智能優(yōu)化平臺(tái)在等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用

周杭霞,張火明,高明正,楊建民

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200030)

智能優(yōu)化平臺(tái)在等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)用

周杭霞1,張火明2,高明正2,楊建民3

(1.中國(guó)計(jì)量學(xué)院信息工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;2.中國(guó)計(jì)量學(xué)院計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200030)

構(gòu)建一個(gè)智能優(yōu)化平臺(tái),包括粒子群算法、蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法、混沌算法和復(fù)合形法。該平臺(tái)包括四個(gè)模塊,分別是優(yōu)化問題選擇,優(yōu)化參數(shù)設(shè)置,優(yōu)化過程顯示以及優(yōu)化結(jié)果輸出。將該優(yōu)化平臺(tái)應(yīng)用在等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中,對(duì)截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的構(gòu)造參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,能在很短時(shí)間內(nèi)給出符合海洋工程需要的等效水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)。

等效水深截?cái)嘞到y(tǒng);優(yōu)化設(shè)計(jì);智能優(yōu)化算法;優(yōu)化平臺(tái)

Abstract:In this paper,quite a number of intelligence optimization algorithms have been integrated to construct an intellectual optimization platform,including the particle swarm optimization algorithm,ant-colony optimization algorithm,genetic algorithm,simulated annealing algorithm,chaos algorithm and complex algorithm.The platform consistsof fourmodules:the inputmoduleof optimization problem,the parameter adjustingmodule of optimization algorithm,the displaymodule of optimization calculation processand theoutputmoduleof optimization results.The optimization platform is applied in theoptimal design of the equivalentwater-depth truncatedmooring system to obtain the construction parameterof the truncated mooring system.By the platform,the equivalentwater-depth truncatedmooring system can be got in a very short period of time in linewith the needsof ocean engineering.

Key words:equivalentwater-depth truncatedmooring system;optimal design;intelligentoptimization algorithms;optimization platform

1 智能優(yōu)化平臺(tái)(OP)

現(xiàn)有的絕大多數(shù)數(shù)學(xué)規(guī)劃優(yōu)化軟件[1]都是采用經(jīng)典的局部?jī)?yōu)化技術(shù),對(duì)于普遍存在的多極值非凸優(yōu)化問題顯得力不從心。因此,集成了多種智能優(yōu)化算法,包括粒子群算法[2]、蟻群算法[3]、遺傳算法[4-5]、模擬退火算法[6]、混沌算法[7]和復(fù)合形法[8],構(gòu)建了一個(gè)智能優(yōu)化平臺(tái),方便對(duì)各種工程問題進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí),該平臺(tái)也可作為教學(xué)工具使用。該平臺(tái)具有以下四個(gè)特點(diǎn):1)開放性,平臺(tái)可以對(duì)多學(xué)科的工程問題進(jìn)行優(yōu)化,可以與多種數(shù)據(jù)源交換數(shù)據(jù);2)集成優(yōu)化,平臺(tái)集成了多種智能算法,可以選擇不同的優(yōu)化算法對(duì)同一個(gè)問題進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算;3)良好的維護(hù)性,可方便的對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)以及添加或刪除算法,可方便的增加算例;4)可視化,將尋優(yōu)進(jìn)程曲線顯示在界面上,可以直觀的了解尋優(yōu)過程。優(yōu)化平臺(tái)主界面如圖1所示。

該優(yōu)化平臺(tái)包括四個(gè)模塊——優(yōu)化問題的輸入模塊、優(yōu)化算法參數(shù)調(diào)節(jié)模塊、優(yōu)化計(jì)算模塊、優(yōu)化結(jié)果輸出模塊。每個(gè)模塊與用戶的交互都在可視化圖形界面下進(jìn)行。

優(yōu)化問題的輸入模塊:支持各種優(yōu)化問題的輸入,包括與數(shù)據(jù)源進(jìn)行通信。其中數(shù)據(jù)源包括各種數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源以及非數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)源,達(dá)到系統(tǒng)開放性的要求。如圖2所示,這是一個(gè)選擇優(yōu)化算例的界面,其中的算例是已經(jīng)導(dǎo)入到程序中的。在選擇了算例之后,在界面上顯示待優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的截圖和簡(jiǎn)要說明。還可以將算例需要設(shè)置的參數(shù)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)或文件中,這樣就可以從數(shù)據(jù)庫(kù)文件或者文件中導(dǎo)入一個(gè)算例。

