JP4030062B2

JP4030062B2 - 船舶設計検討システム

Info

Publication number: JP4030062B2
Application number: JP2004338956A
Authority: JP
Inventors: 和彦松岡; 義雄田中; ジェノドカハルディン
Original assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Current assignee: Shin Kurushima Dockyard Co Ltd
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2024-11-24
Also published as: JP2006146779A

Description

本発明は、船舶設計を行うにあたって船舶構造パラメータをパーソナルコンピュータに与え、当該パーソナルコンピュータでＳｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論に基づいた最適化法を当該船舶構造パラメータに適用することにより船舶設計作業の効率化と品質向上を図ったる船舶設計検討システムに関するものである。

従来より船舶の設計作業は、電子計算機化が進んでいる技術分野であった。この船舶の設計作業は、従前は、大型電子計算機やワークステーションを用いて行っていた。
しかしながら、近年のコンピュータ技術の発達と低価格化に伴って、パーソナルコンピュータ（以下、「パソコン」という）レベルで行えるように変化してきている。このような変化に伴って、設計者は、従前には専任者が行っていた電子計算機作業を自ら行わなければならなくなっており、設計検討を行いながら、部材計算と作図作業を同時に行うことは甚だ負担である状況にあった。。
また、近年、韓国ならびに中国における造船業の躍進は目ざましいものがあり、日本の造船をとりまく環境は厳しさを増している。そのため、設計者には、船価と性能の両面から、幾つもの試し設計を行い、十分に設計を比較検討することが求められている。当然、この比較検討は、設計初期の段階で短時間かつ容易に行われなければならない。

ところで、船舶設計において、船殻構造の最適化は、近年、重要な課題となっており、盛んに研究も行われている（非特許文献１）。その研究の傾向は、近年のコンピュータ技術の発達に伴って、多数の設計変数を組み合わせて設計のシミュレーションを行い、それらの多数の設計案を比較検討することにより、コンピュータが最適案を判断して設計者に結果を示すものが多くなっている。いずれの方法も、コンピュータを積極的に活用することにより、全検索的かつ網羅的に、多数の決定案の比較検討を可能にしている。

それらの最適化手法は、例えば有限要素法を用いた構造解析法と各種非線型計画法を結合した手法（非特許文献２）、遺伝的アルゴリズム（非特許文献３）、ニューラルネットワークを用いた探索的な最適化法（非特許文献４）などがあげられる。これらの手法で、特に有限要素法を用いた手法は、その汎用性および厳密解を得られる点で優れた方法であり、遺伝的アルゴリズムやニューラルネットワークを用いた探索的な最適化手法は、広域的な最適解が得られる長所がある。
信川寿，周国強，「船体構造の最適化について」，１９９６年、「構造ワークシップ」，船舶構造設計における製品とプロセスの最適化、西武造船会技術研究会構造部会、（１９９６年）ｐｐ．６９〜１２５鈴木克幸，菊地昇，大坪英臣，「マイクロストラクチャーを用いた平板の最適形状レイアイト設計」，日本造船学会論文集，第１７１号（１９９２年），ｐｐ．２５１〜２５７岡田哲夫，根木勲，「遺伝的アルゴリズムによる船体構造最適設計」，日本造船学会論文集，第１７１号（１９９２年）岸光男，有馬正和，前田朝樹，「神経回路モデルによる船体中央横断面の離散的最適設計」，関西造船協会誌，第２１４号（１９９０年），ｐｐ．１１〜１７

しかしながら、これらの手法を用いて大規模な構造物の最適化を考える場合には、設計変数と設計制約条件を多数用意する必要があり、それらの変数と条件をすべて数値化してデータを作成し、解析を行うことは必ずしも容易なことではない。
特に、有限要素法を用いた場合は、選択した変数と条件によっては得られる解の信頼性が低下することは広く知られている問題であり、また変数と条件の増加に伴って、最適解を決定するための反復計算は莫大な計算量となる。

