JP7422556B2 - プラント設計支援システム - Google Patents

Description

本発明は、発電プラントや石油・化学プラントなどの大規模プラントシステムを構成する機器を所定の敷地内に所定の条件を満たすように配置する場合の設計を支援するシステムに関するものである。

従来、プラントシステムを構成するために機器を配置する場合の３次元設計支援システムについては、２次元ＣＡＤの機器図面シンボルに関するデータと３次元ＣＡＤの機器モデルに関するデータを用いて、レイアウト設計データを２次元ＣＡＤ図面または３次元ＣＡＤモデルに変換して画面表示するもの（特許文献１）、プラントを構成する配管及び主要機器が３次元表示され、かつ配置ルールを順守することができる計測器配置位置に計測器が表示されるもの（特許文献２）が知られている。

また、化学プラントの機器を配置するときの制約条件に基づいて機器の親子関係を設定し、線形配列化処理の対象となる機器の数を絞り込むステップを含む配置計画法（特許文献３）、敷地の地形に応じた機器の配置やその論理的な接続の設定を行う配置設計方法（特許文献４、特許文献５）が知られている。

さらに、プラントシステムを構成するために機器を２次元的に配置する場合の最適化方法として白川らの先行研究が存在しており（非特許文献１）、プラント配置設計の多目的最適化を目指して、機器の配置順序を決めるスケジュール最適化と、これらの機器を配置する際の向き、空隙および配置位置を決める組み合わせ最適化との混合問題に置き換え、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）を用いて満足解を探索する方法が提案されている。

特開２００７－１６４７７１号公報 特開２０１５－１０９００６号公報 特開平８－１５８６７７号公報 特開平１０－１２４５６６号公報 特開平９－３０５６４３号公報

白川昌和、荒川雅生、中山弘隆「プラント配置設計の多目的最適化：第１報、遺伝的アルゴリズムによる構内配置問題の最適設計(機械要素、潤滑、設計、生産加工、生産システムなど)」日本機械学会論文集Ｃ編７６（７７０）、２６９４－２７０３、２０１０。

しかしながら、上述した従来のようなプラントシステムを構成するために機器を配置する場合の３次元設計支援システムは、ＣＡＤモデルを参照しながら設計者が自ら機器の配置設計を編集しなければならず（特許文献１）、または主要機器の配置と配管を所与のものとして、計測器の配置に関し、ルールを満たす配置を自動的に生成するのみであって、より望ましい配置の有無を判断できない（特許文献２）、３Ｄ配置に関しては、「真上配置条件（２基以上の機器を縦に積み重ねる配置を示す条件）」、「高層配置条件（プロセス上の要求で２基以上の機器の間に高低差を設けなければならない条件）」という制約条件として考慮するのみであり（特許文献３）、あるいは施工時における物量やコストに影響する建屋の配置とその評価値の最適化については何等考慮しないものであり（特許文献４、特許文献５）、設計者とコンピュータとの対話的操作により、設計者の多目的意思決定を支援し、比較的短い計算時間と簡単な設計情報により、準最適な３次元配置解（満足解）を得ることができないという問題があった。
一方、白川らの先行研究は、プラントシステムの２次元設計に適用する探索方法を開示しているが、そのままでは３次元配置に適用することができない（非特許文献１）。

そこで、本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、すなわち、本発明の目的は、設計者の多目的意思決定を支援して、少数の設計情報に基づき最適な３次元配置解の候補を迅速に提示するプラント設計支援システムを提供することである。

本請求項１に係る発明は、プラント敷地の条件を示す敷地データおよび配置する機器の条件を示す機器データを含むプラントデータとプラント設計が達成すべき条件を示す希求水準データと機器を配置する際に順守すべき複数のルールからなる配置ルールセットデータを入力するための入力装置と、前記敷地データに対応するプラント敷地への前記機器データに対応する機器の配置方法を示す配置解データを作成する演算装置と、前記入力装置から入力された前記プラントデータ、前記希求水準データ及び前記配置ルールセットデータと前記演算装置が作成した前記配置解データとを記憶する記憶装置と、前記記憶装置に記録された前記配置解データを出力するための出力装置とを備え、前記配置解データを前記出力装置に出力することによりプラントの設計を支援するプラント設計支援システムであって、前記演算装置が、遺伝的アルゴリズムにより最適配置解を探索する最適解探索部を備え、前記記憶装置が、前記敷地データに対応する前記プラント敷地の上の配置可能空間を複数の仮想的階層平面に分割して順序尺度により示す配置階層データと該仮想的階層平面内における配置位置を比例尺度により表す２次元配置位置データとの組により機器の３次元的な配置位置を表す３次元配置位置データを記憶する３次元配置位置データ記憶部を備えていることにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項２に係る発明は、前記最適解探索部が、前記配置ルールセットデータに基づいて前記最適配置解を探索することにより、前述した課題を解決するものである。

本請求項３に係る発明は、前記最適解探索部が、前記配置ルールセットデータを構成する個々のルールを順に適用して前記最適配置解を探索することにより、前述した課題をさらに解決するものである。

本請求項４に係る発明は、前記最適解探索部が、前記希求水準データとして入力された配管物量に基づいて前記配置解データの適合度を算出することにより、前述した課題を解決するものである。

本発明の請求項１に係るプラント設計支援システムによれば、プラント敷地の条件を示す敷地データおよび配置する機器の条件を示す機器データを含むプラントデータとプラント設計が達成すべき条件を示す希求水準データと機器を配置する際に順守すべき複数のルールからなる配置ルールセットデータを入力するための入力装置と、敷地データに対応するプラント敷地への機器データに対応する機器の配置方法を示す配置解データを作成する演算装置と、入力装置から入力されたプラントデータ、希求水準データ及び配置ルールセットデータと演算装置が作成した配置解データとを記憶する記憶装置と、記憶装置に記録された配置解データを出力するための出力装置とを備え、配置解データを出力装置に出力することによりプラントの設計を支援するばかりか、本発明に固有の構成により、以下の本発明に固有の効果を奏することができる。

本発明の請求項１に係るプラント設計支援システムによれば、演算装置が、遺伝的アルゴリズムにより最適配置解を探索する最適解探索部を備え、記憶装置が、敷地データに対応するプラント敷地の上の配置可能空間を複数の仮想的階層平面に分割して順序尺度により示す配置階層データと該仮想的階層平面内における配置位置を比例尺度により表す２次元配置位置データとの組により機器の３次元的な配置位置を表す３次元配置位置データを記憶する３次元配置位置データ記憶部を備えていることにより、少数の入力データに基づいて３次元最適配置解を探索するため、最適な３次元配置解の候補を迅速に提示して設計者を支援することができる。

本発明の請求項２に係るプラント設計支援システムによれば、請求項１に係る発明が奏する効果に加えて、最適解探索部が、配置ルールセットデータに基づいて最適配置解を探索するため、専門的な設計知識や膨大な配置ノウハウを予めコンピュータに記憶させることを必要とせず、最適な３次元配置解の候補を提示して設計者を支援することができる。

本発明の請求項３に係るプラント設計支援システムによれば、請求項２に係る発明が奏する効果に加えて、最適解探索部が、配置ルールセットデータを構成する個々のルールを順に適用して最適配置解を探索することにより、適合度が高い解を優先的に探索するため、適応度が高い３次元配置解を優先的に提示して設計者をいっそう支援することができる。

本発明の請求項４に係るプラント設計支援システムによれば、請求項１乃至請求項３に係る発明が奏する効果に加えて、最適解探索部が、希求水準データとして入力された配管物量に基づいて配置解データの適合度を算出することにより、配管物量が小さい３次元配置解を選択的に探索するため、配管コストが小さい３次元配置解を選択的に提示して設計者をよりいっそう支援することができる。