圖1 優(yōu)化平臺(tái)界面Fig.1 Interface of the optimization platform

圖2 算例選擇界面Fig.2 Interface of the example selection

優(yōu)化算法選擇和參數(shù)設(shè)置模塊:選擇完優(yōu)化算例之后,根據(jù)需要選擇合適的一種或幾種優(yōu)化算法,如圖3所示。同時(shí)可以對(duì)各個(gè)算法的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)置,如果不做調(diào)整,算法的參數(shù)將采用上一次計(jì)算時(shí)采用的參數(shù)。

優(yōu)化計(jì)算模塊:在收到來自界面的“尋優(yōu)”命令后,調(diào)用此模塊進(jìn)行計(jì)算。通過多線程技術(shù),分別調(diào)用多種算法進(jìn)行并行計(jì)算,優(yōu)化計(jì)算模塊是優(yōu)化平臺(tái)的核心,可根據(jù)實(shí)際工程問題的需要選擇合適的算法。

優(yōu)化結(jié)果的輸出模塊:支持在圖形界面上實(shí)時(shí)顯示優(yōu)化進(jìn)程的當(dāng)前狀態(tài)及一些歷史狀態(tài)信息——以供對(duì)優(yōu)化平臺(tái)的優(yōu)化效果進(jìn)行評(píng)價(jià)并幫助用戶直觀的了解優(yōu)化進(jìn)展情況。根據(jù)每次尋優(yōu)得到的臨時(shí)最優(yōu)值,在主界面上實(shí)時(shí)繪制出優(yōu)化過程曲線,如圖1所示。幾種優(yōu)化算法并行運(yùn)行,不同優(yōu)化算法的運(yùn)行結(jié)果同時(shí)顯示在界面上,使用戶直觀地看到各種優(yōu)化算法對(duì)同一特定問題的優(yōu)化表現(xiàn),評(píng)價(jià)優(yōu)化效果,觀察參數(shù)的修改對(duì)算法的影響。最終可以通過相互間的比較得到一個(gè)最好的優(yōu)化效果,并將該結(jié)果保存到文件或EXCEL文件中。

圖3 優(yōu)化算法選擇界面Fig.3 Interface of optimization algorithm selection

2 等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)(POD)設(shè)計(jì)

由于深海平臺(tái)工作水深越來越深,通常需要采用混合模型試驗(yàn)技術(shù)(hybridmodel testing technique)[9]對(duì)其進(jìn)行模型試驗(yàn),這是一種將理論數(shù)值計(jì)算模型和物理模型結(jié)合起來的試驗(yàn)方法。該方法的首要工作就是參照全水深系泊/立管系統(tǒng)的特性設(shè)計(jì)相應(yīng)等效的水深截?cái)嘞到y(tǒng)(所謂等效水深截?cái)嘞到y(tǒng),就是由于水池尺度限制而根據(jù)特定原則設(shè)計(jì)出來的截?cái)嘞挡聪到y(tǒng),它與全水深系泊/立管系統(tǒng)相比,除了工作水深和跨距小一些,其它特性盡量保持一致,也就是說雖然工作水深改變了,但對(duì)深海平臺(tái)的系泊作用基本不變,可稱為“等效水深截?cái)唷薄?,關(guān)于該方法的詳細(xì)描述參見文獻(xiàn)[9]。

基于上節(jié)所述的智能優(yōu)化平臺(tái)OP,還開發(fā)出了針對(duì)等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的軟件平臺(tái)系統(tǒng)POD。圖4表示常用的模擬退火方法和等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)問題參數(shù)設(shè)置界面。優(yōu)化結(jié)束后,POD能將優(yōu)化結(jié)果對(duì)應(yīng)的等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)相關(guān)力學(xué)和幾何特性繪制在圖形化界面上,如圖5所示。

