基于元模型的复杂产品虚拟样机建模方法研究

新技术环境下复杂产品对数字化设计质量的要求不断提升,需要进一步提高建模的质量和效率,解决复杂产品虚拟样机多学科模型的一体化信息集成问题,以实现复杂产品系统设计及优化。本文以航天制造领域广泛存在的复杂产品为对象,对元模型、建模方法以及多学科建模过程进行研究与分析,将多学科优化设计与元模型建模方法相结合,建立了复杂产品的虚拟样机元模型,并构建了元模型与学科元模型的转换关系,形成了虚拟样机多学科建模优化设计方案。     

数字化功能样机的多学科设计优化与仿真

高效精密化、智能集成化、虚拟数字化是现代产品设计的发展方向。提出了一种将多学科设计优化方法融于产品的数字化设计过程，智能集成化设计复杂产品数字化功能样机的多学科综合设计模式。针对汽车实例，构建了多学科自动化设计优化平台，给出了集成优化分析流程，实现了多性能集成全分析与优化仿真，基于整车虚拟测试，验证了该模式的有效可行性。     

插件式可重配导弹总体设计集成优化框架研究

导弹武器系统总体设计过程的复杂性，对于模型和应用集成、方案优化提出了更高要求。在虚拟样机、多学科设计优化、应用集成等技术的基础上，提出一种插件式可量配导弹总体设计集成优化框架，并对其中一些关键技术进行探讨，最后实现了一个原型系统。     

多学科设计优化的综合可视化技术研究

深入分析了多学科设计优化的特点,综述了多学科设计优化的可视化技术,提出并实现了多学科设计优化模型与设计模型集成可视化技术,交互式多学科设计优化可视化显示技术,可以实现高维,多目标优化问题Pareto非劣解可视化显示方法,使设计者可以方便地可视的控制优化过程,实现用户导向优化搜索,为用户提供了认识设计空问的手段.多学科设计优化综合可视化技术对提升多学科设计优化的效果十分重要,对提高复杂产品设计质量具有重要意义.     

集装箱码头集成调度模型与混合优化算法

为提高集装箱码头作业中各种设备的协调性,提高整体作业效率,建立了集成调度模型,模型集成了装卸桥、集卡与龙门吊的调度问题.同时,设计了求解模型的混合优化算法,此算法集成了神经网络良好的近似估计功能与模拟退火算法有效的搜索能力.算法流程是:初始化集装箱装卸序列;基于一定的分配规则为集装箱分配作业设备;采用模拟退火算法搜索解空间,更新装卸序列.在算法过程中,用神经网络预测目标函数,并且过滤明显的劣质解.最后,通过算例分析验证了模型与算法的有效性.结果表明,混合优化算法可以提高模型求解效率,对于规模为400个集装箱的调度问题,平均偏差为7.52%,计算时间为8.9s,模型与算法可行.     

复杂机电系统多学科设计与仿真集成框架

为实现复杂机电系统的设计与仿真中多学科应用的集成以及信息的交流与共享,提出了一种复杂机电系统多学科设计与仿真集成框架,并给出了集成框架的参考模型.该集成框架采用了有利于实现设计与仿真应用程序"即插即用"的组件结构,并建立了机电系统设计与仿真公共信息模型和标准应用组件接口.复杂机电系统多学科设计与仿真集成框架以多学科综合设计与仿真为核心,以公共信息模型为基础,通过标准化应用组件接口实现不同工程领域的设计与仿真工具的集成以及设计和仿真信息交流与共享,从而支持多学科团队间的协同工作.     

基于集成粒子群优化的复线旅客列车优化调度

列车优化调度是一个大规模、复杂的数学优化问题。在优化过程中，考虑了特快旅客列车中途离开时间、普快列车中途离开时间和特快、普快和货车等三种列车的整个运行时间等因素。提出将模拟退火优化方法嵌入粒子群优化算法中，以此构建集成粒子群优化算法．在搜索过程中还加入变异探作来增加种群多样性，以避免早熟收敛．通过对青岛至广东高速轨道线738公里段的研究表明，集成粒子群优化算法局部搜索能力有显著提高，且搜索到全局最优解的概率更大。     

基于DSM的研发项目流程多目标仿真优化

分析了复杂产品研发项目中流程结构的不确定性,采用设计结构矩阵对其进行仿真建模,并将设计结构矩阵调度策略嵌入仿真模型,建立了同时最小化项目工期和成本的多目标优化模型.提出了一种基于设计结构矩阵仿真与非支配排序遗传算法的混合优化算法,获取研发项目流程多目标优化的Pareto最优解.以某飞机初步研制项目流程为研究算例,验证了混合优化算法的可靠性和有效性,并对获得的最优流程结构进行了深入的仿真评价与分析。     