さらに、これらの手法では、最適化の過程がブラックボックス化されているため、使用者には、その解析解への収束過程がわかりにくいという欠点がある。
よって、これらの最適化手法は、設計初期の段階で必要な結果が得られない場合も考えられ、現在、設計者に求められている設計業務に耐え得る実用的、汎用的な設計システムとなええていないのではないかという欠点があった。
そこで、本発明は、上述した欠点を解消し、船舶設計を行うにあたって船舶構造パラメータをパーソナルコンピュータに与え、当該パーソナルコンピュータでＳｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論に基づいた最適化法を当該船舶構造パラメータに適用することにより船舶設計作業の効率化と品質向上を図ったる船舶設計検討システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１の発明に係る船舶設計検討システムは、入力手段から入力された船舶構造パラメータを所定の入力データファイルに格納する処理を実行する入力処理手段と、前記入力処理手段によって入力データファイルに格納された船舶構造パラメータについて船殻構造を構成する各区画を船側区画、二重底区画、ビルジ部区画、上甲板区画および隔壁区画・スツール区画に整理し、船舶の構造全体の最適化構造に影響を及ぼす区画を船側区画と決定して当該船側区画を代表設計変数とし、その他の区画を前記代表設計変数以外の設計変数とし、代表設計変数を最初に最適化し、当該決定した制約条件を前記代表設計変数以外の設計変数に導入して船舶の構造全体を最適化できる最適化手段と、前記最適化手段で決定された代表変数の区画について船級ルールにより設計条件を可変しながら少なくとも重量、コストを計算し、その計算結果を基にそれ以外の設計変数における区画について前記ルールにより同様に所定の条件を可変しながら少なくとも重量、コストを計算し、その計算結果を提示できる部材計算手段と、前記部材計算手段で得られた船体構造のデータを作図する３次元モデル化エンジンとを備え、前記最適化手段は、船舶の構造全体Ｚを、数式１の制約条件の基で、数式２を最小とするＸを決定することにより得られるものとし、さらに、船舶の構造全体の最適化に影響を及ぼす区画を船側区画を代表設計変数Ｘlとし、その他の区画を前記代表設計変数Ｘ _l 以外の設計変数Ｘ _Π とし、同様に制約条件も数式４、数式５が成立するものとし、最終的に、数式１０の制約条件の基で、数式１１を最小とする設計変数Ｘ _l 'と、設計変数Ｘ _Π とを決定することにより一つの区画の最適解Ｚ _lj を求めることができるものとし、これによって得られた最適解Ｚ _lj を用いてその他の区画の最適解を求めることができるようにした処理手段を有し、

ただし、Ｘは構造全体Ｚにおいて互いに独立なすべての設計変数であり、ｍは制約条件の総数である。

前記最適化手段は、前記処理手段で得た一つの区画の最適解を前記部材計算手段に与え、前記部材計算手段は、一つの区画の最適解を基に当該一つの区画の重量、コストを計算し、その結果を再び前記最適化手段に与え、前記最適化手段は、その結果を踏まえて次の区画の最適解を求めて、その次の区画の最適解を前記部材計算手段に与え、最後の区画が終了するまで前記処理を繰り返しを実行し、船舶構造全体の最適解を得るものであることをとを特徴とするものである。

上述したように本願発明に係る船舶設計検討システムによれば、
（１）船殻設計作業の効率化と品質向上が図れる。
（２）設計検討、部材計算、作図、重量見積といった一つに結びつけ、これにより、船舶設計作業全体の品質向上ができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムが適用されたパーソナルコンピュータシステムを示す外観図である。
この図１において、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムは例えばパーソナルコンピュータシステム１で構成したものであって、前記パーソナルコンピュータシステム１は、入力手段から入力された船舶構造パラメータを所定の入力データファイルに格納する処理を実行する入力処理手段と、前記入力処理手段によって入力データファイルに格納された船舶構造パラメータを用い、船舶構造の設計変数を船殻構造を構成する各区画に整理し、当該区画についてＳｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論を適用し、全体構造に影響を及ぼす所定の区画の設計変数を代表変数とし、その他の区画をそれ以外の設計変数とし、当該代表変数を最初に最適化することにより制約条件を決定し、当該決定した制約条件をそれ以外の設計変数に導入して最適化する最適化手段と、前記最適化手段で決定された代表変数の区画について所定のルールにより設計条件を可変しながら少なくとも重量、コストを計算し、その計算結果を基にそれ以外の設計変数における区画について前記ルールにより同様に所定の条件を可変しながら少なくとも重量、コストを計算し、その計算結果を提示できる部材計算手段とを実現している。

このパーソナルコンピュータシステム１は、例えば、各種演算処理を実行するコンピュータ装置本体３と、前記コンピュータ装置本体３に接続され必要な情報を入力するキーボード５およびマウス７と、前記コンピュータ装置本体３に接続され各種処理結果を表示するディスプレイ９と、前記コンピュータ装置本体３に接続され前記コンピュータ装置本体３で処理した結果を図面として必要なときに作図するプロッタ１１と、前記コンピュータ装置本体３に接続され前記コンピュータ装置本体３で処理された結果のハードコピーが必要なときに当該ハードコピーを作成するプリンタ１３とを少なくとも備えている。

図２は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムが適用されたパーソナルコンピュータシステムのコンピュータ本体の概略ブロックを示すブロック図である。
この図２において、前記コンピュータ装置本体３は、例えば、各種演算処理やその他の処理を実行する中央処理ユニット３１と、前記中央処理ユニット３１で実行するためのオペレーティングシステムやアプリケーションプログラムやその他のデータベースなどを中央処理ユニット３１が処理するために記憶する主メモリ３２と、オペレーティングシステムや本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システム用のアプリケーションプログラムや本発明で使用するデータベースやその他必要なデータを格納しておくハードディスク装置３３と、前記キーボード５およびマウス７を接続する入力用インターフェース（入力用Ｉ／Ｆ）３４と、前記ディスプレイ９を接続する表示用インターフェース（表示用Ｉ／Ｆ）３５と、前記プロッタ１１を接続する作図用インターフェース（作図用Ｉ／Ｆ）３６と、前記プリンタ１３を接続する印刷用インターフェース（印刷用Ｉ／Ｆ）３７と、これらを結ぶバスライン３８とを少なくとも備えている。

