本發(fā)明屬于人機(jī)交互領(lǐng)域，特別是涉及一種艦船基本工作流程，優(yōu)化甲板設(shè)備布局的計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

甲板是艦船上承擔(dān)多個(gè)作業(yè)的平臺(tái)，不同的時(shí)間會(huì)有不同作業(yè)在甲板上進(jìn)行，作業(yè)的內(nèi)容和人數(shù)多種多樣。但是甲板面積有限，很難滿足所有任務(wù)的作業(yè)需求，如何優(yōu)化艦船甲板布局，提高甲板利用率是現(xiàn)有艦船設(shè)計(jì)者非常關(guān)心問題。而現(xiàn)有甲板布局或者空間布局的方法都沒有考慮到包含人的作業(yè)能力的優(yōu)化。本發(fā)明的目的在于提出一種基于艦船特點(diǎn)，考慮多人協(xié)同作業(yè)和作業(yè)流程的甲板布局計(jì)算方法，用于優(yōu)化甲板設(shè)備布局。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種基于艦船特點(diǎn)，考慮多人協(xié)同作業(yè)和作業(yè)流程的甲板布局計(jì)算方法，對(duì)艦船的甲板設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化。

一種甲板布局計(jì)算方法，所述的甲板布局優(yōu)化包含如下組成要素：甲板上的設(shè)備和障礙物，多個(gè)作業(yè)及作業(yè)先后流程，每個(gè)作業(yè)的涉及作業(yè)人員。將上述要素進(jìn)行甲板布局優(yōu)化計(jì)算。

所述計(jì)算步驟如下：

1)布局中設(shè)備和障礙物的數(shù)學(xué)描述：將所有設(shè)備和障礙物在給定形狀的甲板平面上進(jìn)行映射，由人工通過手工繪制方式將設(shè)備和障礙物繪制為封閉多邊形，盡可能地采用最少的點(diǎn)表征完整的設(shè)備平面形狀。

2)形心的計(jì)算：利用幾何積分計(jì)算圖形重心的原理計(jì)算出多邊形的重心，以此為設(shè)備或障礙物的形心。

3)坐標(biāo)設(shè)定：對(duì)每個(gè)設(shè)備和障礙物進(jìn)行編號(hào)，以設(shè)備和障礙物形心為坐標(biāo)原點(diǎn)，按順時(shí)針將每個(gè)設(shè)備和障礙物頂點(diǎn)與形心的相對(duì)坐標(biāo)組成數(shù)列。

4)設(shè)備擺放區(qū)間設(shè)定：根據(jù)艦船作業(yè)任務(wù)的實(shí)際需求，對(duì)每個(gè)設(shè)備在甲板上允許擺放的位置區(qū)間進(jìn)行設(shè)定。

5)障礙物位置設(shè)定：根據(jù)艦船作業(yè)任務(wù)的實(shí)際要求，對(duì)影響作業(yè)人員行走路徑的障礙物擺放位置進(jìn)行設(shè)定。

6)時(shí)序的設(shè)定：根據(jù)作業(yè)要求，考慮到任務(wù)流程的先后順序和涉及作業(yè)人員，以時(shí)序排列矩陣為基礎(chǔ)，通過任務(wù)單元列表和時(shí)間刻度形象地表示出任何特定任務(wù)的活動(dòng)順序、持續(xù)時(shí)間和作業(yè)人員數(shù)目。如圖1，以時(shí)序排列矩陣A為基礎(chǔ)，通過任務(wù)單元列表和時(shí)間刻度形象地表示出任何特定任務(wù)的活動(dòng)順序與持續(xù)時(shí)間，基本是一條線段圖，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示活動(dòng)(任務(wù)單元)，它直觀地表明任務(wù)單元在什么時(shí)候進(jìn)行。數(shù)學(xué)模型如下：

將一個(gè)任務(wù)模塊A中的任務(wù)單元A1、A2...按照時(shí)序排列為一個(gè)列向量：

其中1、2、3...為順次任務(wù)所發(fā)生的順序，且，每個(gè)Ai表示一個(gè)行向量，其所包含的元素表示為在發(fā)生第i個(gè)任務(wù)的時(shí)間段內(nèi)，允許發(fā)生的并行任務(wù)，則對(duì)于矩陣A，其由上而下行的順序表示順次任務(wù)的順次關(guān)系，每一行中的元素表示對(duì)應(yīng)于該時(shí)間段內(nèi)的并行任務(wù)。規(guī)定在Ai中，若有并行任務(wù)，則為Aij；若無(wú)并行任務(wù)，則以0表示。所以，A的列數(shù)由某個(gè)具有最多的并行任務(wù)的行決定。

