配管および機器配置の自動設計システムに関する研究

本研究は、系統図および主要な機器や構造物の配置が与えられた下で、 パイプやパイプに付属するバルブ等の機器やパイプの分岐を配置するための設計作業を自動化するための アルゴリズムの開発やシステムの構築を目指している。

研究資金について

• 研究代表者： 木村　元
• 所属・職名： 九州大学 大学院工学研究院・准教授
• 課題番号　： 23360388
• 研究課題名： 配管および機器配置の自動設計システムに関する研究
• 研究種目　： 基盤研究(B)
• 期　　　間： 平成23年〜平成25年

はじめに

近年、計算機の発達に伴い、パイプの設計作業における3次元CADの利用が常識となっている。 これにより2次元平面図では熟練技術者でない限り困難だった空間上での配管経路のイメージを３D画像によって 容易に確認できるようになり、 設計および工事作業の効率向上につながっている。 しかしながら、CADは配置を指示しチェックするための単なるツールであり、 配管設計の自動化には至っていない。 特に船舶のように制約が多い上狭隘なスペースでの配管設計では、 バルブ等の操作性やパイプ等のメンテナンス性など数多くの制約や評価基準を考慮しつつ配置をデザインするため、 高度なエンジニアリング力が求められることから、 熟練技術者の知識と経験に大きく依存しているのが実情である。 団塊の世代の大量退職により熟練技術者が急激に減少しつつある現在、 「配管設計の自動化」への試みは、 その実現によってエンジニアリング力の低下を食い止めることが期待されるだけでなく、 知識と経験に頼っていた作業をより深く解析・理解し、 新しい世代の技術者の育成へも貢献できると確信する。

「配管設計作業」は幾何学的に見ると電子回路における基板のプリントパターンの設計やICチップ内の回路モジュール同士の 配線パターンの設計問題と類似している。 電子回路の自動設計では数多くの研究事例や実用例が見られるが、 配管設計ではほとんど見られない。 これは、要素同士を最短経路で繋ぎさえすれば良い電子回路とは異なり、 配管設計では、経路を形成するパイプやそれに付属するバルブなどの機器の操作性や メンテナンス性を考慮するため、 配管経路の形状そのものを評価しなければならないことが配管自動設計を阻む要因の1つとなっている。 上記の操作性やメンテナンス性の評価を数値化できたとしても、 自動設計によってより優れた評価値の設計案を生成するためには、 設計案すなわちパイプや機器の配置を設計変数（パラメータ）として簡潔に表現した上で 数値最適化あるいは組合せ最適化問題として定式化し、 これを解くアルゴリズムを開発しなければならない。 機器やパイプの分岐の配置は与えられたものと仮定し、 障害物を回避して最小コストで２点間をパイプで結ぶよう配置するという最も単純な設計問題においてすら、 Ｓ字状に曲がったベンドや大きなＲのエルボなども考慮に入れての自動設計は難しい。

本稿では、以下について概要を紹介する：

• Ｓ字ベンドやエルボを考慮して２点間を結ぶパイプ経路を探索する方法 （Javaプログラムのダウンロード）
• バルブの操作性評価を数値化する方法
• パイプの分岐やバルブ等の機器配置を含めた設計案を遺伝的アルゴリズムによって最適化するための設計案の表現方法および複数の設計案の交叉方法

プログラム等のダウンロード

• Ｓ字ベンドやエルボを考慮して２点間を結ぶパイプ経路を探索する方法

公表論文等

1. 安藤 悠人，木村 元：
   タッチアンドクロス法を利用した配管自動ルーティング，
   日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.18, pp.183--186 (2014年5月26〜27日，宮城県仙台市 仙台国際センター).
   Yuto ando and Hajime Kimura:
   Automatic Pipe-routing system using Touch and Cross method,
   Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.18, pp.183--186 (May 2014) in Japanese.
   4 pages, PDF file, JASNAOE2014AndoKimura.pdf (557KB)
   51 pages, PowerPoint Slides (converted to PDF file),JASNAOE2014AndoKimuraPPT.pdf (2.11MB)
   
2. Yuto Ando and Hajime Kimura:
   Automatic Pipe Routing to Avoid Ar Pockets,
   International Conference on Computer Applications in Shipbuilding 2013 (ICCAS2013) 24-26 September 2013, Busan, Korea, Vol.2, pp.147--153.
   6 pages, PDF file, ICCAS2013_AndoKimura.pdf (619KB)
   PPT slides, 67 pages, PDF file, AndoPPT_ICCAS2013.pdf (2435KB)
   Demo Movie, mp4 file, 1TestResults.mp4 (2629KB)
   Demo Movie, mp4 file, 2ComparingTamari.mp4 (6155KB)
   Demo Movie, mp4 file, 3ComparisonInOrder.mp4 (14480KB)
   Demo Movie, mp4 file, 4ComparingMeshSize.mp4 (5991KB)
   