前記コンピュータ装置本体３の内部に設けられたハードディスク装置３３には、例えばＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）２０００、ＸＰなどからなるオペレーティングシステムと、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システム用のアプリケーションプログラムと、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システム用のデータベースと、その他のアプリケーションプログラムとが少なくとも格納されている。

さらに、上記パーソナルコンピュータシステム１は、前記パーソナルコンピュータ装置本体３１の電源スイッチがオンとされると、前記パーソナルコンピュータ装置本体３１の内部の中央処理ユニット３１が動作しハードディスク装置３３からオペレーティングシステムを主メモリ３２に展開記憶された後に、このオペレーティングシステムが中央処理ユニット３１で実行され、さらに、手動で起動が掛けられ、あるいは、自動起動されると、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システム用のアプリケーションプログラムが主メモリ３２に展開記憶されて、主メモリ３２上の本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システム用のアプリケーションプログラムが中央処理ユニット３１で実行されることにより、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムを実現できるようになっている。

まず、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムでは、次の方針に従って開発などをおこなった。
（１）初期構造計画時に利用可能な計算時間、部材計算手法および計算精度を選択した。
（２）初期のパラメータ入力作業を最小限なものとする最適化手法の選択をした。
（３）最適化の過程が設計者に理解できるような計算結果の提示方法を提案した。
（４）特別な操作訓練を必要としないインターフェースを提案した。
まず、上記第（１）項に関しては、初期構造計画時の船体中央横断面構造を決定することができるものとして、部材設計については船級協会のルール計算手法を用いることとした。

図３は、最適化手法の概要を説明するための概略図であって、横軸に複雑さ（Ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ）を、縦軸に検索の正確さ（Ａｃｃｕｒａｃｙｏｆｓｅａｒｃｈ）を、それぞれとったものである。この図３は、上記第（２）項に関し、これまでの最適化手法の見直しを行った際の最適化の内容をわかりやすく図示したものである。ここで、最適化には、図３に示すように、全探索方最適化手法、論理型最適化手法、乱数探索型最適化手法の３つに大別される。
「全探索方最適化手法」は、固定的な最適化手法であり、全設計案を評価して比較する方法である。すべての設計案を比較することによって、最適解を得ることができ、また手法も単純で開発が容易である。しかしながら、膨大な計算時間が必要であるので、規模の大きな問題への適用は近内であり、初期構造計画時での利用には不向きである。

「論理型最適化手法」は、全探索方最適化手法より規模の大きい問題に適用可能な手段で、問題を単数として再現し、数学的な解決方法を用いて最適化を行う手法である。これによって、計算時間を大きく短縮することができるが、離散性が大きくなる大規模問題では、散逸的な関数への表現が困難で開発が難しいし、船殻構造への適用は容易ではない。
「乱数探索型最適化手法」は、乱数を有効的に操作することによって、最適化設計案を求める手法である。数学的な表現に変えられない離散的な大規模問題を探索することが可能である。しかしながら、最適化過程中に掲載する設計案の数が多いのが、当該手法の決定であた、また充分な設計案の比較を行わないと最適値にたどりつくことができないため、初期構造計画時への最適は容易ではない。

このように上記最適化手法には長所と短所があるので、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムでは、開発の容易さから全探索方最適化手法を採用し、この手法の欠点である膨大な計算時間が必要である点について、他の最適化手法と組合せて補うようにした。すなわち、バラメータ入力作業を必要最小限にするという点で非常に優れた最適化手法である「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」を採用している。「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」は、建築／土木の技術分野で有効な最適化手法として採用されている。
次に、上記第（３）項と、上記第（４）項に関しては、設計者が日常から慣れ親しんでいるＭｓ−Ｅｘｃｅｌ（エクセル；登録商標）を利用することにした。

図４は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムで設計対象とする船舶の例を示す図である。
この図４において、設計対象とする船舶はブロダクトタンカーとした。この船種は、二重船殻構造を有しており、一例として次のような主要項目となっている。
ＤＷＴ：４６，０００〔ｔ〕
Ｌpp：１７２．００〔ｍ〕
Ｂmld：３２．２０〔ｍ〕
Ｄmld：１８．７０〔ｍ〕

図５は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて採用されているプログラムの関係について説明するための概略説明図である。
この図５において、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムでは、「入力処理手段を実現する入力インターフェース」、「最適化手段を実現する最適化プログラム」、「部材計算手段を実現する構造計算プログラム」の３つのアプリケーションプログラムを採用している。入力インターフェースおよびメインプログラムには、「Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ−Ｅｅｘｃｅｌ（以下、「エクセルという）」１０１を採用している。また、最適化プログラムには、「ＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅ（以下、「最適化エンジン」という）」１０３を採用している。さらに、構造計算プログラムには、「ＮＫＲｕｌｅ’ｓＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍ（以下、「ＮＫルール計算プログラム」という）」１０５を採用している。これら、エクセル１０１、最適化エンジン１０３およびＮＫルール計算プログラム１０５は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムを実現するアプリケーションプログラムとして前記コンピュータ装置本体３のハードディスク装置３３に格納されている。

