基于主尺度的深海采矿船多目标优化

2018/4 船舶标准化工程师 29 造船技术研究 Shipbuilding Technology Research基于主尺度的深海采矿船多目标优化 王奎民1，宋卫国2，刘 峰2 （1. 海军驻锦州地区军事代表室，辽宁锦州 121000；2. 哈尔滨工程大学 船舶工程学院，哈尔滨 150001） 摘 要：针对深海采矿船早期设计阶段的方案生成问题，结合采矿船的指标要求、船型特点和功能需求，选择船体空船重量最小、货舱利用率最大、船体横摇周期和纵摇周期最大为优化目标，建立适用于深海采矿船主尺度优化的多目标数学模型，采用NSGA-II算法进行迭代求解。结果表明，该方法快捷可靠，优化模型合理，短时间内生成大量备选方案，在船舶设计中具有较高可行性，为最终设计方案的确定提供方案选择基础。 关键词：深海采矿船；NSGA-II；主尺度；多目标优化 中图分类号：U662 文献标志码：A DOI：10.14141/j.31-1981.2018.04.005 Multi-objective Optimization of Deep-sea Mining Vessel Based on Principal Dimensions WANG Kuimin1, SONG Weiguo2, LIU Feng2 (1. Navy Military Representative Office in Jinzhou, Liaoning Jinzhou 121000, China; 2. College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China) Abstract: In view of the problem of the early stage of the design of the deep-sea mining vessel, combined with the requirements, the characteristics and the demand of the ship, taking the minimum weight of the empty vessel, the maximum utilization rate of the cargo hold, the maximum of rolling cycle and pitching cycle as the optimizing object, a multi-objective mathematical model for the optimization of the principal dimensions of deep-sea mining is established. The iterative method is solved by NSGA-II algorithm. The results show that the method is fast and reliable. The optimization model is reasonable and a large number of alternatives are generated in a short time, which is feasible in the ship design and provides the basis for the selection of the final design scheme. Key words: deep-sea mining vessel; NSGA-II; principal dimensions; multi-objective optimization 0 引言 船舶设计优化是一个参数相互影响、设计综合考虑、优化逐步完善、目标动态寻优的复杂工程。船舶主尺度是描述船舶几何特性的基本数据，对船舶的技术指标、经济性能、航行安全、作业条件有重要影响。船舶主尺度的各技术参数相互依存、相互制约。从研究形式来说，主尺度优化问题可以归结为，有约束非线性多目标优化问题。在船舶设计中，合理的主尺度方案是保证船舶优良性能的前提条件和重要基础。主尺度方案的生成是多个符合船舶设计任务书要求的设计要素的组合。在船舶主尺度优化设计中，传统的多目标优化算法往往借助权重将多目标转化为单目标进行求解，存在求解效率低、权重取值敏感度高、数学模型整合难度大等问 作者简介：王奎民（1971—），男，高级工程师。研究方向：舰艇总体设计与管理。

30 船舶标准化工程师 2018/4 题[1-4]。现在一般借助智能优化算法完成求解，模拟退火法的收敛精度不高，迭代计算耗时长[5-6]；粒子群算法的全局搜索能力不高，易陷入局部最优解[7-8]。 本文在建立深海采矿船主尺度优化模型的基础上，采用NSGA-II算法对新型采矿船的主尺度要素进行寻优计算，为后续的设计计算提供总体最优的方案集合。 1 NSGA-II算法概述 遗传算法（Genetic Algorithm，GA）是以进化论和遗传学为理论依据，利用计算机模拟生物进化过程形成的随机搜索优化方法。其对优化问题没有太多数学要求，在搜索解的过程中不需要了解问题的内在性质，可以处理任意形式的目标函数和约束；其进化算子的各态历经性使得算法能有效地进行概率意义下的全局搜索；对各种特殊问题可以提供较大的灵活性来混合启发式，保证算法的有效性。 改进型非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II，NSGA-II）是在执行“选择”算子前依据个体之间存在的支配关系而进行分层，这是其与标准遗传算法的区别。