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武汉理工大学 硕士学位论文 游艇舱室参数化布置设计 姓名：李云 申请学位级别：硕士 专业：船舶与海洋结构物设计制造 指导教师：龚昌奇 20090501 武汉理工大学硕士学位论文 摘要 在当今经济全球化、市场竞争日趋激烈的时代。新产品的开发效率已经成 为各企业在市场中取胜的关键因素。游艇舱室布置设计是游艇设计的重要内容 之一，其设计的好坏直接影响了整个游艇设计的效率。传统的游艇舱室设计过 程通常采取的还是传统的手ia u t o c a d 绘图的方式，一旦需要修改，就会耗费 大量的人力物力，使得游艇舱室设计过程繁琐冗长，这严重影响了产品的开发 效率。而参数化c a d 是当今设计领域研究的热点，引进参数化技术能够很好的 解决这个问题。 本文首先概述了游艇及其舱室布置的特点，然后研究了游艇舱室布置优化 问题，游艇舱室布置问题属于n p h a r d 问题，是典型优化问题中最难求解的问 题。采用改进的遗传算法n s g a - i i 来求解这个问题，得到一系列最优布置方案。 最后论述了游艇舱室参数化布置程序设计，引进参数化技术到c a d 系统中，大 大的提高了设计效率。 全文共分为七章：第一章为绪论，本章的主要内容是介绍了游艇产业的发 展状况，布局问题和参数化的研究现状以及论文研究内容、技术路线。第二章 概述了游艇的分类及其布置特点，并对游艇舱室布置的基本要素进行了分析。 第三章为布局问题研究及数学建模。分析游艇舱室属具布置的各种要求、条件 和优化目标，对游艇舱室属具布置问题进行数学建模。第四章为改进遗传算法 及其在游艇舱室布置优化中的应用。遗传算法作为一种仿生算法和启发式优化 算法，已经广泛应用于各种优化求解问题中。分析了多目标优化问题基本概念， 提出了一种改进的遗传算法n s g a i i ，并用此算法求解游艇舱室布置优化问题。 第五章主要介绍了参数化技术的基本概念及其原理，以及a u t o c a d 二次开发技 术。第六章游艇舱室参数化布鼍设计程序的设计过程，本章内容主要介绍的是 程序的设计流程、程序界面设计，并用实例演示了程序运行过程。第七章为结 论和展望，对全文的工作进行了总结，并对本课题下一步的研究进行了展望。 本文采用a u t o c a d 二次开发、参数化设计和数据库管理技术开发了基于 a u t o c a d 的游艇舱室参数化布置程序。本程序是用v i s u a lb a s i c6 0 作为可视化 开发环境，结合a c c e s s 2 0 0 3 数据库技术，以a u t o c a d 为二次开发平台实现的。 武汉理工大学硕士学位论文 通过该程序，用户可以利用人机对话窗口设计游艇舱室布置，直接调用已经建 好的属具模块，只需要提供各属具的尺寸约束和位置参数便可实现舱室布置图 的绘制。 关键词：游艇，舱室布置，数学建模，多目标优化，a u t o c a d 二次开发， 参数化设计 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ea g eo fe c o n o m i cg l o b a l i z a t i o na n dc o m p e t i t i o n , t h en e wp r o d u c t d e v e l o p m e n te f f i c i e n c yi sa l r e a d yt h ek e yf a c t o ro fg e t t i n gv i c t o r yf o ra ne n t e r p r i s ei n t h em a r k e t t h ey a c h tc a b i na r r a n g e m e n td e s i g ni so n eo fi m p o r t a n tc o n t e n t so ft h e y a c h td e s i g n s ，i t sd e s i g nq u a l i t yh a sd i r e c t l ya f f e c t e dt h ee f f i c i e n c yo ft h ee n t i r ey a c h t d e s i g n s t h et r a d i t i o n a ly a c h tc a b i nd e s i g np r o c e s su s u a l l yu s e st h et r a d i t i o n a lm a n u a l a u t o c a d c a r t o g r a p h ym e t h o d ，o n c et h ed e s i g nn e e d st or e v i s e , i tc a nc o n s u n l et h e m a s s i v em a n p o w e rp h y s i c a lr e s o u r c e , a n dc a u s e st h ey a c h tc a b i nd e s i g np r o c e s sf u s s y , a n dt h