1、整體船舶設計優化Apostolos Papanikolaou 船舶設計實驗室，希臘雅典國立技術大學摘要船舶設計是一項復雜的工作，需要包括技術和非技術性的，和個別專家的許多學科的成功協調，以珍貴的設計解決方案到達。本質上再加上設計過程設計優化，最好的解決方案了許多切實可行的人的標準，或者說一套標準的基礎上，即選擇。一種系統的方法，以船舶設計可考慮船舶作為一個復雜的系統，整合各種子系統及其組件，例如，子系統貨物儲存和處理，能源/發電和船舶推進，船員/乘客和船舶航行的住宿。獨立，考慮到船舶設計實際上應該解決整個船舶生命周期，它可分成是傳統組成的概念/初步設計，合同和詳細設計，船舶建造/制造工藝，船舶

2、操作的各個階段經濟生活和報廢/回收。很明顯，最佳的船是整個，上述定義的艦船系統在她的整個生命周期的整體最優化的結果。但上述定義的優化問題，即使是最簡單的部件，即第一階段（概念/初步設計），是十分復雜，需要進行簡化（減小）在實踐中。固有的船舶設計優化也從設計約束和優化標準（優點或目標函數）所產生的矛盾的要求，反映各種船舶設計利益相關者的利益。本文件簡要介紹了整體方法的船舶設計優化，定義了通用的船舶設計優化問題，并演示了通過采用先進的優化技術優化設計的計算機輔助生成，探索和選擇的解決方案。它討論了一些典型的船舶設計優化問題的多目標，導致的基礎上，提出了改進的方法和增加載貨能力部分的創新設計，提高安

3、全性和生存能力，減少了所需的供電和改善環境的保護。所提出的方法，為生命周期優化問題的綜合船舶系統的應用仍然是未來幾年一個具有挑戰性的，但簡單的任務。關鍵詞：整體船舶設計;多目標優化;遺傳算法;電阻的最小化和清洗;增強的生存能力1 .簡介整體船舶設計優化船舶設計是過去更多的是藝術，而不是一門科學，高度依賴于經驗豐富的造船工程師，在各種基本和專門的科學和工程學科良好的背景。設計空間用啟發式方法實際上是探索，從知識產生的方法，即通過試錯的過程中獲得，往往在幾十年的過程。本質上再加上設計過程設計優化，最好的解決方案了許多切實可行的人的標準，或者說一套標準的基礎上，即選擇。一種系統的方法，以船舶設計可考

4、慮船舶作為一個復雜的系統，整合各種子系統和其組件 ，例如，子系統貨物儲存和處理，能源/發電和船舶推進，船員/乘客和船舶航行的住宿。他們都服務于定義良好的船的功能。船的功能可以被分成兩個主要類別，即有效載荷的功能和固有船的功能（圖1） 。對于貨船，有效載荷功能與提供貨物處所，貨物裝卸和貨物處理設備。船舶固有功能是那些與有效載荷的運輸安全地從港口到港口有一定的速度。圖 1考慮到船舶設計實際上應該解決整個船舶生命周期，它可分成是傳統組成的概念/初步設計，合同和詳細設計，船舶建造/制造工藝，船舶操作的各個階段經濟生活和報廢/回收。顯而易見的是，相對于她的整個生命周期的最佳船舶的整體 1優化整個的，其生

5、命周期的上述定義的船系統的結果。值得注意的是，在數學上，上述定義的船舶的生命周期系統本身的每一個組成部分顯然是形成了一個復雜的非線性優化問題的設計變量，用各種限制和標準的/目標函數進行共同優化。船舶設計過程中，即使是最簡單的組件，即第一階段（概念/初步設計） ，是足夠復雜到簡化（降低2 ）在實踐中。此外，固有的船舶設計優化是從設計約束和優化標準（優點或目標函數）所產生的矛盾的要求，反映各種船舶設計利益相關者的利益：船舶所有人/經營者，造船廠，船級社/海岸警衛隊，監管機構，保險公司，貨主/貨代，港口經營等假設一組特定的要求（商船為海軍艦艇語句通常船舶動力的要求） ，船舶需要進行成本效益進行優化，

6、實現最高運營效率或所需的最低運價（ RFR ） ，用于乘客/船員尤其是石油運營商對于海洋污染最高的安全性和舒適性，為貨物令人滿意的保護和船舶本身的硬件，以及最后但并非最不重要的，對環境影響最小，一旦發生事故和高速船就產生波浪洗。最近，需要船舶發動機排放和空氣污染方面，甚至在船舶設計和操作的優化需要考慮（見海事組織2008年， 2 ） 。許多這些要求顯然相互矛盾，需要合理作出關于優化船舶設計決策。為了使事情變得更加復雜，但越來越接近現實，一組設計要求就船型，貨運能力甚至規格，速度，范圍等是足夠復雜，要求妥善考慮各方利益的另一個優化程序利益相關者的船作為工業產品的國際市場或其他服務車輛。其實，最初

