标优化数学模型,研究了求解该模型的多目标遗传算法。以一艘50,000DWT双壳油船的置换设计为例进行了数值实验。实验结果证明,采用该方法可以求得现有方法求不到的可行解,由此可避免使用溢流法和稀释法,从而可提高置换速度、降低建造和营运成本。 (3)针对很多现有船舶不存在顺序法置换可行方案的问题,本文提出了一种基于最佳压载水置换性能的主船体水密分隔布置方法。好的主船体分舱布置不仅可以提高船舶的置换性能,还可以使压载水置换对结构强度的要求最小,从而有可能减小结构尺寸、降低结构重量。采用本文方法,可以在分舱布置阶段就解决置换方案求解难的问题,不仅可以避免设计反复、减少设计人员的工作量,还可以使设计出的船舶避免使用溢流法和稀释法,从而可提高置换速度、降低建造和营运成本。主船体内部的水密分割布置设计属于带有多种非线性约束的多目标组合优化问题,本文以压载水纵向舱长为设计变量,以使置换性能最佳为目标、以置换满足安全要求为约束,建立了数学优化模型,研究了求解此数学模型的多目标遗传算法。并以一艘50,000DWT双壳油船的主船体分舱设计为例进行了数值实验。实验结果表明,采用该方法可以快速有效地提供一组具有最佳置换性能的分舱方案供设计人员参考。 (4)提出了基于AutoCAD软件支持的压载水置换优化设计系统总体框架,并对其中若干关键实现技术和基本设计思想进行了研究。在充分分析压载水置换优化设计系统的功能需求的基础上,提出了系统总体处理流程,构建了系统内部结构框架,并分析了数据流传输等问题。 本文以船舶顺序法压载水置换设计为研究背景,提出了针对不同类型的船舶,采取不同的置换策略,并结合多目标优化算法来求解最优置换方案的设计方法,以及基于置换性能的主船体分舱多目标优化设计方法,期望该研究有助于压载水置换设计理论方法的研究进展,有助于船舶压载水顺序法置换优化设计实际应用的进展。


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