これらエクセル１０１、最適化エンジン１０３およびＮＫルール計算プログラム１０５が主メモリ３２に展開記憶されて、中央処理ユニット３１で処理可能にされることにより、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムが実現可能になっている。いま、これらアプリケーションプログラムがコンピュータ装置本体３の中央処理ユニット３１で実行されているものとする。
設計者は、まず、入力インターフェースであるエクセル１０１に比較的少数の構造パラメータを入力する。具体的には、エクセル１０１のシート上に必要な数値を入力すればよい。エクセル１０１は、入力された数値から、計算に使用される設計変数の初期入力データファイルを作成する。このエクセル１０１は、初期データの入力、結果出力を担当する。

次に、最適化エンジン１０３は、前記エクセル１０１で作成された初期入力データファイルを取込み（Ｓ２０１）、その取り込んだ初期入力データファイルを区画毎に整理された「区画別構造計算プログラム」を制御して、最適化計算を行う。「区画別構造計算プログラム」は、最初に作成された設計変数のパラメータデータと、区画毎の計算から決定された制約条件を基に、船殻構造の部材を決定する。なお、最適化エンジン１０３は、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ」と、「ＴｏｔａｌＳｅａｒｃｈ」とを実行する。

その決定された情報は、ＮＫルール計算プログラム１０５に与えられる（Ｓ２０２）。ＮＫルール計算プログラム１０５は、船種毎に計算式が異なる場合があるため、当該船種毎に必要な計算式を呼び出せるようにしてある。このＮＫルール計算プログラム１０５は、「ＨｏｌｄＰａｒｔ」、「ＤｏｕｂｌｅＢｏｔｔｏｍＰａｒｔ」、「ＢｉｌｇｅＰａｒｔ」、「Ｂ．Ｈ．Ｄ．Ｐａｒｔ」、「ＳｔｏｏｌＰａｒｔ」、「ＤｅｃｋＰａｒｔ」の構造計算を担当する。
このＮＫルール計算プログラム１０５において、計算された結果は、最適化エンジン１０３に渡される（Ｓ２０３）。また、最適化エンジン１０３は、結果をエクセル１０１に戻す（Ｓ２０４）。

そして、コンピュータ装置本体３において、前記各アプリケーションプログラムで処理された結果は、例えばテキスト文書として計算シート３０１としてディスプレイ９に表示でき、ミッドシップセクション３０２としてディスプレイ９に表示でき、あるいは、グラフィック３０３としてディスプレイ９に表示できる。
なお、船舶設計検討システムでは、えられた最適解のデータをＣＡＤに出力できるようにしている。これにより、設計初期段階で、ＣＡＤの機能を利用して中央横断面図、外板展開図、対象部材の物量灯の必要な情報の取得を行い、設計作業の支援を行えるようにしている。

次に、最適化エンジン１０３が処理する内容について説明する。
最適設計問題Ａを数式１の制約条件の基で、数式２を最小にするＸを決定する問題であるとする。ここに、ＸはＡにおいて互いに独立な全ての設計変数である。なお、数式１の中のｍは制約条件の総数である。

いま、設計変数ＸをＡ全体の最適化に影響する設計変数Ｘ _ｌと、それ以外の設計変数Ｘ _πの二つの集合に分けると、設計変数Ｘは数式３で表すことができる。なお、数式３の中のｎは独立な設計変数の総数である。全体の最適化に影響する設計変数Ｘ _ｌは、さらにいくつかの設計変数の集合に分けられ、その集合の一つを設計変数Ｘ _ljで表す。設計変数の集合Ｘ _ljはいくつかの設計変数からなる最適化問題である。このように「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」では問題を階層的構造へ分割し、さらに、問題を小規模問題と変換する。

また、考慮すべきすべての制約条件式（数式４）も、Ｊ個の条件式郡の集合Ｇおよびｋ個の条件式の集合Ｇ _πに分割できるものとし、Ｇ _ljに含まれる設計変数Ｘ _ljおよびＸ _πとし、数式５で表す。

さらに、Ｇ _lの各条件式群Ｇ _ljに対して、目的関数である数式２が最小となる条件に矛盾しない目的関数を次の数式６に定める。

数式６が存在するとすれば、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」による最適設計法を次のように定義することができる。すなわち、Ｇ _lj，Ｚ _lj（ｊ＝１・・・，Ｊ）に対して、Ｘ _πの値および_Ｇljに作用する外的な条件（作用する外力など）をパラメトリックに変化させ、それぞれの最適解Ｘ _lj ^OPを求め、この結果を用いてＸ _ljに含まれる設計変数より少ない新たな変数（通常１個）を数式７のように定める。

