本發(fā)明涉及一種管線在空間內(nèi)的布局規(guī)劃方法，尤其涉及各種專業(yè)管線的協(xié)同布局優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

在海洋石油平臺的設(shè)計過程中，多專業(yè)的管線設(shè)計是其中一個非常重要的工作。在管線的具體設(shè)計過程中，除了要考慮管線的結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度等要求外，還需要考慮管線的空間布局問題。管線的布局目標(biāo)通常包括長度最小化，彎頭數(shù)最少化，以及安裝位置最優(yōu)化(盡量沿著障礙鋪設(shè)以便于固定)，同時還要考慮避障、電氣區(qū)域、操作和維修區(qū)域等工程約束。由于管線布局的復(fù)雜性，當(dāng)前技術(shù)人員的布局設(shè)計工作多建立在經(jīng)驗的基礎(chǔ)之上，需要反復(fù)試驗和修改，設(shè)計效率較低。所以，如何在考慮以上管線布局目標(biāo)的條件下，以較高效率完成管線的布局設(shè)計是個急需解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服當(dāng)前管線布局設(shè)計的缺點，提供一種能以較高效率完成高質(zhì)量設(shè)計要求的多專業(yè)管線的優(yōu)化布局方法。

本發(fā)明的多專業(yè)管線的優(yōu)化布局方法，包括以下步驟：

步驟一、分別給定管線起點位置坐標(biāo)(x0,y0)和終點位置坐標(biāo)(xn,yn)，然后分別做如下判斷：(1)判斷δx＝|xn-x0|與δy＝|yn-y0|的大小，若δx＜δy，則在動點從管線起點出發(fā)沿平行于x軸或者y軸的方向到達(dá)管線終點尋找最優(yōu)管線布局路徑的過程中允許x坐標(biāo)跨越x＝xn這條直線；反之則允許在尋找最優(yōu)管線布局路徑的過程中動點的y坐標(biāo)跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n這條直線；

(2)設(shè)定動點的尋優(yōu)方向，過程為：(a)分別把zx和zy的符號方向定義為尋找最優(yōu)管線布局路徑過程中動點移動的尋優(yōu)正方向，設(shè)定zx＝xn-x0，zy＝y(tǒng)n-y0，若zx＜0，zy＞0，則x軸負(fù)半軸指向為動點x坐標(biāo)移動的尋優(yōu)正方向，y軸正半軸指向為動點y坐標(biāo)移動的尋優(yōu)正方向；

步驟二、在動點從起點位置向終點位置移動過程中，首先判斷沿x坐標(biāo)或者y坐標(biāo)的尋優(yōu)正方向上在設(shè)定的安全距離范圍內(nèi)是否有障礙物，若動點只在一個尋優(yōu)正方向上有障礙物，則動點根據(jù)以下方法移動到距離下一個障礙物安全距離的位置：在無障礙物的方向上沿尋優(yōu)正方向移動；若動點在兩個尋優(yōu)正方向上都有障礙物，則動點根據(jù)以下方法移動到距離下一個障礙物安全距離的位置：沿尋優(yōu)反方向移動到達(dá)下一個障礙物距離較少的一個坐標(biāo)方向移動；若動點在兩個坐標(biāo)尋優(yōu)正方向上都沒有障礙物，則判斷在設(shè)定的安全距離之外下一個障礙物所在的位置，具體方法如下：

(a)設(shè)其中平行于x坐標(biāo)方向上的障礙物坐標(biāo)為(x',a)，平行于y坐標(biāo)方向上的障礙物坐標(biāo)為(b,y')，然后判斷x'和y'是否分別跨越x＝xn和y＝y(tǒng)n這兩條直線；

(b)若步驟(a)的判斷結(jié)果是x'和y'均分別跨越x＝xn和y＝y(tǒng)n這兩條直線，或者有一個跨越而另一個沒有跨越，則選擇其中做尋優(yōu)移動并到達(dá)下一個障礙物距離較短的方向作為第一步的正向移動方向；

(c)若步驟(a)的判斷結(jié)果是x'和y'均分別沒有跨越x＝xn和y＝y(tǒng)n這兩條直線，則選擇其中做尋優(yōu)移動并到達(dá)下一個障礙物距離較長的方向作為第一步的正向移動方向；

步驟三、動點在上一步驟尋優(yōu)移動到達(dá)的障礙物處，把原有移動方向朝向終點位置旋轉(zhuǎn)90°得到新的移動方向，然后沿該新的尋優(yōu)移動方向移動到下一個距離障礙物安全距離的位置處；重復(fù)該步驟，動點順序到達(dá)下一個障礙物處，直至到達(dá)終點位置，完成管線布局路徑的設(shè)計；

在所述的步驟二和步驟三中，當(dāng)動點由上一個障礙物向下一個障礙物尋優(yōu)移動的過程中，包括對動點是否已經(jīng)可以直達(dá)終點位置進(jìn)行判斷的步驟，具體過程為：