NSGA-II提出了快速非支配排序法、拥挤度估计、精英保存策略，将经过选择、交叉、变异产生的子代种群与父代合并，二者共同竞争产生下一代。NSGA-II降低了算法计算时间复杂度、提高了种群进化水平、保证了算法过程中的全局搜索性[9]。 该算法中的控制参数主要有：编码长度L、群体规模n、交叉概率Pc，、变异概率Pm、终止代数。其算法流程见图1。 2 深海采矿船特点 深海采矿过程可简单概括为采集海底矿物、运送矿浆到海面、矿石脱浆脱水、矿石运输至内陆4个部分[10-11]。深海采矿船技术复杂、功能较多、要求较高，是深海采矿作业极其重要的水面支持系统，为设备提供作业支撑，为结核矿石提供矿浆脱浆脱水、过滤筛选、储存转移，为人员提供居住生活、工作支持。 深海采矿船功能包括4类功能：1）航行功能。从母港自主航行于作业区域，或在作业区域间自主 图1 NSGA-II流程图 航行。配置全球导航定位系统和动力定位系统，保障良好的操纵与回转性能。2）作业功能。配置采矿作业、保障设备，实现深海采矿所有需求。3）保障功能。满足长期作业的设备维护保障需求。深海采矿作业地点远离内陆，远海定位作业时间长，长期作业过程中的设备维护保养需要在采矿船上完成。4）居住功能。拥有小型客船的舒适居住功能。采矿作业人员一般达100多人，工作母船必须满足船员的居住、生活、作业需要，保证较为舒适的工作环境。此外还应配置水文测量系统。 其设计建造难度高、风险大、投资多，具有作业设备多、稳性要求高、动力定位性能好、升沉摇荡幅度小等技术特点，属于高成本、高技术集成度的特殊船舶。其船型设计开发相关研究较少，目前除在建的一艘采矿船外，尚无较为深入、系统的船型开发。 在建的鹦鹉螺采矿船，根据资料其4个矿石货舱的舱容总计为40 800 m3，但舱室中硫化矿储存量约45 000 t / 5 150 m3。考虑其载重量，该船舱容利用率不足30%，存在巨大浪费。但采矿船作业时需要装备布放区板面积大、造此外，停泊不为矛盾，前提下甲板大缩小主典型剖 3 数在开展主变量进括优化3.1 优优化研究应的尺Bw、吃石装载3.2 优针船体空最优等采矿船3.2.1 船设备W备较多，其甲板区域、生活区域积提出较大要求造价高，在一定该船较大的主不便。 为解决较大甲板在保证深海采下，本文在相关大外展型式，提主尺度，降低船剖面如图2所示图2 新数学模型 在固定灵便型采主尺度优化。即进行优化。在多化变量、优化目优化变量 优化变量取深海究中的主尺度设尺度变量，即：吃水d、型深载量WC。 优化目标 针对深海采矿船空船重量最小、等3个方面的标船的主尺度进行船体空船重量船体空船重量t、轮机设备板设备布放密度域、矿石处理区求。鹦鹉螺采矿定程度上限制了主尺度，其对港板面积与较低舱采矿作业功能需关研究基金的基提出新的深海采船体重量，提高示。 新型采矿船典型采矿船作业甲板即对除作业甲板多目标优化中，目标和约束条件海采矿船的主尺设计变量为矿石：设计水线长D、方形系数船的船型特点及货舱利用率最标准作为优化目行寻优。 量最小 WL主要包括船Wm。该目标可度大，如采矿设区域等，对船舶矿船船体结构重了其大规模发展港口要求也较高舱容利用率之间需求与技术要求基础上，借鉴航采矿船设计船型高舱室利用率型剖面 板面积的情况下板外的主尺度设，数学模型一般件3部分。 尺度要素，本文石最大装载量时长Lw、设计水线CB、排水量Δ及性能要求，选最大、船体耐波目标，进而对深船体钢料Wh、舾可表示为 设备舶甲重量展。高，间的求的航母型，。其下，设计般包文优时对线宽，矿选择波性深海舾装重量公式式中虑到1.173.2.其无充分记货Vn。式中层底文计式中0.403.2.横摇θT个采耐波提。全，TZ、忽略造船Shi()1minfX在本文优化设量取12 000 t，式为 h0.2376W=中：k1为系数，到船体甲板外展7。 2 货舱利用率由于矿石密度无法填满全部货分提高货舱利用货舱利用率为该目标表示为()2maxfX货舱实有容积(aaCH0.950.795VKMLKa=⎧⎪=⎨⎪=⎩中：LCH为货舱底高度，本文计计算取2 m。结核矿石所需nCc/VWk=中：结核矿石0 m3/t，容舱系数3 船体横摇、深海采矿船在摇、纵摇和垂ZT≈。深海采矿采矿系统的安全波性是保证深海。深海采矿船的因此在深海采Tϕ在一定范围1）横摇周期采用杜埃尔公略附加质量惯性船技术研究ipbuilding TLminmiW==设计中，主机即Wt+Wm=12(1.7240.3861ww6kLB对于双壳双底展结构对船体重率最大 度较大，按照相货舱，因此在装用率有利于提高EV，货舱实有为 VmaxmE==积Va估算： )(aawBd250.098MBbDCh−−舱区长度，本文计算取2 m，需容积Vn估算sk（锰结核、硫化数（去掉舱内构、纵摇周期最大在耐波性的设计垂荡，而垂荡、矿船作业时，船全稳定运行有显海采矿作业安全的横摇、纵摇越采矿船主尺度优围内达到最大。期最大 公式，采矿船在性矩： 2018/4 船舶究 Technology(tminWW++、推进器、舾2 000。船体钢)0.02820.0B/dDC底船为1.16~1.重量的影响，相关装载规范装载量一定的情高其经济效益有容积Va，所namaxVV⎛⎞⎜⎟⎝⎠ )d0.455h−+ 文取0.56Lw；b为双舷侧厚算为 化物）积载因数构件体积）ks大 计方面，本文纵摇周期近似船体的摇荡幅显著影响，其全高效作业的越缓和，其作优化过程中，要。 在静水中自由舶标准化工程师gy Research)hW (1) 舾装设备钢料估算0032 (2) .45，考本文取范要求，情况下，益。本文所需容积(3) (4) hd为双厚度，本(5) 数kc取取0.96。 文考虑其似相等幅值对整其优良的的重要前作业越安要求Tθ、由横摇，师 31 h