假設(shè)，順次任務(wù)共6個(gè)，表示為A1、A2、A3、A4、A5、A6，無(wú)并行任務(wù)，則時(shí)序排列矩陣如下所示：

7)優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)：(a)完成所有作業(yè)任務(wù)后，所有作業(yè)人員先后到達(dá)不同的設(shè)備所經(jīng)過的路程之和最小；(b)所有擺放在甲板上的設(shè)備占用面積最小。

8)甲板布局計(jì)算：采用遺傳算法在甲板上任意生成一個(gè)設(shè)備布置的種群，且要求所有設(shè)備之間的間距符合人體作業(yè)范圍，按照作業(yè)流程計(jì)算所有作業(yè)路徑和設(shè)備占用面積；在此基礎(chǔ)上再根據(jù)遺傳算法的基因變異方法生成新的算子，得到新的種群，對(duì)其進(jìn)行新的作業(yè)路徑和設(shè)備占用面積計(jì)算，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，判斷是否滿足約束條件；通過反復(fù)變異，直至產(chǎn)生符合約束條件的新個(gè)體。

9)算法的終止條件：通常情況下，算法的變異概率設(shè)為0.01，迭代次數(shù)為5000，也可根據(jù)實(shí)際的計(jì)算精度要求增加迭代次數(shù)。

本發(fā)明的效果在于：

1.通過傳統(tǒng)遺傳算法和作業(yè)任務(wù)流程的結(jié)合，使得計(jì)算得到甲板布局更符合甲板上實(shí)際的作業(yè)規(guī)律。

2.利用傳統(tǒng)遺傳算法結(jié)合人的行走路徑進(jìn)行計(jì)算，得到甲板布局能顯著提高艦船甲板布局的設(shè)計(jì)水平，使設(shè)計(jì)者可量化地了解設(shè)計(jì)的效果。

附圖說明

圖1.任務(wù)流程甘特圖；

圖2.算法示例結(jié)果圖；

1.設(shè)備1；2.設(shè)備2；3.設(shè)備3；4.設(shè)備4；5.設(shè)備5；6.設(shè)備6；7.障礙物7；

圖3.算法進(jìn)化過程迭代圖。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明的甲板布局計(jì)算方法，包含的組成要素為：甲板上的設(shè)備和障礙物，多個(gè)作業(yè)及作業(yè)先后流程，每個(gè)作業(yè)的涉及作業(yè)人員。將上述要素進(jìn)行甲板布局優(yōu)化計(jì)算。包含以下計(jì)算步驟：

1)布局中設(shè)備和障礙物的數(shù)學(xué)描述：將所有設(shè)備和障礙物在給定形狀的甲板平面上進(jìn)行映射，由人工通過手工繪制方式將設(shè)備和障礙物繪制為封閉多邊形，盡可能地采用最少的點(diǎn)表征完整的設(shè)備平面形狀。如圖2中的設(shè)備1～6和障礙物7就是簡(jiǎn)化后的多邊形。

2)形心的計(jì)算：利用幾何積分計(jì)算圖形重心的原理計(jì)算出多邊形的重心，以此為設(shè)備或障礙物的形心。

3)設(shè)備坐標(biāo)設(shè)定：對(duì)每個(gè)設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，以設(shè)備和障礙物形心為坐標(biāo)原點(diǎn)，按順時(shí)針將設(shè)備和障礙物頂點(diǎn)與形心的相對(duì)坐標(biāo)組成數(shù)列，如S1＝{(1.5，1.5)，(1.5，-1.5)，(-1.5，-1.5)，(-1.5，1.5)}，其中(1.5，1.5)，(1.5，-1.5)、(-1.5，-1.5)和(-1.5，1.5)為每個(gè)頂點(diǎn)相對(duì)形心的坐標(biāo)。

4)設(shè)備擺放區(qū)間設(shè)定：根據(jù)艦船作業(yè)任務(wù)的實(shí)際需求，對(duì)每個(gè)設(shè)備在甲板上允許擺放的位置區(qū)間進(jìn)行設(shè)定。如圖2中的設(shè)備1～6所處的正方形區(qū)域。

5)障礙物位置設(shè)定：根據(jù)艦船作業(yè)任務(wù)的實(shí)際需求，對(duì)影響作業(yè)人員行走路徑的障礙物擺放位置進(jìn)行設(shè)定。如圖2中的障礙物7的多邊形區(qū)域。