(1)若δx＜δy，則判斷動點x坐標(biāo)是否跨越x＝xn這條直線；若δx＞δy，則判斷動點y坐標(biāo)是否跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n這條直線；

(2)若動點x坐標(biāo)跨越x＝xn或者動點y坐標(biāo)跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n，則動點的移動方向在該跨越位置處朝向終點位置旋轉(zhuǎn)90°，并判定新的方向上是否有障礙物；

(3)若步驟(2)的判斷結(jié)果為無障礙物，則動點沿新的方向做尋優(yōu)移動；若步驟(2)的判斷結(jié)果為存在新障礙物，則動點沿著旋轉(zhuǎn)之前的原方向繼續(xù)尋優(yōu)移動到下一個障礙物(xi,yi)處；

(4)若動點x坐標(biāo)沒有跨越x＝xn或者動點y坐標(biāo)沒有跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n，則動點尋優(yōu)移動方向不變,然后到達(dá)下一個障礙物處。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下特點：

本發(fā)明是通過一種近似避障路徑尋優(yōu)的思路來解決管線的布局問題，通過管線起點位置處的動點尋優(yōu)移動，能夠更準(zhǔn)確地定位管線的各個位置，并且保證設(shè)計出的管線布局彎頭數(shù)較少，實際總長度較短，而且管線布局的設(shè)計效率得到了提高。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多專業(yè)管線的優(yōu)化布局方法的流程示意圖；

圖2是采用本發(fā)明的多專業(yè)管線的優(yōu)化布局方法的一個實例示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

本發(fā)明方法本質(zhì)上相當(dāng)于一個避障路徑尋優(yōu)問題，即管線如何在起點位置和終點位置中間合理布局，以保證管線功能實現(xiàn)的基礎(chǔ)上，滿足優(yōu)化的要求。

如圖1所示的本發(fā)明的多專業(yè)管線的優(yōu)化布局方法，包括以下步驟：

步驟一、分別給定管線起點位置坐標(biāo)(x0,y0)和終點位置坐標(biāo)(xn,yn)，然后分別做如下判斷：(1)判斷δx＝|xn-x0|與δy＝|yn-y0|的大小，若δx＜δy，則在動點(x,y)從管線起點出發(fā)沿平行于x軸或者y軸的方向到達(dá)管線終點尋找最優(yōu)管線布局路徑的過程中允許x坐標(biāo)跨越x＝xn這條直線，這樣在管線方向出現(xiàn)折返的情況下，可以保證管線總長度較短；反之則允許在尋找最優(yōu)管線布局路徑的過程中動點的y坐標(biāo)跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n這條直線；

(2)設(shè)定動點的尋優(yōu)方向，過程為：(a)分別把zx和zy的符號方向定義為尋找最優(yōu)管線布局路徑過程中動點移動的尋優(yōu)正方向，設(shè)定zx＝xn-x0，zy＝y(tǒng)n-y0，若zx＜0，zy＞0，則x軸負(fù)半軸指向為動點x坐標(biāo)移動的尋優(yōu)正方向(x軸正半軸指向為動點x坐標(biāo)移動的尋優(yōu)反方向)，y軸正半軸指向為動點y坐標(biāo)移動的尋優(yōu)正方向(y軸負(fù)半軸指向為動點y坐標(biāo)移動的尋優(yōu)反方向)。

步驟二、在動點從起點位置向終點位置移動過程中，首先判斷沿x坐標(biāo)或者y坐標(biāo)的尋優(yōu)正方向上在設(shè)定的安全距離δ范圍內(nèi)是否有障礙物，若動點只在一個尋優(yōu)正方向上有障礙物，則動點根據(jù)以下方法移動到距離下一個障礙物安全距離δ的位置：在無障礙物的方向上沿尋優(yōu)正方向移動，以減少這段管線的長度；若動點在兩個尋優(yōu)正方向上都有障礙物，則動點根據(jù)以下方法移動到距離下一個障礙物安全距離δ的位置：沿尋優(yōu)反方向移動到達(dá)下一個障礙物距離較少的一個坐標(biāo)方向移動，這樣可以減少這段管線的長度；若動點在兩個坐標(biāo)尋優(yōu)正方向上都沒有障礙物，則判斷在設(shè)定的安全距離δ之外下一個障礙物所在的位置，具體方法如下：

(a)設(shè)其中平行于x坐標(biāo)方向上的障礙物坐標(biāo)為(x',a)，平行于y坐標(biāo)方向上的障礙物坐標(biāo)為(b,y')，然后判斷x'和y'是否分別跨越x＝xn和y＝y(tǒng)n這兩條直線；

(b)若步驟(a)的判斷結(jié)果是x'和y'均分別跨越x＝xn和y＝y(tǒng)n這兩條直線，或者有一個跨越而另一個沒有跨越，則選擇其中做尋優(yōu)移動并到達(dá)下一個障礙物距離較短的方向作為第一步的正向移動方向，以減少這段管線的實際長度；