数式７およびＧ _ljに含まれる制約条件の数より少なく、かつ、Ｘ _ljおよびＸ _πの関数として表される新たな制約条件式（通常１式）を、数式８のように定める。

このようにして定めたＧ _ljの新たな変数および制約式を数式９とする。

数式９を用いて、最適設計問題Ａを、数式１０の制約条件の基で数式１１を最小とするＸ ₁’，Ｘ _πを決定する問題に変換し、より容易に最適解を求めることができる。

このように「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」では、設計変数を全体の最適化に影響する設計変数（代表変数）と、それ以外の設計変数とに分け、まず代表変数に対して最適解を求める点と、その求められた結果から他の設計変数に関する制約条件を減少させてゆく点に特徴がある。
このような「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」を、最適化エンジン１０３としてコンピュータ装置本体３の中央処理ユニット３１で処理可能にするため、以下のようにしている。

図６は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて、実際に計算する船殻構造の例を説明するために示す図である。この図６において、タンカーの船殻構造５０は、二重底区画、ビルジ部区画、上甲板区画、隔壁区画、スツール区画の設計変数からなる最適設計問題と考え、この各区画の構造を最適化することにより全体構造の最適化を図るようにした。なお、船殻構造の最適化を評価するパラメータは、鋼材重量と建造コストとしており、建造コストには鋼材コストと溶接コストを含んでいる。

本発明では、船殻中央横断面構造を、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」を用いて最適化するにあたり、全体き最適化に影響する設計変数として二重船側区画を代表変数、そのたの区画をそれ以外の変数とした。ここで、船殻中央横断面構造の設計変数を次の数式１２で表す。なお、この数式１２の添え字は、図６に示す各区画を表している。

船殻構造の代表変数を決定するにあたっては、まず、対象船における船倉部全体の区画毎の船殻重量を分析した結果を、表１に表した。

この表１に示される数値からもわかるように、二重船側区画の重量が船殻構造全体の重量にもっとも影響が大きい。そこで、船殻構造の全体の最適化に影響する設計変数として二重船側区画を代表変数として決定した。
この二重船側区画の最適化を最初に行うことで、フレーム間隔と桁配置の制約条件が決定される。この制約条件を他の区画側へ導入することで、他の区画計算量を飛躍的に減少させることができる。また、隔壁区画る隔壁板の設計変数は他の構造から独立しているので、その部材計算を独立して行い、この計算結果をスツール区画の制約条件としている。

図７は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて、船殻中央横断面構造を最適化する際の計算処理順序を説明するための図である。
本発明に係る船舶設計検討システムでは、コンピュータ装置本体３において、ステップ４０１〜ステップ４１４の順序で処理が実行される。
エクセル１０１で必要なインプットデータを入力して最適化エンジン１０３に与える（Ｓ４０１）。
最適化エンジン１０３では、所定の最適化の処理を行った後に、ＮＫルール計算プログラム１０５のホールドパートプログラム１０５ａに必要なデータを与えて（Ｓ４０２）、ホールドパートプログラム１０５ａで処理を実行し、その結果を再び最適化エンジン１０３に取り込む（Ｓ４０３）。

次に、最適化エンジン１０３は、所定の最適化処理をし所定のデータをＮＫルール計算プログラム１０５のダブルボトムパートプログラム１０５ｂに与え（Ｓ４０４）、ＮＫルール計算プログラム１０５のダブルボトムパートプログラム１０５ｂの処理結果を取り込む（Ｓ４０４）。
また、最適化エンジン１０３は、所定の最適化処理をし所定のデータをＮＫルール計算プログラム１０５のビルジパートプログラム１０５ｃに与え（Ｓ４０６）、ＮＫルール計算プログラム１０５のビルジパートプログラム１０５ｃの処理結果を取り込む（Ｓ４０７）。

さらに、最適化エンジン１０３は、所定の最適化処理をし所定のデータをＮＫルール計算プログラム１０５のＢ．Ｈ．Ｄパートプログラム１０５ｄに与え（Ｓ４０８）、ＮＫルール計算プログラム１０５のＢ．Ｈ．Ｄパートプログラム１０５ｄの処理結果を取り込む（Ｓ４０９）。
また、最適化エンジン１０３は、所定の最適化処理をし所定のデータをＮＫルール計算プログラム１０５のスツールパートプログラム１０５ｅに与え（Ｓ４１０）、ＮＫルール計算プログラム１０５のスツールパートプログラム１０５ｅの処理結果を取り込む（Ｓ４１１）。

また、最適化エンジン１０３は、所定の最適化処理をし所定のデータをＮＫルール計算プログラム１０５のデッキパートプログラム１０５ｆに与え（Ｓ４１２）、ＮＫルール計算プログラム１０５のデッキパートプログラム１０５ｆの処理結果を取り込む（Ｓ４１３）。
そして、最適化エンジン１０３は、すべての結果を取り込むと、最適化した結果を出力する（Ｓ４１４）。

なお、上記図７において、初期入力データファイル、上記各プログラムへの入力および出力ファイルには、（１）船体形状寸法の入力、（２）非形状寸法の入力データ、（３）設計変数、（４）目的変数が含まれている。
上記処理ルーチンにおいて、部材計算で用いられる設計変数で初期入力時点で未定な変数については、初期値として「０．０」に設定されており、区画の最適化計算によって決定された値が、次の区画の最適化プログラムへ定数として引き渡されている。