考虑供应不确定性与需求非平稳性的项目调度与材料供应集成优化

在工程建设中，项目调度与材料供应是相互关联和影响的，需要集成管理这两个决策事项.本文考虑供应不确定性与需求非平稳性，以项目总工期提前/延迟奖惩、施工活动开始时间偏离惩罚以及材料库存持有成本之和最小化为目标，研究项目调度与材料供应的集成优化.其中，材料供应主要涉及安全库存设置与分拨决策.该集成优化模型形式复杂，决策变量维度高，难以采用解析方法与传统仿真优化方法进行分析与求解.为此，设计了基于代理模型的优化方法来求解该模型.该方法的核心是采用代理模型来逼近决策变量与优化目标的函数关系，以减少方案评估时的计算成本，提高优化效率.算例分析验证了基于代理模型的优化方法的有效性，并表明项目调度与材料供应集成优化相比于独立决策可以节约成本.     

复杂产品多学科协同设计优化建模方法

复杂产品往往由多个子系统通过复杂的耦合方式组成。针对复杂产品多学科协同设计优化的需求,将复杂产品分解成为分布式层次型系统,建立复杂产品多学科协同优化模型,包括了系统级优化模型、子系统优化模型和子系统分析模型。为解决不确定条件下的复杂产品优化建模问题,在确定性条件下建模方法的基础上引进不确定分析,得到系统目标函数与不确定变量之间的对应关系,建立不确定条件下的复杂产品多学科协同优化模型。最后,给出了复杂产品多学科协同优化建模过程。

Abstract：

Complex products are often composed by a number of subsystems which coupled by some complicated way. In order to meet the need of multidisciplinary collaborative design optimization, the multidisciplinary collaborative optimization model of complex products was established based on distributed hierarchical system, including system-level optimization model, optimization model subsystem and subsystem analysis model. To solve the problem under uncertainty, complex products multidisciplinary collaborative design optimization modeling under uncertainty was concluded based on the introduction of uncertainty analysis to determine the system of objective function and the corresponding relationship between the uncertain variables. Finally, multidisciplinary collaborative optimization modeling process of complex product was provided.     

虚拟样机多学科设计优化问题建模研究

针对虚拟样机多学科设计优化框架对多学科问题描述的需求,对多学科设计优化问题的建模方法进行研究,提出用XML语言对多学科优化问题模型进行描述。通过分析多学科设计优化问题模型特点,得出多学科设计优化问题模型及其子模型的形式化描述,并给出其中一个主要模型的XMLSchema描述规范。开发了通用多学科设计优化问题建模工具,用于基于Web的虚拟样机多学科设计优化框架中的求解问题模型的输入,并给出某型导弹多学科设计优化问题的建模实例。实践表明建模方法和建模工具方便可行。     

无重叠区的两抓钩周期性排序问题的一个搜索求解法

在当今的自动化制造系统中,计算机控制的抓钩的排序直接影响系统的生产率.本文研究了产品在生产线两端装载和卸载的电镀线的周期性抓钩排序问题,目标是极小化生产周期.本文把生产线分成无重叠的两部分,并给每部分分配一个抓钩,构成一个无重叠两抓钩周期性排序问题.为了求解该问题,提出了一种基于线性规划模型和禁忌表的搜索算法.这个算法使用测试的周期长度作为控制参数以产生不同的运送顺序,对每个给定的运送顺序和抓钩分配,用线性规划模型求得子问题的最优解.在搜索中,为了避免相同序列的子问题模型的求解,采用了禁忌表.量化的示例表明所使用的方法是高效的.     