7、的一組船舶設計要求是具有豐富經驗的決策者之間的緊張討論，主要集中在船舶設計和船舶制造方面，和最終用戶誰試圖表達自己的愿望和權衡他們愿意讓一個妥協的結果。一種方法來開展和鞏固這種討論以理性的方式已提前由歐盟資助的項目LOGBASED 3 。自20世紀60年代中期，隨著計算機硬件和軟件的進步設計過程中越來越多的部分已經接管計算機，特別是船舶設計制圖元素。同時，第一計算機輔助初步設計的軟件系統進行了介紹，處理的經驗/簡化船舶模型的特定船舶類型或設計變量的具體經濟條件的梯度，優化的基礎上的數學參數化探索設計空間基于搜索技術（ Murphy等人4 ， NOWACKI等人 5） 。此外，在船舶的船型阻力最

8、小和最好的耐波性的行為（流體力學設計優化）的，或至少鋼鐵等權重船的舯段/結構設計（結構設計優化）優化計算機輔助研究開始被引入到海軍建筑科學界，直到他們帶領到成熟結果在最近幾年（見，例如， Papanikolaou等 6 ， Valdenazzi等人7 ， Zalek等人 8 ） 。隨著計算機硬件和軟件工具的更遠，更快的進步，以及他們融入強大的硬件和軟件設計系統中，時間已經到了看遙遙領先于船舶設計優化，以全面的方式，即通過解決和優化幾個并逐步船舶生活（或整個船舶生命周期系統的所有元素） ，設計，建設和運營，至少階段的各個方面;內全面船舶設計優化，我們應該在此也明白詳盡的多目標和多受限船舶設計優化

9、程序，甚至對船舶生活（如概念設計）與至少減少了整個現實問題的各個階段。在“設計X”的總體框架，即“安全性設計”和“基于風險的設計” （ SAFEDOR 9 ， Vassalos 10 ， Papanikolaou （ED ） 11 ） ， “設計最近推出的科學學科求效益“ ， ”設計生產“ ， ”設計經營“等表明需要的方法和成熟的方法和計算工具從整體上解決了船舶設計優化問題（ Papanikolaou等人 12 ）的可用性。采用遺傳算法（ GAS） ，結合微觀尺度的探索和與實用功能的技術進行設計評估基于梯度的搜索技術，先進的本文中作為產生和確定優化設計的通用型優化技術通過有效的探索大規模，非線

10、性設計空間和眾多的評價標準。多個應用程序通過使用NTUA的船舶設計實驗室（ NTUA - SDL ）的設計軟件平臺，整合完善的造船學和優化軟件套件與各種應用方法和軟件工具這個通用的，多目標船舶設計優化方法，所必需的穩定性，電阻，耐波性，結構完整性等的評價可以在所列參考文獻中找到（ABT等人 13 ） 。下面的例子，從最近完成的或正在運行的涉及NTUA - SDL歐盟資助的項目推斷，可能會被高亮顯示。一波刺耳的高速單體船的阻力最小的船型優化和最佳的耐波性（ VRSHIP - ROPAX2000 ， 14 和 15 ） 。高速單聲道和雙船型優化船體的至少波阻力和波洗（ FLOWMART ， 16

11、和 17 ） 。優化客滾船的區域化增加破損穩性和生存性，至少結構重量（ ROROPROB ， 18和19 ）的。優化的艦艇在受損的情況下在海浪和至少結構重量20增加生存能力。優化減少運動和對終端的背風面波的衰減（禮品， 21和22 ）的液化天然氣浮碼頭.船舶設計的物流的優化（ LOGBASED ， 3 ， 23 和 24 ） 。一個AFRAMAX油輪貨艙容量增加和環境影響最小的基于風險的設計優化（ SAFEDOR ， 7 和 25 ） 。對于一般的概念和利用天然氣和替代程序的多目標優化的細節，可參考盧卡斯26和森 27 。對現代船舶設計方法和計算機輔助設計程序的技術報告，綜合國家最近提出由An

12、drews等人。 28和NOWACKI 29。綜上所述，本文簡要介紹了整體方法船舶設計優化，定義了通用的船舶設計優化問題，并演示了用氣及相關技術設計一代，探索和選擇的解決方案。它討論提出的船舶設計優化方法的兩個典型的多目標船舶設計優化問題，高速船舶，由于波的產生的洗滌和輥的優化減小的供電和環境的影響，即船體形式的優化的基礎上上滾降（滾裝）渡輪至少為結構重量/增加運輸能力，提高生存能力情況下的碰撞損壞。2 .一般船舶設計優化問題在一個整體的船舶設計優化，我們這里應該明白數學與至少減少整個實際設計問題的詳盡的多目標和多約束優化程序。一般船舶設計優化問題，其基本元素可以被定義如下（參見圖2）優化標準

13、（評價函數，目標） ：這是指在數學定義的性能/效率指標可能最終淪為一個經濟條件，初始投資即盈利的列表。獨立，有可能是優化標準（評價函數或目標）是可以不直接提及經濟指標制定;看到，對于一個特定的X艦的功能，例如，優化研究，就像在平靜的水，并在航道，船舶安全性能船舶，船的力量，包括疲勞等船舶設計優化標準是在設計參數（設計變量的向量）和一般復雜的非線性函數一般由算法程序的計算機輔助設計程序中定義。制約因素：這主要是指以數學方式定義的標準（在數學不等式或等式的形式）的監管框架有關的安全（船舶主要國際海上人命安全公約和MARPOL規定）造成的列表。此列表可能由第二組的標準特點是相對于它們的實際價值的不確