次に、コンピュータ装置本体３の中央処理ユニット３１により上記アプリケーションプログラム（特に最適化エンジン１０３）の処理ルーチンで処理した結果や、他の従来の最適化法によって処理した結果について、以下の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）の項目に分け、処理方法（Ｍｅｔｈｏｄ）、設計変数（Ｒｗｐ．ｖａｒｉａｂｌｅ）、計算時間（Ｔｉｍｅ）、コスト（Ｃｏｓｔ）、重量（Ｗｅｉｇｈｔ）に分けて試し計算した。。
（Ａ）は全設計変数を全検索型によって最適化を行った場合の結果を示す。
（Ｂ）は二重船側区画を代表変数として、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」に基づいた最適化を行った場合を示す。
（Ｃ）は二重船底区画を代表変数として、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」に基づいた最適化を行った場合を示す。
（Ｄ）は全設計変数を遺伝的アルゴリズム利用による乱数検索型によって最適化した場合を示す。
（Ａ）の結果を「１」とした場合の計算結果と計算時間を比較をしたものが表２に示されている。

図８は、本発明に係る船舶設計検討システムにおける最適化計算（（Ｂ），（Ｃ））と、全検索型（Ａ）とを、フレームスペースを変化させながら計算を行った場合のコストの推移を示す図であって、横軸にフレームスペース［ｍｍ］を、縦軸にトータルコストをとったものである。
この図８において、全検索型（Ａ）による計算結果は黒三角で示されており、二重船側区画（Ｂ）による計算結果は黒菱形で示されており、また、二重船底区画（Ｃ）による計算結果は黒四角で示されている。

図９は、本発明に係る船舶設計検討システムにおける最適化計算（（Ｂ），（Ｃ））と、全検索型（Ａ）とを、フレームスペースを変化させながら計算を行った場合の重量の推移を示す図であって、横軸にフレームスペース［ｍｍ］を、縦軸にトータ重量をとったものである。
この図９において、全検索型（Ａ）による計算結果は黒三角で示されており、二重船側区画（Ｂ）による計算結果は黒菱形で示されており、また、二重船底区画（Ｃ）による計算結果は黒四角で示されている。

表２の結果からわかるように、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」による最適解（（Ｂ），（Ｃ））は、全検索型（Ａ）ならびに遺伝的アルゴリズム利用による乱数探索型（Ｄ）によって得られた最適解と同様な結果が得れれている。このことから、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」による最適化は妥当なものといえる。
また、「Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論」の代表変数を二重船側区画とした結果（Ｂ）と、代表変数を二重船底区画とした結果（Ｃ）では、結果（Ｂ）のほうがより最適値に近い結果を得られた。
さらに、図８および図９から、代表変数を二重船側区画とした結果（Ｂ）では、解の推移が全検索型（Ａ）と同じ傾向を示すことがわかる。
これらのことから、船殻中央横断面構造の最適化問題において、代表変数を二重船側区画としたことは妥当なものといえる。それは、二重船側区画の重量が他の区画の重量に比較して大きいことが影響しているものと思われる。
上述した結果に基づいて、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムが実現されている。

図１０は、Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論による設計条件を決定するための図であって、横軸にロンジスペースを、縦軸に重量およびコストを、それぞれとったものである。
本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおけるＳｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論による制約条件と、他の手法による制約条件について、コンピュータ装置本体３によって計算させた。この場合、例えばロンジスペースを設計変数としたときに、二重船底の計算結果が図１０に示されている。ここでは、ロンジスペースを７００［ｍｍ］から９００［ｍｍ］の間で、１０［ｍｍ］間隔長さで計算を行った結果が図１０に示すグラフである。

図１０からわかるように、同じ分割数となる場合でも、ロンジスペースの間隔長の違いによって重量、コストに大きな差がある場合がある。一方、同じようにロンジスペースの間隔長を変数として、ビルジ部区画やスツール区画の計算を行った場合、分割数による違いは現れるが、同じ分割数でロンジスペースの間隔長さの違いによる結果の差は大きくない。すなわち、二重船底の場合のきによる、その区画が大きく、同じ分割数でも、ロンジスペースの間隔長に違いがでる場合は、間隔長を設計変数としたほうが適切な解を得ることができ、ビルジ部区画やスツール区画のように狭い区画で、同じ分割数でもロンジスペースの間隔長に差が大きく現れない場合には、分割数を変数にすることができる。このようにＳｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論により、新たな制約条件を設けることで計算量の減少を図ることができる。

図１１は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて、代表変数とした区画の最適化計算終了後に、途中結果を表示した図であって、横軸に側ロンジスペースを、縦軸にコストおよび重量を、それぞれとったものである。この図１１において、コストは黒丸で示し、重量は黒四角で示している。
計算結果を設計者に判断しやすい形式でグラフ化することが可能になっている。設計者は、表示された図１１のグラフをみて、Ａ案、Ｂ案を比較検討し、設計案の選択を行うことができる。
Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論に基づき、以降の区画計算に選択した設計案の制約条件を用いて最適化を行う。以上により、制約条件が減少し、全体の計算最適化の計算量が飛躍的に減少する。なお、この制約条件の決定を、コスト最適化、重量最適化といった条件に基づいて自動決定する設定にもできるようになっている。