(c)若步驟(a)的判斷結(jié)果是x'和y'均分別沒有跨越x＝xn和y＝y(tǒng)n這兩條直線，則選擇其中做尋優(yōu)移動并到達(dá)下一個障礙物距離較長的方向作為第一步的正向移動方向，以減少管線可能的彎頭數(shù)。例如若滿足|xn-x'|＞|yn-y'|，則需要使動點向障礙物的(x',a)方向?qū)?yōu)移動并到達(dá)距離障礙物安全距離δ的位置(x1,y1)處。

步驟三、動點在上一步驟尋優(yōu)移動到達(dá)的障礙物處，把原有移動方向朝向終點位置旋轉(zhuǎn)90°得到新的移動方向(即如果動點原先沿x坐標(biāo)方向移動，則旋轉(zhuǎn)90°沿y坐標(biāo)方向移動；若動點原先沿y坐標(biāo)方向移動，則旋轉(zhuǎn)90°沿x坐標(biāo)方向移動)，然后沿該新的尋優(yōu)移動方向移動到下一個距離障礙物安全距離δ的位置(x2,y2)處；重復(fù)該步驟，動點順序到達(dá)下一個障礙物(x3,y3)，(x4,y4)…(xi,yi)處，直至到達(dá)終點位置，完成管線布局路徑的設(shè)計；

在所述的步驟二和步驟三中，當(dāng)動點由上一個障礙物(xi-1,yi-1)向下一個障礙物(xi,yi)尋優(yōu)移動的過程中，包括對動點是否已經(jīng)可以直達(dá)終點位置進(jìn)行判斷的步驟，具體過程為：

(1)若δx＜δy，則判斷動點x坐標(biāo)是否跨越x＝xn這條直線；若δx＞δy，則判斷動點y坐標(biāo)是否跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n這條直線；

(2)若動點x坐標(biāo)跨越x＝xn或者動點y坐標(biāo)跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n，則動點的移動方向在該跨越位置處朝向終點位置旋轉(zhuǎn)90°，并判定新的方向上是否有障礙物；

(3)若步驟(2)的判斷結(jié)果為無障礙物，則動點沿新的方向做尋優(yōu)移動；若步驟(2)的判斷結(jié)果為存在新障礙物，則動點沿著旋轉(zhuǎn)之前的原方向繼續(xù)尋優(yōu)移動到下一個障礙物(xi,yi)處；

(4)若動點x坐標(biāo)沒有跨越x＝xn或者動點y坐標(biāo)沒有跨越y(tǒng)＝y(tǒng)n，則動點尋優(yōu)移動方向不變,然后到達(dá)下一個障礙物(xi,yi)處。

如圖2所示的本發(fā)明的多專業(yè)管線的優(yōu)化布局方法的實例示意圖，該方法包括以下步驟：

步驟一、(1)由圖中所示起點和終點位置關(guān)系，起點坐標(biāo)(10,0.5)，終點坐標(biāo)(8,7.5)，因為δx＜δy，所以在尋找最優(yōu)管線布局路徑的過程中允許動點x坐標(biāo)跨越x＝8這條直線；

(2)由圖示起點和終點位置關(guān)系，設(shè)定zx＜0，zy＞0，所以x軸負(fù)半軸指向為動點x坐標(biāo)移動的尋優(yōu)正方向(x軸正半軸指向為動點x坐標(biāo)移動的尋優(yōu)反方向)，y軸正半軸指向為動點y坐標(biāo)移動的尋優(yōu)正方向(y軸負(fù)半軸指向為動點y坐標(biāo)移動的尋優(yōu)反方向)。

步驟二、在起點位置，因為動點在兩個坐標(biāo)方向上都可以尋優(yōu)正方向移動，且沿著y坐標(biāo)移動較短的距離到達(dá)下一個障礙物，所以動點沿著平行于y坐標(biāo)方向做尋優(yōu)正方向移動，并到達(dá)距離障礙物1安全距離0.5處。

步驟三、動點移動方向在障礙物1處朝向終點旋轉(zhuǎn)90°得到新的尋優(yōu)移動方向，沿著新的方向移動到跨越x＝8這條直線時，動點在此位置朝向終點旋轉(zhuǎn)90°，因為該新的方向上有障礙物，則動點繼續(xù)沿著原方向移動，并到達(dá)距離障礙物2安全距離0.5處。重復(fù)步驟二和步驟三，陸續(xù)到達(dá)障礙物3、障礙物4和障礙物5處。

步驟四、動點沿著障礙物5做平行于x坐標(biāo)方向的尋優(yōu)反方向移動，并再次跨越x＝8這條直線，同樣動點在此跨越位置處朝向終點位置旋轉(zhuǎn)90°，并判斷新方向上是否有新的障礙物，判斷結(jié)果為無，則動點沿著新的方向做尋優(yōu)移動。

步驟五、動點最終到達(dá)終點位置，完成管線布局路徑的設(shè)計。