i sh a sa f f e c t e dt h ep r o d u c td e v e l o p m e n te f f i c i e n c ys e r i o u s l y b u tt h ep a r a m e t r i c c a di sn o wt h eh o ti nt h ef i e l do fc o n t e m p o r a r yd e s i g n ，w h i c hi st h eg o o dw a yt o s o l u t i o nt h i sq u e s t i o n t h i sp a p e rf i r s t l yo u t l i n e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f y a c h ta n dt h ec a b i na r r a n g e m e n t , t h e ns t u d i e st h ey a c h tc a b i na r r a n g e m e n to p t i m i z a t i o nq u e s t i o n , t h ey a c h tc a b i n a r r a n g e m e n tq u e s t i o ni san p - h a r dq u e s t i o n , w h i c hi st h em o s td i f f i c u l tq u e s t i o nt o s o l v ei nt h et y p i c a lo p t i m i z a t i o np r o b l e m t h i sp a p e ru s e st h ei m p r o v e m e n tg e n e t i c a l g o r i t h mn s g a i it os o l v et h i sq u e s t i o n , o b t a i n sas e r i e so f m o s ts u p e r i o rs c h e m eo f a r r a n g e m e n t l a s t l yw ed i s c u s st h ey a c h tc a b i np a r a m e t r i ca r r a n g e m e n tp r o g r a m m i n g , t h ep a r a m e t r i ct e c h n o l o g yi sb e e na p p l i e dt oc a ds y s t e m ，a n dw i d e l ye n h a n c et h e d e s i g nc a p a c i t y t h ef u l l p a p e ra l t o g e t h e rd i v i d e si n t o s e v e nc h a p t e r s ：f i r s tc h a p t e ri st h e i n t r o d u c t i o n , t h i sc h a p t e r sp r i m a r yc o v e r a g eb r i e f e dt h ey a c h ti n d u s t r yd e v e l o p m e n t c o n d i t i o n , t h el a y o u tq u e s t i o na n dt h ep a r a m e t r i cr e s e a r c hp r e s e n ts i t u a t i o na sw e l la s t h ep a p e rr e s e a r c hc o n t e n t ，t h et e c h n i c a lr o u t e s e c o n dc h a p t e rh a so u t l i n e dt h ey a c h t c l a s s i f i c a t i o na n dt h ea r r a n g e m e n tc h a r a c t e r i s t i c ，a n dh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i st o t h ey a c h tc a b i na r r a n g e m e n tb a s i ce s s e n t i a lf a c t o r t h i r dc h a p t e ri n t r o d u c et h el a y o u t q u e s t i o nr e s e a r c ha n dm a t h e m a t i c sm o d e l i n g a l lo ft h er e q u e s t s ，c o n d i t i o n sa n d o p t i m i z e dg o a lo fy a c h tc a b i nl a y o u td e s i g na