以上説明したような理論をプログラムにして最適化エンジン１０３を構成し、かつ、コンピュータ装置本体３で当該最適化エンジン１０３、ＮＫルール計算プログラム１０５による処理を実行できるようにして本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムを実現した。このような本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムによれば、設計を正確にでき、設計時間の短縮化が可能になり、構造設計計画時において最適な船殻構造を設計できる。

また、当該船舶設計検討システムの応用例として、部材計算の結果を、インターフェイス経由で３次元ＣＡＤへの入力と連動させるシステムとすることにより、設計検討の結果を容易に３Ｄモデル化することができる。

図１２は、本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムの概略構成を示すブロック図である。
この図１２において、本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムは、上記図１に示すパーソナルコンピュータシステム１を使用し、前記パーソナルコンピュータシステム１のコンピュータ装置本体３において、上記第１の最良の形態で実現した最適化エンジン１０３およびＮＫルール計算プログラム１０５からなる中央横断面構造最適化エンジンプログラム１０７を実行できるようにするとともに、３次元モデル化エンジンプログラム１０９を実行できるようにし、これらの間のデータの受け渡しをエクセル１０１で仲立ちさせて全体の処理を可能としたものである。

このエクセル１０１を採用した理由は、設計者が日常的に使用できるように配慮したもので、ウインドウズ（商標）からなるオペレーティングシステム上で動作するようにしたものである。また、符号１１０は船舶データベースであって、「ＤｏｂｌｅＨｕｌｌ」、「ＤｏｂｌｅＢｏｔｔｏｍ」、「Ｂｉｌｇｅ」、「ＣｏｒｒｕｇａｔｅＢＨＤ」、「ＬｏｗｅｒＳｔｏｏｌ」、「ＵｐｐｅｒＳｔｏｏｌ」、「ＵｐｐｅｒＤｅｃｋ」、「ＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌＳｔｒｅｎｇｔｈ」などのデータが格納されている。

まず、部材計算をＮＫルール計算式を用いて中央横断面構造最適化エンジンプログラム１０７をパーソナルコンピュータシステム１のコンピュータ装置本体３の中央処理ユニット３１が実行する。
この中央横断面構造最適化エンジンプログラム１０７は、既に説明したように、中央横断面平行部の重量、コスト最適化ルーチンを含めており、ここで中央横断面構造の構造最適化が行われる。構造最適化には、ＳｕｂＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論を採用していることは既に説明したとおりである。

ついで、決定された部材、寸法のデータは、前記コンピュータ装置本体３がエクセル１０１を実行することにより、３次元モデル化エンジンプログラム１０９に与えられる。前記コンピュータ装置本体３では、３次元モデル化エンジンプログラム１０９を実行し、全長の３Ｄモデルを構築し、重量、コストの計算と作図を行う。ここで、３次元モデル化エンジンプログラム１０９は、設計の比較検討に用いるという目的から船殻初期３次元モデルとしてモデル化した。船から初期３次元モデルでは、詳細な部材形状は表現していないが、船殻構造の要素の連結関係と船殻構造の幾何学的な性質をトッポロジー理論から抽出してモデル化しているので、変更および修正が容易という特徴を持っている。

このように３Ｄモデルを構築し、３Ｄ−ＣＡＤの機能を利用して中央断面図、外板展開図、対象部材の物量等の必要な情報を取得を行い、設計作業の支援を行うことを可能としている。
本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムでは、Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論と、トッポロジー理論の２つの数学的な理論から船殻構造を分析できるようにしている。両理論とも、船殻構造全体を、主要構造や区画という単位の部分構造から構築されるとして捉えており、その点からも両理論から開発したシステムはデータのやりとりが容易である。
本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムでは、システム活用で設計検討をフットワークの良いものとし、設計者が必要とする情報を素早く簡単に提供できるようにしている。

図１３は、本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムによる処理フローを示すフローチャートである。
まず、前記パーソナルコンピュータシステム１のコンピュータ装置本体３が中央横断面構造最適化エンジンプログラム１０７を実行することにより中央横断面の部材配置を決定する（Ｓ７０１）。この中央横断面構造最適化エンジンプログラム１０７は、設計者に、その最適化の過程を図中の８０１で示すようにグラフで示す構造を持っており、最適化の過程を確認しながら設計者の判断を優先し最適化を進めることが可能である。

次に、パーソナルコンピュータシステム１のコンピュータ装置本体３がエクセル１０１を実行することにより、得られた最適解を、３次元モデル化エンジンプログラム１０９に与える（Ｓ７０２）。なお、前記３次元モデル化エンジンプログラム１０９は、３次元モデルを作成する３Ｄ−ＣＡＤＵＨ：ＴＲＩＢＯＮ者のＢａｓｉｃＤｅｓｉｇｎを用いている。
さらに、パーソナルコンピュータシステム１のコンピュータ装置本体３では、３次元モデル化エンジンプログラム１０９を実行し、中央断面図、外板展開図、鋼材配置図等の作図を可能である（Ｓ７０３）。

