CN111666637A - 一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法 - Google Patents

一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法 Download PDF

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Abstract

一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法：依据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型；根据设备各部件的结构及运动特点分解并分别建立自由空间；针对设备布置优化问题建立数学模型，确定目标函数，在工程知识的作用下确定船舶管系各设备所占据的布局空间位置；利用优化算法和工程规则相结合的方式，规划管路路径求得最优解，完成管路布局；构建船舶管路系统三维实体模型。本文能够有效提高船舶管路系统的设计效率并能较大程度地满足工程约束。

Description

一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法
技术领域
本发明涉及一种船舶管路系统设计方法。特别是涉及一种针对不同管径规格、考虑设备自由空间的基于管路分级的船舶管路路径优化设计方法。
背景技术
管路系统在航空、航天、船舶、汽车等行业的机电产品中广泛存在，这些管路系统以气体、液体等流体作为工作介质，实现机电产品的运行、控制、操纵等功能。在管路系统的布局设计阶段需要综合考虑管路系统的可制造性、稳定性、强度和流速等一系列问题，良好的管路布局设计结果是保证机电产品可靠运行的前提之一。其中，船舶管路集成设计是船舶设计、生产和验收等各个环节的中心性工作，对船舶建造质量和建造周期有举足轻重的作用。但其布局空间范围大、管路系统复杂，布置中又要遵守大量布置规则和约束，并且需要专业人员丰富的设计经验知识，才能获得最优布局效果。随着CAD技术的不断发展，商品化三维CAD软件(如TRIBON、CATIA等)都提供了管路数字化布局功能，可在机械产品的三维数字样机基础上进行管路系统的布局设计。但是，目前CAD系统中的管路布局软件主要采用交互式的布局方法，且局限于管路系统的几何建模层面上，无法根据企业的实际加工能力和功能需求对管路布局结果进行综合优化，在布局设计的效率及优化方面存在很大不足。
管路布局设计的实质是在对布局空间进行有效描述的基础上，利用工程规则、专家经验和优化算法，规划出一条从起始位置到目标位置与障碍物无碰撞的最优管路路径。近年来，现代优化算法的发展推动了管路布局算法研究的进行，采用的优化算法包括遗传算法、粒子群算法、蚁群算法等。但是，当前阶段船舶管路布置算法研究仍不能使自动布置结果完全符合工程实用而不需要人工干预，对自动布置结果的人工验证和修改仍然是必要的设计步骤。
因此，提出一种基于知识的管路布局优化设计方法，为设计人员提供有效的参考，对缩短船舶管路设计周期、提高管路敷设质量具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够构建一个良好的管路布局设计方案的船舶管路布局优化设计方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型；
步骤2：参考设备放样时所需的必要参数，简化设备模型，利用轴平行包围盒法和自由空间建模法的结合，实现设备模型的重构；
步骤3：收集并整理船舶管系设计规范及工程规则等，以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库；
步骤4：分析管系二维原理图，确定设备与管路间的连接关系；
步骤5：分析空间布置图，确定管路设备位置参数，在工程知识的作用下放置设备模型；
步骤6：结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划，利用二次穿越算法、吊桥算法和蚁群算法的结合的管路布局优化设计方法，确定管路是否与设备发生干涉，并将干涉点转化为连接点，规划管路路径得出最优解；
步骤7：依据布局空间参数、设备位置参数、设计规范及工程规则，优化船舶管路布局，构建管系三维模型。
优选的，步骤1是利用智能工程设计软件平台Smart 3D建立船舶管系布局空间的三维模型。
优选的，步骤2所述的对设备模型重构具体步骤如下：
(1)依据是否可以拆卸及维修时需进行的操作状态，将设备分解为若干部件；
(2)分析设备各部件在工作及检修时的运动状态，通过轴平行包围盒法将部件建立成规则几何体；
(3)依据步骤(2)中各部件的结构及其运动特点，建立各部件的自由空间；