r ea n a l y z e d ，a n dam a t h e m a t i cm o d e li s b u i l t f o u r t hc h a p t e ri n t r o d u c et h ea p p l i c a t i o no fi m p r o v e m e n tg e n e t i ca l g o r i t h mi n t h ey a c h tc a b i nl a y o u t a so n eo fb i o l o g i c a lm o d e l i n ga l g o r i t h m sa n dh e u r i s t i c o p t i m i z e dq u e s t i o n s ，t h eg e n e t i ca l g o r i t h mw a sa l r e a d yw i d e s p r e a da p p l yi ne a c hk i n d o fo p t i m i z e ds o l u t i o nq u e s t i o n t h ep a p e ra n a l y z e dt h em u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n 1 1 1 武汉理t 大学硕士学位论文 q u e s t i o n , a n dp r o p o s e da 虹n do fi m p r o v e m e n tg e n e t i ca l g o r i t h mw h i c hi sn s g a i i ， t os o l v et h ey a c h tc a b i na r r a n g e m e n to p t i m i z a t i o nq u e s t i o n t h ef i f t hc h a p t e rm a i n l y i n t r o d u c e dt h ep a r a m e t r i ct e c h n o l o g y sb a s i cc o n c e p ta n dt h ep r i n c i p l e ，t h ea u t o c a d s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e s 1 1 地s i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ey a c h tc a b i n p a r a m e t r i ca r r a n g e m e n td e s i g np r o c e d u r ed e s i g np r o c e s s ，t h i sc h a p t e rm a i n l y i n t r o d u c e st h ep r o c e d u r ed e s i g nf l o w , t h ei n t e r f a c ed e s i g no ft h ep r o c e d u r e ，a n dh a s d e m o n s t r a t e dt h ep r o c e d u r eo p e r a t i n gp m c e s sw i t ht h ee x a m p l e t h el a s tc h a p t e ri s t h ec o n c l u s i o na n df o r e c a s t ，t h es u m m a r yo ft h ea r t i c l ei sm a d eu p ，t h ee x p e c t a t i o n s t u d yo ff u r t h e rs t u d yo f t h i sr e s e a r c hi sl i s t e da n dt h ep r o b l e m so ft h i sr e s e a r c ht h a t n e e dt ob es t u d i e dd e e p l ya r ea l s ol i s t e d t h i sa r t i c l e d e v e l o p s a l la u t o c a d y a c h t c a b i n p a r a m e t r i ca r r a n g e m e n t p r o c e d u r eb yu s i n go ft h et e c h n i q u e so fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa u t o c a d ， p a r a m e t r i cd e s i g na n dd a t ab a s em a n a g e m e n t t 1 1 i sp r o c e d u r et a k e sv i s u a lb a s i c6 0 a sv i s u a ld