14、定性進行擴展和市場狀況（供需數據商船）來確定，按主要材料的成本（船舶：鋼材成本，燃料，做工） ，由預期的財務狀況（資金成本，利率）及其他具體案件的約束。但應注意的是，后者的一套標準通常被視為一組不確定性優化問題的輸入數據和概率評估模型的基礎上，可以進行評估。設計參數：這是指參數（設計變量的向量）根據優化特征設計的清單;為船舶設計，這包括船舶的主要尺寸，除非指定了船東的要求（長度，梁，側深，草稿模式）和可擴展到包括船體的形式，空間和（主）舾裝的安排， （主）網絡元素（配管，電氣等）的（主要）的結構元素，并根據拓撲幾何的可用性有關船舶的設計參數到一個通用的船模進行優化模型。輸入數據：包括第一傳統所

15、有者的規格/需求，這對于一艘商船是必需的貨運運力（載重量和有效載荷） ，服務速度，范圍等，并可通過多種影響船舶設計進一步的數據來補充和它的經濟生活中，像財務數據（利潤預期，利率） ，市場環境（需求和供給數據） ，主要材料（鋼材和燃料）成本等輸入數據集可以包括除了量的數字也比較一般知識類型的數據，如圖紙（船舶的總體部署），并需要適當地轉換納入計算機輔助優化過程的定性信息。輸出：這包括整套的設計參數（設計變量的向量）該指定的優化標準/評價函數獲得數學極值（最小值或最大值），用于多標準優化問題的最優設計方案都在所謂的Pareto前沿和可能由決策者/設計者權衡的基礎上選定。對于帕累托設計解決方案的探索

16、和最終選擇的各種策略和技巧可以使用。在數學術語中，多目標優化問題可被配制成打開MathJaxon其中導率i是第i個目標函數，g和h是一組不等式和等式約束，分別和是優化或設計變量的向量的向量。解決上述問題的是一組Pareto最優解，為此，不能在沒有惡化的至少一個其他目標可以實現改善的一個目的就是解決方案。而不是一個獨特的解決方案，因此，一個多目標優化問題有（理論上）無限的解決方案，即帕累托一整套解決方案。采用多目標遺傳算法（ MOGAS ） ，結合微觀尺度的探索和與實用功能的技術進行設計評估基于梯度的搜索技術，先進的本文中作為產生和識別泛型類型的優化技術通過有效的探索大規模，非線性設計空間和眾多

17、的船舶設計發生的評估標準優化的設計。通過使用NTUA - SDL3的設計軟件系統，集成了海軍建筑軟件包NAPA ® ， 4的優化軟件modeFRONTIER ® 5和各種應用軟件的工具，必要的評估這個通用的，多目標船舶設計優化方法的若干應用穩定，電阻，耐波性等可能會在上市參考文獻中找到（參見圖3的一般方法一般船舶設計優化問題的草圖） 。應用介紹了通用的船舶設計優化NTUA - SDL議事的一些典型的例子是介紹和簡要在下面談到。3 .典型船舶設計優化問題3.1 .對于供電和洗船型的高速船優化3.1.1 .問題的概述在速度，供電，耐波性特征而言船的水動力性能，操控性是非常重要的

18、，尤其是對高速船（ HSC ） 。洗波一代擔心既不是設計師，也不是船舶經營人，直到最近。它是引進眾多大型高速船的船主，目前正在推動海事當局考慮申請一個盡可能合理的洗滌標準來HSC的操作，因為對海洋環境的影響和活動，沿海地區的安全。因此，至少對于HSC設計，洗還原成為船舶的流體動力學性能的一個重要要求，以及與其他傳統的流體動力的目的。從概念上來看，修長的船體形式被確認為他們良好的性能和沖洗特性。的雙體船增加間隔距離一般會導致波阻力和波洗凈減少。不幸的是，容器的主要細節的選擇是許多因素和限制的折衷，因此，不僅可以通過低洗滌的要求來決定。因此，一洗最小化方法在設計過程中，最好是在第一個階段，當容器的

19、主要細節已被定義及船型開發，整合正在成為一個先決條件，以減少監管速度的限制所產生的影響將大大損害船舶的最終經濟潛力。如果這樣的方法是高效，可靠的洗滌預測的數值方法必須是可用的。雖然洗波預測根本不是一個簡單的問題，特別是船只在半規劃和規劃條件，在計算流體力學研究進展導致了軟件開發工具，無論是基于可以與使用的開爾文或者Rankine源分布一個良好的程度的信心。內部集成的設計環境結合的這樣的數字工具是本文介紹的工作的主要目標。在一個多目標優化問題，如沖洗降低是客觀功能之一，該框架的船舶設計過程的制定，使得正規優化方法的應用，以獲得最佳的船型受業主的要求和技術及監管限制。其他的目標函數可能是該船的總電

20、阻，適航性，動態穩定性等，提供適當的數值工具可以為他們的可靠和高效的計算。此外，優化標準反映了容器的經濟潛力，如建筑物和運營成本，運輸能力，凈現值或貨運的速率，也可以使用。本研究在NTUA - SDL主要專注于供電的最小化和在過度洗波對環境的影響。因此，選擇的目標函數是有限的總電阻和洗波最小化。為了進一步簡化計算，該船只的推進系統，無論是水射流或螺旋槳，所產生的洗滌波的影響已被刪去。目標函數反映了血管的經濟表現遺漏部分是由不斷的運輸能力所施加的條件合理。在實踐中，這是通過一個指定的最低滾裝載貨甲板面積和恒位移的要求確定。所選擇的目標已經接近如下：（一）的總電阻是由摩擦力加上波阻力的總和，其中所