本発明に係るプラント設計支援の概念図。 本発明に係る矩形および円形の機器及び建屋の接続関係を示す概念図。 本発明に係る機器及び建屋の向きの遺伝子を示す説明図。 本発明に係る機器及び建屋の向きの遺伝子とメンテナンススペースの関係を示す説明図。 本発明に係るプラント敷地、メンテナンススペース及び取合い点の関係を示す説明図。 本発明に係るメンテナンススペースと敷地境界線または他の機器との干渉関係を示す図。 本発明に係る機器及び建屋と敷地の設計情報を示す説明図。 図７に示す敷地と機器及び建屋を用いて配置する過程を示す説明図。 本発明に係る機器及び建屋の配置順序に対する遺伝子列に係る交差を示す説明図。 本発明に係る機器及び建屋の配置順序に対する遺伝子列に係る突然変異を示す説明図。 本発明に係るプラント設計支援システムを表す模式図。 本発明に係る最適配置解の探索の流れを示すフロー図。 図７に示す敷地と機器及び建屋に対する配置解の例を示す説明図。 実施例２に係る配置ルールセットの説明図。 実施例２に係る敷地条件を示す説明図。 実施例２に係る配置解の第一の例を示す説明図。 実施例２に係る配置解の第二の例を示す説明図。 実施例３に係る配置ルールセットの説明図。 実施例３に係る配置ルールセットの説明図。 実施例３に係る配置ルールセットの説明図。 実施例３に係る配置ルールセットの説明図。 実施例３に係る配置ルールセットの説明図。 実施例３に係る配置ルールセットの説明図。 実施例３に係る配置ルールセットの説明図。 実施例４に係る仮想的な複数の階層を示す説明図。 実施例４に係る配置ルールセットの説明図。 実施例４に係る準最適な配置解に対応する３次元配置平面図。 実施例５に係る準最適な配置解に対応する３次元配置図。

本発明のプラント設計支援システムは、プラント敷地の条件を示す敷地データおよび配置する機器の条件を示す機器データを含むプラントデータとプラント設計が達成すべき条件を示す希求水準データと機器を配置する際に順守すべき複数のルールからなる配置ルールセットデータを入力するための入力装置と、敷地データに対応するプラント敷地への機器データに対応する機器の配置方法を示す配置解データを作成する演算装置と、入力装置から入力されたプラントデータ、希求水準データ及び配置ルールセットデータと演算装置が作成した配置解データとを記憶する記憶装置と、記憶装置に記録された配置解データを出力するための出力装置とを備え、配置解データを出力装置に出力し、演算装置が、敷地データに対応するプラント敷地の上の配置可能空間を複数の仮想的階層平面に分割して順序尺度により示す配置階層データと該仮想的階層平面における配置位置を比例尺度により表す２次元配置位置データとの組により機器の３次元的な配置位置を示す３次元配置位置データを作成して遺伝的アルゴリズムにより最適配置解を探索することにより、最適な３次元配置解の候補を迅速に提示して設計者を支援することができるものであれば、その具体的な実施態様は、如何なるものであっても構わない。

以下、図面に基づいて本発明を実施するための形態を説明する。

ここで、図１は、本発明に係るプラント設計支援の概念図であり、図２は、本発明に係る矩形および円形の機器及び建屋の接続関係を示す概念図であり、図３は、本発明に係る機器及び建屋の向きの遺伝子を示す説明図であり、図４は、本発明に係る機器及び建屋の向きの遺伝子とメンテナンススペースの関係を示す説明図であり、図５は、本発明に係るプラント敷地、メンテナンススペース及び取合い点の関係を示す説明図であり、図６は、本発明に係るメンテナンススペースと敷地境界線または他の機器との干渉関係を示す図であり、図７は、本発明に係る機器及び建屋と敷地の設計情報を示す説明図であり、図８は、図７に示す敷地と機器及び建屋を用いて配置する過程を示す説明図であり、図９は、本発明に係る機器及び建屋の配置順序に対する遺伝子列に係る交差を示す説明図であり、図１０は、本発明に係る機器及び建屋の配置順序に対する遺伝子列に係る突然変異を示す説明図であり、図１１は、本発明に係るプラント設計支援システムを表す模式図であり、図１２は、本発明に係る最適配置解の探索の流れを示すフロー図であり、図１３は、図７に示す敷地と機器及び建屋に対する配置解の例を示す説明図であり、図１４は、実施例２に係る配置ルールセットの説明図であり、図１５は、実施例２に係る敷地条件を示す説明図であり、図１６は、実施例２に係る配置解の第一の例を示す説明図であり、図１７は、実施例２に係る配置解の第二の例を示す説明図であり、図１８乃至図２４は、実施例３に係る配置ルールセットの説明図であり、図２５は、実施例４に係る仮想的な複数の階層を示す説明図であり、図２６は、実施例４に係る配置ルールセットの説明図であり、図２７は、実施例４に係る準最適な配置解に対応する３次元配置図であり、図２８は、実施例５に係る準最適な配置解に対応する３次元配置図である。

本発明のプラント設計支援システム１００を説明するにあたり、まず火力発電所の２次元配置を行う場合のプラント設計支援の理論的背景について説明する。

＜プラント配置設計とその評価指標＞
火力発電プラントは一般に、ボイラ、タービン、発電機などの機器と、制御室、電気室、管理ビルなどの建屋から構成されており、これらの機器や建屋は、系統構成に応じて、それぞれ配管、ダクトおよびケープルでつながれている。設計においては、多くの評価指標を勘案する必要があるが、主要な評価指標として、各種法規の遵守と安全性、配管・ダクト物量の経済性、ケーブル物量の経済性、プラント設備のメンテナンス性・拡張性、建設工事の容易性の５つの指標をあげることができる。

＜プラント配置設計の多目的最適化＞
火力発電プラントの配置設計は、法規上の規制や安全性を考慮した配置制約を満たしながら、経済性の良さが求められる。しかし、例えば経済性を優先すると、機器および建屋が互いに接近し、プラント設備のメンテナンス性・拡張性を損ない、建設工事にも悪影響をおよぼすなどの不都合が生じるため、火力発電プラントの配置最適化は、各種の評価指標を考慮した多目的最適化問題と位置付けることができる。

また、現実の設計現場での意思決定には、上述の５つの評価指標のような客観的評価指標ばかりでなく、建造物の美観、設計情報の不確実性、熟練設計者の感覚やノウハウなどのいわば主観的かつ暗黙的な評価指標も影響を与えている。

このため、コンピュータによる完全な自動配置により、設計者が満足できる配置解を得ることは困難であり、むしろ、設計者とコンピュータとの協調により、設計者が主体的に最適配置解の意思決定に関与できる、対話型配置解法が有効である。

＜対話型配置解法＞
本発明に係るプラント設計支援方法の概念図を図１に示す。このプラント設計支援方法のフレームワークは、多目的最適化問題の対話型解法の一つである満足化トレードオフ法であり、コンピュータ知能領域ＩＣと設計者知識領域ＤＫとを融合するものである。コンピュータ知能領域ＩＣの主な役割は、遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）による配置最適化手法に基づいて、多様な最適配置解の候補を生成することである。

一方、設計者知識領域ＤＫの主な役割は、コンピュータ知能領域ＩＣから提示される最適配置解の候補を設計者が総合的に判断・選択し、最終的な配置調整を加味しながら配置計画の意思決定を行うことである。

プラント配置設計を複数の評価関数（以下、配置制約も含む）ｆｉを併せて考慮する多目的最適化問題と捉える。そして、満足化トレードオフ法に基づいて、数１のスカラー化関数の最小化問題に置き換えて、設計者の意図する最適配置解を求める。この方法は、最大成分最小化法（ｍｉｎ－ｍａｘ解）に相当し、評価関数の中で最大成分となる項目が小さい程、良好な配置解となる。