關(guān)于等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的詳細(xì)論述參見文獻(xiàn)[10],為節(jié)省篇幅,這里不再重復(fù)。等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)POD的開發(fā)工具為Visual Studio 2005,編程語(yǔ)言為C++。在該平臺(tái)上執(zhí)行一次優(yōu)化計(jì)算需要的時(shí)間視優(yōu)化參數(shù)的不同而變化,但都能在一個(gè)工作日(8小時(shí))內(nèi)完成并給出一個(gè)滿足工程需要的結(jié)果。

使用該優(yōu)化平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算時(shí),需要提供全水深系泊系統(tǒng)的構(gòu)造參數(shù),并給出截?cái)嘞到y(tǒng)的工作水深和每種類型錨泊線各材質(zhì)分段的材質(zhì)類型,然后選擇一個(gè)或多個(gè)優(yōu)化方法即可開始進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果并繪制出該結(jié)果對(duì)應(yīng)的截?cái)嗨钕挡聪到y(tǒng)的力學(xué)特性曲線。

圖4 優(yōu)化方法及等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化問題參數(shù)設(shè)置界面Fig.4 The optimization algorithm and the optimization problem of equivalentwater-depth truncationmooring system parameter setting interface

圖5 等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果輸出界面Fig.5 The output interface of equivalentwater-depth truncationmooring system optimization design results

3 等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化平臺(tái)POD計(jì)算實(shí)例

這里給出在等效水深截?cái)鄡?yōu)化平臺(tái)POD上進(jìn)行的一個(gè)從全水深320 m系泊系統(tǒng)到截?cái)嗨?0 m系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算實(shí)例。320 m全水深系統(tǒng)的詳細(xì)介紹參見文獻(xiàn)[11]。選取截?cái)嗨顬?0 m,當(dāng)進(jìn)行等效水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),發(fā)現(xiàn)如果不改變?cè)挡蠢|的分段數(shù)和浮筒/重塊懸掛情況,很難使得截?cái)嘞到y(tǒng)和原系統(tǒng)的靜力特性相似,經(jīng)過多次試算發(fā)現(xiàn),將原系泊纜從上到下的第二段分為兩段,在其間加上一個(gè)適當(dāng)?shù)闹貕K可使得截?cái)嘞到y(tǒng)和原系統(tǒng)的總水平恢復(fù)力特性十分接近,單根系泊纜的靜力特性符合程度也較好[12]。注意,這里設(shè)計(jì)出來的截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)與全水深系泊系統(tǒng)包括相同根數(shù)的系泊纜,每根系泊纜的水平布錨角相同。截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)的設(shè)計(jì),早期一般根據(jù)原系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)室水池尺度只能采取人工“試湊”的辦法,難度大,耗時(shí)費(fèi)力,很難得到滿意的結(jié)果,近期有計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序出現(xiàn),但優(yōu)化方法較少,而且不是可視化界面,操作比較麻煩。現(xiàn)在根據(jù)我們課題組開發(fā)出的POD平臺(tái),只需輸入一個(gè)數(shù)據(jù)文件就可以啟動(dòng)程序進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算,能在較短時(shí)間內(nèi)得到更好的結(jié)果。

