楊 強，李金棟，王維旭，肖文生

(1.工業(yè)和信息化部 產業(yè)發(fā)展促進中心，北京 100846；2.中國石油大學(華東) 機電工程學院， 山東 青島 266580；3.寶雞石油機械有限公司，陜西 寶雞 712002)

我國陸上石油資源日漸枯竭，向海洋進軍已成必然趨勢，深海油氣資源的勘探開發(fā)對國家能源戰(zhàn)略具有重要意義[1]。海洋平臺作為海洋油氣開采的關鍵設備，其設計和建造技術代表著國家海洋石油裝備的最高水平。按照功能劃分，海洋平臺主要分為鉆井平臺和生產平臺。鉆井平臺上裝有鉆井、動力、通訊、導航等設備，以及安全救生和人員生活設施。生產平臺主要用于海洋油氣的開采、處理和外輸等。相比鉆井平臺，生產平臺裝有各種油氣處理設備。按照海洋平臺的運動形式劃分，平臺可分為固定式和浮動式。浮動式平臺因其適用海域更為廣闊，越來越多地被用于深海和偏遠油氣田的開發(fā)，而浮動式平臺以半潛式平臺最為常見。作為海洋油氣開發(fā)的重要依托[2]，深海半潛式平臺具有較強的抗風浪能力、巨大的甲板面積和超大裝載量，適應海域廣闊，且具有穩(wěn)定性好、運動性能佳等諸多優(yōu)點[3-4]。因此，深海半潛式鉆井平臺和深海半潛式生產平臺是目前深海油氣開發(fā)的關鍵裝備。

深海半潛式平臺的處理量大、功能齊全、設備繁多，如何獲得合理的設備和管路布置方案是深海半潛式平臺設計的重要內容。平臺布局問題通常涉及平臺作業(yè)工藝，平臺穩(wěn)性、安全逃生、操作維護等工程約束，并做到設備有序排列，管道短、無干涉，節(jié)約甲板空間，如何設計出符合工程約束且安全經濟的平臺布局方案也是目前平臺設計的難點之一。以前，海洋平臺布局方案的確定多依賴設計人員的經驗，其設計周期長、效率低、工作量大且很難得到最優(yōu)的布局方案。因此，針對深海半潛式平臺上部模塊開展布局優(yōu)化方法研究是目前海洋工程界中重點關注的研究方向，對提高海洋平臺的設計效率、節(jié)約設計成本、提高平臺穩(wěn)性以及合理空間利用率等方面具有重要意義。

1 海洋平臺設備布局優(yōu)化概述

海洋平臺的設備布局屬于復雜系統(tǒng)布局問題。海洋平臺布局問題[5]是一種在給定的分層布局空間中合理地布置若干待布物，同時滿足油氣處理工藝流程、平臺穩(wěn)性、安全逃生路徑、有序排列、管道短且無干涉，操作維護等工程約束，甲板空間占用少等的約束，屬于某些評價指標達到最優(yōu)或較優(yōu)狀態(tài)的多約束、多目標優(yōu)化空間布局或三維布局問題。復雜三維布局涉及到機械、計算機和數學等多種學科交叉，理論描述復雜，建模和求解困難，難以達到工程實用，具有計算復雜性、工程復雜性和工程實用化三重難度。因此，對這些復雜工程系統(tǒng)的布局優(yōu)化方法及其工程實用化途徑和技術的研究已經成為亟待解決的問題。

目前，帶性能約束的布局問題的求解方法主要有啟發(fā)式算法[6]，演化算法[7]，人工智能方法(例如專家系統(tǒng)，基于事例推理Agent)[8]、圖論法[9]、協同設計和多層優(yōu)化[10]、虛擬設計等[11]、多學科方法以及成組技術[12]等。