21、述的摩擦阻力是由使用ITTC摩擦阻力系數公式的計算來近似。 Shipflow ® ， FLOWTECH 6一個著名的商業CFD軟件，采用了波浪阻力和洗波計算。非線性迭代計算被執行，因為它被認為有必要考慮到下沉和運行飾板上的興波阻力和波浪洗的效果。（b）對于所述第二目標函數，適當的洗滌波測量準則，應選擇針對每個特定應用，根據不同的種洗滌效果進行評估。在本研究中，基本上旨在展示優化概念的潛力，簡單的洗漱措施已被采納，在“平均”波高W沿縱波斬在從船的中心線一定距離的形式：等式（1）打開MathJaxon，其中 （ X，Y）是波抬高，而X1和X2是沿波切口積分區間的開始點和結束點。備選的洗滌

22、條件可以在優化過程中，如最大發生局部波高度在很容易地引入。波周期或波長可還介紹，并結合波高，以獲得表達局域波能量密度的洗標準。對于這種優化問題的解決方案中，通用過程在圖中概述。 2已被應用。3.1.2 。參考艘兩個參考高速船已經被選定為概括優化程序，即一個高速單體船和雙體船的示范。相關工作已在歐盟資助的項目FLOWMART 16 和 17 進行。所選的單體船船只的海盜11000 ，由勒魯-船級社。該容器的主要技術特征列于表1中。表1中。所選擇的單體船海盜船11000的主要特點。整體長102 m運輸能力566名乘客和148輛在水線長87.5米推進功率4 × 6500千瓦總體梁15.4米

23、主引擎4的MTU 20V吃水2.5米柴油發動機服務速度37千牛推進裝置4 KaMeWa水刀表選項模型試驗對于上述容器由SIRHENA按1:30的模型規模的FLOWMART項目內被執行的，在牽引罐為5微米的對應于深度弗勞德numberFnh 3米深度= 0.641的光束。由于拖曳水池的窄波束，預期顯著反射均會影響測量的洗波。因此，計算已經在水不受限制的寬度和90米的深度（滿刻度），并且在寬度和深度上對應于牽引槽的尺寸的信道執行對容器中。該預測與測量結果的在0.25L和0.5L橫向比較距離離中心線（CL）的示于圖圖4和圖5 。在波的削減和用于從船首約3船的長度的第一部分，從對數值預測有限的信道寬度

24、的影響是比較弱的。進一步船尾，這個效果隨在通道與實驗測量值更好的比較預測的容器顯著。一個非常陡峭的波峰，從船頭約兩船的長度，可以在該實驗結果為波斬在0.25L觀察。相比，數值預測這個波峰是高出約50。同樣的現象可見于波斬在0.5L，在哪里在300米， 400米的弓實驗測量觀察到一個陡峭的波顯著的數值結果根據預測 。第二個選擇的容器是高速雙體船紅色噴氣三，通過FBM設計。該容器的主要技術特征列于表2中。高速雙體船噴氣紅三的主要特征。總長32.9米服務速度33千牛在水線長度29.58米運輸能力120乘客總體梁8.32米推進功率2 × 1360千瓦船體2.27米主引擎2的MTU 12V 3

25、96 TE 84吃水1.133米推進裝置2 MJP 650水射流表選項與長弗勞德數等于0.97本船運行在規劃區域。模型試驗對上述船只是由MARINTEK進行，也內FLOWMART 16 ，在1:12.5模型規模，速度范圍從10千牛到33千牛和水深等于3.75米，7.5米，15米和37.5米（滿量程） 。該預測與測量結果以30海里的速度和在0.845L的橫向距離離中心線的比較示于圖6和圖7 。 數值模擬結果與實驗測量之間達成令人滿意的協議獲得了從船頭5.5船的長度。此外尾部，兩條曲線之間有相當大的差異可以看出，可能是由于接近自由表面的版面面積的后限。船型開發所開發的優化過程是通過使用N

26、APA ®的基礎上，參量產生的替代船型。小心確定最合適的設計參數，以及它們的適當的變化范圍，是必要的，以確定可行和高效的船體形式的產生。對于單體船殼體的船體形式生成是由一組點和傾斜角度的控制。通過這些點的網格被創建定義該船體。在圖8一個典型的船體形式的透視圖被呈現，其中所述柵極與定義點被示出。圖8。對于雙船體的情況下，兩個步驟的船型開發程序獲得通過。首先，一個輔助船體形式導出，再使用適當的定義點（見圖9）。這船體，其特征在于由一個長鉸接線，在整個容器的長度，和由橫截面與在底部和側部的直線段。兩個過渡曲線，然后投射在側面和底部（圖9中的虛線） 。一種新的網格確定最終船體被創建，四舍五入

27、的兩個過渡曲線之間的橫截面。相應的宏已經發展到方便的船體形式的參數化建模，充分利用NAPA宏語言。創建船體形式后，其他宏執行檢查與幾何約束的合規性和準備適當的輸出文件，描述由船舶流量處理合適形式的幾何形狀。圖9 。3.1.3.優化的結果上述半位移單體船和高速雙體船的船體形式最優化的典型的結果在下面的章節中討論。.的單體船船的優化在圖10 ，W與總電阻RT（近似RT = RF + RW）所生成的設計顯示了洗波測量的散點圖。原來的容器（根據船舶流量計算）中的對應值都帶有在圖的右上角的粗實圓。圖10.一些具有良好的水動力特性設計的標識。在電阻所得到的減少量，洗滌波測量和最大波高，相對于