6)時(shí)序的設(shè)定：根據(jù)任務(wù)流程的要求，考慮到任務(wù)流程的先后順序和涉及作業(yè)人員，以時(shí)序排列矩陣為基礎(chǔ)，通過任務(wù)單元列表和時(shí)間刻度形象地表示出任何特定任務(wù)的活動(dòng)順序、持續(xù)時(shí)間和作業(yè)人員數(shù)目。如圖1，以時(shí)序排列矩陣A為基礎(chǔ)，通過任務(wù)單元列表和時(shí)間刻度形象地表示出任何特定任務(wù)的活動(dòng)順序與持續(xù)時(shí)間。在圖1中，橫坐標(biāo)表示時(shí)間，縱坐標(biāo)表示活動(dòng)(任務(wù)單元)，它直觀地表明任務(wù)單元在什么時(shí)候進(jìn)行。數(shù)學(xué)模型如下：

將一個(gè)任務(wù)模塊A中的任務(wù)單元A1、A2...按照時(shí)序排列為一個(gè)列向量：

其中1、2、3...為順次任務(wù)所發(fā)生的順序，且，每個(gè)Ai表示一個(gè)行向量，其所包含的元素表示為在發(fā)生第i個(gè)任務(wù)的時(shí)間段內(nèi)，允許發(fā)生的并行任務(wù)，則對(duì)于矩陣A，其由上而下行的順序表示順次任務(wù)的順次關(guān)系，每一行中的元素表示對(duì)應(yīng)于該時(shí)間段內(nèi)的并行任務(wù)。規(guī)定在Ai中，若有并行任務(wù)，則為Aij；若無(wú)并行任務(wù)，則以0表示。所以，A的列數(shù)由某個(gè)具有最多的并行任務(wù)的行決定。

如圖1，共6個(gè)順次任務(wù)，每個(gè)任務(wù)使用一個(gè)設(shè)備，編號(hào)為1～6，無(wú)并行任務(wù)，則時(shí)序排列矩陣如下所示：

所以，設(shè)備順序矩陣為；

7)優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)計(jì)：(a)設(shè)備和障礙物擺放后，根據(jù)作業(yè)任務(wù)，計(jì)算得到的所有作業(yè)人員先后到達(dá)不同的設(shè)備所經(jīng)過的路程之和最小；(b)所有擺放在甲板上的設(shè)備占用面積最小。如

8)甲板布局計(jì)算：采用遺傳算法在甲板上任意生成一個(gè)設(shè)備布置的種群，且要求所有設(shè)備之間的間距符合人體作業(yè)范圍，按照作業(yè)流程計(jì)算所有作業(yè)路徑、設(shè)備占用面積；在此基礎(chǔ)上再根據(jù)遺傳算法的基因變異方法生成新的算子，得到新的種群，對(duì)其進(jìn)行新的作業(yè)路徑和設(shè)備占用面積計(jì)算，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，判斷是否滿足約束條件；通過反復(fù)選擇、交叉和變異，直至產(chǎn)生符合約束條件的新個(gè)體。如圖2所示的設(shè)備1～6和障礙物7，設(shè)置初始種群中的個(gè)體數(shù)目為30，交叉概率為0.5，變異概率為0.01，迭代次數(shù)為5000。通過估算，最大路程之和不超過200，所以可將最小值優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為下式所示的求最大值的適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)設(shè)置。

其中f(x)是個(gè)體適應(yīng)度評(píng)價(jià)函數(shù)，M表示設(shè)備，i是設(shè)備的編號(hào)。作業(yè)流程為順次在設(shè)備1～6進(jìn)行作業(yè)，然后再到下一個(gè)設(shè)備進(jìn)行作業(yè)。

9)算法的終止條件：通常情況下，算法的交叉概率設(shè)為0.5，變異概率設(shè)為0.01，迭代次數(shù)為5000，也可根據(jù)實(shí)際的計(jì)算精度要求增加迭代次數(shù)。如圖2所示設(shè)備1～6的擺放位置就是通過本算法計(jì)算后得到的作業(yè)路程最小和設(shè)備占用面積最小的甲板布局；圖3是算法進(jìn)化過程圖，在進(jìn)化過程中存在隨機(jī)性波動(dòng)，之后隨著進(jìn)化次數(shù)的增加，種群的進(jìn)化逐漸趨于穩(wěn)定，進(jìn)化后期的部分波動(dòng)屬于遺傳過程中交叉和變異產(chǎn)生新個(gè)體的體現(xiàn)，不影響總體收斂趨勢(shì)。

以上所述，僅是本發(fā)明的實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開如上，然而，并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)然會(huì)利用揭示的技術(shù)內(nèi)容作出些許更動(dòng)或修飾，成為等同變化的等效實(shí)施例，但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾，均屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。