ここで、希求水準ｆｉ－は、各評価関数に対する設計者の目標値である。Ｘは設計変数ｘの実行可能集合を表す。ａは微小な正の値（１０＾－６)とし、重みｗｉは数２で自動的に決定できる。

ただし、理想点ｆｉ＊は、一般に数３で与えられる。

数１のβiは、評価関数における目的と制約の度合を表し、区間［０、１］の範囲内で調整する。すなわちβi＝１のときが目的関数であり、βi＝０に近付くにつれて制約の度合が大きくなる。

＜アルゴリズム＞
図１を参照して、本プラント設計支援システム１００を用いて準最適配置解を得る手順を説明する。なお、図中のデータベースは、社内の配置設計ＣＡＤシステム上に構築してあってもよい。本システムのアルゴリズムは、ステップ１０１（以下、Ｓ１０１等と表す）からＳ１０６の配置最適化計算を行うメインループと、Ｓ１０１、Ｓ１０４からＳ１０６の手動配置調整を行うサブループとが組み合わさっている。

まず、設計者は、プラントデータを設定し、データベースに登録する（Ｓ１０１）。そして、多目的最適化計算を行う場合は、Ｓ１０２へ進む。あるいはＳ１０６で選択した配置結果を手動調整する場合は、データベースの配置設計データ（配置座標、配置角度）を編集し、Ｓ１０４へ進む。

次に、設計者は、各評価関数に対して、それぞれ希求水準値を設定する（Ｓ１０２）。そして、ＧＡによる進化計算を通じて、Ｓ１０２で設定した各希求水準値に近付く最適配置解の候補を探索する（Ｓ１０３）。このとき、Ｓ１０４で見積られる各評価関数値を用いて、数１のスカラー化関数の最小化問題を解く。

その後、データベースと連携して、各評価関数値を見積る（Ｓ１０４）。そして、配置設計データと各評価関数値とを関連付けてデータベースに登録する。そして、データベースを参照しながら、Ｓ１０２で設定した各希求水準値に近付いている複数の配置結果を抽出し、最適配置解の候補として表示する（Ｓ１０５）。

設計者は、Ｓ１０５で表示された複数の配置結果を総合的な視点で評価し、より好ましい配置結果を一つ選択する（Ｓ１０６）。そして、選択した配置結果に満足するか否かを判断する。もし、設計者が満足しない場合は、Ｓ１０１へ戻り、Ｓ１０１からＳ１０６（配置最適化計算）、あるいはＳ１０１、Ｓ１０４からＳ１０６（手動配置調整）のループが繰り返される。もし、設計者が満足する場合は、Ｓ１０７へ進む。

設計者は、Ｓ１０６で選択した配置結果を準最適配置解（満足解）として最終確定する（Ｓ１０７）。

＜遺伝的アルゴリズムによる配置最適化手法＞
次に、プロットプランの計画設計に好適な遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）によるコーディング法および遺伝的演算法について説明する。

＜プラントデータプロット＞
プランの計画設計は、上流設計フェーズで行われるため、設計情報が限定的となる。従って、設計対象を抽象化し、簡単な設計情報を用いて表現できることが肝要となる。必要なプラントデータは、後述する外形寸法、接続関係、グループ配置および敷地条件である。プラントデータの見本を表１に示す（ただし、表１中の機器と建屋は全て長方形としている）。

（１）外形寸法
図２に示すように、機器および建屋は、長方形または円形の図形要素で表現し、それぞれ外形寸法から、各図形要素の長さと幅（長方形）または直径（円形）を設定する。

（２）接続関係
図２に示すように、各図形要素の前後左右と中心部には、接続ポートが設けられている。そして、プラント系統図と単線結線図から、配管、ダクトおよびケーブルの接続関係を、表１に示すように「Ｆｒｏｍ―Ｔｏ」の形式で定義し、入口（Ｆｒｏｍ側）と出口（Ｔｏ側）の接続ポートの位置を指定する（表１は合計８つの接続関係を示している）。
また、接続毎にそれらの種別（配管、ダクトおよびケーブル）、本数および単価（単位長さ当たり）を設定する。図２は、長方形の機器ＲＥＲ（例えば、建屋）の前側ＲＥＦから円形の機器ＣＥ（例えば、建屋）の左側ＣＥＬへの接続関係の例を示している。

（３）グループ配置
グループ配置とは、複数のプラント構成機器及び建屋を一まとめにして配置することである。これは、以下の（ａ）～（ｃ）の３通りに用いられる。

（ａ）整列配置
客先の使用性の観点から、同種の機器及び建屋は、平行または線対称・点対称に整列配置することが多い。また、複数の機器から構成される付帯設備などは、互いの位置関係を含めてパッケージ化できることが多い。このような機器及び建屋は、互いの位置関係を保てるグループ配置とする。

（ｂ）連結配置
例えば、タービンと発電機は、シャフトで連結されている。このような機器及び建屋は、互いの連結関係を保てるグループ配置とする。

（ｃ）任意形状
機器及び建屋の形状によっては、長方形または円形の図形要素では不都合な場合がある。このような場合は、複数の図形要素を組み合わせたグループ配置により、任意形状の機器及び建屋を表現できる。

（４）敷地条件
建設用地の形状と寸法を設定する。そして、燃料供給点、送電端、取水口、放水口など、敷地ＰＳ外の設備との取合い点Ｔの位置を設定する。これらは、電力会社の立地計画から指定される。

＜コーディング法＞
本実施例では、プラント配置問題を機器及び建屋の配置順序を決めるスケジュール最適化と、それらを配置する際の向き、空隙、配置位置を決める組合せ最適化との混合問題に置き換えて考える。このようにして、設計空間を狭めて効率的に解探索することで計算の高速化をはかる。

ＧＡの染色体の一例を表２に示す。まず、染色体の長さは、機器及び建屋の数と等しくする。ただし、グループ配置の機器及び建屋は、ひとまとめにして数える。そして、染色体の各遺伝子座を機器及び建屋の識別番号、それぞれの機器及び建屋の向き、空隙、配置位置の組で表す。

向きの遺伝子は、機器及び建屋の適切な配置角度を得るために設けている。図３に示すように、原点を基準として、遺伝子０番を０°、遺伝子１番を１８０°、遺伝子２番を９０°、遺伝子３番を２７０°として定義する。また、機器及び建屋に応じて遺伝子番号の可動値を限定することで、配置角度の固定や角度変化の指定もできる。

空隙の遺伝子は、機器及び建屋間の適切なメンテナンススペースを得るために設けている。機器及び建屋の外形本体の外側にｍ個のメンテナンススペース枠を用意し、機器及び建屋毎に前後左右の４方向に対して各メンテナンススペースの空隙距離を設定する。例えば、３個のメンテナンススペース枠の場合は、図４に示すように、遺伝子０番をメンテナンススペースなし（機器及び建屋の外形本体）、遺伝子１番をメンテナンススペースＡの領域、遺伝子２番をメンテナンススペースＢの領域として定義する。

配置位置の遺伝子は、機器及び建屋の適切な配置場所を得るために設けている。敷地ＰＳ上の任意の場所に配置位置を設けられるが、上述の取合い点Ｔを含めると合理的な配置が得られやすい。ｎ個の配置位置に対して遺伝子０番から遺伝子ｎ－１番まで割り当て、該当する遺伝子番号の配置位置と機器及び建屋の中心点との距離が最短となる場所に配置する。