また、前記コンピュータ装置本体３は３次元モデル化エンジンプログラム１０９を実行し、得られた３次元モデルに対してブロック分割を行い、重量、溶接長さ、ブロックの重心の算出をできるようにしている（Ｓ７０４）。
さらに、前記コンピュータ装置本体３は、３次元モデル化エンジンプログラム１０９を実行し、前記ステップＳ７０４で得られた前記ブロックの３次元データを用いて、組み立て要領図を作成することができる（Ｓ７０５）。

本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムによれば、三次元ＣＡＤ上に船殻初期３次元モデルを構築することにより、設計検討、部材計算、作図や重量見積といった設計作業を一つに結びつけることがてきた。このようにすることで、設計検討の結果を用意に３Ｄモデルかすることができ、これにより、船殻設計作業全体を効率化の品質向上ができる。

図１は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムが適用されたパーソナルコンピュータシステムを示す外観図である。図２は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムが適用されたパーソナルコンピュータシステムのコンピュータ本体の概略ブロックを示すブロック図である。図３は、最適化手法の概要を説明するための概略図である。図４は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムで設計対象とする船舶の例を示す図である。図５は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて採用されているプログラムの関係について説明するための概略説明図である。図６は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて、実際に計算する船殻構造の例を説明するために示す図である。図７は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて、船殻中央横断面構造を最適化する際の計算処理順序を説明するための図である。図８は、本発明に係る船舶設計検討システムにおける最適化計算（（Ｂ），（Ｃ））と、全検索型（Ａ）とを、フレームスペースを変化させながら計算を行った場合のコストの推移を示す図である。図９は、本発明に係る船舶設計検討システムにおける最適化計算（（Ｂ），（Ｃ））と、全検索型（Ａ）とを、フレームスペースを変化させながら計算を行った場合の重量の推移を示す図である。図１０は、Ｓｕｂｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ理論による設計条件を決定するための図である。図１１は、本発明を実施するための最良の形態に係る船舶設計検討システムにおいて、代表変数とした区画の最適化計算終了後に、途中結果を表示した図である。図１２は、本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムの概略構成を示すブロック図である。図１３は、本発明を実施するための第２の最良の形態に係る船舶設計検討システムによる処理フローを示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・パーソナルコンピュータシステム
３・・・コンピュータ装置本体
５・・・キーボード
７・・・マウス
９・・・ディスプレイ
１１・・・プロッタ
３１・・・中央処理ユニット
３２・・・主メモリ
３３・・・ハードディスク装置

Claims

入力手段から入力された船舶構造パラメータを所定の入力データファイルに格納する処理を実行する入力処理手段と、
前記入力処理手段によって入力データファイルに格納された船舶構造パラメータについて船殻構造を構成する各区画を船側区画、二重底区画、ビルジ部区画、上甲板区画および隔壁区画・スツール区画に整理し、船舶の構造全体の最適化構造に影響を及ぼす区画を船側区画と決定して当該船側区画を代表設計変数とし、その他の区画を前記代表設計変数以外の設計変数とし、代表設計変数を最初に最適化し、当該決定した制約条件を前記代表設計変数以外の設計変数に導入して船舶の構造全体を最適化できる最適化手段と、
前記最適化手段で決定された代表変数の区画について船級ルールにより設計条件を可変しながら少なくとも重量、コストを計算し、その計算結果を基にそれ以外の設計変数における区画について前記ルールにより同様に所定の条件を可変しながら少なくとも重量、コストを計算し、その計算結果を提示できる部材計算手段と、
前記部材計算手段で得られた船体構造のデータを作図する３次元モデル化エンジンとを備え、
前記最適化手段は、船舶の構造全体Ｚを、数式１の制約条件の基で、数式２を最小とするＸを決定することにより得られるものとし、さらに、船舶の構造全体の最適化に影響を及ぼす区画を船側区画を代表設計変数Ｘ _l とし、その他の区画を前記代表設計変数Ｘ _l 以外の設計変数Ｘ _Π とし、同様に制約条件も数式４、数式５が成立するものとし、最終的に、数式１０の制約条件の基で、数式１１を最小とする設計変数Ｘ _l 'と、設計変数Ｘ _Π とを決定することにより一つの区画の最適解Ｚ _lj を求めることができるものとし、これによって得られた最適解Ｚ _lj を用いてその他の区画の最適解を求めることができるようにした処理手段を有し、

ただし、Ｘは構造全体Ｚにおいて互いに独立なすべての設計変数であり、ｍは制約条件の総数である。

前記最適化手段は、上記処理手段で得た一つの区画の最適解を前記部材計算手段に与え、前記部材計算手段は、一つの区画の最適解をを基に一つの区画の重量、コストを計算し、その結果を再び前記最適化手段に与え、
前記最適化手段は、その結果を踏まえて次の区画の最適解を求めて、その次の区画の最適解を前記部材計算手段に与え、最後の区画が終了するまで前記処理を繰り返しを実行し、船舶構造全体の最適解を得るものであることをとを特徴とする船舶設計検討システム。