智能计算方法在人工智能与船海工程中的应用

船舶是复杂的工程对象，船舶结构在不同的位置具有不同的制造相关的性能。首先，在极端的前方区域，结构的形状（例如球艏）是双弯曲的。曲率从前端向平行中间体区域下降。在平行的中体区域中，船体形状主要是单曲面。再次，曲率从平行中间体区域向船尾增加。在极端的后部区域，结构的形状（例如球状艉）再次双弯曲。因此，对于复杂的工程结构，如船舶形状和曲率的性质具有特定的局部特征，这些特征在图3-8中可以明显看出。20世纪50年代，日本造船工业的研究人员开始研究热成形技术作为一种灵活、成本低廉的轧制、锻造和蠕变成形的替代方法。热成形的过程涉及通过氧燃料炬、感应线圈或激光施加热量，以便在板或板中产生永久塑性应变以产生所需的形状。

计算设备的进步和计算机可用性的扩大，促使研究人员探索基于“有限元分析”的方法来预测船舶产生的最终变形，但这一过程仍然是非常耗时的。虽然这些基于有限元分析的方法是耗时的，但它们可以在实验室环境中产生精确的预测。这种长的计算时间只有在离线时才能被接受，它们用于生产的实用性仍然有限，因为板的机械性不能在生产环境中完全表征，并且运输和储存引起显著的残余应力，这些不利因素都影响模拟结果。为了高效生产，希望在适合生产的时间校正加热路径，需要更少的计算时间。

为了实现实际执行效率，研究人员探索了不同的可能方法，通过这些方法可以在较少的时间内完成分析。Anderson等人探索了应用推理技术只在热源附近提供高离散化以节省时间［93］，然而他们还没有开发用于任意热点的自动推理技术。Jiang和Seo等人开发了一种基于弹簧的简化力学模型，消除了进行热分析的需要［94］。Cheng等人提出了利用神经网络快速估计弯曲角的方法，提高了计算精度［95］，然而这些方法也受到与预制形状相同的限制。

图3-8　集装箱船全船有限元模型

利用微分几何的概念，Yu等人提出了平面形状的初始曲面的展开，这种方法后来被刘等人用于对双曲形激光成形工艺进行优化设计，通过基于初始形状表面的第一基本形式系数进行优化，可以计算产生平面形状所需的应变场。这一分析由微分几何驱动，证明了在壳板厚度上的第一基本系数的梯度代表表面曲率，这些梯度与表面的第二基本形式的系数（第二基本系数）有关。通过应用给定的应变场发展起来的曲面形状的计算问题可以表示为基于面内应变场及其穿过厚度的梯度的最小化问题。

船舶制造的典型特征是材料流动，即材料从一个车间流向另一个车间。制造过程开始于板材和型材的切割，随后的部分被组装、喷漆和预装配，最后在建筑物码头中安装。对不同的供应商进行定位是非常重要的，以便使物料从一个供货点流动到另一个供货点。一些船舶制造工艺，如制造许多船舶部件（管道、通风口和机械基础）被视为舾装操作，而某些工艺，如船体的组装、船舶系统的安装和激活被视为钢制装配操作。造船的制造过程在形式和规模上是不同的，因此分解的系统是浪费开支的主要来源。

计算机模拟是模拟特定系统抽象模型的计算机程序或网络，计算机仿真已成为许多工程系统数学建模的有效途径。计算机模拟可用于探索和获得工程系统性能的评价工具，为各种工艺培训技术人员。计算机仿真中的可靠性和信任依赖于仿真模型的有效性，因此，验证和测试在计算机模拟的发展中至关重要。计算机模拟的另一个重要方面是结果的可再现性，这意味着仿真模型不应为每次作业提供不同的答案，而应该给出唯一的答案。此外，进行灵敏度分析也很重要，以确保结果的准确性。

近年来，船舶和浮式结构的设计、制造和运行过程仿真一直是人们研究的热点。例如，整个船厂可以在虚拟世界中建模，虚拟现实和人工智能的概念可以用来建模、仿真和分析具有实时监控的船厂中的造船过程。对船舶和浮式结构的应用包括：操作、跟踪、碰撞分析、救援和疏散研究、火灾建模等方面。为了在未来船舶和浮式结构的设计与分析中有效地使用和集成计算机，需要解决以下问题：(www.xing528.com)

①船舶和浮式结构能量效率分析的计算机模型的开发；

②船舶和浮式结构计算机辅助换算模型的开发；

③开发用于有舵／无舵、舯部、舱壁布置和详细布局的推进系统设计的CAD模型；

④开发物料需求计划和调度的CAD模型，以及技术工人的工作分配等；

⑤“绿色（清洁环境）”的船舶和浮式结构设计与分析CAD模型的开发；

⑥开发用于设计和分析具有先进材料与控制系统的船舶和浮动结构的CAD模型。