基于蜂群算法的船舶壓載水調(diào)配優(yōu)化分析

王慶海，盧曉偉，李 超，連小英

應(yīng)用研究

基于蜂群算法的船舶壓載水調(diào)配優(yōu)化分析

王慶海，盧曉偉，李 超，連小英

(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司，青島 266101）

重型起吊船舶作業(yè)過程中會引起船舶傾斜，壓載水系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)全船壓載艙艙室壓載水的注入、排出或調(diào)駁確保船舶穩(wěn)定性?；诖办o力學(xué)和蜂群算法建立了船舶壓載水調(diào)配優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，以船體的穩(wěn)定性為約束條件，壓載水總調(diào)配量為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化研究，通過對目標(biāo)案例進(jìn)行解算分析，該優(yōu)化方案極大的降低了壓載水的調(diào)配量，提高了壓載水調(diào)配效率，該算法通用性強可為船舶自動化壓載系統(tǒng)研制提供理論支持，在保證船舶壓載安全性和穩(wěn)定性的前提下實現(xiàn)船舶壓載自動化。

蜂群算法 船舶工程 壓載水調(diào)配優(yōu)化 目標(biāo)函數(shù) 自動化壓載系統(tǒng)

0 引言

隨著船舶與海洋行業(yè)的快速發(fā)展，重型船舶在海上打撈，海上石油開發(fā)和工程安裝等方面起到了重要作用，起吊船舶壓載水的配載效率和安全性對于其海上作業(yè)的質(zhì)量和效率至關(guān)重要[1]。重型船舶在進(jìn)行海上起吊作業(yè)過程中，船體會發(fā)生橫縱方向的傾斜，壓載水系統(tǒng)能夠通過調(diào)節(jié)各艙室的壓載水量，抵消船舶起吊過程產(chǎn)生的傾覆力矩，保證船舶正常的吃水，確保船舶能夠安全作業(yè)，壓載水高效的調(diào)配對于船舶作業(yè)的安全性和作業(yè)效率具有重要意義[2]。

劉志杰以壓載水調(diào)節(jié)總量為優(yōu)化目標(biāo)，建立了一種壓載水調(diào)配數(shù)學(xué)模型，通過分析，該方案有效減少了壓載時間[3]。潘偉將整個回轉(zhuǎn)角度細(xì)分成若干份，建立了壓載水調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，通過計算單位回轉(zhuǎn)角度變化下的壓載水調(diào)配量來逐步完成起吊作業(yè)，該方式較傳統(tǒng)方式壓載水調(diào)節(jié)量更加均衡且最小[4]。柳春清對海洋起重平臺進(jìn)行研究，根據(jù)平臺不同的作業(yè)工況進(jìn)行方案優(yōu)化，提高了起吊作業(yè)效率，降低了作業(yè)成本[5]。董智慧對壓載水系統(tǒng)節(jié)點處的水頭和流量計算進(jìn)行分析，研究了管損計算方程，實時模擬壓載水系統(tǒng)動態(tài)作業(yè)狀態(tài)，實現(xiàn)人機交互并反饋數(shù)據(jù)，為自動壓載技術(shù)打下基礎(chǔ)[6]。Manzi在原有鉆井平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計了一種能夠進(jìn)行人機交互的壓載水調(diào)撥系統(tǒng)，通過人機交互的實現(xiàn)了壓載水調(diào)配效率得到極大提高[7]。

通過分析國內(nèi)外學(xué)者對船舶壓載水調(diào)配技術(shù)的研究，目前船舶壓載水調(diào)配規(guī)劃數(shù)學(xué)模型深度優(yōu)化和解算算法優(yōu)化研究相對較少，本文對船舶壓載水調(diào)配規(guī)劃數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，通過采取蜂群算法進(jìn)行解算，實現(xiàn)船舶壓載水調(diào)配自動化解算，為船舶自動化壓載系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展提供了一定的理論支持，加快船舶壓載系統(tǒng)數(shù)字化、智能化發(fā)展進(jìn)程。

1 船舶壓載水調(diào)配規(guī)劃數(shù)學(xué)模型

1.1 問題描述

以重型船舶起吊作業(yè)過程中壓載水在各艙室之間的配置為研究背景，各壓載艙室艙容、作業(yè)目標(biāo)質(zhì)量和初始壓載水量已知，船舶起吊重物后重物繞吊臂回轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)角度到目標(biāo)角度過程中，壓載艙NO. 1 BWT(P)，NO. 1 BWT(S)，……NO. n BWT(P)，NO. n BWT(S)之間壓載水進(jìn)行靈活配置，保證船舶的穩(wěn)定性和安全性。

