代　亮，劉　毅

(1.海軍裝備部駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005； 2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

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一種基于多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的大型艦艇淡水用水量預(yù)測(cè)方法

代亮1，劉毅2

(1.海軍裝備部駐426廠軍事代表室，遼寧 大連 116005； 2.中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

摘要：介紹一種依據(jù)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論，適用于大型艦艇淡水用水量預(yù)測(cè)的方法。該方法通過(guò)確定日用水系統(tǒng)參數(shù)，協(xié)調(diào)與其余系統(tǒng)的耦合關(guān)系，有助于艦艇的多學(xué)科集成優(yōu)化。預(yù)測(cè)過(guò)程首先分析大型艦艇淡水使用規(guī)律，針對(duì)多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)要求，選取“日用水量”和“時(shí)用水量”建模，綜合考慮影響因素和時(shí)間序列數(shù)據(jù)，建構(gòu)預(yù)測(cè)組合模型，通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求解模型，得出預(yù)測(cè)值。

關(guān)鍵詞：多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化；預(yù)測(cè)方法；日用水量；時(shí)用水量

大型艦艇的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)周期長(zhǎng)、涉及面廣、影響因素多的復(fù)雜艱巨工程，涉及多個(gè)關(guān)聯(lián)學(xué)科，多種連續(xù)的、離散的甚至是非數(shù)值的變量，多種物理參數(shù)，多種約束條件和設(shè)計(jì)目標(biāo)[1]。傳統(tǒng)的艦艇設(shè)計(jì)采用串行設(shè)計(jì)方法。該方法在設(shè)計(jì)過(guò)程中沒有充分考慮艦艇分系統(tǒng)各學(xué)科之間的相互影響和耦合作用，只能獲得局部的最優(yōu)解，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過(guò)程中可能失去全局的最優(yōu)解[2]。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化[3]通過(guò)充分探索和利用艦艇系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制，考慮各學(xué)科、各子系統(tǒng)間的耦合效應(yīng)，從整個(gè)系統(tǒng)的角度整體上并行設(shè)計(jì)艦艇系統(tǒng)。該方法能夠有效地優(yōu)化整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程，挖掘設(shè)計(jì)潛力，獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解，縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本，提高設(shè)計(jì)效率[4]。

1日用水系統(tǒng)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

1.1大型艦艇日用水系統(tǒng)

日用水系統(tǒng)是大型艦艇多學(xué)科集成優(yōu)化的重要子系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)以“簡(jiǎn)單可靠、衛(wèi)生安全”為原則，充分利用淡水資源，改善艦員生活用水條件。日用水系統(tǒng)的性能關(guān)系到多個(gè)學(xué)科的知識(shí)：水動(dòng)力學(xué)科、工程應(yīng)用學(xué)科、成本分析學(xué)科、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)學(xué)科、材料學(xué)科等，其性能與多個(gè)分系統(tǒng)系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)影響，直接決定著艦艇的整體性能。

1.2用水量預(yù)測(cè)對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的意義

因?yàn)槿沼盟到y(tǒng)的主要功能是整合艦上的淡水資源，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期首先要根據(jù)艦艇的總體人員配置、艦上生活保障措施和機(jī)械用水量等信息確定艦艇所需耗用的淡水量，并以此來(lái)進(jìn)一步確定系統(tǒng)的資源配置情況。所以在日用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期，需利用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法來(lái)梳理該系統(tǒng)與其余系統(tǒng)間的相互關(guān)系，并依據(jù)總體數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)淡水用水量，指導(dǎo)艦艇的整體設(shè)計(jì)。

由于長(zhǎng)期來(lái)看艦員生活用水的波動(dòng)性較小，而機(jī)械用水所占淡水總耗量的比例較低，短期的用水量預(yù)測(cè)即可滿足艦艇日用水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。大型艦艇淡水用水量預(yù)測(cè)主要包括日用水量和時(shí)用水量。日用水量反映艦艇對(duì)淡水資源的整體需求，直接決定艦艇所配置海水淡化裝置的處理能力、淡水艙容量的確定以及淡水艙的整體規(guī)劃。時(shí)用水量反映一天中艦員淡水使用量隨時(shí)間序列的波動(dòng)情況，其峰值直接決定了艦艇所需淡水資源的調(diào)供給和調(diào)駁能力。淡水需求量的峰值直接決定了艦船總體設(shè)計(jì)時(shí)供水泵的配置，淡水供水分區(qū)和淡水供水管網(wǎng)的整體規(guī)劃。