國外在帶性能約束三維布局方面進行廣泛系統(tǒng)研究，并進行部分工程實用化。美國Carnergie Mellon大學Cagan[13]教授研究了帶性能約束的發(fā)動機艙、熱力泵的布局設計問題，其采用懲罰函數法和數值優(yōu)化算法，直接處理此類布局問題。Braun等[14]采用多層協同優(yōu)化方法處理單級軌道運載火箭的布局設計問題。美國Clemson大學Fadel[15]教授研究了一類衛(wèi)星艙布局設計相類似的帶性能約束的配置設計問題。

國內在帶性能約束三維布局問題方面研究較早的是黃文奇、詹叔浩的擬物法[16]，晏敏等提出的專家系統(tǒng)、方圖法[17]。對三維布局研究較多是大連理工大學、西北工業(yè)大學和國防科技大學等，其中大連理工大學自1995年到2017年有多篇博士論文研究衛(wèi)星、飛船等飛行器布局[18]，設計方法主要有多種改進遺傳算法、人機交互算法、協同算法等多種方法。

在海洋平臺布局設計領域，國內的研究處于初期階段，中國石油大學(華東)在該領域進行了一定研究。岳吉祥[19]針對深水鉆機系統(tǒng)的設備布局，提出基于生產流程層次分解布局法。楊軼普[20]提出空間向心法，基于鉆井工藝流程，以鉆井中心為核心將平臺劃分為4大層次，不同層次進行總體布局規(guī)劃。魯桂榮[21]建立了半潛式鉆井平臺上甲板鉆井設備布局的數學模型，并用遺傳算法完成了布局優(yōu)化。魏可可[22]在魯桂榮的基礎上，進一步完善了半潛式鉆井平臺上甲板鉆井設備布置的數學模型，應用遺傳-模擬退火算法對鉆井平臺布局問題進行求解。田雪等[23]將遺傳算法與模擬退火算法結合，求解深水鉆井平臺上甲板布局問題，如圖1所示。王逢德等[24]針對海洋鉆機系統(tǒng)布局優(yōu)化問題，提出一種雜交動態(tài)慣性權重粒子群算法，并將約束條件作為目標函數，獲得的布局方案完全符合鉆井作業(yè)要求，并且該方案主輔井口布置合理，占用空間小。吳磊等[25]通過在基本遺傳算法中融合父子三分排位和直接選擇機制，設計了一種自適應遺傳算法，并將其應用于半潛式鉆井平臺鉆井設備布局優(yōu)化問題，通過仿真結果可知，該方法所獲得布局方案的橫向偏移量滿足設計要求。此外，針對帶有中心塊的二維矩形塊最小化問題，吳磊等[26-27]分別提出2種不同的改進啟發(fā)式中心塊布局算法，并利用該算法求解了半潛式生產平臺油氣水處理系統(tǒng)設備布局優(yōu)化問題(如圖2)，驗證了所提算法的實用性和高效性。

圖1 深水半潛式鉆井平臺設備布局方案

目前，海洋平臺的設備布局方案在實際設計時主要依賴設計師經驗而定，理論依據和指導相對較為缺乏。以半潛式生產平臺為例，此平臺是集聚大量設備、管路的復雜大系統(tǒng)，甲板層數多，甲板布局涉及采油、外輸、油氣處理、動力、安全和公用設施等諸多系統(tǒng)設備，并尤以油氣處理系統(tǒng)的布局最為復雜和重要?？傮w布局既要滿足油氣生產的需要，又要滿足平臺總體性能的需要。

圖2 深水半潛式生產平臺油氣水處理系統(tǒng)設備布局方案

2 管路布局優(yōu)化概述

管路布局設計是指在滿足各種約束的前提下，規(guī)劃出一條連接起點與終點路徑的過程。設計過程中，管路與艙壁、設備、過道、已鋪設管路等不發(fā)生干涉，并且滿足物理約束、經濟約束、安全約束、維修約束、操作約束等各項性能約束條件。由于布局空間及約束的復雜性，管路布局設計在技術上一直是一個難點。