e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , u n i f i e st h ea c c e s s 2 0 0 3d a t ab a s et e c h n o l o g y , t a k e st h ea u t o c a da st h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tp l a t f o r m t h r o u g ht h i sp r o c e d u r e ，u s e rc a l ld e s i g ny a c h tc a b i na r r a n g e m e n tu s i n gt h e m a n - m a c h i n ed i a l o gw i n d o w , w h oc a nd i r e c t l yc a l lt h ea c c o m m o d a t i o ne q u i p m e n t m o d u l ew i t c hh a v eb e e nc o n s t r u c t e di nt h ep r o c e d u r e 1 1 1 ec a b i np l a nm a yb er e a l i z e d w h i c ho n l yn e e dt h es i z er e s t r a i n ta n dt h el o c a t i o np a r a m e t e r k e yw o r d s ：y a c h t , c a b i na r r a n g e m e n t ，m a t h e m a t i c sm o d e l i n g , m u l t i - o b j e c t i v e o p t i m i z a t i o n , a u t o c a ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ，p a r a m e t r i cd e s i g n i v 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：磕日期：二竺辱羔 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ： 杏氟 洲：望竖吼犁 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着海洋旅游业的发展，游艇业成为国际旅游业发展最为迅猛的一块市场， 且发展潜力巨大。游艇是一种高级水上娱乐耐用消费品，它集航海、运动、娱 乐、体闲等功能于一体，主要满足个人或家庭进行娱乐和运动的需要。在发达 国家，游艇像轿车一样多为私人拥有，而在发展中国家，游艇多作为公园、旅 游景点的经营项目供人们消费。游艇属于消费品中的特殊商品，有别于作为运 输工具的高速船和旅游客船。 我国大陆于7 0 年代中期开始制造f r p 游艇f l 】。为适应旅游区的需要，逐渐建 造客位较多的游艇，大多是用作旅游观光和交通的公用型艇，私人和家庭用豪 华游艇很少。8 0 年代初，随着改革开放的深入和旅游业的发展，美、日、香港 及台湾等游艇厂商丌始与大陆的f r p 船厂合作生产游艇。通过来料加工，引进专 家和先进技术，与外商合资以及外商独资办企业等形式，促进了大陆f r p 游艇的 发展。在这期间先是根据欧美等的要求，采用国外原材料和设备生产了帆艇、 钓鱼游览艇及家庭用游艇等，取得了一定成绩，后来又逐渐发展到与国外合作， 甚至自行设计建造较大的游艇乃至高级豪华游艇。近年来，随着我国经济的迅 速发展和人民生活水平的日益提高，人们对休闲活动的要求越来越高。为了适 应人们的这种迫切要求，近年来，沿海地带以及内河内湖地区先后成立了多家 以建造玻璃钢游艇为主的中小型船厂，建造一批装饰豪华，布置舒适，航行速 度高的高级游艇。对丰富人民的休闲活动以及各项工作中发挥了重要作用，受 到人们的欢迎。 由于我国游艇业起步较晚，在建造高级游艇方面时间不长，经验相对缺乏， 我国游艇业的发展主要存在一些问题【2 j ：随着计算机技术的飞速发展，c a d 软件 已成为工程设计人员不可或缺的强有力工具，而目前国内的游艇企业一般规模 不大，经济实力有限，无力承担昂贵的软件费用，更没有实力自己开发相关的 设计软件，使得设计人员无法集中精力处理带决策性的关键内容；而国内游艇 业的起步比较晚，积累下来的设计经验又不够丰富，导致国内游艇设计的效率 武汉理工大学硕士学位论文 不高，设计的游艇质量不高。 舱室布置是游艇设计的重要一环，但是在进行舱室布置时，通常采取的还 是传统的手i a u t o c a d 绘图的方式，一旦舱室布置需要修改，就会耗费大量的 时间去修改。为了提高游艇布置时的设计效率，本文将结合优化技术和a u t o c a d 二次开发技术对此进行探讨和研究。 1 2 论文研究的目的和意义 游艇舱室布置设计是游艇设计中极其重要的一环，在整个游艇设计过程中 有着十分重要的地位。而舱室布置图的绘制是一项十分繁杂而又细致的工作， 不可能一蹴而就，往往要进行多次修改。