3. Kazumasa Noda, Shohei Shindo and Hajime Kimura:
   A Material Distribution Scheduling for Rigging Ship-Hull Blockis,
   International Conference on Computer Applications in Shipbuilding 2013 (ICCAS2013) 24-26 September 2013, Busan, Korea, Vol.2, pp.197--202.
   6 pages, PDF file, ICCAS2013_NodaShindoKimura.pdf (712KB)
   PPT slides, 67 pages, PDF file, NodaPPT_ICCAS2013.pdf (3648KB)
   Demo Movie, MP4 file, ICCAS2013_NodaShindoKimura.mp4 (8,102KB)
   
4. 木村 元：
   （解説記事）配管自動設計システム実現の試み：配管経路探索と機器配置の最適化，
   配管技術 734. Vol.55. No.2, pp.12--18 (2013) 日本工業出版．
   
5. 安藤悠人，木村 元：
   溜りの影響を考慮した自動配管設計，
   日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.16, pp.179--182 (2013年5月27〜28日，広島県広島市広島国際会議場).
   Yuto Ando and Hajime Kimura:
   Automatic Pipe Routing to Avoid Air Pockets,
   Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.16, pp.179--182 (May 2013) in Japanese.
   4 pages, PDF file, JASNAOE2013AndoKimura.pdf (625KB)
   31 pages, PowerPoint Slides (converted to PDF file), JASNAOE2013AndoKimuraPPT.pdf (1925KB)
   Demo Movie 1 (1TestResults.mp4, 2629 KB), Demo Movie 2 (2ComparingTamari.mp4, 6155 KB), Demo Movie 3 (3ComparisonInOrder.mp4, 14480 KB), Demo Movie 4 (4ComparingMeshSize.mp4, 5991 KB)
6. 進藤翔平，木村 元：
   配管工事におけるパイプ配材計画の自動生成に関する研究，
   日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.16, pp.183--186 (2013年5月27〜28日，広島県広島市広島国際会議場).
   Shohei Shindo and Hajime Kimura:
   A Material Distribution Scheduling for Rigging Ship-hull Blocks with Pipes,
   Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.16, pp.183--186 (May 2013) in Japanese.
   4 pages, PDF file, JASNAOE2013ShindoKimura.pdf (1973KB)
   38 pages, PowerPoint Slides (converted to PDF file), JASNAOE2013ShindoKimuraPPT.pdf (3829KB)
   
7. 安藤悠人，木村 元：
   エルボおよびベンドを考慮した配管設計アルゴリズム
   日本船舶海洋工学会論文集　第15号, pp.219--226, 2012年6月.
   Yuto Ando and Hajime Kimura:
   An Automatic Piping Algorithm including Elbows and Bends,
   Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, Vol.15, pp.219--226, 2012 in Japanese.
   8 pages, PDF file, JASNAOE_Ando2012.pdf (750KB) in Japanese.
   JSTAGEの論文へリンク
   
8. 木村 元：
   機器配置およびパイプの分岐を扱う配管自動設計システム −パイプ材料コストおよびバルブ操作性評価の多目的最適化−
   日本船舶海洋工学会論文集　第14号, pp.165--173, 2012.
   Hajime Kimura:
   Automatic Designing System for Piping and Instruments Arrangement including Branches of Pipes: Multi-objective Optimization of Piping Material Costs and Valve Operability,
   Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, Vol.14, pp.165--173, 2012 in Japanese.
   9 pages, PDF file, JASNAOE_2011Vol14.pdf (10.8MB) in Japanese.
   JSTAGEの論文へリンク
   
9. 池平怜史，木村 元：
   バルブ操作性を考慮した配管自動設計手法の開発
   日本船舶海洋工学会論文集　第9号, pp.231--236, 2009.
   Satoshi Ikehira, Hajime Kimura
   Automatic Design Algorithm for Pipe Arrangement Considering Valve Operationality,
   Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, Vol.9, pp.231--236 (2009) in Japanese.
   6 pages, PDF file, JASNAOE2009Vol9PP231_236.pdf (488KB) in Japanese.
   
10. 池平怜史，木村 元：
    機器配置図・系統図に基づく配管自動設計手法の開発
    日本船舶海洋工学会論文集　第9号, pp.223--229, 2009.
    （平成22年度日本船舶海洋工学会奨励賞（乾賞）受賞論文　ただし受賞者は池平のみ）
    Satoshi Ikehira, Hajime Kimura
    Automatic Design Algorithm for Pipe Arrangement based on Equipment Arrangement Figure and pipe Diagram,
    Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, Vol.9, pp.223--229 (2009) in Japanese.
    7 pages, PDF file, JASNAOE2009Vol9PP223_229.pdf (508KB) in Japanese.
    