以船舶中各壓載艙室的壓載水高度為優(yōu)化變量，以壓載艙室總的壓載水調(diào)撥量為目標(biāo)函數(shù)，以船舶配置各壓載艙室壓載水過程的穩(wěn)定性為約束條件，建立船舶壓載水調(diào)配規(guī)劃數(shù)學(xué)模型。保證船舶穩(wěn)定性的前提下，用盡可能低的壓載水調(diào)撥量完成起吊任務(wù)。

1.2 約束條件

船舶在起吊作業(yè)過程中，各壓載艙室壓載水的調(diào)配應(yīng)保證船舶船體的穩(wěn)定，約束條件如下：

(2)

其中(1)式表示各壓載艙在調(diào)配前后水位高度不能超過該壓載艙的最高高度；(2)式表示壓載水在各艙室調(diào)配前后壓載水總量保持不變，H，L，D為第個壓載艙室配載完成后的壓載艙水位高度、長度和寬度；(3)式表示船舶作業(yè)過程中質(zhì)心的橫縱坐標(biāo)位置保持不變，始終與初始質(zhì)心保持一致，m,m,m分別為第個壓載艙的壓載水質(zhì)量、吊臂質(zhì)量和起吊貨物質(zhì)量。

1.3 目標(biāo)函數(shù)建立

假設(shè)第個壓載艙室的壓載水水位高度為H，已知各壓載艙室艙容、作業(yè)目標(biāo)質(zhì)量和初始壓載水量，船舶以最低壓載水調(diào)撥量完成起吊任務(wù)，目標(biāo)函數(shù)為：

其中，為海水密度。

2 蜂群算法

2.1 種群的初始化

算法解算過程中的種群由個維解向量組成的矩陣組成，數(shù)學(xué)模型解算起始階段，隨機選取3個變化壓載艙壓載水高度數(shù)值進(jìn)行初始化，根據(jù)式（5）建立矩陣方程可對特定起吊旋轉(zhuǎn)角度下的各壓載艙室高度值進(jìn)行解算，其中各壓載艙高度值應(yīng)在該壓載艙水位的上下限之間，通過計算得出的壓載艙NO. 1 BWT(P)，NO. 1 BWT(S)，……NO. n BWT(P)，NO. n BWT(S)的高度值組成的個維解向量即為初始種群。

其中x,y為第個壓載艙室的質(zhì)心橫縱坐標(biāo)。

2.2 選擇機制

通過輪盤賭的方式對較優(yōu)種群個體進(jìn)行選擇，種群變異選擇跟隨某個較優(yōu)個體的概率通過較優(yōu)個體的適用度值確定，適應(yīng)度值越高，越容易被跟隨[8]。選擇跟隨概率如下式:

2.3 鄰域搜索

根據(jù)適用度值得大小，種群被分為三類：較優(yōu)種群，一般種群，較差種群。

較優(yōu)種群通過(6)式在各自解附近進(jìn)行鄰域搜索，通過鄰域搜索，若新解具有更高的適用度函數(shù)值，則新解將原解替換。鄰域搜索過程中每次僅對隨機選取的某一壓載艙高度進(jìn)行變異搜尋。一般種群會跟隨較優(yōu)種群進(jìn)行鄰域搜索，采取與較優(yōu)種群一樣的鄰域搜索策略。較差種群由于解得適用度函數(shù)值較差，只能重新對解進(jìn)行初始化。

其中k為某較優(yōu)隨機個體，k按照式(6)選擇機制進(jìn)行選擇，ψ為-1到1比例因子，j為個體變異位置。

3 仿真實驗與結(jié)果分析

通過某重型起重船舶為例對本文所提算法進(jìn)行分析，該船舶起吊重物質(zhì)量為300 t，起吊旋轉(zhuǎn)角度為90°，各壓載艙艙深上限為4 m，吊臂的回轉(zhuǎn)中心為(35,0)，吊臂長度為30 m。各壓載艙室已換算為等值長方體壓載艙室，具體的船舶壓載艙布局參數(shù)如圖2所示。

如圖2所示，在起吊起始階段，NO.1 BWT(P)壓載艙水位逐漸下降，減少的壓載水調(diào)配到NO.1 BWT(S)和NO.4 BWT(S)，當(dāng)NO.1 BWT(P)壓載水完全調(diào)配完畢，則從外部環(huán)境壓載入壓載水繼續(xù)進(jìn)行配載，保證完成起吊任務(wù)。

圖2 船舶壓載艙布置

圖3 傳統(tǒng)方案各壓載艙室水位變化曲線

優(yōu)化方案中假設(shè)船舶起吊重物過程中壓載水的總量保持不變，壓載水只在各艙室之間實現(xiàn)調(diào)配,通過對建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算，起吊任務(wù)各轉(zhuǎn)向角度下船舶壓載艙室的水位如表1所示。