図５は、更地に機器（建屋）を向き０°、メンテナンススペースＡの領域で取合い点ＴＡ（遺伝子０番）に隣接して配置する場合を表した一例である。

次に、染色体を表現体に変換する規則として基数列を用いる。基数列は、機器及び建屋の識別番号と対応付ける任意の自然数列であり、機器及び建屋を敷地ＰＳ内に配置する順番を規定する。機器及び建屋の識別番号の並びを染色体の遺伝子列とし、この数列の順番に該当する番号の列位にある基数列の番号を取り出し、表現体の遺伝子列に並び替える。例えば、表２の染色体の遺伝子列は（１、３、４、０、２、５）なので、基数列が（０、１、２、３、４、５）のとき、表現体の遺伝子列は（１、３、４、０、２、５）となる。また、基数列が（５、４、３、２、１、０）のときには、表現体の遺伝子列は（４、２、１、５、３、０）となり、基数列が（３、２、５、０、４、１）のときには、表現体の遺伝子列が（２、０、４、３、５、１）となる。

以下、この表現体により機器及び建屋を配置する場合に適用する一組の配置ルール（配置ルールセット１）を説明する。

＜配置ルールセット１＞
配置ルール１－１
表現体の遺伝子列の順番に従って、該当する識別番号の機器及び建屋をその遺伝子座の持つ向き、空隙、配置位置に合わせて敷地ＰＳ内に配置していく。

配置ルール１－２
配置ルール１－１の規則に従って配置する際に、既に配置された機器及び建屋の遺伝子番号に応じたメンテナンススペースの領域と、これから配置する機器及び建屋の遺伝子番号に該当するメンテナンススペースの領域とが干渉しないように配置する。もし、敷地ＰＳ内に配置できる場所がない場合は、敷地ＰＳ外にはみ出して配置する。ただし、敷地ＰＳ外にはみ出す部分の機器及び建屋の外形面積が最小になる位置とする。

配置ルール１－３
配置ルール１－２のメンテナンススペースに関する規則を守りつつ、これから配置する機器及び建屋の遺伝子番号に該当する配置位置と機器及び建屋の中心点との距離が最短になる場所に配置する。もし、最短距離の位置が複数ある場合は、この中から無作為に選ぶなお、グループ配置の場合は、構成される機器及び建屋のそれぞれで距離を求め、より短い方を代表距離とする。

＜配置制約の考慮＞
ここまでに説明したコーディング法では、配置制約を満たせない個体も生成される。そこで、配置制約を守れるように拘束条件を加える。様々な配置制約を、以下の３タイプに分類する。そして、機器及び建屋毎に前後左右の４方向に対して各配置制約タイプの空隙距離を設定する。ここで、同じ配置制約タイプに属する配置制約が複数ある場合は、空隙距離が最大のもので代表する。

図６は機器（建屋）Ａの各配置制約タイプの領域（破線枠）に対して、敷地境界線ＳＢと他の機器（建屋）Ｂとの干渉関係を示している。

（１）配置制約タイプＡ
図６（ａ）のタイプであり、本領域が敷地ＰＳ外へはみ出すことを禁ずるが、本領域に他の機器及び建屋が侵入することを許す。このタイプは、騒音などの環境規制に見られる。

（２）配置制約タイプＢ
図６（ｂ）のタイプであり、本領域が敷地ＰＳ外へはみ出すことと、本領域に他の機器及び建屋が侵入することを禁ずる。このタイプは、危険物や可燃物などの安全規制に見られる。

（３）配置制約タイプＣ
図６（ｃ）のタイプであり、本領域が敷地ＰＳ外へはみ出すことを許すが、本領域に他の機器及び建屋が侵入することを禁ずる。このタイプは、扉や通路などの保安規則に見られる。

次に、配置制約を考慮して、機器及び建屋の配置を進める際の段取りを説明する。

ステップ１
既に配置された機器及び建屋の配置制約と、これから配置する機器及び建屋の配置制約に基づいて、敷地ＰＳ内から配置制約を守れる配置可能区域を抽出する。この配置可能区域の中で、上述の配置ルール１－１から配置ルール１－３の規則に従って機器及び建屋を配置する。

ステップ２
もし、ステップ１にて配置制約を守れる配置可能区域がない場合は、これから配置する機器及び建屋の配置制約を取り除いて同区域を再抽出し、前述の配置ルール１－１から配置ルール１－３に従って機器及び建屋を配置する。

ステップ３
もし、ステップ２でも配置可能区域がない場合は、既に配置されている機器及び建屋の配置制約も全て取り除いて、前述の配置ルール１－１から配置ルール１－３の規則に従って機器及び建屋を配置する。

ステップ４
もし、ステップ３でも敷地ＰＳ内に配置できる場所がない場合は、敷地ＰＳ外にはみ出して配置する。ただし、敷地ＰＳ外にはみ出す部分の機器及び建屋の外形面積が最小になる位置とする。

次に、表１のプラントデータを参照し、図７の機器及び建屋と敷地ＰＳの設計情報における配置の表現型を説明する。ただし、識別番号２と識別番号３の機器は、それぞれグループ配置とする。そして、メンテナンススペースＡとＢの空隙距離は、全ての機器及び建屋に対して、それぞれ前後左右ともに４ｍと８ｍに設定する。また、配置制約タイプＡの空隙距離は、識別番号０と識別番号１の機器に対して前後左右ともに６ｍ、配置制約タイプＢの空隙距離は、識別番号０と識別番号１と識別番号４の機器に対して前後左右ともに２ｍ、識別番号２と識別番号３の機器に対して前に４ｍと後左右に２ｍ、配置制約タイプＣの空隙距離は、識別番号５の建屋に対して前後左右ともに２ｍに設定する。

ここでは、基数列が（０、１、２、３、４、５）のとき、表２の染色体［表現体の遺伝子列（１、３、４、０、２、５）]における配置過程を図８（ａ）から（ｆ）に示す。ここで、配置する機器及び建屋の周囲の実線枠は各メンテナンススペースの領域、破線枠は各配置制約タイプの領域を示す。

＜遺伝的演算法＞
本提案手法によるＧＡの解探索の流れを説明する。まず、予め設定された数の個体と、基数列を無作為に生成する。このとき、機器及び建屋の識別番号の重複が発生しないようにする。そして、以下の項で説明する評価・選択、交叉、突然変異および外来種突然変異の進化計算を経て、準最適な配置解を探索する。なお、交叉、突然変異および外来種突然変異は、機器及び建屋の識別番号の重複が起こらない方法とし、致死遺伝子が生じないようにする。また、計算の高速化のため、過去の計算履歴を所定の世代数さかのぼり、同じ表現体の遺伝子列となる個体が生成された場合は、計算履歴にある配置解を参照し、その個体の計算を省略してもよい。

（１）評価・選択
各個体の適合度Ｆは、複数の評価関数を数１によりスカラー化し、数４のようにシグモイド関数を用いて非負関数にスケーリングして算出する。そして、適者生存の選択には、適合度比例方式によるルーレット選択と、最良個体を次の世代に残すエリート保存選択とを併用する。

ここで、Ｆは式（１）のスカラー化関数値、ａとｂは個体分布に適応させる可変パラメータである。添え字ｋは個体番号である。

＜交叉＞
交叉の対象は、機器及び建屋の配置順序に対する遺伝子列と、その他の遺伝子列（向き、空隙、配置位置）とし、それぞれ所定の交叉率で行う。前者の交叉方法を図９に示す。交叉点ＣＰは無作為に決められる一点交叉とする。そして、子個体Ｏ１は、親個体Ｐ１の遺伝子番号の順序を交叉点ＣＰまでは継承し、その後は親個体Ｐ１から既に選ばれた遺伝子番号を取り除いた順序を継承する。同様に、子個体Ｏ２は、親個体Ｐ２の遺伝子番号の順序を交叉点ＣＰまでは継承し、その後は親個体Ｐ１から既に選ばれた遺伝子番号を取り除いた順序を継承する。後者の交叉方法は、無作為に複数の交叉点ＣＰを定め、交叉点ＣＰを境に遺伝子番号を交換する多点交叉とする。