游艇舱室布置设计是将舱室内的各属 具( 如床、床头柜、桌子、椅子等) 按照规范、设计者的设计经验以及船东的具 体需求等合理的摆放在舱室内。在进行游艇舱室布置设计时，由于游艇舱室形 状不规则，而且舱室内属具也不是统一的结构和尺寸，有时船东会提出改变其 尺寸或数量的要求。目前大多数设计人员直接采用a u t o c a d 软件进行布置图的 绘制。虽然该方法让设计人员摆脱了绘图板，但效率仍然不高。尤其在作局部 修改时会导致“牵一发而动全身“ ，容易产生总体与局部、局部与局部之间的不 谐调。在这种情况下，必须从头重新设计，以至于设计人员不得不花费大量的 时间进行几乎相同的工作，这样在游艇舱室行置设计上消耗了大量的人力物力。 参数化设计的理念正是解决这一问题的有效途径。计算机辅助设计的广泛 应用以及计算机硬件和软件技术水平的迅速提高，为参数化设计提供了一个良 好的基础。利用参数化设计技术进行产品设计可以十分容易地修改图形，并能 将以往某些产品设计的经验和知识继承下来。设计者可以把时间、精力集中于 更具有创造性的概念和整体设计中去，这样就可以避免手工造型的繁琐，提高 了造型设计的精度和设计的效率。参数化设计技术是实现快速产品设计的常用 有效手段，主要用于标准化、系列化和通用化程度比较高的定型产品。游艇舱 室布置的设计，重复性劳动很多，但其舱室属具尺寸和结构形式则基本一致， 不会有太大的变化，便于进行参数化设计。参数化设计还能够使设计人员在设 计的同时实现参数化建库，极大的方便后续设计工作。因此，采用本文提出的 参数化设计技术可缩短设计周期，提高设计效率，改善绘图质量。 值得一提的是，本文的游艇舱室布置设计还涉及到对其舱室缸置进行优化。 2 武汉理工大学硕士学位论文 游艇舱室布置设计时，设计人员通常根据一定的设计准则和设计经验将各种属 具合理地布置在一定的位置以满足其功能要求。由于游艇舱室布置好坏的评判 没有一个具体的标准，很难用一个精确的数学表达式来表达。 游艇作为一种用于休闲的娱乐设施，特别是中小型游艇，具有舱室空间相 对狭小和形状不规则的特点。要对其进行布局优化，需要充分的考虑其内部特 征和布置设计准则。本文结合布局设计的具体情况，建立舱室多目标布局优化 数学模型。在摒弃了传统的布局求解算法的基础上，采用基于p a r e t o 前沿的改进 的遗传算法( n s g a i i ) 来解决这个复杂的布局问题，从而得到游艇舱室布置的优 化参数( 即舱室内各属具的位置参数等) 。 首先用户输入必要的信息以及属具参数，对游艇舱室布置进行优化，得到 优化布置结果，并将其存入数据库文件中。然后调用布置优化结果对游艇舱室 进行参数化布置设计，解决了当舱室布置不合理，需要修改时进行重复修改设 计导致的计算工作量增加的问题，因而对这方面的研究工作具有很强的现实意 义。 1 3 国内外研究状况分析 1 3 1 布局问题的研究状况 游艇舱室的布置问题优化求解属于布局问题求解。布局问题的研究始于 1 8 31 年的g a u s s ，至今已有百余年的历史。该问题具有很强的工程应用背景，面 对不同的实际问题，其要求千差万别。虽然布局问题在实践中的应用极为广泛， 但很难求解，即使是维布局问题，如背包问题就已经是n p c o m p l e t e l h - 题，具 有n p 难度。 船舶舱室布置设计同时也是一个三维布局设计问题。布局和布置设计问题 ( p a c k i n gp r o b l e ma n dl a y o u td e s i g n ) 是给定一个布局空间和若干待布物体，将待 布物合理地摆放在空间中满足必要的约束，并达到某种最优指标。根据布局空 间和待布物体的形状，布局问题分为【3 】： ( 1 ) 二维规则物体布局问题为待布物体和布局空间都是矩形或圆形，如装盘 问题( p a l l e tl o a d i n gp r o b l e m ) ，玻璃下料一刀切问题( g u i l l o t i n ec u t t i n gp r o b l e m ) 等 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 二维不规则图形布局问题为待布物和布局空间中至少有一个是二维不 规则图形，如服装裁剪中的划印布置i g i 题( m a r k e rl a y o u tp r o b l e m ) 、船舶板材套 料( p a r t sn e s t i n gp r o b l e m ) 和机械行业中冲压落料问题( m e t a ls t a m p i n gp r o b l e m ) 等。 ( 3 ) 三维规则实体的布局问题包括长方体、圆柱体及球体布局问题，通常是 待布物体和布局空间都是长方体，如集装箱布局。 ( 4 ) 三维不规则实体的布局问题待布物体和布局空间是三维不规则实体，如 汽车驾驶室布置设计。船舶舱室布置设计等。 迄今为止，关于布局问题大量的理论研究仅限于第( 1 ) 、( 3 ) 类问题的矩形 体范围内。装盘问题和一刀切问题附加有特殊条件，问题本身可以抽象为纯数 学模型的表达形式，然后用数学规划和启发式方法求解，因此理论上这类问题 已获得解决，实践中也得到了较成功的应用。