對(duì)同一算例,優(yōu)化結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)值小的視為較好。通常情況下,各種算法的計(jì)算結(jié)果會(huì)存在一定的差異,也就是不太一致,一般取目標(biāo)函數(shù)值小的作為最終結(jié)果。尋優(yōu)初始點(diǎn)可以在自變量取值范圍內(nèi)任意指定,得到的結(jié)果在給定算法和允許最大迭代步數(shù)情況下是概率統(tǒng)計(jì)意義上的最好解,但不一定是全局最優(yōu)解,真正的全局最優(yōu)解目前的技術(shù)手段還無法保證一定能獲得。此次計(jì)算選用模擬退火法和遺傳算法,經(jīng)計(jì)算,模擬退火算法結(jié)果更好一些,因此POD自動(dòng)選用模擬退火法的結(jié)果作為最終的優(yōu)化結(jié)果。尋優(yōu)初始點(diǎn)為X0=[0.06,270,0.158 8,45,290 000,0.076 2,40,-170 000,0.076 2,1]T,經(jīng) 11 127 s(約 3 h∶5m∶27 s)的計(jì)算,得出最優(yōu)點(diǎn)為X＊=[0.045,250,0.177 5,55,350 000,0.076 2,30,-200 000,0.101 6,19]。初始點(diǎn)和最優(yōu)點(diǎn)各維參數(shù)含義依次為:末端錨鏈直徑(m)、末端錨鏈長(zhǎng)度(m)、下段鋼索直徑(m)、下段鋼索長(zhǎng)度(m)、重塊水中重量(N)、上段鋼索直徑(m)、上段鋼索長(zhǎng)度(m)、浮筒水中重量(N)、接轉(zhuǎn)塔鋼索直徑(m)、接轉(zhuǎn)塔鋼索長(zhǎng)度(m)。對(duì)應(yīng)的最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值為0.117 973,最優(yōu)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的80 m截?cái)嗨铄^泊線主要參數(shù)如表1所示。

表1 截?cái)嘞到y(tǒng)(80 m)系泊纜主要參數(shù)與屬性Tab.1 Main parameters of themooring line of the truncated system 80 m

這樣就得到了該80m截?cái)嗨畹南挡聪到y(tǒng),該系統(tǒng)平面布置情況如圖6所示,該系泊系統(tǒng)由3組各3根共9根系泊纜組成,3組系泊纜成間隔120°均勻布置,每組3根系泊纜成5°間隔均勻布置。每根系泊纜的主要參數(shù)及屬性參見上表1所示。圖7給出了模擬退火算法的尋優(yōu)進(jìn)程曲線,可見算法的收斂是前快后慢的,最后出現(xiàn)了平臺(tái)現(xiàn)象,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8(a)給出全水深和截?cái)嗨顔胃^泊線靜力特性比較情況,L1-P表示全水深系統(tǒng),L1-T表示截?cái)嗨钕到y(tǒng),可見兩者是十分接近的。圖8(b)給出全水深和截?cái)嗨钕到y(tǒng)總的靜力特性比較情況,FH-P、FV-P分別表示全水深系統(tǒng)總的水平和垂直恢復(fù)力,FH-T、FV-T分別表示截?cái)嗨钕到y(tǒng)總的水平和垂直恢復(fù)力,從該圖可見總的水平恢復(fù)力十分接近,但總的垂直恢復(fù)力存在較大差異,這是由于截?cái)嘞到y(tǒng)長(zhǎng)度短,水中量量輕,能為海洋平臺(tái)提供的垂直恢復(fù)力自然就小了。值得指出的是,圖8中截?cái)嗨钕到y(tǒng)總的垂直恢復(fù)力(FV-T)在位置大約44m有突變,此時(shí)大于FV-P,這是由于在該位置下,截?cái)嘞迪挡聪到y(tǒng)總共9根纜索中,有的纜索被拉起部分變得較長(zhǎng),有的纜索其上端點(diǎn)纜索角從銳角變?yōu)殁g角,導(dǎo)致了垂直恢復(fù)力有個(gè)較大的突變。

圖6 80 m系泊系統(tǒng)布置平面示意Fig.6 Plan view of the 80m mooing system

圖7 模擬退火法優(yōu)化進(jìn)程Fig.7 Optimization processof AS

圖8 截?cái)嘞到y(tǒng)和原系統(tǒng)靜力特性比較Fig.8 Static characteristicsof the truncated&full depthmooring system

圖9給出了全水深和截?cái)嗨钕到y(tǒng)單根系泊纜水下初始形狀對(duì)比情況,從圖上可看出,工作水深變小后,系泊纜初始形狀發(fā)生較大的變化,但盡管如此,兩者還是具有十分接近的靜力特性,由于合理設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的使用,兩者的動(dòng)力特性也是能夠做到比較相似的。

圖9 截?cái)嗨詈腿钕挡蠢|示意(側(cè)視圖)Fig.9 Side view of themooring line of the truncated&full depth system

