一种用于化学品船管路的智能布局规划方法及系统与流程

本发明涉及船管路管线布局，具体来说，涉及一种用于化学品船管路的智能布局规划方法及系统。

背景技术：

1、随着全球化工产业的快速发展，化学品船作为运输高附加值、高危险性液体化学品的重要载体，其安全性、可靠性和运营效率在行业中受到广泛关注。在化学品船的设计与建造过程中，管路管线系统作为核心组成部分，承担着介质输送、压力平衡、应急排放等关键功能。管路布局的质量直接影响船舶的整体性能、维护便利性以及事故风险的控制能力。

2、目前，化学品船管路布局设计主要依赖设计人员的经验进行手工布线，或使用cad工具进行半自动化设计。面对船舶复杂的舱室拓扑结构与密集的设备分布，传统人工布线不仅耗时耗力，还面临迭代修改成本高、设计效率低等问题。同时，管路布局需要在多个约束条件下进行优化，包括空间避让、安全间距、流体动力学性能、热膨胀补偿和可维护性等。人工设计难以全面兼顾这些约束，容易出现设计遗漏或约束冲突，导致设计质量不稳定。此外，现有的布局设计方法通常以几何连通性为核心目标，缺乏对流阻、振动、泄漏风险等多物理场耦合效应的精确量化分析。

3、针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现思路

1、针对相关技术中的问题，本发明提出一种用于化学品船管路的智能布局规划方法及系统，以克服现有相关技术所存在的上述技术问题。

2、为此，本发明采用的具体技术方案如下：

3、根据本发明的一个方面，提供了一种用于化学品船管路的智能布局规划方法，该方法包括：

4、对采集到的多模态数据进行风险评估，基于风险评估结果执行风险等级划分，并结合管路布局的多维约束，利用差异化权重分配策略构建分层加权约束指标体系；

5、根据化学品船的空间拓扑结构与分层加权约束指标体系，构建基于动态自适应格栅的布局模型，并通过布局模型提取管路布局所需的起点与终点坐标；

6、对提取的起点与终点坐标进行标准化处理，并依据预设的映射规则，将起点与终点坐标映射至对应的格栅节点；

7、计算从终点节点指向起点节点的反方向向量，基于反方向向量计算方向契合度，并初始化各节点的优先级与参数，利用动态重规划机制更新节点的优先级序列与参数，生成方向导向地图；

8、根据方向导向地图与方向契合度，从起点节点出发，对起点节点对应的邻接节点进行筛选，生成具备方向引导性的路径候选序列，构建指导路径；

9、分析生成的指导路径，确定各方向组对应的方向参数区间，并结合分层加权约束指标体系执行约束冲突检测，识别空间上互斥的约束对，生成候选布局方案集；

10、对候选布局方案进行多物理场耦合仿真，并依据仿真结果构建多维布局评价体系，计算综合评分，并对综合评分进行评估，基于评估结果输出布局方案。

11、进一步的，根据化学品船的空间拓扑结构与分层加权约束指标体系，构建基于动态自适应格栅的布局模型，并通过布局模型提取管路布局所需的起点与终点坐标包括：

12、根据化学品船的空间拓扑结构，对化学品船的舱室布局、设备位置及管道的布置要求进行分析，基于分析结果构建三维格栅模型；

13、依据预设的分层加权约束指标体系，确定相应的约束条件，并将约束条件融入至三维格栅模型，构建基于动态自适应格栅的布局模型；

14、基于构建的布局模型，提取管路布局的初始起点与初始终点坐标，并利用约束条件对初始起点与初始终点坐标进行筛选，确定管路布局所需的起点与终点坐标。

15、进一步的，计算从终点节点指向起点节点的反方向向量，基于反方向向量计算方向契合度，并初始化各节点的优先级与参数，利用动态重规划机制更新节点的优先级序列与参数，生成方向导向地图包括：