通過表1和圖4可以看出，在起吊起始階段，回轉(zhuǎn)角度為0°到30°時，NO.1 BWT(P)和NO.2 BWT(P)壓載艙中水位逐漸減少，NO.1 BWT(P)和NO.2 BWT(P)中壓載水被調(diào)配到NO.1 BWT(S)和NO.2 BWT(S)保證完成起吊任務(wù)；回轉(zhuǎn)角度為30°到50°時，NO.1 BWT(P)和NO.2 BWT(P)中壓載水調(diào)配入NO.1 BWT(S)、NO.2 BWT(S)和NO.4 BWT(S)壓載艙中，直至壓載艙室水位為0；回轉(zhuǎn)角度為50°到80°時，NO.2 BWT(P)、NO.3 BWT(S)、NO.3 BWT(P) 中壓載水調(diào)配入NO.1 BWT(S)、NO.2 BWT(S)和NO.4 BWT(S)中；回轉(zhuǎn)角度為80°到90°時，NO.2 BWT(S)中壓載水被調(diào)配入NO.1 BWT(S)和NO.4 BWT(S)中，通過各個艙室之間的壓載水互相之間調(diào)配完成起吊任務(wù)。

圖4 優(yōu)化方案各壓載艙室水位變化曲線

本次仿真實驗單獨進(jìn)行10次，解算過程以1°為一個階段將規(guī)定轉(zhuǎn)向角度全部解算完畢，通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)船舶壓載水調(diào)配規(guī)劃數(shù)學(xué)模型解算耗時均值為1.46 s，滿足實船作業(yè)。10次仿真實驗壓載水調(diào)配變化總量方差為3.07，算法穩(wěn)定性較強。

表1 壓載艙室水位高度

圖5 船舶壓載水調(diào)配量變化曲線

如圖5，傳統(tǒng)方案和優(yōu)化方案對應(yīng)壓載水調(diào)配量變化曲線可以看出，每次壓載艙室水位變?yōu)?后，壓載水調(diào)配量都會發(fā)生突變，工程作業(yè)過程中要重點關(guān)注該節(jié)，保證起吊作業(yè)在此類節(jié)點附近適當(dāng)降低回轉(zhuǎn)速度，從而與壓載水配載保持同步。通過計算，傳統(tǒng)方式完成起吊作業(yè)需調(diào)配壓載水量為816 t，優(yōu)化方案完成作業(yè)需調(diào)配壓載水量754 t，比傳統(tǒng)方案降低7.56%。若壓載泵流量為500 m3/h，則完成起吊作業(yè)所需壓載水調(diào)配工作，傳統(tǒng)方式耗時約1.59 h，優(yōu)化方案耗時約1.47 h，優(yōu)化方案較傳統(tǒng)方式耗時能節(jié)約7.56%。

4 結(jié)論

通過對船舶壓載水調(diào)配規(guī)劃問題進(jìn)行分析，根據(jù)船舶當(dāng)前的各艙室壓載水質(zhì)心位置進(jìn)行指定作業(yè)任務(wù)的壓載水調(diào)配解算，建立了該問題的數(shù)學(xué)模型，通過設(shè)計蜂群算法對該數(shù)學(xué)模型進(jìn)行解算，并通過多次仿真實驗對比解算模型的可行性。

1）該算法的解算速度和穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方式更好，算法不受船舶壓載艙布局限制，適用性強，能夠滿足不同壓載艙室布局的船舶壓載水調(diào)配規(guī)劃問題的求解。

2）船舶壓載水調(diào)配過程中，在壓載艙室水位歸零位置易發(fā)生壓載水調(diào)配量突變，工程中需格外注意，節(jié)點附近需降低起吊臂回轉(zhuǎn)速度，保證與壓載水調(diào)配同步進(jìn)行，以防事故發(fā)生。

3）本文所提算法可用于船舶自動壓載系統(tǒng)，保證船舶作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和安全性，提高船舶壓載自動化水平和壓載效率。

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Research on optimization of ship ballast water allocation based on bee colony algorithm

Wang Qinghai, Lu Xiaowei, Li Chao, Lian Xiaoying

(SunRui Marine Environment Engineering Co., Ltd., Qingdao 266101, China)

U661.2

A

1003-4862（2022）11-0032-04

2022-05-18

王慶海（1992-），男，碩士，助理工程師

研究方向：船舶壓載水處理及系統(tǒng)優(yōu)化研究E-mail：wangqinghai@sunrui.net