1.3大型艦艇淡水用水量基本規(guī)律

大型艦艇日用水用水量的變化規(guī)律包括三部分：周期性部分、趨勢(shì)性部分及隨機(jī)擾動(dòng)性部分[5]。艦上生活規(guī)律性較強(qiáng)，艦艇用水量主要呈現(xiàn)按天的周期變化，相反按周、按月、按年變化的周期性較弱。艦艇，日用水量在一個(gè)時(shí)間序列中會(huì)呈現(xiàn)較強(qiáng)的趨勢(shì)性，相鄰兩天的用水量的波動(dòng)會(huì)呈現(xiàn)相關(guān)的趨勢(shì)性[6]。艦艇用水量的擾動(dòng)源主要分為內(nèi)部擾動(dòng)和外部擾動(dòng)，內(nèi)部擾動(dòng)包括艦員數(shù)量、淡水資源管制措施、艦員活動(dòng)等，外部擾動(dòng)包括時(shí)間因素(如節(jié)假日與工作日的區(qū)別)、氣候因素(如溫度、降雨、海況)、艦艇狀態(tài)(如巡邏狀態(tài)與訓(xùn)練狀態(tài)的區(qū)別)等。由于艦艇在海上航行屬于一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)，因此在每個(gè)航次，外部擾動(dòng)對(duì)用水量的影響相對(duì)較小。另外還存在一些不可預(yù)見的因素對(duì)大型艦艇用水量產(chǎn)生擾動(dòng)。

大型艦艇時(shí)用水量也具有較強(qiáng)的趨勢(shì)性、周期性和隨機(jī)擾動(dòng)性等特點(diǎn)[6]。某大型艦艇24 h淡水時(shí)用水量變化規(guī)律見圖1。

圖1　某大型艦艇24 h淡水時(shí)用水量變化規(guī)律

由圖1可見，1 d 24個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的時(shí)用水量是隨著時(shí)間而波動(dòng)的。全天會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)用水長(zhǎng)高峰和兩個(gè)用水短高峰。第一個(gè)長(zhǎng)高峰出現(xiàn)在6～7時(shí)，早晨起床洗漱時(shí)會(huì)消耗大量淡水；第二個(gè)長(zhǎng)高峰出現(xiàn)在20～22時(shí)，在該時(shí)間段艦員睡前集中洗漱，此時(shí)用水量會(huì)達(dá)到一天的最大值。艦員洗漱用水是兩個(gè)用水高峰最主要的用水源，尤其在淋浴室集中開放時(shí)，供水壓力增至最大。為保證全艦的用水安全，21、22時(shí)的用水峰值是全艦供水能力設(shè)計(jì)中決定性的參數(shù)。2個(gè)小高峰出現(xiàn)在午餐和晚餐時(shí)間，用水源是廚房用水和洗滌用水。其余時(shí)間段用水主要為機(jī)械用水，由于用戶耗水過(guò)程穩(wěn)定、隨機(jī)且分散，因此這些時(shí)間段的用水量相對(duì)較小且較為平穩(wěn)。

1.4用水量預(yù)測(cè)方法

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于用水量預(yù)測(cè)的研究主要集中在城市自來(lái)水管網(wǎng)淡水用量預(yù)測(cè)方法上，總體上分為2類：解釋性預(yù)測(cè)方法(回歸分析法)和時(shí)間序列分析法[7]。解釋性預(yù)測(cè)方法重點(diǎn)在于分析被預(yù)測(cè)值的各影響因素，依靠各制約條件建立回歸分析模型。時(shí)間序列分析法依據(jù)預(yù)測(cè)量的歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)模式，通過(guò)系列分析，找出其順序變化規(guī)律，建立模型來(lái)預(yù)測(cè)后一時(shí)段的用水量[8]。