这两类的其他问题由于本身已变 成n p 完全问题，随着布局物体数量的增加，解空间呈指数倍扩大，出现组合爆 炸现象，用动态规划、分支定界等基于穷举思想的算法都无法解决。因此，关 于这两类问题的所有算法都是基于特定应用领域的启发式算法，它们的效果随 着具体问题的不同有很大的差别，且只能找到近似可行解。至于第( 2 ) 、( 4 ) 类 问题，由于布局对象形态的随意性，使得问题变得异常复杂，目前国内外众多 学者对这类问题展开了研究。 自1 8 3 1 年g a u s s 研究格的有关布局问题开始，至今已有百余年的历史。据 s w e e n y 等1 9 9 2 年的统计，从1 9 4 0 年到1 9 9 2 年，全球关于布局方面的研究文献达 4 0 0 多篇，涉及1 4 0 多个应用领域。到目前为止，关于布局问题的研究文献超过 1 5 0 0 篇，而涉及三维不规则实体的布局问题不过1 0 余篇。由此可见，关于复杂 布局问题有待更加广泛而深入的研究。 布局和布置问题涉及不同的领域，有着不同的功能，不同的任务，因而有 着不同的描述和表达形式。对于不同的布局模型，需要寻找其有效的求解方法。 目前，对布局与布置问题的研究主要集中在：布局建模方法研究和布局求解算 法研究。 1 3 2 参数化技术的研究进展 利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重 而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。 4 武汉理工大学硕士学位论文 由于上述应用背景，国内外对参数化设计做了大量的研究。参数化设计方法的 研究工作最早可追溯到2 0 世纪6 0 年代早期s u t h e r l a n d 在他开发的s k e t c h p a d 系统 中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后来h i u y a r d , g o s s a r d 进一步发展了这一思想，并使之实用化。 1 3 2 1 国外研究状况 c a d c a e 技术发展至今，已经经历了二维绘图、线框模型、自由曲面造型、 三维实体造型、特征造型等重要的发展阶段，其间又有参数化、变量化等辅助 技术的出现。参数化设计是c a d 技术在实际设计应用中被提出来、并得到发展 的、有着强大实用价值的技术。 国外在参数化方面的起步比较早，上世纪七十年代末八十年代初美国麻省 理工大学的g r o s s a r d 教授等人就提出了参数化设计的思想。直到1 9 8 7 年底 p a r a m e t r i ct e c i 1 n o l o g y 公司推出了参数化造型软件p r o e n g i n e r 后， 参数化技术得到了迅猛的发展，并且参数化技术成了新的c a d 标志。随后涌现 出大量的参数化的商品软件。如麻省理工大学毕业的几位博士创办了p r e m i s e 公 司，吸收了g o s s a r d 的理论思想，形成了微机和工作站上的商品软件，称作d e s i g n v i e w 。之后，c v 公司吸收 d e s i g nv i e w ，形成了c v 的系列产品。 1 3 2 2 国内研究状况 国内从上世纪7 0 年代中期开始研究参数化的技术，并且形成了与国外不同 的参数化技术，如参数尺寸代码法，辅助线作图法等。但由于c a d 技术的普及 程度不够，所以在参数化技术研究以及丌发商品化软件方面相对滞后于国外。 近些年，国家科委和各部委共同实施c a d 应用工程项目的推广，推动了参数化 技术的发展，各种学术研讨会上发表的论文数量急剧增加，出现了一些二次开 发和自主版权的参数化软件如高华c a d 、开目c a d 、机械工程师和纬衡c a d 等。 我国各个高校、机械制造业、研究所目前都竞相在进行c 胱a m 参数化设计的 研究，并且和数据库相结合来开发本行业的零部件和本企业内的零部件，来提 高设计效率、生产效率。提高自身的市场应变能力、抵抗能力、更好的在市场 发挥企业的优势，获得更高的经济效益。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文研究主要内容和技术路线 1 4 1 论文研究主要内容 本论文主要完成以下工作： 1 ) 游艇舱室布置问题分析及其数学模型建立 为了求解游艇舱室布置问题的最优解，分析游艇舱室布置问题及其约束条 件的基础上，建立其布置优化的数学模型。 2 ) 改进遗传算法求解游艇舱室的布置问题 改进遗传算法既克服了传统优化算法的缺点，又改进了简单遗传算法的缺 陷，在解决组合优化、布局优化以及非线性、多目标函数优化等问题方面体现 了其优越性。本文采取改进的遗传算法解决游艇舱室布置优化问题，求得最优 解前沿。 3 ) 游艇舱室参数化布置程序的设计 在对参数化技术以及c a d 二次开发技术研究及相关问题解决的基础上，本 程序开发了可视化的游艇舱室参数化c a d 布置程序，并以某游艇的舱室布置为 例，详细论述了游艇舱室参数化c a d 布置系统的丌发过程。 1 4 2 论文采用的技术路线 在分析游艇舱室布置的基本要素、布置的基本原则和布置类型的基础上， 对舱室布置模型进行优化，求出最优的布置方案。