16、根据节点的映射结果，利用增量搜索算法计算终点节点到起点节点的反方向向量，并将反方向向量作为全局路径引导的反向方向基准；

17、计算任意节点到终点节点的方向向量，并将方向向量与反向方向基准进行点积运算，得到任意节点相对于全局路径的方向契合度；

18、将方向契合度映射为权重系数，生成每个节点的初始优先级值，并初始化用于存储节点优先级值的优先级队列，设定相应的路径搜索参数；

19、依据初始化结果执行迭代操作，并在每次迭代中从优先级队列提取优先级值最高的节点作为目标节点；

20、遍历目标节点的邻接节点，结合方向契合度动态更新邻接节点的优先级序列与路径搜索参数，直至起点节点满足预设收敛条件，生成方向导向地图。

21、进一步的，分析生成的指导路径，确定各方向组对应的方向参数区间，并结合分层加权约束指标体系执行约束冲突检测，识别空间上互斥的约束对，生成候选布局方案集包括：

22、分析指导路径的节点坐标与连接关系，计算每个节点相对于终点节点的空间相似性，并依据空间相似性与方向密度聚类算法，对节点进行动态分组，划分得到若干个方向一致的方向组；

23、基于得到的方向组，构建基于模糊逻辑的自适应调节函数，并通过模糊推理算法进行动态推理，输出不同方向组的方向参数区间；

24、根据分层加权约束指标体系，设计约束冲突检测机制，识别出在空间上互斥的约束对，并结合层次分析法确定各约束对的相对重要性，构建综合惩罚函数；

25、依据方向参数区间与综合惩罚函数，利用多策略混合算法生成初始种群，并设定模拟退火的温度调度策略，通过模拟退火算法输出候选布局方案集。

26、进一步的，基于得到的方向组，构建基于模糊逻辑的自适应调节函数，并通过模糊推理算法进行动态推理，输出不同方向组的方向参数区间包括：

27、根据得到的方向组定义输入变量，利用隶属度函数为各输入变量建立相应的模糊子集，并依据分层加权约束指标体系为每条模糊规则分配对应的规则权重；

28、利用模糊推理算法，构建自适应调节函数，并通过隶属度匹配运算，计算各输入变量与对应模糊子集的隶属度值；

29、基于计算得到的隶属度值，以最小值法确定每条模糊规则的触发强度，结合规则权重从模糊子集中提取对应的输出模糊子集，并对输出模糊子集进行融合，生成模糊集合；

30、利用重心算法对模糊集合进行模糊化处理，基于模糊化处理结果将模糊集合转化为方向参数，输出不同方向组的方向参数区间。

31、进一步的，根据分层加权约束指标体系，设计约束冲突检测机制，识别出在空间上互斥的约束对，并结合层次分析法确定各约束对的相对重要性，构建综合惩罚函数包括：

32、将分层加权约束指标体系中的多维约束转换为空间属性，构建约束空间属性库；

33、遍历约束空间属性库内的所有约束项，通过空间范围重叠分析识别出在空间上互斥的约束对，并根据预设的约束优先级规则确定每对冲突约束的相对优先级；

34、根据每对冲突约束的相对优先级，构建树状惩罚层级结构，并利用层次分析法计算各层级权重与全局排序权重，获取不同约束对的重要性；

35、基于获取的重要性，对相应的惩罚项进行量化处理，基于量化处理结果构建综合惩罚函数。

36、进一步的，综合惩罚函数的表达式为：

37、；

38、式中，

f表示综合惩罚值；

n表示单个约束项总数；

i表示索引值；

w

i表示第

i个约束的全局排序权重；

k1表示基础惩罚系数；

v

i表示第

i个约束的违反程度；

j表示索引值；ω表示冲突约束对集合；

w

ij表示第(

i,

j)组冲突约束对的全局排序权重；

k2表示冲突惩罚系数；

m

ij表示第(

i,

j)组冲突约束对的互斥程度；

v

j表示第

j个约束的违反程度。

39、进一步的，遍历约束空间属性库内的所有约束项，通过空间范围重叠分析识别出在空间上互斥的约束对，并根据预设的约束优先级规则确定每对冲突约束的相对优先级包括：

40、将约束空间属性库中的各项约束抽象为图结构中的节点，并为每个节点构建相应的特征向量，结合预设的约束规则在节点之间建立边连接，生成约束关系图；

41、将约束关系图输入至预先训练完成的图神经网络模型，通过消息传递机制提取各节点的低维嵌入表示，并利用链接预测函数计算任意节点对之间形成冲突的潜在概率值，筛选出概率值高于预设阈值的节点对作为隐性冲突对；