(4)将步骤(3)中得到的各部件重新组合，实现设备模型的重构，并建立设备整体的自由空间。
优选的，步骤2所述的建立设备模型的自由空间，包括设备的操作空间、维修空间、拆卸空间及设备部件的运动空间等，其中，操作空间、维修空间和拆卸空间主要用于设备的日常操作、维修与安装等；设备部件的运动空间指的是部件拆卸及安装时所需空间。
根据设备的各部件是否需要进行维修、安装、拆卸等操作，将该设备进行分解；利用体积建模的思想，以及为设备模型各子部件预留维修、保养、拆卸、安装、移动等操作所需空间的方法，考虑在维修等操作过程中，若部件同时进行线性运动和旋转运动，则通过轴平行包围盒法以圆柱体的形式表示该部件结构及其运动空间，若部件仅为线性运动，则通过轴平行包围盒法以规则长方体的形式建立该部件的自由空间；将各子部分的自由空间重组，得到设备整体的简化结构及其自由空间。
优选的，步骤3所述的以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库，过程如下：
(1)确定论域：抽象分解以自然语言形式存在的管路布局约束知识，确定研究对象；
(2)定义谓词：根据研究对象定义谓词符号集，并赋予集合中每个谓词符号确切的含义；
(3)连接谓词：根据管路布局知识的定义，用恰当的谓词连接词将(2)中独立的谓词连接为谓词公式。
优选的，步骤5所述的放置设备模型是，根据机舱空间布置是一个多目标优化问题，利用加权和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，在工程知识库的作用下求得设备最优解。
优选的，步骤6所述结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划有如下过程：
(1)根据管路工程知识库，利用一阶谓词的形式将设备约束规则转化为计算机语言，在优化算法初始阶段完成检测与优化，确定基于工程规则的管系设备最优位置，完成设备模型在三维CAD系统中的放样。
(2)利用适用于自由空间建模的二次穿越算法确定管路与设备是否发生干涉，将管路分为两种结构：L型管路和I型管路，将L型管路转化为I型管路；
(3)通过判断管路穿越设备模型的自由空间的次数来确定二者是否发生干涉，假设穿越次数为N，当N≥2时，则存在干涉现象，从而确定干涉点；
(4)利用吊桥算法通过矩阵转化将干涉点转换为代换点，使得N≤1，开始管路的敷设；
(5)利用管路工程知识库中管路相关工程规则，结合蚁群优化算法对管路布局进行优化；
(6)重复过程(2)、(3)、(4)的操作，直至完成整个管路的敷设。
优选的，在工程知识库的作用下求得设备最优解有如下过程：
(1)利用加权和法将设备布局多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，求得初始解；
(2)提取管系设备位置初始解，将该数据转化为计算机可识别的语言；
(3)根据管路工程知识库，系统自动调用工程知识中的相关规则，分析设备布局方案的合理性，并将评价数据反馈给设计人员，指导设计人员对已有的设备布局方案进行修改和优化。
优选的，所述的确定干涉点是：假设管路穿越设备次数为N，xgmax、xgmin、ygmax、ygmin、zgmax、zgmin分别为管路模型在x、y、z方向上的最大值和最小值，xsmax、xsmin、ysmax、ysmin、zsmax、zsmin分别为设备模型在x、y、z方向上的最大值和最小值。若管路与设备模型处于无接触或连接状态，即为无干涉现象，此时，N≤1。若二者的x、y、z方向均有重叠，则管路模型与设备模型发生干涉，则N≥2，则有：(xgmax≤xsmin∪xgmin≥xsmax)∩(ygmax≤ysmin∪ygmin≥ysmax)∩(zgmax≤zsmin∪zgmin≥zsmax)
优选的，所述的将干涉点转换为代换点是：根据二次穿越算法判断管路的连接点是否在设备模型的自由空间内，若连接点存在其中，即为干涉点，需用自由空间外一点将其代换，产生代换点及代换单元，干涉点与代换点之间生成一段桥段连接，产生连接中间点及连接单元。假设已确定的干涉点坐标为T0(x0,y0,z0,1)，R为单位矢量，是该点的初始变换方向，代换点坐标为T1(x1,y1,z1,1)，代换点距自由空间边界的距离为d，一般取管路直径的倍数，多数情况下取值为0，以使代换点位于设备模型表面。通过转换矩阵A确定代换点的坐标，公式如下：
T1＝T0*A (1)
A为转换矩阵：
Figure BDA0002560353190000031
其中，Dt为沿R方向变换后的坐标：
Figure BDA0002560353190000032
其中，i，-i，j，-j，k，-k对应直角坐标系的轴向，max(xf)、min(xf)、max(yf)、min(yf)、max(zf)、min(zf)分别为x、y、z方向自由空间边界的最大、最小值。