回歸分析法在建模過(guò)程中過(guò)于依賴顯著影響因素的準(zhǔn)確性，且無(wú)法考慮非顯著因素對(duì)用水量變化趨勢(shì)的影響，降低了模型的預(yù)測(cè)精度。由于在預(yù)測(cè)過(guò)程中沒有引入過(guò)去的用水量數(shù)據(jù)，也無(wú)法對(duì)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行校核。時(shí)間序列分析法雖然利用了相鄰數(shù)據(jù)之間的影響因素相關(guān)程度較好的優(yōu)勢(shì)，但是沒有充分考慮用水量的決定性影響因素，導(dǎo)致預(yù)測(cè)結(jié)果也不理想。國(guó)內(nèi)有學(xué)者針對(duì)兩種預(yù)測(cè)模型的各自優(yōu)缺點(diǎn)，提出了水量預(yù)測(cè)組合模型[9]。該模型在考慮用水量主要影響因素的回歸分析模型中，引入時(shí)間序列中的用水量歷史數(shù)據(jù)。

2大型艦艇淡水用水量預(yù)測(cè)組合模型

水量預(yù)測(cè)組合模型綜合水量預(yù)測(cè)兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，針對(duì)大型艦艇的特點(diǎn)，將溫度、用水狀態(tài)(包括艦員人數(shù)、人均用水量、艦船狀態(tài)、航行區(qū)域等)等主要影響因素和基準(zhǔn)日用水量作為模型的參考數(shù)據(jù)，建立起非線性回歸組合模型。

(1)

式中：Q——預(yù)測(cè)日用水量預(yù)測(cè)值；

Qp——基準(zhǔn)日(一般為預(yù)測(cè)日前1～3 d)實(shí)際用水量；

Δt——預(yù)測(cè)日溫度與基準(zhǔn)日溫度之差；

ΔH——預(yù)測(cè)日用水狀態(tài)與基準(zhǔn)日溫度之差；

Y——不可預(yù)見水量及突變因素變量影響的水量。

2.1大型艦艇淡水日用水量預(yù)測(cè)模型

現(xiàn)有文獻(xiàn)在日用水量預(yù)測(cè)過(guò)程中，多采用預(yù)測(cè)日前幾天的用水?dāng)?shù)據(jù)作為預(yù)測(cè)模型的主要影響因子。根據(jù)大型艦艇的用水特點(diǎn)，在重點(diǎn)考慮預(yù)測(cè)日前三天用水?dāng)?shù)據(jù)的同時(shí)，還引入艦員人數(shù)、艦員日均用水量、設(shè)備日均用水量、設(shè)備使用系數(shù)、艦艇狀態(tài)、當(dāng)日氣溫和天氣情況等7個(gè)變量得出如下的預(yù)測(cè)模型。

式中：Qd——日用水量預(yù)測(cè)值；

P——艦員數(shù)量；

V——艦員日均用水量；

W——設(shè)備日均用水量；

N——設(shè)備使用系數(shù)(根據(jù)設(shè)備使用周期而改變，取值范圍0～1.0)；

X——艦艇狀態(tài)(根據(jù)艦艇狀態(tài)分為4級(jí)，分別為航行、巡邏、試驗(yàn)、戰(zhàn)斗，取值范圍0～4)；

t——當(dāng)日溫度；

S——當(dāng)日天氣狀況(天氣狀況分為12級(jí)，根據(jù)天氣預(yù)報(bào)分為晴、晴間多云、陰轉(zhuǎn)情、多云、陰、霧、陰轉(zhuǎn)雨、小雨、中雨、大雨、陣雨、雪，取值范圍0～12)

Qd-3——預(yù)測(cè)日前3 d的日均用水量；

Qd-2——預(yù)測(cè)日前2 d的日均用水量；

Qd-1——預(yù)測(cè)日前1 d的日均用水量；

該模型已知輸入變量和輸出數(shù)據(jù)，適于用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立大型艦艇日用水量預(yù)測(cè)模型。

2.2大型艦艇淡水時(shí)用水量預(yù)測(cè)模型

大型艦艇時(shí)用水量的研究意義在于得出全天時(shí)用水量的峰值，再右該峰值計(jì)算艦艇所需具備的供水能力和供水管網(wǎng)的分區(qū)、組織形式。