42、并行执行碰撞检测算法，识别出存在空间重叠的隐性冲突对，并将隐性冲突对与隐性冲突对进行融合，建立冲突对集；

43、对冲突对集中的每组冲突对进行冲突类型标注，并依据标注类型与预设的约束优先级规则，确定每对冲突约束的相对优先级。

44、进一步的，对候选布局方案进行多物理场耦合仿真，并依据仿真结果构建多维布局评价体系，计算综合评分，并对综合评分进行评估，基于评估结果输出布局方案包括：

45、收集化学品船管路布局的实际工况信息与物理特征参数，分析并确定各物理场之间的耦合边界条件，构建多物理场耦合的仿真模型；

46、将收集的物理特征参数映射至预先构建的数字孪生模型中，建立仿真模型与数字孪生模型的数据同步机制，并通过数据同步机制输出多物理场仿真结果；

47、基于多物理场仿真的输出结果，构建多维布局评价体系，并定义各维度的评价指标，通过加权算法汇总各评价指标，得到每个候选布局方案的综合评分；

48、将综合评分作为反馈信号，方向参数与模拟退火参数作为动作空间，构建包含正向反馈和反向反馈的双反馈强化学习机制，并通过双反馈强化学习机制输出参数优化策略；

49、利用参数优化策略对方向参数与模拟退火参数进行优化，生成新的候选布局方案，并对新的候选布局方案进行多物理场仿真与综合评分；

50、重复生成新的候选布局方案，并对新的候选布局方案进行多物理场仿真与综合评分，直至综合评分达到预设性能阈值，输出布局方案。

51、根据本发明的另一个方面，还提供了一种用于化学品船管路的智能布局规划系统，该系统包括：

52、体系构建模块，用于对采集到的多模态数据进行风险评估，基于风险评估结果执行风险等级划分，并结合管路布局的多维约束，利用差异化权重分配策略构建分层加权约束指标体系；

53、坐标提取模块，用于根据化学品船的空间拓扑结构与分层加权约束指标体系，构建基于动态自适应格栅的布局模型，并通过布局模型提取管路布局所需的起点与终点坐标；

54、坐标映射模块，用于对提取的起点与终点坐标进行标准化处理，并依据预设的映射规则，将起点与终点坐标映射至对应的格栅节点；

55、地图生成模块，用于计算从终点节点指向起点节点的反方向向量，基于反方向向量计算方向契合度，并初始化各节点的优先级与参数，利用动态重规划机制更新节点的优先级序列与参数，生成方向导向地图；

56、路径构建模块，用于根据方向导向地图与方向契合度，从起点节点出发，对起点节点对应的邻接节点进行筛选，生成具备方向引导性的路径候选序列，构建指导路径；

57、方案生成模块，用于分析生成的指导路径，确定各方向组对应的方向参数区间，并结合分层加权约束指标体系执行约束冲突检测，识别空间上互斥的约束对，生成候选布局方案集；

58、布局获取模块，用于对候选布局方案进行多物理场耦合仿真，并依据仿真结果构建多维布局评价体系，计算综合评分，并对综合评分进行评估，基于评估结果输出布局方案。

59、本发明的有益效果为：

60、1、本发明通过多模态数据风险评估与分层加权约束指标体系的构建，提高了管路布局设计的效率与准确性；通过多维约束，能够在短时间内优化设计方案，减少传统人工设计中的误差和遗漏，同时，动态自适应格栅模型使得布局设计更具灵活性，能够快速适应船舶复杂的舱室结构，确保设计满足各类工程约束，提升整体设计质量。

61、2、本发明通过动态重规划机制生成方向导向地图，实现了管路布局的路径规划与优化，在生成指导路径过程中，能够根据方向契合度筛选合理路径，避免冗余布局；结合分层加权约束体系的冲突检测机制，识别并处理空间上互斥的约束条件，确保了管路布局的安全性与可行性，减少了约束冲突对设计过程的影响，提高了方案的合理性和执行性。

62、3、本发明通过多物理场耦合仿真，能够全面评估管路布局方案的综合性能，构建的多维布局评价体系能够准确量化每个方案的优劣，为全局优化提供科学依据，不仅提升了管路设计的综合性能，也有效降低了设计迭代成本，提高了设计方案的稳定性和安全性。