＜突然変異＞
突然変異の対象は、機器及び建屋の配置順序に対する遺伝子列と、その他の遺伝子列（向き、空隙、配置位置）とし、それぞれ所定の突然変異率で発生させる。前者の突然変異は、図１０に示す２種類の方法による。図１０（ａ）は任意位置の遺伝子番号の隣接順序を交換する方法、図１０（ｂ）は任意に選ばれる２つの遺伝子番号を交換する方法である。後者の突然変異は、無作為に選ばれる要素の遺伝子番号を変化させる通常の突然変異とする。

＜外来種突然変異＞
プラント配置問題では、同程度の適合度でも大きく異なる配置解が存在するので、一般に、基数列の設定によっては早期収束するという問題が生じる場合がある。本実施例では、この問題を避ける新たな工夫として、十数世代の進化毎に、基数列を今までに見つかった最良個体の表現体の遺伝子列と入れ替える。そして、最良個体の染色体を新しい基数列に順応させ、残りの個体は同じ染色体でも異なる表現体を取るようにする。

この方法によれば、大域的最適解では染色体の遺伝子列が全て（０、１、２、３、４、５）と並ぶことにより、結果の合理性を確認することができ、また、多様な配置解を得ることができる。

図１１は、本実施例のプラント設計支援システム１００を表す模式図である。本実施例のプラント設計支援システム１００は、図１のコンピュータ知能領域ＩＣに対応している。

図１１において、プラント設計支援システム１００は、入力装置１０１、出力装置１０２、演算装置１１０及びデータベースとしての記憶装置１２０を有している。

入力装置１０１は、コンピュータへの入力に通常用いられるキーボードおよびマウスであり、演算装置１１０への演算の指示と記憶装置１２０へのデータ入力のために用いられる。

出力装置１０２は、コンピュータからの出力内容の表示に通常用いられる液晶モニタであり、入力項目、入力データ、基数列、配置解及びこれに対応する配置図等を表示するために用いられる。

演算装置１１０は、パーソナルコンピュータ等において通常用いられているＣＰＵ、ドライバ等であり、各種の数値的演算のほかに、入力装置１０１からの入力および出力装置１０２への出力、記憶装置１２０へのデータの記録及び読み取り等の各種の制御を行う。

演算装置１１０は、最適解探索部１１１と制御部１１９とを備えており、最適解探索部１１１は、基数列及び初期染色体作成部１１２、ルールベース配置部１１３、評価部１１４、適応度計算部１１５、親選択部１１６、交差及び突然変異発生部１１７、生き残り選択部１１８を備えている。

記憶装置１２０は、データベースとしての機能を備えており、プラントデータ記憶部１２１、配置設計データ記憶部１２２、評価関数値記憶部１２３、希求水準値記億部１２４、配置ルール記憶部１２５、制約条件記憶部１２６、基数列記憶部１２７及び配置解記憶部１２８を有している。特に、３次元配置解を探索する場合には、プラントデータ記憶部１２１が３次元配置位置データ記憶部１２１ａを備えるものとなる。

本実施例に係るプラント設計支援システム１００を使用してプラント設計の準最適解（満足解）を得るには、まず設計者が、出力装置１０２に表示されている入力項目を、入力装置１０１から入力する。この入出力の制御は、制御部１１９が行う。

設計者が入力装置１０１から入力するデータは、プラントデータ、配置設計データ、評価関数、希求水準値、配置ルール及び制約条件等であり、入力されたデータは、それぞれ、プラントデータ記憶部１２１、配置設計データ記憶部１２２、評価関数値記憶部１２３、希求水準値記億部１２４、配置ルール記憶部１２５及び制約条件記憶部１２６に記録される。

次に、図１２を参照して、本実施例におけるプラント設計支援の流れを説明する。
本実施例における配置最適化は、最適解探索部１１１が遺伝的アルゴリズム（ＧＡ）により行う。まず、基数列及び初期染色体作成部１１２がランダムな数列として基数列を作成して、基数列記憶部１２７に記録し（Ｓ２０１）、続けて、基数列及び初期染色体作成部１１２が複数の初期染色体を作製して、配置解記憶部１２８に記録する（Ｓ２０２）。

さらに、ルールベース配置部１１３が、プラントデータ記憶部１２１に記録されているプラントデータ、配置設計データ記憶部１２２に記録されている配置設計データ、配置ルール記憶部１２５に記録されている配置ルールデータ及び制約条件記憶部１２６に記録されている制約条件データを読み出して、これらの配置ルール及び制約条件に基づいて各初期染色体データに対応したルールベース配置を試行し、条件を満たす配置解を配置解データとして配置解記憶部１２８にそれぞれ記録する（Ｓ２０３）。

そして、評価部１１４が配置解記憶部１２８に記録されている各配置解データを、評価関数値記憶部１２３に記録されている各評価関数に基づいて評価し（Ｓ２０４）、各配置解データと紐づけて各評価関数値データを配置解記憶部１２８にそれぞれ記録する。

その後に、適応度計算部１１５が、希求水準値記億部１２４に記録されている希求水準データと配置解記憶部１２８に記録されている各配置解データと紐づけられた各評価値データとをそれぞれ読み出し、これらを比較して各配置解の適応度を計算し、各配置解データとさらに紐づけて適応度データとしてそれぞれ配置解記憶部１２８に記録する（Ｓ２０５）。

さらに、親選択部１１６が、配置解記憶部１２８に記録されている各配置解データのうち、適応度データの適応度が高い配置解データＰ１、Ｐ２を選択して親世代として読み出し（Ｓ２０６）、その上で、交差及び突然変異発生部１１７が、選択された親世代の各配置解データに対して、交差の操作によって生じた子世代配置解データＯ１、Ｏ２を子世代の配置解データとして配置解記憶部１２８に記録し（Ｓ２０７）、さらに、交差及び突然変異発生部１１７が、配置解記憶部１２８に記録されているこれらの子世代配置解データＯ１、Ｏ２を呼び出し、突然変異の操作によって生じた子世代の個体データＯ’を、それぞれ子世代の配置解データとして配置解記憶部１２８に記録する（Ｓ２０８）。

ここで、ルールベース配置部１１３が、配置解記憶部１２８に記録されている各子世代の配置解データを読み出し、更に、プラントデータ記憶部１２１に記録されているプラントデータ、配置設計データ記憶部１２２に記録されている配置設計データ、配置ルール記憶部１２５に記録されている配置ルールデータ及び制約条件記憶部１２６に記録されている制約条件データを読み出して、これらの配置ルール及び制約条件に基づいて各子世代の配置解データに対応したルールベース配置を試行し、条件を満たす配置解を配置解データとして配置解記憶部１２８にそれぞれ記録する（Ｓ２０９）。

そして、評価部１１４が配置解記憶部１２８に記録されている各子世代の配置解データを各評価関数に基づいて評価し（Ｓ２１０）、各子世代の配置解データと紐づけて各評価値データを配置解記憶部１２８にそれぞれ記録する。

その後に、適応度計算部１１５が、希求水準値記億部１２４に記録されている希求水準データと配置解記憶部１２８に記録されている各配置解データと紐づけられた各評価値データとをそれぞれ読み出し、これらを比較して各子世代の配置解の適応度を計算し、各子世代の配置解データとさらに紐づけて適応度データとしてそれぞれ配置解記憶部１２８に記録する（Ｓ２１１）。

