周杭霞,張火明,高明正,楊建民

(1.中國計量學院信息工程學院,浙江 杭州 310018;2.中國計量學院計量測試工程學院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200030)

智能優(yōu)化平臺在等效水深截斷系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用

周杭霞1,張火明2,高明正2,楊建民3

(1.中國計量學院信息工程學院,浙江 杭州 310018;2.中國計量學院計量測試工程學院,浙江 杭州 310018;3.上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海 200030)

構(gòu)建一個智能優(yōu)化平臺,包括粒子群算法、蟻群算法、遺傳算法、模擬退火算法、混沌算法和復合形法。該平臺包括四個模塊,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)化平臺應(yīng)用在等效水深截斷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計中,對截斷系泊系統(tǒng)的構(gòu)造參數(shù)進行優(yōu)化,能在很短時間內(nèi)給出符合海洋工程需要的等效水深截斷系泊系統(tǒng)。

等效水深截斷系統(tǒng);優(yōu)化設(shè)計;智能優(yōu)化算法;優(yōu)化平臺

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(OP)

現(xiàn)有的絕大多數(shù)數(shù)學規(guī)劃優(yōu)化軟件[1]都是采用經(jīng)典的局部優(yōu)化技術(shù),對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]和復合形法[8],構(gòu)建了一個智能優(yōu)化平臺,方便對各種工程問題進行優(yōu)化,同時,該平臺也可作為教學工具使用。該平臺具有以下四個特點:1)開放性,平臺可以對多學科的工程問題進行優(yōu)化,可以與多種數(shù)據(jù)源交換數(shù)據(jù);2)集成優(yōu)化,平臺集成了多種智能算法,可以選擇不同的優(yōu)化算法對同一個問題進行優(yōu)化計算;3)良好的維護性,可方便的對算法進行改進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)化平臺主界面如圖1所示。

該優(yōu)化平臺包括四個模塊——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)化計算模塊、優(yōu)化結(jié)果輸出模塊。每個模塊與用戶的交互都在可視化圖形界面下進行。

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)源進行通信。其中數(shù)據(jù)源包括各種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)源以及非數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)源,達到系統(tǒng)開放性的要求。如圖2所示,這是一個選擇優(yōu)化算例的界面,其中的算例是已經(jīng)導入到程序中的。在選擇了算例之后,在界面上顯示待優(yōu)化目標函數(shù)的截圖和簡要說明。還可以將算例需要設(shè)置的參數(shù)存放在數(shù)據(jù)庫或文件中,這樣就可以從數(shù)據(jù)庫文件或者文件中導入一個算例。

圖1 優(yōu)化平臺界面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。同時可以對各個算法的參數(shù)進行調(diào)節(jié)設(shè)置,如果不做調(diào)整,算法的參數(shù)將采用上一次計算時采用的參數(shù)。

優(yōu)化計算模塊:在收到來自界面的“尋優(yōu)”命令后,調(diào)用此模塊進行計算。通過多線程技術(shù),分別調(diào)用多種算法進行并行計算,優(yōu)化計算模塊是優(yōu)化平臺的核心,可根據(jù)實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時顯示優(yōu)化進程的當前狀態(tài)及一些歷史狀態(tài)信息——以供對優(yōu)化平臺的優(yōu)化效果進行評價并幫助用戶直觀的了解優(yōu)化進展情況。根據(jù)每次尋優(yōu)得到的臨時最優(yōu)值,在主界面上實時繪制出優(yōu)化過程曲線,如圖1所示。幾種優(yōu)化算法并行運行,不同優(yōu)化算法的運行結(jié)果同時顯示在界面上,使用戶直觀地看到各種優(yōu)化算法對同一特定問題的優(yōu)化表現(xiàn),評價優(yōu)化效果,觀察參數(shù)的修改對算法的影響。最終可以通過相互間的比較得到一個最好的優(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 等效水深截斷系統(tǒng)優(yōu)化平臺(POD)設(shè)計

由于深海平臺工作水深越來越深,通常需要采用混合模型試驗技術(shù)(hybridmodel testing technique)[9]對其進行模型試驗,這是一種將理論數(shù)值計算模型和物理模型結(jié)合起來的試驗方法。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)計相應(yīng)等效的水深截斷系統(tǒng)(所謂等效水深截斷系統(tǒng),就是由于水池尺度限制而根據(jù)特定原則設(shè)計出來的截斷系泊系統(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,但對深海平臺的系泊作用基本不變,可稱為“等效水深截斷”。),關(guān)于該方法的詳細描述參見文獻[9]。

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

關(guān)于等效水深截斷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的詳細論述參見文獻[10],為節(jié)省篇幅,這里不再重復。等效水深截斷系統(tǒng)優(yōu)化平臺POD的開發(fā)工具為Visual Studio 2005,編程語言為C++。在該平臺上執(zhí)行一次優(yōu)化計算需要的時間視優(yōu)化參數(shù)的不同而變化,但都能在一個工作日(8小時)內(nèi)完成并給出一個滿足工程需要的結(jié)果。

使用該優(yōu)化平臺進行優(yōu)化計算時,需要提供全水深系泊系統(tǒng)的構(gòu)造參數(shù),并給出截斷系統(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,然后選擇一個或多個優(yōu)化方法即可開始進行優(yōu)化計算,系統(tǒng)會自動給出優(yōu)化設(shè)計結(jié)果并繪制出該結(jié)果對應(yīng)的截斷水深系泊系統(tǒng)的力學特性曲線。