11. 池平怜史，木村 元，池崎英介，梶原宏之：
    多目的遺伝的アルゴリズムを用いた配管自動設計，
    日本船舶海洋工学会論文集 Vol.2, pp.155--160 (2005).
    Satoshi Ikehira, Hajime Kimura, Eisuke Ikezaki, Hiroyuki Kajiwara
    Automatic Design for Pipe Arrangement using Multi-objective Genetic Algorithms,
    Journal of the Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers, Vol.2, pp.155--160 (2005) in Japanese.
    6 pages, PDF file, JASNAOE2005autumn.pdf (584KB) in Japanese.
    
12. Yuto Ando and Hajime Kimura:
    An Automatic Pipe Arrangement Algorithm Considering Elbows and Bends,
    Proceedings of the 11th International Marine Design Conference (IMDC2012) June 11-14, 2012, Glassgow, Scotland, Vol.3, pp.427--436.
    10 pages, PDF file, IMDC2012AndoKimura.pdf (1061KB)
    PPT slides, 61 pages, PDF file, IMDC2012AndoKimuraPPT.pdf (2.15MB)
    
13. Hajime Kimura:
    Automatic Designing System for Piping and Instruments Arrangement including Branches of Pipes,
    International Conference on Computer Applications in Shipbuilding 2011 (ICCAS2011) 20-22 September 2011, Trieste, Italy, Vol.3, pp.93--99.
    7 pages, PDF file, ICCAS2011_KimuraRevised1.pdf (413KB)
    PPT slides, 73 pages, PDF file, KimuraPPT_ICCAS2011.pdf (2,308KB)
    
14. Yuto Ando and Hajime Kimura:
    An Automatic Piping Algorithm including Elbows and Bends,
    International Conference on Computer Applications in Shipbuilding 2011 (ICCAS2011) 20-22 September 2011, Trieste, Italy, Vol.3, pp.153--158.
    6 pages, PDF file, ICCAS2011_AndoKimura.pdf (381KB)
    PPT slides, 67 pages, PDF file, AndoPPT_ICCAS2011.pdf (2,281KB)
    
15. Hajime Kimura and Satoshi Ikehira:
    Automatic Design for Pipe Arrangement Considering Valve Operationality,
    Proceedings of the International Conference on Computer Applications in Shipbuilding 2009 (ICCAS 2009) 1--3 Sep 2009, Shanghai, China, Vol.2, pp.121--126.
    6 pages, PDF file, ICCAS2009Kimura.pdf (4.49MB)
    45 pages, PDF file, ICCAS_PPT_HajimeKimura.pdf (3.57MB)
    Demo Movie 1, ArrangementEvaluation.mpeg (4.11MB)
    Demo Movie 2, misumi.mpeg (3.14MB)
    Demo Movie 3, manyPipes.mpeg (2.66MB)
    
16. 木村 元：
    機器配置およびパイプの分岐を扱う配管自動設計システムにおけるバルブ操作性評価の最適化，
    日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.12, pp.335--338 (2011年5月19〜20日，福岡県中小企業センター，福岡市).
    Hajime Kimura:
    Valve Operability Optimization in An Automatic Designing System for Piping and Instruments Arrangement including Branches of Pipes,
    Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.12, pp.335--338 (May 2011).
    4 pages, PDF file, JASNAOE2011_1.pdf (4.07MB)
    
17. 安藤悠人，木村 元：
    エルボおよびベンドを考慮した配管設計アルゴリズム，
    日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.12, pp.339--342 (2011年5月19〜20日，福岡県中小企業センター，福岡市).
    Yuto Ando and Hajime Kimura:
    An Automatic Piping Algorithm including Elbows and Bends,
    Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.12, pp.339--342 (May 2011).
    4 pages, PDF file, JASNAOE2011_2.pdf (914KB)
    
18. 木村 元：
    機器配置およびパイプの分岐を含む配管自動設計システム，
    第38回知能システムシンポジウム（2011年3月16日〜17日神戸大学工学部）資料 pp.35--40, 2011 計測自動制御学会.
    Hajime Kimura:
    An Automatic Designing System for Piping and Instruments Arrangement including Branches of Pipes, Proceedings of 38th SICE Symposium on Intelligent Systems, March 16--17, 2011, Kobe, pp.35--40 in Japanese.
    6 pages, PDF file, SICE2011_pipe_ga.pdf (3.36MB)
    （補足）このシンポジウムは東北大震災の影響で中止となりましたが、上記予稿集は発行され、参加申込者へ送付されました
    
19. 木村 元：
    機器配置および分岐を含む配管自動設計のための遺伝的アルゴリズム，
    進化計算シンポジウム2010（2010年12月18日〜19日福岡レイクサイドホテル久山）講演論文集 pp.7--13, 2010 進化計算学会.
    Hajime Kimura:
    A Genetic Algorithm for Pipe Arrangement including Equipments and Branches, Proceedings of Evolutionary Computation 2010, pp.7--13 (2010) in Japanese.
    7 pages, PDF file, EC2010.pdf
    