ここで、生き残り選択部１１８が、配置解記憶部１２８に記録されている各子世代の配置解データを読み出し、適合度に応じて適者生存の選択により生き残る子世代の配置データを選択し、配置解記憶部１２８に記録する（Ｓ２１２）。

以上のプロセスを予め設定されているｎ世代が生じるまで繰り返すこととし、ｎ世代に至っていない場合にはＳ２０６に戻ってループし、ｎ世代に達した場合には、Ｓ２０１に戻って基数列作成から再度同じプロセスを繰り返す。

ここまで説明してきた方法により、図７に示した例（表１のプラントデータを参照）を用いて、多目的最適配置解を探索した。本実施例によるＧＡの組合せ総数は、機器及び建屋の数ｐ、空隙の遺伝子数ｍ、配置位置の遺伝子数ｎとすると、向きの遺伝子数は４なので、（４×ｍ×ｎ）×ｐ！となる。図７の例では、機器及び建屋の数が６、空隙の遺伝子数が３、配置位置の遺伝子数が３なので、組合せ総数は２５９２０通りとなる。

ここでの計算条件は、配管・ダクトの総費用ｆ１とケーブルの総費用ｆ２の優先度が高いケース１と、メンテナンススペースの干渉面積ｆ３の優先度が高いケース２とする。具体的には、ケース１の各希求水準値をｆ１＝＄３２０００、ｆ２＝＄８０００、ｆ３＝１３４４平方メートルとし、ケース２の各希求水準値をｆ１＝＄４１６００、ｆ２＝＄３５２００、ｆ３＝２００平方メートルとする。そして、乱数を変えてそれぞれ１０回の試行計算を実行した（初期個体も乱数により異なる）。なお、ＧＡの各種パラメータは、個体数３０、交叉率６０％、突然変異率１０％とし、外来種突然変異を１５世代毎に付加しながら、最適配置解が得られる世代数まで解探索を継続する。

ケース１とケース２の各１０回の試行計算は、ケース１が平均７２（最小５３、最大９０）世代目、ケース２が平均１３６（最小８５、最大１７２）世代目に、何れも各希求水準を満たす最適配置解の候補を得ることができた。

ケース１で探索した配置解データを演算装置１１０が変換して出力装置１０２に出力した配置図を図１３（ａ）に示し、ケース２で探索した配置解データを演算装置１１０が変換して出力装置１０２に出力した配置図を図１３（ｂ）に示す。両者ともに全ての配置制約を満足していること、ケース１はケース２よりもコンパクトな配置になるなど、希求水準に応じて適切な最適配置解が得られた。

このような小規模な問題ですら、設計者が希求水準に応じて最適配置解を試行錯誤により求めることは、相応の時間と労力を要するが、本実施例に係るプラント設計支援システム１００を東芝製ノートパソコンｄｙｎａｂｏｏｋ（登録商標）ＳＳＲＸ２（プロセッサ動作周波数1．２０ＧＨｚ）内に構築して実施したところ、１世代当たりの計算時間は、４分程度で終了した。

次に、実施例２として、本発明に係るプラント設計支援システム１００により、プラントを構成する機器及び建屋を敷地ＰＳ内に２次元配列する他の場合について、実施例１と異なる点を中心に説明する。

本実施例においては、目的関数として配管コストのみを採用している。また、制約条件として、機器サイズ、保有スペース、現地組み立て機器の指定、機器のグループ、プロセスの順序、敷地条件、ポンプ配置、現地組み立て順序（重機の使用）、配管ラックＲＣの位置、機器高さ条件などを総合的に考慮する必要があることから、配置ルールを新たに設定している。

図１４は、この新たな一組の配置ルール（配置ルールセット２）を示す図である。

＜配置ルールセット２＞
まず、配置ルールセット２に係る共通ルールとして（１）取り合い点に近いところから配置する（距離はコストを乗じる）、（２）中心点を移動操作点とする、（３）円でない場合は、９０度回転して、距離的に短い方を選択する、というルールに従うものとする。

次に、配置ルール２－０として、図１４（ａ）に示すように、（１）メンテナンススペースは外部道路ＲＤとは重なることは可能、（２）メンテナンススペースはラックＲＣとは重なってはいけない、（３）メンテナンススペースは大きい方を優先する、というルールを設定する。

同様に、配置ルール２－１として、図１４（ｂ）に示すように、（１）メンテナンススペースは外部道路ＲＤとは重なることは可能、（２）メンテナンススペースはラックＲＣとは重なってはいけない、（３）メンテナンススペースは大きい方を優先する、（４）必ず１面が外部道路ＲＤと接する、というルールを設定する。

さらに、配置ルール２－２として、図１４（ｃ）に示すように、（１）メンテナンススペースは重ならない、（２）外部道路ＲＤとも重ならない、（３）熱交換器HE独自のルールを付与する、というルールを設定する。

そして、配置ルール２－３として、図１４（ｄ）に示すように、（１）メンテナンススペースも重ならない、（２）外部道路ＲＤとも重ならない、というルールを設定する。

さらに、配置ルール２－４として、図１４（ｅ）に示すように、（１）メンテナンススペースは重ならない、（２）外部道路ＲＤとも重ならない、（３）ラックＲＣに近接して配置、（４）機器からエリア端部までスペース確保、というルールを設定する。

なお、配置ルール２－４は、配置ルール２－０から配置ルール２－３までの配置ルールに対し、更に「工事スペース」や「重機が入る」という制約条件を考慮して、加えたルールである。

図１５は、本実施例を適用する敷地条件の概要を示している。

図１６は、配置ルールセット２のうち、配置ルール２－０から配置ルール２－３までを適用して得た配置解の例である。この解は、機器及び建屋が物理的に配置可能な案になっているものの、「工事スペース」や「重機が入る」という制約条件が適用されていないため、実際にプラントを建設する上では、必ずしも適切な解となっていない。

図１７は、配置ルールセット２のうち、配置ルール２－０から配置ルール２－４までのすべてのルールを適用して得た配置解の例である。この解は、「工事スペース」や「重機が入る」という制約条件を満たすことが、破線で囲んだ領域に顕著に表れている。

次に、本発明に係るプラント設計支援システム１００により、プラントを構成する機器及び建屋を敷地ＰＳ内に２次元配列する他の場合について、実施例１および実施例２と異なる点を中心に説明する。

本実施例では、図１８乃至図２４に示すように、実施例１および実施例２の場合とは異なる一組の配置ルール（配置ルールセット３）を適用している。配置ルールセット３の内容は、以下の通りである。

＜配置ルールセット３＞
配置ルール３－０として、図１８に示すように、配置可能領域について、（１）基本的に、サブスペースの内側に３ｍの領域を確保する、（２）ラックＲＣスペースは中央に配置する、（３）ラックＲＣスペースから１．５ｍのメンテナンススペースを配置する。ただし、ポンプをラックＲＣの外に置く場合はそのスペースを用意する、（４）さらに、サブスペースの周囲は４ｍの道路ＲＤを配置する。

配置ルール３－１として、図１９に示すように、リアクタ配置について、（１）ラックＲＣに隣接し（ただし、１．５ｍメンテナンススペースおよびポンプスペースは確保する）、リアクタの中心が並ぶように配置する、（２）中心線ＣＬは、一番大きいものが選ばれるまではその大きさに、選ばれて以降は、逆の領域に関してはその次に大きいものに設定しておく。

配置ルール３－２として、図２０に示すように、カラムＣＭについて、（１）ラックＲＣに隣接し（ただし、１．５ｍメンテナンススペースおよびポンプスペースは確保する）、カラムＣＭの面が合うように配置する。