优选的，所述的蚁群优化算法对管路布局进行优化，过程如下：
(1)根据管路工程知识库，系统自动调用工程知识中的相关规则，分析管路设计方案的合理性，并将评价数据反馈给设计人员，指导设计人员对已有设计方案进行修改和优化；
(2)确定一条管路的起点和终点：通过以上两种算法确定管路与设备连接点Ni(i＝1,2,3……)，假定设备1与管路的连接点N1为管路的起点，设备2与管路的连接点N2为该管路的目标点；
(3)将N1、N2分别设定为蚁群进化的起点和目标点；
(4)以N1为起点，若管路直达目标点，则根据蚁群优化算法进行管路路径规划，输出当前最短路径；若不直达，首先利用二次穿越算法和吊桥算法检测管路从起点到目标点之间是否与障碍物相交，并将干涉点转化为连接点，然后利用蚁群优化算法得出管路最优解。
优选的，步骤7是在三维软件平台Smart 3D中构建管路的三维实体模型，实现布局结果的可视化。
本发明的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，根据设备各部件的运动状态实现了管系设备的自由空间重构，利用提出的工程规则嵌入优化算法为设计人员提供指导，得到合理的布局方案，对于提高船舶管系的设计效率、改善设计效果具有重要意义。
附图说明
图1是本发明船舶管路布局优化设计方法流程图；
图2是设备模型重构过程示意图；
图3是管路布局工程规则知识库构建流程图；
图4是干涉点转换方法示意图；
图5是基于知识的管路布局优化算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，包括如下步骤：
步骤1：根据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型，即管路布局原理图涉及到的船舶设备、阀门等三维实体模型，是利用智能工程设计软件平台Smart 3D建立船舶管系布局空间的三维模型。
步骤2：设备模型重构。重构目的是对设备进行进一步的处理，为简化空间参数设置、获得良好布局效果做铺垫。所述的对设备模型重构具体步骤如下：
参考设备放样时所需的必要参数，简化设备模型，利用轴平行包围盒法和自由空间建模法的结合，实现设备模型及其自由空间的重构；
(1)依据是否可以拆卸及维修时需进行的操作状态，将设备分解为若干部件；
(2)分析设备各部件的在维修、拆卸等时的运动状态，通过轴平行包围盒法将部件建立成规则几何体；
(3)依据步骤(2)中各部件的结构及其运动特点，建立各部件的自由空间；
(4)将步骤(3)中得到的各部件重新组合，实现设备模型的重构，并建立设备整体的自由空间。
所述的建立设备模型的自由空间，包括设备的操作空间、维修空间、拆卸空间及设备部件的运动空间等，其中，操作空间、维修空间和拆卸空间主要用于设备的日常操作、维修与安装等；设备部件的运动空间指的是部件拆卸及安装时所需空间。
根据设备的各部件是否需要进行维修、安装、拆卸等操作，将该设备进行分解；利用体积建模的思想，以及为设备模型各子部件预留维修、保养、拆卸、安装、移动等操作所需空间的方法，考虑在维修等操作过程中，若部件同时进行线性运动和旋转运动，则通过轴平行包围盒法以圆柱体的形式表示该部件结构及其运动空间，若部件仅为线性运动，则通过轴平行包围盒法以规则长方体的形式建立该部件的自由空间；将各子部分的自由空间重组，得到设备整体的简化结构及其自由空间。
图2是设备模型重构过程示意图，首先，建立立式泵的三维实体模型(图2a)，然后利用所述设备简化方法对其进行简化得到简化模型(图2b)，最后，鉴于泵需要一定的操作空间，因此对操作空间进行适当的扩张，利用所述设备自由空间建立方法得到立式泵的自由空间模型图(图2c)。
步骤3：收集并整理船舶管系设计规范及工程规则等，以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库，图4是管路布局工程规则知识库构建流程图，具体过程如下：
(1)确定论域：抽象分解以自然语言形式存在的管路布局约束知识，确定研究对象；
表1部分船舶管系设计规则列表
Figure BDA0002560353190000051
(2)定义谓词：根据研究对象定义谓词符号集，并赋予集合中每个谓词符号确切的含义；
表2规则知识谓词符号列表
Figure BDA0002560353190000061
(3)连接谓词：根据管路布局知识的定义，用恰当的谓词连接词将(2)中独立的谓词连接为谓词公式，如下：
1.bend_radius(P,R)←bend_radius(R)∧pipe(P)
2.thickness(P,Ts)←thickness(Ts)∧pipe(P)
3.pressure(P,Pre)←pressure(Pre)∧pipe(P)