大型艦艇作為海水一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，其淡水資源比較緊張。在日用水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，水龍頭、淋浴頭等配水管件的數(shù)量?jī)H能在最低限度上滿足艦員的使用要求。因此在早晚用水高峰時(shí)段，決定時(shí)用水量數(shù)值的不再是艦員的數(shù)量等人員因素，而是艦上配水管件的數(shù)量和出水量。根據(jù)研究資料，各配水管件計(jì)算用水量見表1，各配水管件在用水高峰時(shí)段推薦用戶同時(shí)使用系數(shù)見表2。

表1　配水管件計(jì)算用水量

由圖1看出，晚間用水高峰約持續(xù)3 h(20時(shí)、21時(shí)、22時(shí))，且時(shí)用水量最大值出現(xiàn)在21時(shí)(淋浴高峰時(shí)間)。因此對(duì)時(shí)用水量預(yù)測(cè)模型有意義的歷史用水?dāng)?shù)據(jù)為預(yù)測(cè)時(shí)間前后各1 h的用水?dāng)?shù)據(jù)。

表2　用水高峰時(shí)段推薦的用戶同時(shí)使用系數(shù)

注：括號(hào)中數(shù)值為用水高峰時(shí)段推薦用戶同時(shí)使用系數(shù)，在采取限時(shí)供應(yīng)淡水的高峰期，由于用水更加集中，因此調(diào)高同時(shí)使用系數(shù)。

根據(jù)以上分析，引用全艦配水管件數(shù)量、配水管件計(jì)算用水量、配水管件在用水高峰時(shí)段推薦用戶同時(shí)使用系數(shù)和前兩天預(yù)測(cè)時(shí)間前后1 h的時(shí)用水量數(shù)值等參數(shù)得出如下的預(yù)測(cè)模型。

(3)

式中：Mk——全艦第k種配水管件數(shù)量；

Vk——第k種配水管件計(jì)算用水量；

Nk——第k種配水管件在用水高峰時(shí)段推薦用戶同時(shí)使用系數(shù)；

在實(shí)際預(yù)測(cè)模型計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)艦艇淡水用水管制情況判斷全艦各類配水管件在用水高峰時(shí)間的使用情況，簡(jiǎn)化Mk、Vk、Nk參數(shù)，選取最重要的參數(shù)值，相應(yīng)簡(jiǎn)化預(yù)測(cè)模型。

3結(jié)束語(yǔ)

基于大型艦艇多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，從總體角度考慮日用水系統(tǒng)淡水用水量的預(yù)測(cè)問題。通過(guò)分析艦船淡水用水規(guī)律和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化要求，得出“日用水量”和“日用水量”預(yù)測(cè)組合模型。該模型不僅能很好地參考已有的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)用水量，更充分地分析了各主要影響因素，有效提升了大型艦艇多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化能力。

參考文獻(xiàn)

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A Prediction Method of Freshwater Consumption Based on Multidisciplinary Design Optimization of Large Navy Ships

DAI Liang1, LIU Yi2

(1 Office of Military Representatives in No.426 Factory, Dalian Liaoning 116005, China;2 China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

Abstract:A forecasting method of freshwater consumption for large navy ships is introduced, which is based on multidisciplinary design optimization theory. This method is helpful to multidisciplinary integration optimization by confirming the parameter of daily water system and harmonizing the coupling relationship with other system. At first, the rule of consuming freshwater of large navy ships is analyzed. The daily water consumption and hourly water consumption are selected to set a forecasting model. Considering various influence factors and data of time series, the prediction can be gotten by the model using BP network.

Key words:multidisciplinary design optimization; prediction; daily water consumption; hourly water consumption,

中圖分類號(hào)：U664.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-7953(2016)02-0030-04

第一作者簡(jiǎn)介：代亮(1979-)，男，碩士，工程師E-mail:390531157@qq.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目

收稿日期：2016-01-06

DOI:10.3963/j.issn.1671-7953.2016.02.009

修回日期：2016-01-21

研究方向:輪機(jī)工程