船舶管系布局优化的研究

尚峰

摘 要：分析了船舶管系设计布局的具体要求，指出了目前管系设计布局中存在的主要缺陷，讨论了布局优化的方法及发展方向。

关键词：船舶；管系设计；管路系统；水泵

中图分类号：U664.84 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.100

船舶管系是分布于船舶各舱室的用于传递气体与液体的管路系统，包括管子、阀门、法兰、管路支架、减振接管等部分。船舶管系遍布全船各舱室、各个部位，合理的管系布局是保证船舶安全性、操作方便、维修便捷和机械正常运转的重要前提。

1 管系设计布局的要求

船舶管系是船舶建造过程中的重要过程和工序，对于船舶制造有重大的影响。在生产过程中，船舶管系会受到重多因素的约束和影响，主要应满足以下4方面的要求：①经济性要求。管路长度尽量短，弯头、管卡数量尽量少。②安全性要求。管路应避免在振动较大的设备上面布置，比如水泵、压缩机等；油管应避免在高温蒸汽等高温管路及设备上方布置；管路安装时应满足管系的力学要求，同时，考虑到管系受热膨胀会影响使用中管系的受力情况，在安装时，应考虑管系布置的灵活性。③维修性要求。保证管路与管路、管路与设备之间有一定的间距，管路中的阀件及控制装置应避开障碍物，并处于易维护的范围内；为安装与维修阶段所用的扳手、绞车等移动设备预留足够的操作空间。④精细化要求。管系布置时应先布置粗管，后布置细管，管路应尽量与舱壁、设备、管路支架正交成束敷设；管路必须排列整齐，系统阀门应整齐布置；水平与垂直管路安装时应在管路垂直位移最小的位置支撑，防止管路过度变形扭曲。

2 管系设计布局存在的缺陷

目前，管系在设计布局时主要采用平面方法进行管系布局放样，在平面上（通过AutoCAD软件）按照一定比例绘制船体型线和有关结构图。绘制出舱内主要机械设备的安装位置后，应绘制管系的放样总图，而后依据放样总图生成各系统管系的放样图，开展管件加工和生产。

目前，设计方法存在多方面的缺陷：①平面设计方法无法表示管路错综复杂的三维立体关系，不易在设计阶段规避管路之间、管路与设备之间的声短路情况，且要求在现场放样完成后再开展设备布置，这种串行设计的方法不利于生产周期的缩短。②该方法依赖对设备安装位置的数据测量，且因管系密集，在设计不同系统管系时，易出现管路相互影响的情况，导致返工。③人工放样、设计管系布局的最大缺陷是设计布局的结果极度依赖设计者的经验、专业知识。

3 管系优化布局的发展趋势

随着自动化与信息化技术的快速发展，现代造船模式向着数字化发展，设计模式也向着自动化发展，传统的管系优化布局模式也应紧随科技革新。笔者认为，船舶管系优化布局应向以下几方面发展。

3.1 进行三维数字化放样

以三维化为基础的数字化造船模式已经成为现代造船业的发展趋势，开展三维数字化管路布局设计迫在眉睫。三维数字化管路布局的优点在于使管路布局与设备安装同时进行，设备安装完成即可进入管系安装阶段，从而缩短生产周期。此外，三维数字化管系布局设计可以模拟出管系之间、管系与设备之间的三维空间关系，避免在生产阶段出现返工、材料浪费的情况。近年来，国内主力船企（比如广州造船厂、渤海造船厂等）已经在三维数字化管系布局放样方面进行了有益尝试——引进国际上先进的三维设计软件（比如Tribon、CATIA等）进行可管系布局设计，并取得了一定的效果。

3.2 实现自动化管系布局

提高管系设计效率和布局精度的根本方法是进行自动化管系布局。三维数字化管系布局将管系设计工作从二维平面发展到了三维空间，但本质上还是依赖经验丰富的设计者，且设计不一定是最优的。一套成熟的自动化管系优化布局系统是利用预设的专家知识、算法自动输出最优的管系布局。国内外学者对自动化管系优化布局展开了大量的研究，研究过的管系优化布局方法有试凑法、动态规划法、迷宫法、逃逸法、网络优化法、Zhu方法、遗传算法、专家系统和模糊集理论及单元生成法等。经过对管路布局优化设计的多年研究，取得了一定的研究成果，部分行业形成了小范围的自动化管系布局系统，但目前研究的算法中依然存在问题，未形成一套完整的自动化管路优化布局系统。

3.3 检测反馈手段的数字化

虚拟化在现代造船模式下起着十分重要的作用。当前的虚拟化仅限于设计效果的演示及生产结果的演示中，对于指导生产的作用比较薄弱。要想加强虚拟化在生产过程中的作用，则要强化监测反馈手段，发展三维在线监测手段，实时监测、采集管路安装的三维数据，并与三维的设计效果图进行对比；对安装误差过大的部位进行报警提醒，施工人员应及时纠正，在提高生产水平的同时缩短生产周期，降低生产成本。

4 结束语

船舶管系布局是船舶设计生产的一个重要环节，实践中主要依靠设计者的经验完成，生产过程中出现了大量的返工现象。笔者认为，管系布局优化的发展方向主要是实现三维数字化放样、实现自动化布局优化及三维在线监测与反馈。此外，实现管系布局三维化、自动化和虚拟化也是数字化造船模式的客观要求。

参考文献

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〔编辑：张思楠〕