配置ルール３－３として、図２１に示すように、コンプレッサについて、（１）メンテナンススペースとして各機器に３ｍを確保する。そのうえで例えば３つならば、それが並ぶように設定する。そのためには、最初の一つに対して例えば３つ分必要なメンテナンススペースをつけて配置し、その後、それに連なるように残りの機器を配置する。

配置ルール３－４として、図２２に示すように、リボイラについて、（１）コラムにはリボイラが付く場合と付かない場合がある。１つ付く場合は、コラムと中心を合わせ、ラックＲＣの反対側に配置する。２つ付く場合は、４５度開き、中心線ＣＬに対称にして、ラックＲＣの反対側に配置する。

配置ルール３－５として、図２３に示すように、熱交換器ＨＥについて、（１）メンテナンススペースをラックＲＣ側にとり、接続する機器と中心を合わせて配置する。配置できないときは、取り合い点から離れた方向に配置できるまで移動する。

配置ルール３－６として、図２４に示すように、２つの機器を図２４の左図のように中心を合わせて配置すると、接続が遠回りする場合について、（１）図２４の右図のように、中心をずらして配置する。元の機器を配置するときに、子の機器の配置スペースを確保したのちに配置する。

以上の配置ルールセット３を適用することにより、設計者にとって更に満足度が高い準最適解（満足解）を得ることができた。

次に、実施例４として、本発明に係るプラント設計支援システム１００により、プラントを構成する機器及び建屋を敷地ＰＳ内に３次元配列する場合について、実施例１乃至実施例３と異なる点を中心に説明する。

図２５は、本実施例に係る敷地条件を示す図である。本実施例においては、敷地ＰＳ内に建屋及び機器を配置する場合の準最適解（満足解）を得るために、図１５に示した敷地条件のうち、単一の矩形状の敷地ＰＳを対象とし、この敷地ＰＳを仮想的な複数の階層（本実施例では１Ｆから３Ｆまでの３階層）に分けて、それぞれの仮想的な階層に建屋及び機器を配置するものとして扱う。

上述のように敷地ＰＳを複数の階層に分けることにより、配置される機器の平面上の占有面積が同じであっても、その高さによって、単一の層（例えば１Ｆ）のみを占有するのか、複数の階層（例えば１Ｆと２Ｆ）にまたがって配置されるのかについて異なる事象として取り扱うことができる。

例えば、図２５において、円形の機器ＣＥ１は、背が低いため配置時に１Ｆのみの空間を占有しており、矩形の機器ＲＥは、背が高いため配置時に１Ｆと２Ｆにまたがって配置されるため、１Ｆと２Ｆの対応する空間を占有していることを示している。

図２５においては、背の高い矩形の機器ＲＥが１Ｆに配置されたことにより、１Ｆ及び２Ｆを占有していることを示しており、さらに、円形の機器ＣＥ３が３Ｆの、矩形の機器ＲＥの直上の位置に配置されていることを示している。

このように、下の階層（例えば１Ｆと２Ｆ）に、既に機器が配置されていても、その直上の階層（たとえば３Ｆ）は占有されていないため、他の機器を配置する配置解として採用され得る。この結果、配置解の探索空間が大幅に拡大することになる。

このような複数の階層にまたがる機器の配置をデータ処理するために、プラントの配置可能な空間を縦方向には複数の階層で複数の平面に分割し、各平面は一定の間隔でグリッド化している。

このために、演算装置１１０は最適解の探索を始める前に、敷地データに対応するプラント敷地ＰＳの上の配置可能空間を複数の仮想的階層平面に分割して順序尺度により示す配置階層データと該仮想的階層平面内における配置位置を比例尺度により表す２次元配置位置データとの組により機器の３次元的な配置位置を示す３次元配置位置データを作成して、プラントデータ記憶部１２１内の３次元配置位置データ記憶部１２１ａに記録することとなる。

その後に、この３次元配置位置データを用いて、敷地ＰＳの上の配置可能空間内の各配置位置に既に他の機器に占有されているか、既に他の機器のメンテナンススペースとなっているか、あるいは機器が配置可能か、という配置状態をデータ処理する。

すなわち、敷地ＰＳの上の配置可能空間内の各配置位置を配列で構成し、配置可能なところにはあらかじめ０を入力しておき、配置解に対応する機器の配置状況に応じて、この数値を変化させる。

図２５に示すような複数の階層に分けた敷地ＰＳ内に、機器及び建屋を３次元的に配置するための配置解を得るためには、実施例３として説明した、２次元に配置する場合のルールセット３に加えて、３次元配置用のルールセット（配置ルールセット４）が必要となる。配置ルールセット４の内容は、以下の通りであり、その配置例を図２６に示す。

＜配置ルールセット４＞
配置ルール４－１：リボイラ（再加熱機）は主の設備と近接して配置する。
配置ルール４－２：Ｔｏｐ－Ｔｏ―Ｔｏｐの接続機器階層が異なっても中心をずらして配置する。
配置ルール４－３：機器は、境界より一定距離離れて配置する。
配置ルール４－４：中心線ＣＬを揃えて配置する。
配置ルール４－５：指定機器の道路側には他の機器を置かない（メンテナンス、搬出スペースの確保のため）。
配置ルール４－６：ポンプは、接続する機器の配管長が一定値以内なら集約して（パイプラックＲＣ下に）配置する。
配置ルール４－７：同じグループの機器は、パイプラックＲＣをまたがず配置する。

配置ルールセット３に加え、配置ルールセット４を適用して３次元配列に関する配置解を探索した結果、図２７に示す準最適解（満足解）を得ることができた。

本実施例では、機器及び建屋を３次元的に配置するための配置解を得るために、実施例３における配置ルールセット４に替えて、下記の配置ルールセット５を適用した。ところ、図２８に示すように希求水準を満たす準最適解（満足解）を得ることができた。
＜配置ルールセット５＞

＜基本配置ルールセット＞
配置ルール５－Ａ（直方体の配置）：与えられた階層（複数選択可）すべてのグリッドで直方体の内部が０ならばそこに直方体を配置できる。メンテナンススペースにはｘ、実スペースにはｙの値をいれる。ただし、ｙ＞ｘとする。

配置ルール５－Ｂ（球の配置）：与えられた階層（複数選択可）すべてのグリッドで球体の内部が０ならばそこに球体を配置できる。メンテナンススペースをｘ、球体内部をｙとする。

配置ルール５－Ｃ（円柱の配置）：与えられた階層（複数選択可）すべてのグリッドで円柱の内部が０ならばそこに円柱体を配置できる。メンテナンススペースをｘ、円柱体内部をｙとする。

配置ルール５－Ｄ（複合体の配置）：与えられた階層（複数選択可）すべてのグリッドで複合体の内部が０ならばそこに球体を配置できる。メンテナンススペースをｘ、球体内部をｙとする。なお、複合体とは円柱の上下に半球体がついたものである。

＜特殊配置ルールセット＞
配置ルール５－０（内部に配線がない場合）：メンテナンススペースは外部の道路とは重なることは可能。メンテナンススペースはラックＲＣとは重なってはいけない。メンテナンススペースは大きい方を優先する。取り合い点に近いところから配置する(距離はコストを乗じる）。中心点を移動操作点とする。円でない場合は90°回転して距離の近い方を選択する。

配置ルール５－１（内部に配線がない場合）：メンテナンススペースは外部の道路とは重なることは可能。メンテナンススペースはラックＲＣとは重なってはいけない。メンテナンススペースは大きい方を優先する。取り合い点に近いところから配置する（距離はコストを乗じる）。必ず1面が外部の道路と接する。中心点を移動操作点とする。円でない場合は９０°回転して距離の近い方を選択する。
メンテナンススペースも重ならない。取り合い点に近いところから配置する。中心点を移動操作点とする。円でない場合は９０°回転して、距離的に短い方を選択する。