管路布局設計問題的研究經歷了由二維布管發(fā)展到三維布管，簡單約束發(fā)展到多目標、多約束，單管路發(fā)展到分支管路、多管路的過程。CY Lee[28]提出了一種求解平面上兩點間最短路徑的方法——迷宮算法(Maze Algorithm)，Lee算法或網格擴散法，本質是基于波擴散原理的逐點搜索法。Chang PY等[29]提出一種迷宮路由算法，應用于芯片布線設計，以滿足納米布線規(guī)則；陳鷹等[30]應用該方法求解液壓管路的布局問題；樊江等[31]對迷宮法進行改進，并結合最小斯坦納樹生成法求解航空發(fā)動機外部管路布局問題。為克服迷宮法的缺陷，Hightower提出逃逸算法；Schmidt-Traub[32]將此方法應用于廠房管路布局；Burdorf也應用該方法成功求得廠房中最優(yōu)管路[33]。Zhu算法又稱動態(tài)規(guī)劃法，最早將其應用于管路布局設計的是David Zhu和Jean-Claude Latombe，其思想是基于機器人的路徑尋優(yōu)，管路路徑為機器人走過的路徑。

智能優(yōu)化算法作為一種新興的優(yōu)化技術，近年來受到了越來越廣泛的重視。智能優(yōu)化算法在處理復雜的多約束非線性優(yōu)化問題時具有很好的魯棒性，目前已被成功應用于很多優(yōu)化問題中。因此，應用智能優(yōu)化算法解決管路布局問題也逐漸成為近年來管路布局領域的一個熱點研究方向[34]。密歇根大學的John H. Holland科研組，受生物界自然選擇和進化的啟發(fā)，提出了遺傳算法。經過多年發(fā)展，遺傳算法因其魯棒性、并行性和隨機性，已被廣泛應用于求解管路布局優(yōu)化問題，結果顯示了遺傳算法的有效性和高效性。最典型的是日本的Teruaki Ito[35]，其應用于二維管路布局設計，并取得良好進展。國內最早將遺傳算法應用于管路布局的是樊江教授，他將其應用于航空發(fā)電機管路布局設計[36]；伊鵬等將遺傳算法應用于海上平臺泥漿管匯布局設計[37]；沈龍澤[38]在其基礎上對遺傳算法進行改進，提出基于可控干預的模擬退火遺傳管路布局算法，完成泥漿管匯布局設計；高躍峰[39]基于遺傳算法，對船舶機艙管路的自動布置方法進行研究；王運龍等[40]基于人機合作理論，通過改進遺傳算法，將人工解與算法解結合起來，對船舶管路三維布置問題進行優(yōu)化。

M.Dorigo等人首先提出蟻群算法[41]，其思想來源于自然蟻群覓食行為。范小寧[42]首先將蟻群算法應用于船舶管路布局優(yōu)化設計中，將布局空間柵格化處理，建立蟻群管路布局系統(tǒng)，提出信息素更新方式、局部搜索方法，并與協同進化算法結合，構建了解決多管路布局的多蟻群協作式協同進化算法；鄔君[43]將蟻群算法與協同進化算法結合，應用于分支管路布局優(yōu)化設計；曲艷峰等[44]提出一種動態(tài)蟻群算法，應用于三維管路布局，提高了收斂速度、增強了全局尋優(yōu)能力；田雪[45]基于蟻群算法設計了滿足多個約束條件的三維管路布局優(yōu)化方法，并將其成功應用于半潛式生產平臺，如圖3所示。此外，付宜利等[46]分別應用粒子群算法與混濁算法對機電產品的管線布局問題進行了研究，并通過仿真試驗驗證了算法的有效性。柳強等[47]應用粒子群算法對航空發(fā)動機的管路布局問題進行了探索。華盛頓大學的Park和Storch[48]設計了一種滿足幾何約束的單元生成法，其在改進中獨特地引入了方向導引的概念。在對待分支管路的問題上，其將分支管路劃分為End-forked和Middle-forked 兩種類型進行處理，并依據管路布局過程中的物理約束、生產及安裝約束及經濟約束等建立管路評價目標函數，最終構建了船舶管路路徑規(guī)劃體系。