28、原來的容器中，列于表3中。類似的比較是從計算的波切口位于at0.25L和從容器的中心線0.75L橫向距離所獲得的結果。邊界線（ “帕累托前沿'）示于圖10對應于最好的可獲得的結果。所有位于該行上的圖案被認為是“最佳”的，因為它是不可能提高相對于一個標準容器的性能而不損害其性能相對于其他人。這是設計師的責任，選擇位于這條線的設計中最可取的解決方案，根據他的經驗，并有可能進一步評價標準。決策支持工具，如實用函數技術，可在邊界條件，以協助設計師在這個選擇過程。在圖中顯示的結果。 11進行了計算，使用2 × 686的面板上的濕潤表面上，并在自由表面2× 3345面板。四個迭

29、代最大數設置，導致每船約630秒的CPU時間使用DEC的XP1000工作站。在表3中給出的結果已被重新計算具有較大的自由表面的版面區域，對應于計算機能力的幾乎100（2 × 7742的自由表面板： 7602的CPU時間）。融合已經經過九年迭代所有船舶已取得。請注意，在表3中的洗滌措施W獲得也重新計算（在波斬，位于靠近點在船的船頭擁有500米的零向下交叉點，其尾端）一個較大的積分時間間隔。相應的自由面高程在一波下調位于LPP / 2從船舶航跡，提出了圖11 。該雙體船的優化進行了一系列的優化研究選定的高速雙體船。是表示W與總電阻RT為最后階段的優化測試過程中每艘船所獲得的

30、洗波測量圖，提出了圖。 12 。原容器中的相應值（根據船舶流量計算）由粗實線圓所示。應當指出的是，原始紅噴氣III船體形式已經被仔細地設計用于低電阻和洗波，并預期從一開始，這將是相當困難的應用優化，以獲得進一步的改善。這證實了所得到的結果中，至少有關的電阻，其中所獲得的減少最大為0.7 的數量級。然而，一些形式的船體可以在圖來識別。 12用相當有利的沖洗特性。其中，船身沒有98B15W ，具有減少在洗滌計量W 13.8 ，而總電阻幾乎等于原來的，可被視為一個強有力代替原船體形式。在耐洗滌度量和最大波高所得到的減少量，相對于原來的容器中，列于表4 。得到的結果進行比較。RT (kN)Diff.

31、%W (m)Diff. %Hmax (m)Diff. %Original vessel64.0900.11600.5460Hull no 98B15W63.650.70.10013.80.46215.4Hull no 98B125W63.760.50.1059.50.4969.2赫爾沒有98B15W計算運行修剪等于0.163 的弓。為了研究對產生的洗波運行修剪的效果，一系列的這種船體的變形進行了檢驗。結果從1變體（赫爾沒有98B125W ）與零運行修剪都包括在表4中。在圖中顯示的結果。 12進行了計算，使用2 × 348的面板上的濕潤表面上，并在自由表面2× 1763面板。

32、五迭代最大數設置，導致每船約310的CPU時間。在表4中給出的結果被計算具有較大的自由表面的版面區域（2 × 8456的自由表面板： 34960的CPU時間）和10次迭代。表4中的洗滌測量W再次被計算為較大的積分區間，產生了顯著較低的值在圖3的結果相比較。 12 。相應的自由面高程在一波下調位于LPP / 2從船的中心線，提出了圖13 。3.1.4.結論已證明，所研制的過程是一種寶貴的設計工具的各種高速船的船體形式發展。施加局部形狀變化和下的恒定速度，位移，長度在水線和間隔距離（對于雙體的情況下）的最大波高為根據數值洗滌波預測所得到的還原是高達30的假設單體船船舶和最多的雙體船的15

33、 ，并指出，這兩個原來的船都是經過精心優化設計，具有良好的水動力和市場表現。該方法允許根據設計師的需要，在日常實踐中推出進一步的目標函數和約束條件。應用到其他類型的船舶設計用于低轉速的出現直接的就更少了有問題的，因為簡單平靜的水面流體力學，可以通過適當的流體動力學軟件工具更好的評估。所提出的優化過程的結果的有效性在很大程度上取決于所采用的的替代船型水動力評價數值方法的準確性。雖然從與實驗測量數值預測的比較結果顯示令人鼓舞的協議，然而，認識，進一步的工作是必要的，以提高使用的數值方法。同時聘請勢理論的船舶阻力的評估和清洗的特點是一個重大的簡化，它不過預計即使該方法不能提供的目標函數（特別是有關船

34、只的電阻）的絕對值非常準確的結果了仍然是一個非常有用的工具，特別是在最初的設計階段，實現了快速的設計空間探索，并協助設計人員從設計不好區分好，分類正確的表現順序替代設計方案。.3.2.滾裝客船以提高安全性和效率隔優化3.2.1 .問題的概述概率破艙穩性的監管理念（ A.265 30 ）的介紹，大約35年前，作為替代確定性的要求，一直被視為對評估過程的合理化的重要一步船的穩定下損壞。即生效2009年1月1日以及新的SOLAS公約破艙穩性規定是適用于任何客船或干貨船類型，完全是基于概率的概念，所有新建樓宇，因此設計師們現在不得不學習與工作概率的概念，這是非常復雜和不太透明的，相比于傳統的確定性概念