然后以a u t o c a d 作为开发平 台，以a c c e s s 2 0 0 3 为后台数据管理系统，用v i s u a lb a s i c6 0 对游艇舱室布置进 行参数化设计。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章游艇概述及其舱室布置分析 2 i 游艇概述 2 1 1 游艇的种类 游艇种类繁多，可以根据游艇的大小、产地、功能、品质、动力、材质等 将游艇分为多种不同的类型，下面按照游艇的大小和功能概述游艇的种类。 1 ) 按大小分类 依国际标准游艇的规格是以英尺计算的，从尺寸大小上分为三种：3 6 英尺 以下为小型游艇、3 6 “ - , 6 0 英尺为中型游艇、6 0 英尺以上为大型豪华游艇。有小 型艇( 6 米以下) 、小型游艇( 6 1 0 5 米之间) 、中型游艇( 1 0 5 “ - - , 1 8 米之间) 、 大型游艇( 1 8 米以上) 。大型豪华游艇在尺度上分3 5 - - , 4 0 米、4 1 “ - - , 4 4 米、4 5 - 4 9 米、5 0 “ - 5 4 米和5 5 “ - 6 0 米五个等级。 2 ) 按功能分类 按照功能分类，有运动型游艇、休闲艇、商务交际艇、赛艇、钓鱼艇、辑 私艇、公安巡逻艇、港监艇等。严格地讲，后三种与游艇的性质相悖，但从建 造规模、技术上讲与游艇相同，有人也把它们归入游艇类。 运动型游艇，此类游艇都为小型游艇也可说是快艇，此类游艇一般设计时 以速度作为卖点，而且价格较低，所以在年青人中问非常有市场。 休闲型游艇，此类游艇大多为家庭购买，作为家庭度假所用。一般以3 0 英 尺到4 5 英尺左右的游艇为主，设计时也是考虑到家庭使用的方便性，装璜时也 以烘托家庭氛围为卖点，市场上游艇的种类也是以此类为主。 商务游艇，这类游艇一般都是大尺寸的游艇，里面装璜豪华，也可以说是 豪华游艇，一般被大型企业集团法人、老总们购买，大多被用于商务会议、公 司聚会、小型p a r t y 。 7 武汉理工大学硕七学位论文 2 1 2 游艇的配套属具设施 游艇的属具配套设施一般都是根据游艇主人自己需求而定制的，特别是中 小型游艇，更是如此，而通常所说的游艇的配套设施般都是以游艇的功能来 设计配套设施。游艇根据种类与功能的不同，里面的配套设施也不尽相同，大 致有以下几种分类： 中小型的游艇一般设置了以下功能：下层的室内空间，有一间主人房、客 房、卫生间；中层有客厅、驾驶舱和厨房，尾门路甲板平台；上层有露天望台 和驾驶台，为了可防晒和防雨，一般还设置了软蓬；在动力和技术方面，配置 了发动机、发电机、雷达、专业的仪器仪表，电话通讯设备、冷气设备、家用 电器，甚至卫星导航系统。从整体上看游艇就是一个融现代办公与家庭休闲为 一体的海上流动的公寓，它在海上有着整体的功能特征，既可用作为家庭休闲 生活，又可作朋友聚会或宴请朋友客户时使用，这充分体现了现代生活的高质 量与人的高品味格调。根据功能不同，里面的设施也略有不同。如：运动型一 般都配套大功率的发动机，而里面的设施可能要简单一些，而休闲型的游艇则 会更加注重家庭味，如：厨房、客房、卡拉o k 设备、电子游戏房、加长的钓鱼 船尾等以满足休闲时的家庭氛围。大型游艇内装璜十分高档豪华，更注重在通 讯设备、会议设备、办公公设备上的配套安装，充分体现出现代企业办公的需 要。 2 2 游艇舱室特点及其布置分析 小型游艇的舱室数量少，且布置相对有规律，简单单一，本文将以中小型 游艇为主要研究对象，对其舱室御置进行分析研究。 2 2 1 游艇舱室与一般船舶舱室的区别 一般大型船舶舱室( 如散货船、集装箱船、大型客船等) 位于主甲板以上的 上层建筑内，而这些上层建筑的房间轮廓以简单、方整为特点。而作为游艇这 种小型船舶，其舱室往往是位于主甲板以下的落舱内( 大型及超大型游艇除外) ， 这些舱室不免要利用船体线型所构成的空间。因此游艇舱室与一般舱室最大的 不同就在于其舱室围壁几乎都是弧形围壁，且舱室空间相对比较狭窄。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 舱室布置特点 舱室内部属具布置是舱室内部设计中的一项十分重要的内容。它布置的好 坏，不仅直接影响人们的工作、生活，而且对舱室分隔、组织空间、美化舱室 环境、创造舒适宜人的气氛也有重大作用【4 2 1 。 游艇舱室内，属具的配置有以下特点： 1 ) 属具的选择和布置一定要符合统一与变化的原则。属具作为整体环境中 的一个组成部分，它应该与墙壁、地板、天花板和窗户等协调配合，以确切地 反映船舶舱室的不同主体思想。 2 ) 在数量上，要根据使用的要求和面积大小而定，根据空间体量来衡量它 的地位，切忌过多过大，而阻塞空间。 3 ) 在布置家具时要讲究序列，考虑入流路线，力求有较多的活动空间与活 动面积。要将室内性质相似、功能相当的家具组织在一起，形成不同的功能角 落，以求统一、协调，避免杂乱无章。 4 ) 在款式上，既要考虑不断翻新与变化，又要讲究实惠、方便，有利于提 高经济效益和工作效率。组合属具与多功能的属具逐渐代替单件和单功能的属 具已是当前家具款式变化的趋势。 5 ) 属具的造型与尺寸应适合人体的体型、生活习惯和不同环境的要求。其 外形、结构和尺寸还应具备“船用“ 的特点。如设置沙发床、壁式床，以及多 用途、折合式的专门属具。 