4.allowable_pressure(P,[Pre])←allowable_pressure([Pre])∧pipe(P)
4.temperature(P,Tm)←temperature(Tm)∧pipe(P)
5.pipe_length(P,L)←length(L)∧pipe(P)
6.bending_allowance(P,Ab)←bending_allowance(Ab)∧pipe(P)
7.corrosion_allowance(P,Ac)←corrosion_allowance(Ac)∧pipe(P)
8.←C≥Cmin∧min_clearance(Cmin)∧clearance(P1,P2,C)
9.←Pre≤[Pre]∧allowable_pressure(P,[Pre])∧pressure(Pre)
10.←Ts≥p*D/(2[σ]e+p)+b+c∧thickness(P,Ts)∧bending_allowance(P,Ab)∧corrosion_allowance(P,Ac)
步骤4：分析管系二维原理图，确定设备与管路间的连接关系；
利用二维智能设计软件SmartPlant P&ID完成管系二维原理图的设计，并赋予其数据属性，然后通过Smart Foundation平台加载智能PID图的XML数据至Smart 3D系统中，完成所需设备、管部件及管路的数据输入。
步骤5：分析空间布置图，确定管路设备位置参数，在工程知识的作用下放置设备模型；
所述的确定管路设备位置参数是，根据机舱空间布置是一个多目标优化问题，利用加权和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数并通过调用构建的管路布局工程知识库，分析设备位置的合理性，在工程知识库的作用下求得设备最优解，完成设备模型在三维空间的放样，过程如下：
(1)利用加权和法将设备布局多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，求得初始解；
(2)提取管系设备位置初始解，将该数据转化为计算机可识别的语言；
(3)根据构建的管路工程知识库，系统自动调用工程知识中的相关规则，分析设备布局方案的合理性，并将评价数据反馈给设计人员，指导设计人员对已有的设备布局方案进行修改和优化。
图3是干涉点转换方法示意图，首先利用二次穿越算法判断是否发生干涉，并确定干涉点(左边图)，然后利用吊桥算法将该干涉点转换为连接点(右边图)，具体过程如下：
所述的确定干涉点是：假设管路穿越设备次数为N，xpmax、xpmin、ypmax、ypmin、zpmax、zpmin分别为管路模型在x、y、z方向上的最大值和最小值，xemax、xemin、yemax、yemin、zemax、zemin分别为设备模型在x、y、z方向上的最大值和最小值。若管路与设备模型处于无接触或连接状态，即为无干涉现象，此时，N≤1。若二者的x、y、z方向均有重叠，则管路模型与设备模型发生干涉，则N≥2，则有：(xpmax≤xemin∪xpmin≥xemax)∩(ypmax≤yemin∪ypmin≥yemax)∩(zpmax≤zemin∪zpmin≥zemax)
所述的将干涉点转换为代换点是：根据二次穿越算法判断管路的连接点是否在设备模型的自由空间内，若连接点存在其中，即为干涉点，需用自由空间外一点将其代换，产生代换点及代换单元，干涉点与代换点之间生成一段桥段连接，产生连接中间点及连接单元。假设已确定的干涉点坐标为T0(x0,y0,z0,1)，R为单位矢量，是该点的初始变换方向，代换点坐标为T1(x1,y1,z1,1)，代换点距自由空间边界的距离为d，一般取管路直径的倍数，多数情况下取值为0，以使代换点位于设备模型表面。通过转换矩阵A确定代换点的坐标，公式如下：
T1＝T0*A (4)
A为转换矩阵：
Figure BDA0002560353190000071
其中，Dt为沿R方向变换后的坐标：
Figure BDA0002560353190000081
其中，i，-i，j，-j，k，-k对应直角坐标系的轴向，max(xf)、min(xf)、max(yf)、min(yf)、max(zf)、min(zf)分别为x、y、z方向自由空间边界的最大、最小值。
步骤6：结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划，图5是基于知识的管路布局优化算法流程图，首先将收集整理管路布局工程知识库加载到Smart 3D系统规则库中，利用获取的二维数据开始管系设备的放样，调用设备工程知识判断是否符合工程规则，若不符合，则通过系统的提示与推荐值进行调整，再次判断；若符合，则进行设备的三位放样。然后系统自动调用管路布局知识库，根据加载的二维数据分析是否符合管路工程约束，若不符合，则根据系统的提示与推荐值调整属性，再次判断；若符合，则开始管路布局。在管路布局过程中，判断是否发生干涉，若发生，则依次通过二次穿越算法和吊桥算法完成干涉点的转换，若不发生，则利用优化蚁群算法求得管路路径的最优解，完成船舶管系布局，具体过程如下：
