一种利用过去项目数据在造船中迁移管道设计的方法

《International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering》：A method for transferring piping designs using past project data in shipbuilding

　　

船舶管道设计需要在有限空间内布置众多相互连接的管道，同时满足连通性和碰撞约束。该项研究提出了一种数据驱动方法，通过两阶段工作流将过去船舶项目的三维管道路径迁移至新目标船：相似系统检索与结合几何调整的路径迁移。首先，管道与仪表图（Piping and Instrumentation Diagrams, P&IDs）被转换为由设备节点和连接边组成的系统图。系统相似性通过使用图2vec（graph2vec）嵌入图并依据余弦相似度对候选进行排序来计算，以检索在结构上最接近目标系统的过去系统。其次，检索到的系统历史三维路径通过主船尺寸进行归一化，并用于构建路由空间。为同时反映邻近性和管段方向，研究人员在基于密度的空间聚类算法（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise, DBSCAN）中扩展了管段方向向量之间的角距离项，并将所得聚类合并并缩放至目标船几何。然后，将过去管道中心线迁移至路由空间，并通过求解基于遗传算法（Genetic Algorithm, GA）的约束优化进行调整，其中弯头节点被视为设计变量，其运动受限制以保留原始路径形状。可行性通过使用基于SphereCast的碰撞惩罚（针对船体和障碍物碰撞体）进行评估。通过启用检索条件下的已验证路径模式重用以及在学习的路由空间内自动进行碰撞感知调整，所提出的方法支持为新船舶项目快速生成可行的初始管道布局，同时减少早期路径设计中的手动试错。

船舶管道设计在有限且复杂的设备空间中需要密集布置大量相互连接的管道，同时满足连通性和碰撞约束，这是造船与海洋工程领域最具挑战性的设计任务之一。传统设计过程高度依赖设计师的经验，涉及重复决策，即使设计条件相同，最终路径也可能因人而异，导致设计一致性和效率难以保证。此外，确保管道长期结构完整性至关重要，而直接验证所有物理约束十分复杂，因此依赖已验证的过去设计数据成为一种实用解决方案。现有研究在自动管道路由方面已有探索，但缺乏系统性地利用过去项目数据、通过分析设计模式并自动迁移至新空间的方法。为此，本研究提出一种数据驱动的管道设计迁移方法，通过图相似性检索和路由空间优化，实现设计知识的重用，发表在《International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering》。

研究人员为开展研究用到的主要关键技术方法包括：首先，将管道与仪表图（Piping and Instrumentation Diagrams, P&IDs）转换为图结构，使用图2vec（graph2vec）进行图级嵌入，通过余弦相似度计算系统间的结构相似性，实现基于图的推荐系统。其次，从过去项目数据（由于安全限制，使用虚拟数据：由先前开发的自动路由程序生成模拟50艘船的系统管道布局）中，通过主船尺寸归一化，并采用扩展的基于密度的空间聚类算法（DBSCAN），在传统空间距离基础上引入管段方向向量的角距离项，提取管道频繁经过的路由空间。最后，将过去管道中心线迁移至路由空间，利用遗传算法（GA）进行约束优化，以弯头节点为设计变量，限制其运动以保持原始形状，并通过基于SphereCast的碰撞检测评估可行性。

研究结果部分：

**5.1 基于图的推荐**：通过将26个P&ID（来自10艘船）转换为图结构，并使用图2vec进行嵌入，研究人员计算了不同船中系统相对于目标船（Ship A）水压载系统（W.B.）的余弦相似度。结果显示，多数船的水压载系统在相似度排名中位列前茅，表明相同功能的系统在不同船之间具有高度拓扑相似性。例如，Ship B、F、G、H、J的水压载系统排名第一，而Ship C和I排名稍低但仍在较高位置。此外，F.W.D.和C.A.系统也频繁出现在高相似度结果中，反映这些系统与W.B.存在结构共性。低相似度系统（如A.L.）则呈现明显不同的图结构。该结果验证了仅基于设备连接性的图检索方法能够有效识别功能相似的系统，为后续设计迁移提供依据。