6 ) 材料的选用应因时因地制宜，既注意新材料、新工艺的选用，又注意发 扬我国的民族风格和国内现有材料之长。根据情况分别采用不锈钢管及铝质家 具，木质、竹、藤家具，塑料制品等。 7 ) 属具的造型、质地、色彩、尺度、比例等要结合舱室的主体思想和船舶 总体性格，分别反映出不同的属具分割( 比如豪华富丽、端庄典雅、奇特新颖或 浓郁的乡土气息等风格) 。当前流行于国际上的有中国风格、东方风格、地中海 风格、农舍风格和国际风格。我们应该认真研究其发展变化，并以空间的用途 和性质为依据，以创造美好室内环境为目的，不断地学习、借鉴和创新。 对于游艇舱室属具布置陈设，我们遵循功能性与美学性并重的原则。室内 属具的布置在满足基本功能要求的前提下，还必须遵循形式美的一般原则，形 成良好的环境和意境，给人以美的感受。 9 武汉理工大学硕士学位论文 由于游艇空间比较小，在属具布置时，我们根据空间来衡量它的地位，切 忌过多过大，阻塞空间，因此在满足要求的前提下，尽量精简。游艇属于客船， 采用不规则的布置无明显的轴线，显得活泼、富于变化。而在款式上，我们既 考虑不断翻新与变化，又要讲究实惠、方便，有利于提高经济效益和工作效率。 游艇舱室属具的造型、质地、色彩、尺度、比例等要结合舱室的主题思想和船 舶总体性格，分别反映出不同的属具分割来体现其舒适性。 2 3 影响游艇舱室布置的基本要素 游艇舱室布置是一个复杂的知识表达及实体定位过程，而不同功能的游艇， 舱室其属具的选配应根据舱室特点进行选择。一般来讲游艇的布黄设计室按照 船东的需求，进行针对性的布置设计。因此在舱室布罱之前，首先要获取船东 对游艇舱室布置的要求，这些需求游艇舱室布置的最基本的要素，主要包括以 下几个方面： 1 ) 舱室的功能： 2 ) 舱室内属具的类型及数量； 3 ) 各属具的形状及尺寸。 除了上述因素之外，对游艇舱室布置影响最大的是游艇的舱室空白j 结构形 式，由于游艇舱室的空间形式比一般舱室复杂，出现纵向或横向弧度舱室的情 况比较多，因此在进行舱室布置时，要充分利用这些空间上的特点，尽可能使 舱室布置紧凑，以获取更多的活动空间。 游艇舱室布置设计的过程就是确定与其功能相符的舱室属具的数目、形状、 尺寸，以及这些属具的位置。 2 4 本章小结 本章首先对游艇的种类和其配套属具设施进行了概述，选取小型游艇为研究 对象，然后将其与一般船舶舱室进行了比较，指出了游艇舱室布鼍的特点，最 后分析其舱室布置设计基本要素。根据游艇的这些特征，将会在下两章对其优 化布置问题进行研究和求解，以求得游艇舱室优化布置方案。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章游艇舱室布置优化数学模型的建立 在游艇舱室布置设计中，设计人员通常根据一定的设计准则和设计经验将 各种属具合理的布置在一定的位置上以满足各项要求。但是布局方案的评价指 标具有一定的模糊性，很难用一个精确的数据来评价一个舱室布置方案的好坏， 所以如果要采用优化技术来进行舱室优化设计，必须先建立一个舱室优化布置 的数学模型，下面就针对游艇的具体特点，通过分析其内部功能及布置设计准 则，建立其优化布置的数学模型。本章主要研究游艇舱室布置问题的数学描述 和建模问题。 数学模型是对于现实世界的特定对象，为了特定目的，根据特有的内在规 律，做出一些必要的简化假设，运用适当的数学工具，得到的一个数学结构【4 j 。 建立数学模型的过程可以分为表述、求解、解释、验证四个阶段，通过这些阶 段完成从现实对象到数学模型，再从数学模型回到现实对象。 3 1 游艇舱室布置问题描述 3 1 1 布局分类 布局问题涉及到多学科和多领域的交叉，是一种复杂的组合优化问题，经 过证明，即便是一维布局问题也是n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ) 问题【5 j 。 按照布局的维数可以对布局问题进行以下的分类： ( 1 ) 一维布局 在一维方向上进行布局，也就是对长度方向的排序。如一维棒料的切割问 题，研究如何将棒料切割为长度不同的若干短棒，而且利用率最高。 ( 2 ) - - - 维布局 二维布局就是在二维平面内的布局问题。包括装货问题、规n - - 维图形装 填问题和不规n - - 维图形装填问题三种主要类型。 其中规则二维图形装填问题又包含矩形装填和圆形装蜊6 1 。矩形装填是将许 多二维矩形布置在一个容器中，这个容器通常是一个更大的矩形，并使其面积 武汉理工大学硕士学位论文 覆盖率最大；对于复杂的装填问题，还要满足其它一些性能约束条件；矩形装 填是大规模集成电路，建筑物布局等经常遇到的一个问题。 ( 3 ) - - 维布局 三维布局问题是将各种形状和大小的三维实体摆放在一个三维容器中，实 体之间、实体和容器之间不干涉。三维布局问题包括无性能约束的三维布局问 题和带性能约束的三维布局问题。相对于二维布局而言，三维布局问题的研究 工作开展的较少，带性能约束的三维布局研究则更少【7 1 。 本文研究的游艇舱室布置问题实际上属于三维布局问题，但是为了简化问 题的求解，本文将这个三维布局问题简化为二维问题，同时考虑到高度方向的 影响。 3 1 2 游艇舱室布置的基本原则 本文研究的游艇舱室布置问题实质上是属于布局问题，就是将属具、设备 按一定的要求