(1)根据构建的管路工程知识库，利用一阶谓词的形式将设备约束规则转化为计算机语言，在优化算法初始阶段完成检测与优化，确定基于工程规则的管系设备最优位置，完成设备模型在三维CAD系统中的放样。
(2)利用适用于自由空间建模的二次穿越算法确定管路与设备是否发生干涉，将管路分为两种结构：L型管路和I型管路，将L型管路转化为I型管路；
(3)通过判断管路穿越设备模型的自由空间的次数来确定二者是否发生干涉，假设穿越次数为N，当N≥2时，则存在干涉现象，从而确定干涉点；
(4)利用吊桥算法通过矩阵转化将干涉点转换为代换点，使得N≤1，开始管路的敷设；
(5)利用管路工程知识库中管路相关工程规则，结合蚁群优化算法对管路布局进行优化；
(6)确定一条管路的起点和终点：通过以上两种算法确定管路与设备连接点Ni(i＝1,2,3……)，假定设备1与管路的连接点N1为管路的起点，设备2与管路的连接点N2为该管路的目标点；
(7)将N1、N2分别设定为蚁群进化的起点和目标点；
(8)以N1为起点，若管路直达目标点，则根据蚁群优化算法进行管路路径规划，输出当前最短路径；若不直达，首先利用二次穿越算法和吊桥算法检测管路从起点到目标点之间是否与障碍物相交，并将干涉点转化为连接点，然后利用蚁群优化算法得出管路最优解。
(9)重复过程(6)、(7)、(8)的操作，直至完成整个管路的敷设。
本发明的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，根据设备各部件的运动状态实现了管系设备的自由空间重构，利用提出的工程规则嵌入优化算法为设计人员提供指导，得到合理的布局方案，对于提高船舶管系的设计效率、改善设计效果具有重要意义。

Claims (10)

1.一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：根据船体结构及机舱布置空间特点及参数，建立管路布局三维空间模型；
步骤2：参考设备的空间位置、属性特征等必要参数，简化设备模型，利用轴平行包围盒法和自由空间建模法的结合，实现设备模型的重构；
步骤3：收集并整理船舶管系设计规范及工程规则等，以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库；
步骤4：分析管系二维原理图，确定设备与管路间的连接关系；
步骤5：分析空间布置图，确定管路设备位置参数，在工程知识的作用下放置设备模型；
步骤6：结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划，利用二次穿越算法、吊桥算法和蚁群算法的结合的管路布局优化设计方法，确定管路是否与设备发生干涉，并将干涉点转化为连接点，规划管路路径得出最优解；
步骤7：依据布局空间参数、设备位置参数、设计规范及工程规则，优化船舶管路布局，构建管系三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤1中是利用智能工程设计软件平台Smart 3D建立船舶管系布局空间的三维模型。
3.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤2所述的对设备模型重构具体步骤如下：
(1)依据是否可以拆卸及维修时需进行的操作状态，将设备分解为若干部件；
(2)分析设备各部件在运行及检修时的运动状态，通过轴平行包围盒法将部件建立成规则几何体；
(3)依据步骤(2)中各部件的结构及其运动特点，建立各部件的自由空间；
(4)将步骤(3)中得到的各部件重新组合，实现设备模型的重构，并建立设备整体的自由空间。
4.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤3所述的以一阶谓词的形式表示为计算机可识别的语言，构建管路工程知识库，过程如下：
(1)确定论域：抽象分解以自然语言形式存在的管路布局约束知识，确定研究对象；
(2)定义谓词：根据研究对象定义谓词符号集，并赋予集合中每个谓词符号确切的含义；
(3)连接谓词：根据管路布局知识的定义，用恰当的谓词连接词将(2)中独立的谓词连接为谓词公式。
5.根据权利要求1所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤5所述的放置设备模型是，根据机舱空间布置是一个多目标优化问题，利用加权和法将多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，在工程知识库的作用下求得设备最优解。