圖4 優(yōu)化方法及等效水深截斷系統(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 等效水深截斷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果輸出界面Fig.5 The output interface of equivalentwater-depth truncationmooring system optimization design results

3 等效水深截斷系統(tǒng)優(yōu)化平臺POD計算實例

這里給出在等效水深截斷優(yōu)化平臺POD上進行的一個從全水深320 m系泊系統(tǒng)到截斷水深80 m系統(tǒng)的優(yōu)化計算實例。320 m全水深系統(tǒng)的詳細介紹參見文獻[11]。選取截斷水深為80 m,當進行等效水深截斷系泊系統(tǒng)設(shè)計時,發(fā)現(xiàn)如果不改變原系泊纜的分段數(shù)和浮筒/重塊懸掛情況,很難使得截斷系統(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,在其間加上一個適當?shù)闹貕K可使得截斷系統(tǒng)和原系統(tǒng)的總水平恢復力特性十分接近,單根系泊纜的靜力特性符合程度也較好[12]。注意,這里設(shè)計出來的截斷系泊系統(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。截斷系泊系統(tǒng)的設(shè)計,早期一般根據(jù)原系統(tǒng)和實驗室水池尺度只能采取人工“試湊”的辦法,難度大,耗時費力,很難得到滿意的結(jié)果,近期有計算機輔助設(shè)計程序出現(xiàn),但優(yōu)化方法較少,而且不是可視化界面,操作比較麻煩?，F(xiàn)在根據(jù)我們課題組開發(fā)出的POD平臺,只需輸入一個數(shù)據(jù)文件就可以啟動程序進行優(yōu)化計算,能在較短時間內(nèi)得到更好的結(jié)果。

對同一算例,優(yōu)化結(jié)果的目標函數(shù)值小的視為較好。通常情況下,各種算法的計算結(jié)果會存在一定的差異,也就是不太一致,一般取目標函數(shù)值小的作為最終結(jié)果。尋優(yōu)初始點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。此次計算選用模擬退火法和遺傳算法,經(jīng)計算,模擬退火算法結(jié)果更好一些,因此POD自動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)的計算,得出最優(yōu)點為X＊=[0.045,250,0.177 5,55,350 000,0.076 2,30,-200 000,0.101 6,19]。初始點和最優(yōu)點各維參數(shù)含義依次為:末端錨鏈直徑(m)、末端錨鏈長度(m)、下段鋼索直徑(m)、下段鋼索長度(m)、重塊水中重量(N)、上段鋼索直徑(m)、上段鋼索長度(m)、浮筒水中重量(N)、接轉(zhuǎn)塔鋼索直徑(m)、接轉(zhuǎn)塔鋼索長度(m)。對應(yīng)的最優(yōu)目標函數(shù)值為0.117 973,最優(yōu)點對應(yīng)的80 m截斷水深錨泊線主要參數(shù)如表1所示。

表1 截斷系統(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截斷水深的系泊系統(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)進程曲線,可見算法的收斂是前快后慢的,最后出現(xiàn)了平臺現(xiàn)象,達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖8(a)給出全水深和截斷水深單根錨泊線靜力特性比較情況,L1-P表示全水深系統(tǒng),L1-T表示截斷水深系統(tǒng),可見兩者是十分接近的。圖8(b)給出全水深和截斷水深系統(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力,FH-T、FV-T分別表示截斷水深系統(tǒng)總的水平和垂直恢復力,從該圖可見總的水平恢復力十分接近,但總的垂直恢復力存在較大差異,這是由于截斷系統(tǒng)長度短,水中量量輕,能為海洋平臺提供的垂直恢復力自然就小了。值得指出的是,圖8中截斷水深系統(tǒng)總的垂直恢復力(FV-T)在位置大約44m有突變,此時大于FV-P,這是由于在該位置下,截斷系系泊系統(tǒng)總共9根纜索中,有的纜索被拉起部分變得較長,有的纜索其上端點纜索角從銳角變?yōu)殁g角,導致了垂直恢復力有個較大的突變。

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)化進程Fig.7 Optimization processof AS

圖8 截斷系統(tǒng)和原系統(tǒng)靜力特性比較Fig.8 Static characteristicsof the truncated&full depthmooring system

圖9給出了全水深和截斷水深系統(tǒng)單根系泊纜水下初始形狀對比情況,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)計準則的使用,兩者的動力特性也是能夠做到比較相似的。

圖9 截斷水深和全水深系泊纜示意(側(cè)視圖)Fig.9 Side view of themooring line of the truncated&full depth system

4 結(jié) 語

簡要介紹了智能優(yōu)化平臺OP的功能和特點,隨后介紹了基于OP開發(fā)出來的等效水深截斷系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計軟件平臺POD,并給出了在該平臺上進行一次截斷系泊系統(tǒng)優(yōu)化計算的算例,在較短時間里獲得了一個令人滿意的結(jié)果。計算結(jié)果表明,該POD系統(tǒng)操作簡便,計算快速,精度較好,顯示直觀明了,具有較強的推廣價值。進一步研究中,將加強系泊纜動力特性的模擬和優(yōu)化,并拓廣該軟件平臺的應(yīng)用領(lǐng)域,爭取申報軟件著作權(quán)將其推廣到國內(nèi)和國際市場。

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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

國家自然科學青年基金資助項目(10602055);國家863計劃資助項目(2008AA09Z303)

周杭霞(1963-),女,浙江杭州人,副教授,主要從事計算機技術(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