配置ルール５－２（内部に配線がない場合）：メンテナンススペースは重ならない。取り合い点に近いところから配置する。中心点を移動操作点とする。円でない場合は９０°回転して距離的に短い方を選択する。１ｍごとに格子点を設け基本的には格子点情報を利用する。

配置ルール５－３（カラムＣＭのためのルール）：メンテナンススペースも重ならない。取り合い点に近いところから配置する。中心点を移動操作点とする。円でない場合は９０°回転して、距離的に短い方を選択する。ラックＲＣに近接するように配置する。エリアの端まではメンテナンススペースとして各階層でスペースを確保する。

配置ルール５－４（グループ化）：隣接してほしい機器同士でグループ化する。

配置ルール５－５（グループ間の間隔）：グループ間には適切な間隔をとるよう指定する。

配置ルール５－６（多層化）：同一グループの機器の上下関係を指定する。

配置ルール５－７（リアクタの配置）：ラックＲＣに隣接させメンテナンススペースをとる。ポンプスペースを確保する。リアクタの中心が並ぶように配置する。中心線ＣＬは一番大きいものが選ばれるまでのその大きさに設定する。一番大きいものが選ばれた以降は逆の領域に関してはその次に大きいものに設定しておく。

上述の配置ルールセット５を適用したところ、図２８に示すように希求水準を満たす準最適解（満足解）を得ることができた。

以上説明したように、これらの実施例に係るプラント設計支援システム１００によれば、プラント敷地ＰＳの条件を示す敷地データおよび配置する機器の条件を示す機器データを含むプラントデータとプラント設計が達成すべき条件を示す希求水準データと機器を配置する際に順守すべき複数のルールからなる配置ルールセットデータを入力するための入力装置１０１と、敷地データに対応するプラント敷地ＰＳへの機器データに対応する機器の配置方法を示す配置解データを作成する演算装置１１０と、入力装置１０１から入力されたプラントデータ、希求水準データ及び配置ルールセットデータと演算装置１１０が作成した配置解データとを記憶する記憶装置１２０と、記憶装置１２０に記録された配置解データを出力するための出力装置１０２とを備え、配置解データを出力装置１０２に出力することによりプラントの設計を支援するばかりか、各実施例に固有の構成により、以下の各実施例に固有の効果を奏することができる。

これらの実施例に係るプラント設計支援システム１００によれば、演算装置１１０が、遺伝的アルゴリズムにより最適配置解を探索する最適解探索部１１１を備え、記憶装置１２０が、敷地データに対応するプラント敷地の上の配置可能空間を複数の仮想的階層平面に分割して順序尺度により示す配置階層データと該仮想的階層平面内における配置位置を比例尺度により表す２次元配置位置データとの組により機器の３次元的な配置位置を表す３次元配置位置データを記憶する３次元配置位置データ記憶部１２１ａを備えていることにより、少数の入力データに基づいて３次元最適配置解を探索するため、最適な３次元配置解の候補を迅速に提示して設計者を支援することができる。

また、これらの実施例に係るプラント設計支援システム１００によれば、最適解探索部１１が、配置ルールセットデータに基づいて最適配置解を探索するため、専門的な設計知識や膨大な配置ノウハウを予めコンピュータに記憶させることを必要とせず、最適な３次元配置解の候補を提示して設計者を支援することができる。

さらに、これらの実施例に係るプラント設計支援システム１００によれば、最適解探索部１１が、配置ルールセットデータを構成する個々のルールを順に適用して最適配置解を探索することにより、適合度が高い解を優先的に探索するため、適応度が高い３次元配置解を優先的に提示して設計者をいっそう支援することができる。

そして、これらの実施例に係るプラント設計支援システム１００によれば、最適解探索部１１１が、希求水準データとして入力された配管物量に基づいて配置解データの適合度を算出することにより、配管物量が小さい３次元配置解を選択的に探索するため、配管コストが小さい３次元配置解を選択的に提示して設計者をよりいっそう支援することができる。

以上、本発明に係るプラント設計支援システムについて実施例を用いて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。

本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。

本発明に係るプラント設計支援システムは、機器及び建屋をプラント敷地内に配置するプラント設計の支援を行うプラント設計支援システムとして用いることができる。

１００・・・プラント設計支援システム
１０１・・・入力装置
１０２・・・出力装置
１１０・・・演算装置
１１１・・・最適解探索部
１１２・・・基数列及び初期染色体作成部
１１３・・・ルールベース配置部
１１４・・・評価部
１１５・・・適応度計算部
１１６・・・親選択部
１１７・・・交差及び突然変異発生部
１１８・・・生き残り選択部
１１９・・・制御部
１２０・・・記憶装置
１２１・・・プラントデータ記憶部
１２１ａ・・３次元配置位置データ記憶部
１２２・・・配置設計データ記憶部
１２３・・・評価関数値記憶部
１２４・・・希求水準値記億部
１２５・・・ 配置ルール記憶部
１２６・・・制約条件記憶部
１２７・・・基数列記憶部
１２８・・・配置解記憶部
ＤＫ・・・・設計者知識領域
ＩＣ・・・・コンピュータ知能領域
ＲＰ・・・・基準点
ＲＥ・・・・矩形の機器及び建屋
ＣＥ・・・・円形の機器及び建屋
Ｐ／Ｃ・・・配管またはケーブル
ＮＭＳ・・・メンテナンススペースなし
ＭＳａ・・・メンテナンススペースａ
ＭＳｂ・・・メンテナンススペースｂ
Ｔ、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、ＴＡ、ＴＢ、ＴＣ・・・・・・取合い点
ＳＢ・・・・敷地境界線
ＣＡ・・・・配置制約領域
ＰＳ・・・・プラント敷地
ＣＰ・・・・交叉位置
ＲＣ・・・・ラック
ＲＤ・・・・外部道路
ＣＬ・・・・中心線
ＰＤ・・・・公道
ＨＥ・・・・熱交換器
ＣＭ・・・・カラム

Claims (4)

1. プラント敷地の条件を示す敷地データおよび配置する機器の条件を示す機器データを含むプラントデータとプラント設計が達成すべき条件を示す希求水準データと機器を配置する際に順守すべき複数のルールからなる配置ルールセットデータを入力するための入力装置と、
   前記敷地データに対応するプラント敷地への前記機器データに対応する機器の配置方法を示す配置解データを作成する演算装置と、
   前記入力装置から入力された前記プラントデータ、前記希求水準データ及び前記配置ルールセットデータと前記演算装置が作成した前記配置解データとを記憶する記憶装置と、
   前記記憶装置に記録された前記配置解データを出力するための出力装置と
   を備え、
   前記配置解データを前記出力装置に出力することによりプラントの設計を支援するプラント設計支援システムであって、
   前記演算装置が、遺伝的アルゴリズムにより最適配置解を探索する最適解探索部を備え、
   前記記憶装置が、前記敷地データに対応する前記プラント敷地の上の配置可能空間を複数の仮想的階層平面に分割して順序尺度により示す配置階層データと該仮想的階層平面内における配置位置を比例尺度により表す２次元配置位置データとの組により機器の３次元的な配置位置を表す３次元配置位置データを記憶する３次元配置位置データ記憶部を備えていることを特徴とするプラント設計支援システム。
2. 前記最適解探索部が、前記配置ルールセットデータに基づいて前記最適配置解を探索することを特徴とする請求項１に記載のプラント設計支援システム。
3. 前記最適解探索部が、前記配置ルールセットデータを構成する個々のルールを順に適用して前記最適配置解を探索することを特徴とする請求項２に記載のプラント設計支援システム。
4. 前記最適解探索部が、前記希求水準データとして入力された配管物量に基づいて前記配置解データの適合度を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のプラント設計支援システム。