6.根据权利要求4所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，步骤6所述结合管路工程规则知识库，利用优化算法进行管路布局规划有如下过程：
(1)利用一阶谓词的形式将设备约束规则转化为计算机语言，在优化算法初始阶段完成检测与优化，确定基于工程规则的管系设备最优位置，完成设备模型在三维CAD系统中的放样。
(2)利用适用于自由空间建模的二次穿越算法确定管路与设备是否发生干涉，将管路分为两种结构：L型管路和I型管路，将L型管路转化为I型管路；
(3)通过判断管路穿越设备模型的自由空间的次数来确定二者是否发生干涉，假设穿越次数为N，当N≥2时，则存在干涉现象，从而确定干涉点；
(4)利用吊桥算法通过矩阵转化将干涉点转换为代换点，使得N≤1，开始管路的敷设；
(5)利用管路工程知识库中管路相关工程规则，结合蚁群优化算法对管路布局进行优化；
(6)重复过程(2)、(3)、(4)的操作，直至完成整个管路的敷设。
7.根据权利要求5所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，所述的在工程知识库的作用下求得设备最优解有如下过程：
(1)利用加权和法将设备布局多目标优化问题转化为单目标优化问题，并建立数学模型，确定目标函数，求得初始解；
(2)提取管系设备位置初始解，将该数据转化为计算机可识别的语言；
(3)根据管路工程知识库，系统自动调用工程知识中的相关规则，分析设备布局方案的合理性，并将评价数据反馈给设计人员，指导设计人员对已有的设备布局方案进行修改和优化。
8.根据权利要求6所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，所述的确定干涉点是：假设管路穿越设备次数为N，xgmax、xgmin、ygmax、ygmin、zgmax、zgmin分别为管路模型在x、y、z方向上的最大值和最小值，xsmax、xsmin、ysmax、ysmin、zsmax、zsmin分别为设备模型在x、y、z方向上的最大值和最小值。若管路与设备模型处于无接触或连接状态，即为无干涉现象，此时，N≤1。若二者的x、y、z方向均有重叠，则管路模型与设备模型发生干涉，则N≥2，则有：
(xgmax≤xsmin∪xgmin≥xsmax)∩(ygmax≤ysmin∪ygmin≥ysmax)∩(zgmax≤zsmin∪zgmin≥zsmax)。
9.根据权利要求6所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，所述的将干涉点转换为代换点是：根据二次穿越算法判断管路的连接点是否在设备模型的自由空间内，若连接点存在其中，即为干涉点，需用自由空间外一点将其代换，产生代换点及代换单元，干涉点与代换点之间生成一段桥段连接，产生连接中间点及连接单元。假设已确定的干涉点坐标为T0(x0,y0,z0,1)，R为单位矢量，是该点的初始变换方向，代换点坐标为T1(x1,y1,z1,1)，代换点距自由空间边界的距离为d，一般取管路直径的倍数，多数情况下取值为0，以使代换点位于设备模型表面。通过转换矩阵A确定代换点的坐标，公式如下：
T1＝T0*A
A为转换矩阵：
Figure FDA0002560353180000021
其中，Dt为沿R方向变换后的坐标：
Figure FDA0002560353180000031
其中，i，-i，j，-j，k，-k对应直角坐标系的轴向，max(xf)、min(xf)、max(yf)、min(yf)、max(zf)、min(zf)分别为x、y、z方向自由空间边界的最大、最小值。
10.根据权利要求6所述的一种基于知识的船舶管路布局优化设计方法，其特征在于，所述的蚁群优化算法对管路布局进行优化，过程如下：
(1)根据管路工程知识库，系统自动调用工程知识中的相关规则，分析管路设计方案的合理性，并将评价数据反馈给设计人员，指导设计人员对已有设计方案进行修改和优化。
(2)确定一条管路的起点和终点：通过以上两种算法确定管路与设备连接点Ni(i＝1,2,3……)，假定设备1与管路的连接点N1为管路的起点，设备2与管路的连接点N2为该管路的目标点；
(3)将N1、N2分别设定为蚁群进化的起点和目标点；
(4)以N1为起点，若管路直达目标点，则根据蚁群优化算法进行管路路径规划，输出当前最短路径；若不直达，首先利用二次穿越算法和吊桥算法检测管路从起点到目标点之间是否与障碍物相交，并将干涉点转化为连接点，然后利用蚁群优化算法得出管路最优解。
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