20. 木村 元：
    配管自動設計システムの実用化へ向けての考察，
    日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.11, pp.117--120 (2010年11月4〜5日，長崎県佐世保市アルカス佐世保).
    Hajime Kimura:
    A study for a practical automatic piping system,
    Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.11, pp.117--120 (2010).
    4 pages, PDF file, JASNAOE2010_1.pdf (393KB)
    51 pages, PowerPoint slides, JASNAOE2010_1ppt.pdf (978KB)
    
21. 木村 元：
    ダイクストラ法を用いた配管設計アルゴリズム，
    日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.11, pp.121--124 (2010年11月4〜5日，長崎県佐世保市アルカス佐世保).
    Hajime Kimura:
    A piping algorithm using Dijkstra method,
    Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.11, pp.121--124 (2010).
    4 pages, PDF file, JASNAOE2010_2.pdf (313KB)
    29 pages, PowerPoint slides, JASNAOE2010_2ppt.pdf (505KB)
    
22. 木村 元，三隅壮太：
    経路を形質とするＧＡによる配管設計自動化
    進化計算シンポジウム2009 講演論文集 pp.252--256,
    2009年12月19日〜20日, 沖縄, 進化計算研究会
    Hajime Kimura and Sota Misumi:
    Automatic Pipe Arrangement Design Using GA Emphasized Character of Piping Route,
    Proceedings of Evolutionary Computation 2009, pp.252--256 (2009) in Japanese.
    5 pages, PDF file, EC2009.pdf (283KB)
    8 pages, PDF file, EC2009Poster4_06.pdf (399KB)
23. 三隅壮太，木村 元：
    配管経路の形質を重視したＧＡによる配管設計自動化に関する研究
    日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.9W, pp.63--66 (2009年11月19〜20日，熊本県荒尾市ホテルヴェルデ).
    Sota Misumi and Hajime Kimura:
    Automatic Pipe Arrangement Design using GA Emphasizing Character of Piping Route,
    Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.9W, pp.63--66 (2009).
    4 pages, PDF file, MisumiJASNAOEVol9W_2009.pdf (435KB)
    
24. 木村　元，池平怜史，梶原宏之：
    バルブ操作性を考慮した配管自動設計
    計測自動制御学会 第20回自律分散システムシンポジウム（2008年1月）pp.47--50.
    4 pages, PDF file, SICE20080124.pdf (445KB)
    Hajime Kimura, Satoshi Ikehira and Hiroyuki Kajiwara:
    Automatic Pipe Arrangement Design considering Operationality of Valves using a Multi-objective Genetic Algorithm
    Conference Proceedings of the 20th SICE Symposium on Decentralized Autonomous Systems, pp.47--50 (2008).
25. 池平怜史，木村　元，梶原宏之：
    バルブ操作性を考慮した配管自動設計に関する研究
    日本船舶海洋工学会講演会論文集 Vol.4 （2007年5月）pp.335--338.
    4 pages, PDF file, JASNOAEVol4_2007.pdf (4.74MB)
    Satoshi Ikehira, Hajime Kimura and Hiroyuki Kajiwara:
    Automatic Pipe Arrangement Design considering Operationality of Valves
    Conference Proceedings of the Japan Society of Naval Architectures and Ocean Engineers, Vol.4, pp.335--338 (2007).
26. 池平怜史，木村　元，池崎英介，梶原宏之：
    多目的遺伝的アルゴリズムを用いた配管自動設計，
    西部造船会第110回例会 論文梗概，pp.67--72 (2005).
    Satoshi IKEHIRA, Hajime KIMURA, Eisuke IKEZAKI and Hiroyuki KAJIWARA:
    Automatic design for pipe arrangement using multi-objective gentic algorithms,
    Conference Proceedings of the 110th West-Japan Society of Naval Architects, pp. 67--72 (2005) In Japanese.
27. 池平怜史，木村 元，池崎英介，梶原宏之：
    多目的遺伝的アルゴリズムを用いた配管設計，
    計測自動制御学会 第32回知能システムシンポジウム, pp.187--192 (2005).
    Satoshi IKEHIRA, Hajime KIMURA, Eisuke IKEZAKI and Hiroyuki KAJIWARA:
    A pipe arrangement using multi-objective genetic algorithms,
    Conference Proceedings of the 32th SICE Symposium on Intelligent System, pp.187-192 (2005) in Japanese.
    6 pages, PDF file, sice20050317ofikehira.pdf (1.54MB)
    講演に使用したPowerPoint資料のPDFファイル, IkehiraSICE20050317ppt.pdf (1.1MB)