35、。相關的計算工作量是相當顯著，并可以進行只有使用專門的軟件程序，它需要與其他船舶設計軟件工具和優化程序接口。缺乏這方面的設計經驗和系統的研究動機上的“滾裝客船概率規則為基礎的優化設計， ROROPROB ” 18的設置了一個歐盟資助的項目。該項目于2003年完成，其目的是制定和實施一個綜合設計方法的滾裝客船的最佳細分，基于概率破艙穩性規定。下面的輪廓與NTUA - SDL的ROROPROB項目內的工作，指的是正式的多目標優化過程的滾裝客船的內部區域化的基礎上，對損害穩定評估的概率方法的發展19。優化的目標是針對翻船船的阻力的最大化，通過她的運力達到的分艙指數，并表示，在這兩個增加的載重量和車庫

36、甲板空間方面。另外，該達到的分艙指數7可視為一個約束（在達到的分艙指數規定分艙指數形式）和優化可能就運輸能力的建設成本，日益接近，并最小化最大化進行到船東的角度。降低建設成本在本文中認為這主要是由于鋼鐵等權重最小化的結果。細分甲板以下水密艙室數目的減少也被認為具有除了結構重量的顯著影響，也對設備成本。3.2.2 。該過程的概要所采用的程序是基于一個著名的商業船舶設計軟件包（ NAPA ）的集成和通用的優化軟件包（ modeFRONTIER ） ，在圖中列出的通用求解過程的框架。 2 。船只的水密分是自動生成的，假設船型并給予主要布局概念的基礎上，一些設計變量和設計參數。對于每個設計變量的達到的

37、分艙指數，以及在保持較低和主甲板車庫總車道長度，鋼鐵等權重到主甲板車庫的頂部計算。所采用的方法的主要特點在下面的章節中列出。 。內部結構的參數化開發適當的行動方案宏已創建用于基于一組設計變量，形成了所謂的“設計空間”船的內部的水密結構的產生，另外一組由用戶提供的設計參數。設計變量的優化過程進行了系統更新，使用中模式前沿適當的工具來完成設計空間探索。用戶提供的設計參數是用來定義在局部和全草案船舶的完整負載條件，并提供必要的數據為各種計算（對于結構重量計算，整車尺寸為車道長度計算等具體的權重） 。該設計參數的優化過程中保持恒定。選定量可以被處理或者作為設計變量或參數，這取決于用戶的意

38、圖或每個設計情況的具體要求。例如，在特殊案件中，水密分艙優化僅限于主機艙船前進的區域，用戶可以把相應的設計變量定義在船尾的船隔作為參數。繼內部布局的生成，程序將繼續與各設計變量進行評估，充分利用內NAPA可用的計算能力。適當的NAPA宏已經發展到控制破損穩性分析，計算結構重量和運輸能力（無論是在排水量和車道長度計算） ，并驗證每個設計的一致性。特性的設計與在主甲板中央和側殼體的安排，通過上述步驟生成的，示于圖。 14和圖15 。除了主殼體的，細長殼體在主甲板的后端可以看出，在這兩種安排。橫向艙壁的位置，兩個下的縱向和橫向范圍成立（前和后，如果有的話） ，垂直位置和雙層底部和內部結構的所有其它細

39、節的程度是由一套設計的控制變量。在本文中所呈現的研究中， 設計變量用于沿與28的設計參數限定該容器的內部布局。根據用戶的選擇，設計變量的子集來定義的設計空間，而其余的變量在優化過程中保持固定。圖14  。破艙穩性計算根據概率破損穩性概念的計算達到的分艙指數已經完成。雖然我們正在處理的滾裝客船的設計，給出的結果是根據SOLAS B-1部分，原本適用于貨船第25條。然而，開發優化程序可以很容易地擴展到占了NAPA軟件包認為最新的統一的概率破損穩性配方（2009年國際海上人命安全） 。 。優化程序執行使用modeFrontier軟件包執行的最優化過程的協調，提

40、供了裝置，用于將計算鏈的定義和控制，并進行必要的外部套裝軟件的集成。圖形用戶界面，用于優化邏輯方案的執行和審查（參見圖16 ） 。輸入變量，以及它們的變異間隔和必要的設計參數，則在相應的輸入文件中定義。鏈接到相應的外部應用程序建立與批處理文件的幫助下，允許modeFrontier來控制程序的執行，并執行在網絡上的各種目錄和/或計算機之間需要數據傳輸。適當的優化調度器的選擇取決于具體的需要解決的問題。在我們的案例研究既單面和多目標遺傳算法（ MOGA ）已被使用。對于優化程序的輸出的分析，提供bymodeFrontier （平行圖，散布圖和學生地塊）的各種選項中使用。后者用于評估相對于輸出值的每

