[0001] 本发明涉及动态电缆领域，特别是关于一种导管架平台动态电缆构型的优化方法、系统、处理设备及存储介质。

[0002] 海洋动态电缆需要具备较好的弯曲性能和拉伸强度，以适应复杂的海洋环境和海底地形。在导管架平台上，不同的悬挂角度会使动态电缆产生不同的构型，保证动态电缆在各种环境荷载作用下，均能达到安全要求，对海上油气生产开发至关重要。

[0003] 现行海洋动态管缆的设计通常直接采用有限元软件对不同工况下的动态管缆进行计算以验证其安全性，然而，现有技术需要针对大量算例和工况进行计算，参数繁多，设计效率难以满足要求，难以做到对不同条件下动态管缆构型进行快速迭代优化，以决出最优方案。

[0025] 下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。

[0026] 应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

[0027] 尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

[0028] 现有技术存在以下问题与缺陷：行业通常做法需要针对大量算例和工况进行计算，参数繁多，设计效率难以满足要求；难以做到对不同条件下动态管缆构型进行快速迭代优化，以决出最优方案。本发明实施例提供一种导管架平台动态电缆构型的优化方法，包括：在动态电缆长度和顶部悬挂点位置不变的情况下，改变动态电缆悬挂角度的大小，得到不同悬挂角度下的动态电缆构型以及动态电缆的锚固点坐标；基于不同悬挂角度下的动态电缆构型以及动态电缆的锚固点坐标，建立导管架平台与动态电缆的总体模型；采用多目标遗传算法，对导管架平台与动态电缆的总体模型中系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标进行优化，得到最优的动态电缆构型方案。本发明针对现有技术的缺点，基于多目标优化算法，结合Python编程语言和有限元计算软件，制定静态、动态分析优化方案。在节省设计时间的同时，提升设计精度，实现对不同悬挂角度下的动态电缆构型以及系链布置进行智能迭代优化。本发明针对导管架平台上悬挂的动态电缆可变参数（悬挂角度、系链长度/位置）对其构型进行优化设计，以实现动态电缆在不同悬挂角度下的张力、最小弯曲半径、位移均满足安全要求。

[0029] 实施例1本实施例提供一种导管架平台动态电缆构型的优化方法，包括以下步骤：
1）在动态电缆长度和顶部悬挂点位置不变的情况下，改变动态电缆悬挂角度的大小（0°、5°或10°等），通过悬链线线型公式，得到不同悬挂角度下的动态电缆构型以及动态电缆的锚固点坐标。

[0030] 具体地，悬链线线型公式为：（1）
式中，、分别为以悬挂点为原点，悬链线上任意一点的横、纵坐标；为动态电缆在水中的单位重力，单位为kN/m； 为动态电缆悬挂端受到的预张力，单位为kN；为动态电缆长度，单位为m。

[0031] 2）采用有限元软件，基于不同悬挂角度下的动态电缆构型以及动态电缆的锚固点坐标，建立导管架平台与动态电缆的总体模型，如图1所示。

[0032] 具体地，建立导管架平台与护管、动态电缆的总体模型，在动态电缆的悬挂点设置弯曲加强器，与导管架平台呈“Fixed”连接，并在动态电缆的中部添加系链，系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标均为待优化对象。

[0033] 3）如图2所示，采用多目标遗传算法，对导管架平台与动态电缆的总体模型中系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标进行优化，得到最优的动态电缆构型方案。

[0034] 具体地，优化过程包括静态分析优化和动态分析优化，编写Python程序，结合遗传算法和Orcaflex软件，从静态分析和动态分析两个角度进行优化，首先通过静态分析优化初步确定系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标的参数范围，再通过动态分析优化得出满足约束条件要求的最优设计方案，具体过程为：3.1）静态分析优化：基于预先设定的约束条件和静态分析优化的目标函数，采用NSGA‑II遗传算法，对系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标即决策变量进行迭代优化，得到静态分析优化后的决策变量，如图3所示：
3.1.1）确定决策变量为导管架平台与动态电缆的总体模型中系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标。

[0035] 3.1.2）确定约束条件为：动态电缆最大张力小于10t，动态电缆最小弯曲半径大于5m，动态电缆侧向位移小于10m，动态电缆与导管架距离大于0（不能产生干涉），系链张力大于0。

[0036] 3.1.3）确定静态分析优化的目标函数，目标函数的选择和设计直接影响着算法的性能和收敛速度。在静态分析优化中，首先考虑的是安全性要求，即动态电缆的张力尽可能小，MBR尽可能大，位移尽可能小等，因此，静态分析优化的目标函数设置为：（2）
（3）
（4）
式中， 、 、 分别为静态分析优化过程的三个目标函数； 为分析过程中动态
电缆出现的最大张力； 为分析过程中动态电缆的最小弯曲半径；为分析过程中动态电缆的最大侧向位移。

[0037] 3.1.4）采用NSGA‑II遗传算法，在Orcaflex软件中生成决策变量值各不相同的初始种群，即生成一批初始的导管架平台与动态电缆的总体模型，这些模型的系链长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标均不相同。