基于任务驱动的机载相控阵雷达TAS调度算法

针对单波束多功能机载相控阵雷达的资源分配问题,提出一种自适应搜索加跟踪(track and search, TAS)调度算法。该算法以调度间隔为周期,基于先前调度任务的处理结果实时生成当前的任务请求集合,以跟踪类型任务竞争时间资源,搜索任务一直等待空闲时间片为准则,实现搜索和跟踪的协同调度。此外利用波束位置、任务类型和预测速度信息,实时分配各执行任务的工作波形。仿真结果表明,该算法能够合理调度各类跟踪请求事件和搜索事件,同时具有自适应调整执行事件的跟踪时间间隔和探测波形的能力。     

动态单机调度的一种滚动时域策略及全局性能分析

针对全局信息不完全的一种单机的动态调度模型,设计了局部调度子问题带终端惩罚函数的滚动调度策略,并对这种滚动调度策略下的全局性能进行了分析.通过对未知工件按FIFO规则进行虚拟调度,对滚动调度进程中的全局性能进行评估,证明了在所给滚动调度策略下,随着工件信息的逐步获取,全局调度中的虚拟调度逐步变为已知调度,并经过滚动局部调度而部分实现,决策时刻向前推进,对全局性能指标的估计越来越接近将实现的实际值,逐步实现的全局调度性能相对历次的估计值不断改善.终端罚函数滚动调度策略可以保证滚动调度进程中全局性能的稳定性,当工件到达较快时,文中的滚动调度策略更有优势.     

随机机器故障下单机预测调度方法

研究可能遭遇机器故障的工件动态到达的单机总加权拖期生产调度问题. 基于一定概率分布对机器故障的预测描述, 预测调度方法可以用插入时间冗余的方法使初始调度方案具有一定的抗干扰能力, 对未来的故障扰动有一定预测性, 使未来实现调度与预测调度尽量保持一致性, 预测性度量定义为实现调度与预测调度间各工件完工时间的绝对偏离加权和. 提出了一种带空闲时间阈值的预测调度方法, 基于工件动态到达的特点, 充分利用初始调度中的空闲时间, 通过空闲时间阈值灵活控制空闲时间的插入与否. 大量的仿真实验结果表明,与已有方法相比, 采用该方法得到的预测调度对随机机器故障的预测能力更高,同时保持了好的调度性能.     

考虑搬运时间的多品种、小批量混流制造系统批量加工模式的优化与资源调度

对带搬运时间的混流制造系统批量加工模式的优化与资源调度问题进行研究. 建立批量工件的加工与搬运时间模型,用于求解生产周期和优化搬运次数. 在此基础上,分析工件排序方案的决策准则,用于确定工件最优投产顺序. 设计互助组优化算法,其可对最优作业排序方案所需的搬运设备进行调度. 研究结果表明: 本文的研究方法可有效求解带搬运时间的批量工件的生产周期,能优化批量工件的搬运时间和次数,可获得工件的最优排序方案,并能合理调度搬运设备资源.     

静态单机调度问题改善全局性能的滚动策略

借鉴控制界对滚动时域控制性能研究的思路，对一类具有可分的正规性能指标的大规模静态单机调度问题，提出了一种子问题带终端约束的滚动调度策略．在这种滚动调度策略下，全局调度的性能可以进行一定程度的评价和分析．性能分析的结论是，随着局部调度的滚动进行，全局调度性能可以不断改善．初始调度性能是全局最终调度性能的一个上界．     

考虑随机离职的新产品研发项目组合多技能员工调度模型

研发人员随机离职事件对新产品研发项目组合调度具有重要影响.以多技能研发人员为调度对象,采用离散马尔可夫链描述人员离职过程,考虑人才培养战略收益、研发周期以及研发成本三个目标,建立了新产品研发项目组合调度随机多目标约束优化模型.采用自适应帕累托抽样算法求解模型,算法中采用马尔可夫蒙特卡罗抽样技术进行随机离职抽样,基于启发式串行进度生成机制计算确定性情况下目标值,采用快速非支配遗传算法(NSGAII)获取多目标期望值模型的帕累托解集.将算法和模型应用到国内某公司一种新的电气节能产品研发项目组合人员调度问题中,结果显示:随机模型较确定性模型更为贴近企业实践情况;设计的算法能够有效地求出问题的帕累托解集,收敛性能较好.研究结果可为企业进行随机离职情况下新产品研发项目组合多技能员工调度方案的制定提供有效的决策支持.     

Multidisciplinary Design-Optimization Methods for Aircrafts using Large-Scale System Theory

The relationship between multidisciplinary design optimization (MDO) for aircrafts and the large-scale system theory was expatiated. Using the large-scale system theory, the system was decomposed gradually based on the different classification standards and the system characteristics. At the same time, the MDO methods for aircrafts were classified according to the decomposition-coordination method of the large-scale system theory. The theory background and applicable range of each algorithm were elucidated. Aircraft design system is a typical engineering large-scale system, and the basic of MDO for aircrafts is the large-scale system theory. Therefore, the large-scale system theory and MDO for aircrafts should be studied simultaneously to improve the MDO.