41、個輸入變量的重要性。圖16 3.2.3 。案例研究系統的案例研究已經進行應用上述過程將樣品滾裝客船（圖17） 。船的詳情和兩個初始載荷條件（完全和部分負荷）的定義列于表5中。的橫傾角度的計算僅限于60 ，并沒有向下的水浸開口是在本文介紹的案例研究中定義。車庫空間的磁導率被設置為等于0.90 ;用于發動機室它是0.85 ，而對于空間的其余部分被設置為等于0.95 。圖17 。 .多目標優化為最大的A和運輸能力和最小的結構重量在所提出的優化研究達到的分艙指數A和車道米既最大化得到解決，而結構重量最小化。很明顯，前兩個目標是矛盾的，因為A的最大化要求致密隔，而這會限制下保持長度，因此總

42、車道米。結構重量的最小化也是違背答：對于演示應用的方法論的最大化一個矛盾的目標，結果在主車輛甲板中央殼體構造列于下面（見for評估側殼體的配置）。該船的內部結構的優化被限制的主引擎室的面積前進，保持艦尾部分安排固定的。優化過程的邏輯方案示于圖18 。描述的主引擎室隔向前七個設計變量被選擇來定義設計空間（自由變量） 。為達到的分艙指數的最低可接受值的約束被罰款。在多目標遺傳算法（ MOGA ）優化調度已被選定為實際的優化，并隨機生成的42設計的初始種群。初始設計的人數估計由拇指提示“ 2 ×變量×的目標數數”的規則。優化過程隨后啟動了30代的概率為0.5方向性交

43、叉的，選擇0.5的概率，以及0.1突變的概率。共有950設計創建和評估。這項研究的帕累托設計結果列于圖19 圖20和圖21'最好'走出產生帕累托設計的設計師的選擇可支持的多準則決策 E.STE.CO （2003年） ， “ modeFrontier軟件v.2.5.x ” ， HTTP的效用函數技術： / / www.esteco.it/ 。假設為三個目標相等的權重，所研究的中央殼體的設計的等級示于圖。 22 ，而在圖23顯示生成的優化設計（編號782 ）的總體安排。當到貨運能力（車道米） ，這被認為是更接近一個潛在的船東的經典設計預期，車道長度對船舶的經濟價值產生直接影響，從而

44、提供更高的偏好而達到的分艙指數應該剛剛超過極限的安全法規設定，結果改變，如圖所示。 24和圖25 。 .中央和側殼體配置之間的比較所得結果的比較，優化中央和側殼配置時，呈現在圖26 ，圖27，圖28 。從這些圖中可以觀察到，該側殼結構導致顯著增加運輸能力，結合達到的分艙指數的一個明顯的增加。運輸能力的增加主要歸因于主甲板面積更有效地利用。此外，側殼的存在對下列損害船舶的穩定性特征產生積極的影響，使保持較低的區域的增加，而履行的增加達到的分艙指數的要求。關于結構重量的2設計概念之間沒有顯著差異可以從對比觀察。然而，應該指出的是，結構重量的計算是本文所基于每平方米預定義的特定權重為

45、船的各個部分，而不管所選擇的設計概念。在這方面的比較可以在一定程度上偏向于側殼結構中，考慮到中央殼體結構固有處置增加的結構剛度。在實踐中，較重的橫梁，深縱梁和多個支柱都需要支持的側殼的概念甲板重量。3.2.4 。結論多目標優化過程已經呈現，旨在協助滾裝客船設計師在初步設計階段，當內部水密分艙的布局進行了研究，考慮到效率的概率破艙穩性規定和方面的影響和建筑成本。所開發的程序是基于modeFrontier ，多目標協同設計優化與NAPA ，一個眾所周知的和多功能的海軍建筑設計軟件環境的集成。結果從上面的程序中的應用揭示其作為一個有用和實用的設計工具的潛力，從而使設計師能夠系統地，在很短的時間內數以

46、百計的替代布局，受到各種關系到船舶的效率，約束條件和目標函數的評估和安全。所開發的程序可以使用，也可以從頭開始生成一個容器的內部細分，或顯著改善現有的設計。它允許設計人員獲得設計空間的一個更好的概述，并獲得了較好的折衷的矛盾的設計目標。巨量計算的概率方法需要一個容器的破損穩性評估導致了約3.5分鐘使用PC具有奔騰IV微處理器的頻率為2.4 GHz ，每艘船的評估的計算時間。這個計算時間可以通過使用已成為近年來有更強大的PC計算機上顯著下降，并指出，顯示的結果在2003年最初產生。上述程序的其他類型的船舶的擴展出現直接的，特別是對于船舶用更少的復雜的安排，就像貨船，因為他們的區域化可以顯著減少設

47、計參數產生。4 .結論和前進的道路本文件提供了一個簡要介紹了整體方法船舶設計優化，定義了通用的船舶設計優化問題，并利用遺傳算法和開發的綜合船舶設計優化的過程演示了它的解決方案。這個被施加到兩個不同的實施例中，流體動力性能即優化的高速貨船的環境影響和滾裝船增強生存能力和運輸效率的最優化。結果表明，多目標數學優化方法是非常有價值的工具，大大提高船舶設計質量，即使適用于已經優化了傳統方法的船只。在參考文獻列表中所提出的方法，其他的設計問題的進一步應用程序可能被發現。據指出，這個名單是在很大程度上僅限于NTUA的船舶設計實驗室的工作參考和確實并非詳盡無遺。前進道路上的最后的評論：雖然通用解決方案的方法