[0038] 3.1.5）调用Orcaflex软件中的静态计算模型，对生成的种群进行静态计算，得到静态计算结果。

[0039] 3.1.6）判断静态计算结果是否满足确定的约束条件，若满足，则选择静态计算结果中满足约束条件的种群个体进入步骤3.1.7）；否则，淘汰。

[0040] 3.1.7）基于静态分析优化的目标函数，对静态计算结果中满足约束条件的种群个体进行选择，并进行交叉、变异等操作，得到新一代种群，即生成新一批的导管架平台与动态电缆的总体模型，从而不断进行迭代优化。

[0041] 3.1.8）判断迭代次数是否满足预先设定的要求，若满足，则输出所有的可行性方案，即新一批的导管架平台与动态电缆的总体模型，并确定静态分析优化后的系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标的参数范围，得到静态分析优化后的决策变量，从不同约束条件角度满足动态电缆的安全要求，为后续动态优化缩小决策变量的范围；若不满足，则重复步骤3.1.5）至3.1.7），继续静态优化步骤。

[0042] 3.2）动态分析优化：基于目标海域的环境条件和动态分析优化的目标函数，采用单目标遗传算法，对静态分析优化后的决策变量进行迭代优化，得到优化后的决策变量，进而得到最优的动态电缆构型方案，如图4所示：3.2.1）根据目标海域的环境条件，确定风浪流等各类环境参数，并在Orcaflex软件中输入。

[0043] 3.2.2）确定动态分析优化的目标函数，动态分析优化是在静态分析优化的基础上确定满足要求的动态电缆构型方案，目标函数设置为：（5）
其中，为系链长度，单位为m。

[0044] 3.2.3）基于静态分析得到的决策变量参数范围，生成动态分析优化的初始种群。

[0045] 3.2.4）调用Orcaflex软件中的动态计算模型，对生成的种群进行动态计算，得到动态计算结果。

[0046] 3.2.5）判断动态计算结果是否满足步骤3.1.2）中确定的约束条件，若满足，则进入步骤3.2.6）；否则，淘汰。

[0047] 3.2.6）基于动态分析优化的目标函数，对动态计算结果中满足约束条件的种群个体进行选择，并进行交叉、变异等操作，得到新一代种群，即生成新一批的导管架平台与动态电缆的总体模型，从而不断进行迭代优化。

[0048] 3.2.7）判断迭代次数是否满足预先设定的要求，若满足，则输出此时的导管架平台与动态电缆的总体模型，该导管架平台与动态电缆的总体模型即为最优的动态电缆构型方案；若不满足，则重复步骤3.2.5）至3.2.6），继续动态优化步骤，以决出最优方案。动态分析优化的目的是综合考虑张力、位移以及系链长度等因素，以最终输出最优的可行性方案，即不同悬挂角度下动态电缆张力、最小弯曲半径、位移均满足安全要求的最佳构型，如图5所示。

[0049] 对前期初步设计的动态电缆构型与经优化设计得到的最优构型进行对比分析，结果如下表1所示，对比分析可知，本发明显著降低了动态电缆的张力及侧向位移，提高了最小弯曲半径，并成功优化了系链长度。由此可见本发明提出的导管架平台动态电缆构型优化设计方法在减少系链长度的同时，可使电缆具有更好的力学性能：

[0050] 实施例2本实施例提供一种导管架平台动态电缆构型的优化系统，包括：
变量初始确定模块，用于在动态电缆长度和顶部悬挂点位置不变的情况下，改变动态电缆悬挂角度的大小，得到不同悬挂角度下的动态电缆构型以及动态电缆的锚固点坐标。

[0051] 模型建立模块，用于基于不同悬挂角度下的动态电缆构型以及动态电缆的锚固点坐标，建立导管架平台与动态电缆的总体模型。

[0052] 优化模块，用于采用多目标遗传算法，对导管架平台与动态电缆的总体模型中系链的长度、系链与动态电缆的连接点坐标以及系链的锚固点坐标进行优化，得到最优的动态电缆构型方案。

[0053] 本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

[0054] 实施例3本实施例提供一种与实施例1所提供的导管架平台动态电缆构型的优化方法对应的处理设备，处理设备可以适用于客户端的处理设备，例如手机、笔记本电脑、平板电脑、台式机电脑等，以执行实施例1的方法。

[0055] 所述处理设备包括处理器、存储器、通信接口和总线，处理器、存储器和通信接口通过总线连接，以完成相互间的通信。存储器中存储有可在处理设备上运行的计算机程序，处理设备运行计算机程序时执行本实施例1所提供的导管架平台动态电缆构型的优化方法。

[0056] 在一些实现中，存储器可以是高速随机存取存储器（RAM：Random Access Memory），也可能还包括非不稳定的存储器（non‑volatile memory），例如至少一个磁盘存储器。

[0057] 在另一些实现中，处理器可以为中央处理器（CPU）、数字信号处理器（DSP）等各种类型通用处理器，在此不做限定。

[0058] 此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read‑Only Memory）、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

[0059] 本领域技术人员可以理解，上述计算设备的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构，并不构成对本发明方案所应用于其上的计算设备的限定，具体的计算设备可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

[0060] 实施例4本实施例提供一种与实施例1所提供的导管架平台动态电缆构型的优化方法对应的计算机程序产品，计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于执行实施例1所述的导管架平台动态电缆构型的优化方法的计算机可读程序指令。

[0061] 计算机可读存储介质可以是保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是但不限于电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意组合。

[0062] 上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

[0063] 本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

[0064] 这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

[0065] 这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

[0066] 上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。