管匯布局設計是管匯系統(tǒng)設計步驟中的首要部分，占具時間較長，在海洋平臺上，由于平臺空間有限，管路數量眾多、緊湊，約束條件復雜等原因，在實際管匯布局設計中主要依靠設計人員的經驗，反復思考，進行手工設計，造成設計周期長，精度低，工作量繁重，滯后于其它先進的設計技術，影響了管匯系統(tǒng)的設計效率和性能，制約了我國海洋平臺的發(fā)展進程。

圖3 半潛式生產平臺油氣水處理系統(tǒng)管路布局方案

3 布局方案評價體系概述

海洋平臺布局的合理性關乎到平臺的作業(yè)效率、安全性和可靠性，必須給予重視。在進行平臺布局時，設計者需要綜合考慮各方案的鉆井效率、質量分布、安全性、經濟性和自動化程度等因素，建立布局方案的評價體系，從多種備選方案中優(yōu)選出最佳方案。

國外相關研究開展較早，且已形成產品投入實際應用。英國格拉斯哥斯特拉思克萊德大學A.I.Olcer等人[49]針對滾裝船的艙室劃分設計問題，提出了一種新的多目標決策方法，采用模糊多屬性群決策方法對解集中的方案進行評價與排序。波蘭格但斯克工業(yè)大學Zbigniew Kowalski等人[50]將案例推理方法應用于船舶機艙布局設計專家系統(tǒng)，通過計算相似度選用母型方案。

哈爾濱工程大學的馬中亞[51]、張廣磊[52]等運用層次分析法和模糊綜合評價法對民船和艦船總布置進行賦權分析和綜合評價。中國艦船研究設計中心的王健、陳立等[53]基于改進的蟻群算法，提出針對艦船總布置的綜合評估算法。李俊華等在文獻[54]中提出基于重心排序的模糊綜合評價方法，應用于艙室布置方案的綜合評價。李康等人[55]在猶豫模糊語言和直覺模糊語言的基礎上，提出了雙猶豫模糊語言決策方法，給出了權重未知情況下的鉆井平臺布局多屬性決策方案。

關于建立布局方案評價指標體系中指標的確定，目前也是一個尚在探討的問題，指標考慮太多，評價體系會變得相當復雜，其中指標的量綱不同，有的指標也難以定量，指標太少又影響評價結果的客觀性和可信度[56]，因此建立一個既可信又有可操作性的海洋平臺布局方案評價指標體系仍然有較大的難度。

4 關鍵技術與發(fā)展趨勢

通過對海洋平臺設備布局優(yōu)化、管路布局優(yōu)化和布局方案評價體系進行概述，結合海洋平臺布局的總體發(fā)展趨勢，可以預見深海半潛式平臺上部模塊布局還要在以下兩個方面進行改進。

1) 復雜的三維布局問題求解困難在于存在組合爆炸，如何將現有三維布局優(yōu)化方法和其他優(yōu)化算法成功地應用于求解多約束多目標海洋平臺的三維布局優(yōu)化問題仍有待解決。

2) 設備布局設計與管路布局設計之間相互作用，相互影響，將其分成兩個獨立的設計模塊，通過組合方式所獲取的設計方案可能不是全局最優(yōu)方案，設備布局與管路布局的協同優(yōu)化方法有待研究。

5 結語

本文概述了國內外海洋平臺布局的研究現狀，對目前存在的問題進行了分析，并提出了深海半潛式平臺上部模塊布局中有待解決的兩個關鍵技術。總體來說，深海半潛式平臺已經得到了越來越多的應用，通過開展深海半潛式平臺上部模塊布局研究工作，獲得更為高效合理的深海半潛式平臺上部模塊布局方法，將是未來海洋石油裝備領域的關鍵問題之一。