48、來全面的船舶設計問題似乎非常成熟，但它仍然為研究人員開發和集成應用算法和相關軟件一個長長的清單，應對種類繁多船舶設計為中生命周期。這是幾十年來的一個長期的任務，需要深厚的技能船舶的物理和設計，需要適當的訓練，海軍建筑師和相關學科的科學家域和理解。致謝附錄:在本文中使用的重要概念整體論（來自希臘語，意思是全部，總）還原論還原：有時解釋為整體論的對立面。“一個復雜的系統可以通過降低其基本組成部分接近。 ”整體論與還原論的需要，進行適當的帳戶復雜的系統，被視為互補的方法來系統的分析。風險（財務） ： “中低于預期收益損失的量化的可能性。 風險（一般） ： “的一個遜于預期狀態的條件可以接受的虧損狀態

49、的量化的可能性。 安全性：可被定義為“一個可接受的風險狀態” 。生存能力：在工程中，生存能力是一個系統的量化能力，子系統，設備，過程或過程期間繼續與天然或人為干擾后的功能;船舶的生存性可以被定義為船舶的能力繼續的環境干擾（由海道如效果），或者她的船體或設備所造成的碰撞，擱淺或武器的影響（艦艇）損傷后的功能。優化： “最好的識別出了一系列的許多可行的方案。 ”整體船舶設計優化： “船舶設計的多目標優化同時考慮所有（全盤）設計的船舶系統和整個船舶生命周期方面的問題。 ”主要的設計目標：性能，安全風險的生存能力，成本。主要的設計約束：安全法規，國家市場（需求，供應，鋼材，燃料等成本） ，其他大部分案

50、件具體。整體風險的優化：考慮到風險投資新造船，它的設計應該從整體上優化，我們可能會將整體船舶設計優化也作為一種通用的基于風險的船舶設計優化，其中有具體的盈利投資的風險期望最小化，或者利潤最大化為可接受的風險。達到的分艙指數A，是的船舶生存的情況下的統計上可能損壞的可能性的度量。它應小于所謂的規定分艙指數R，這對于達到的分艙指數A中的最低值計算，即所考慮的船舶上普遍接受的（在征收條例）生存的水平，相當于她的大小和人板載暴露在碰撞危險號碼。因此，通過船舶的A和的R直接比較，在沖突的情況下相對于她的生存能力相對安全的她的電平被建立。該指數A的一般提法是A = pivisi ，那里的總和，必須采取過所

51、有水密艙或艙組的。這里，系數PI表示正在考慮（ I）室的隔間或組被洪水淹沒，沒有隔間的可能擬合水平分支（邊界）我的考慮，和VI的概率的概率高于現有水平邊界的空間沒有進水。上述兩個因素直接取決于船舶的建造的幾何形狀，并通過系統地收集損壞的船數據的統計分析確定。該因子Si為生存或每組艙室的考慮之中，包括可能存在的水平邊界的后驅的概率。參考文獻:1 Levander K. Innovative ship design can innovative ships be designed ina methodological way. In: Proc. 8th int. marine design co

52、nference-IMDC03;2003.2 International Maritime Organisation (IMO). Prevention of air pollution fromships. Report of the working group on greenhouse gas emissions from ships.MEPC 58/WP. 8; October 2008.3 LOGBASED, Logistics based design. EU FP6 project, Contract number TST3-CT-2003-001708; 20042007.4

53、Murphy RD, Sabat DJ, Taylor RJ. Least cost ship characteristics by computertechniques. Journal Marine Technology 1965;2(2).5 Nowacki H, Brusis F, Swift PM. Tanker preliminary design an optimizationproblem with constraints. Trans SNAME 1970;78.6 Papanikolaou A, Kaklis P, Koskinas C, Spanos D. Hydrody

54、namic optimizationof fast displacement catamarans. In: Proc. 2lst int. symposium on navalhydrodynamics, ONR' 96. 1996.7 Valdenazzi F, Harries S, Janson C-E, Leer-Andersen M, Maisonneuve J-J,Marzi J. et al. The fantastic RoRo: CFD optimisation of the forebody and itsexperimental verification. In:

55、 International conference on ship and shippingresearch NAV 2003. 2003.8 Zalek SF, Parsons MG, Papalambros PY. Multicriterion design optimization ofmonohull vessels for propulsion and seakeeping. In: Proc. 9th internationalmarine design conference. 2006.9 SAFEDOR (20052009). Design, operation and reg

56、ulation for safety. EU project.Contract number 516278. http:/www.SAFEDOR.org.10 Vassalos D. Risk-based design: Passenger ships. In: Proc. SAFEDOR midtermconference. 2007.11 Papanikolaou A, editor. Risk-based ship design methods, tools andapplications. Springer Publishers; 2009.12 Papanikolaou A, And

57、ersen P, Kristensen HO, Levander K, Riska K, Singer D. etal. State of the art design for X. In: Proc. 10th int. marine design conference-IMDC09. 2009.13 Abt C, Harries S. FRIENDSHIP-frameworkintegrating ship-design modelling,simulation, and optimisation, The Naval Architect, RINA. 2007.14 VRSHIP-ROP

58、AX2000. A virtual environment for life-cycle design of shipsystems. EU FP5 project. Contract Number G3RD-CT-2001-00506; 20012005.15 Boulougouris E, Papanikolaou A. Hull form optimization of a high-speed wavepiercing monohull. In: Proc. 9th int. marine design conference-IMDC06. 2006.16 FLOWMART. Fast low wash maritime transportation. EU FP5 Project. Contractnumber G3R