**5.2 管道设计迁移**：利用虚拟管道数据，通过归一化和扩展DBSCAN聚类（考虑管道方向），研究人员提取了路由空间，即过去管道最常通过的区域。该路由空间在缩放至新船尺寸后，自然与船体主要结构（如甲板和立柱）对齐。随后，将过去管道设计（以节点表示起点、终点和弯头）作为输入，通过遗传算法优化，在保持整体形状（如弯头数量、管间距）的前提下，自动调整节点位置以避免碰撞。在简单障碍物场景中，优化后的路径向下移动避障并保持在路由空间内；在复杂场景（含甲板和立柱）中，优化路径成功避开所有碰撞。在三维简化船体模型上，该方法在毫秒级内找到无碰撞路径，且管道端部与设备喷嘴的间隙可以后续通过自动路由或手动调整连接。结果表明，该迁移方法能够生成适应新船空间约束的可行管道布局，显著减少早期设计阶段的试错。

总结讨论部分，研究人员指出本研究存在简化、假设和局限性，包括：将P&ID抽象为拓扑图忽略几何细节；假设过去布局为已验证的近最优解；假设系列船具有相似路由模式；使用合成数据而非法实际船厂数据；数据集仅包含26个P&ID（来自10艘船），限制了泛化性；相似度排名中未显式编码规则和船东要求，因此主要适用于系列船或相同规范项目；优化仅关注可行性（碰撞避免和形状保持），未考虑多目标如成本等。这些因素界定了方法的适用范围。

研究结论部分翻译如下：在本研究中，提出了一种数据驱动设计方法，通过识别相似系统并基于过去项目数据迁移管道设计，提高了复杂管道设计过程的效率和系统性。将DXF格式的P&ID分析并提取设备连接性，转换为图表示。利用图2vec对图进行嵌入，计算系统间结构相似性，开发了基于图的推荐系统。在比较多艘船的系统时，发现相同功能的系统与参考船的对应系统具有高相似性，表明即使仅考虑设备连接性，也能有效捕捉设计相似性。识别相似系统后，提出了将对应过去管道设计迁移至设计船空间域的方法。为此，使用先前开发的自动路由程序生成虚拟过去项目数据，并对数据集进行归一化。然后将方向信息纳入DBSCAN，对过去管道设计进行聚类并提取重复路由模式。在本研究中，聚类区域被视为过去设计中管道最常经过的区域，定义为路由空间。当缩放到新船几何时，该空间自然与主要结构元素（如甲板和立柱）对齐。在路由空间内，使用遗传算法自动调整过去管道设计，在保持原始几何的同时避免障碍物。优化结果证实调整后的管道在路由空间内形成稳定路径，且不与结构组件碰撞。最后，将所提方法应用于简化三维船体模型，验证了其实际适用性：当从过去项目数据生成的路由空间缩放并应用于新船体几何时，算法在毫秒级内成功找到最优路径，避开所有障碍物。因此，本研究展示了一个结合图推荐与管道设计迁移的集成自动化框架，通过自动识别相似系统并快速将已验证的管道设计从过去项目迁移至新船设计，显著提高了设计效率。与主要关注简单组件检索直接重用的传统图方法不同，本研究的关键贡献在于将这些检索结果转化为“路由空间”。利用系列船中功能相似系统通常具有相似空间布局的特性，所提方法有效将图相似性转化为显式空间约束，使得在继承已验证设计模式的同时，自动生成适应新船体结构的可行路径。此外，证明了传统依赖经验的重复性设计流程可以转化为数据驱动的自动化过程，大幅减少时间和人力需求。本研究为可行性评估，而非大规模验证，未来工作将收集更大规模设计数据以验证泛化性能，并探索与商业管道设计程序集成，以及利用图神经网络进行P&ID补全和一致性检查。