4 結(jié) 語(yǔ)

簡(jiǎn)要介紹了智能優(yōu)化平臺(tái)OP的功能和特點(diǎn),隨后介紹了基于OP開發(fā)出來的等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)POD,并給出了在該平臺(tái)上進(jìn)行一次截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)優(yōu)化計(jì)算的算例,在較短時(shí)間里獲得了一個(gè)令人滿意的結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明,該P(yáng)OD系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便,計(jì)算快速,精度較好,顯示直觀明了,具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。進(jìn)一步研究中,將加強(qiáng)系泊纜動(dòng)力特性的模擬和優(yōu)化,并拓廣該軟件平臺(tái)的應(yīng)用領(lǐng)域,爭(zhēng)取申報(bào)軟件著作權(quán)將其推廣到國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)。

[1] 劉紅星,肇 瑩,朱 博,等.基于進(jìn)化算法的優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2007,43(1):100-103.

[2] 高明正,金尚忠,張火明.改進(jìn)的混合粒子群優(yōu)化算法[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2008,19(3):260-264.

[3] 李向麗,楊慧中,魏麗霞.基于退火的蟻群算法在連續(xù)空間優(yōu)化的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2007,43(23):74-76.

[4] 王富民,張 揚(yáng),田社平.遺傳算法與處罰函數(shù)法在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2004,15(4):290-293.

[5] 張火明,楊松林,朱仁慶,等.船舶航行性能優(yōu)化的模糊遺傳算法[J].中國(guó)造船,2003,43(3):7-15.

[6] 張火明,陸慧娟,衛(wèi) 偉.混合離散變量模擬退火方法及其應(yīng)用[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2006,17(1):44-49.

[7] 陸慧娟,張火明.基于混沌的船舶操縱性能優(yōu)化計(jì)算[J].信息與控制,2006,35(3):402-410.

[8] 張火明,陸萍藍(lán),吳建國(guó).離散復(fù)合形法的改進(jìn)及應(yīng)用研究[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2006,17(4):300-304.

[9] Zhang HuoMing,Yang Jianmin,Xiao Longfei.Investigationon hybridmodel testing techniqueof deep-sea platformsbased on equivalent water depth truncation[J].China Ocean Engineering,2007,21(3):401-416.

[10] 張火明,楊建民,肖龍飛.混合模型試驗(yàn)等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].海洋工程,2006,24(2):7-13,20.

[11] 張火明,楊建民,肖龍飛.考慮靜力特性相似的等效水深截?cái)嘞到y(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)造船,2007,48(2):25-36.

[12] ZHANGHuo-ming,SUN Zhi-lin,YANGJian-min,etal.Investigationonoptimization designof equivalentwater depth truncatedmooring system[J].Science in China Series G,2009,52(2):277-292.

[13] 高明正.智能優(yōu)化平臺(tái)的并行實(shí)現(xiàn)及在光學(xué)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[D].杭州:中國(guó)計(jì)量學(xué)院,2009.

[14] 蘇一華,楊建民,肖龍飛.深海單柱式平臺(tái)及其系泊系統(tǒng)的截?cái)嗨钅Ｐ驮囼?yàn)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2007,41(9):1454-1459,1464.

[15] 蘇一華,楊建民,肖龍飛,等.基于靜力相似的水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)海洋平臺(tái),2008,23(1):14-19.

Application of the intelligent optimization platform in design of the equivalent water-depth truncated mooring system

ZHOU Hang-xia1,ZHANG Huo-ming2,GAOMing-zheng2,YANGJian-min3
(1.College of Information Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China;2.College of Metrology Technology and Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China;3.State key Laboratory of Ocean Eng.,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200030,China)

P75,TP309

A

1005-9865(2011)01-0094-06

2010-02-02

國(guó)家自然科學(xué)青年基金資助項(xiàng)目(10602055);國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008AA09Z303)

周杭霞(1963-),女,浙江杭州人,副教授,主要從事計(jì)算機(jī)技術(shù)在工程中應(yīng)用研究。E-mail:zhx@cjlu.edu.cn

張火明。E-mail:zhmlandi@cjlu.edu.cn