【正文】 第 1章 緒論 1 多學科協(xié)同設計過程優(yōu)化設計研究 碩士學位論文 第 1 章 緒論 課題來源 課題來源于： (1) 國家 863 計劃 “ 面向共享知識驅動的產(chǎn)品協(xié)同設計關鍵技術研究 ” (No. 2020AA04Z167)； (2) 國家自然科學基金項目 “ 復雜機械產(chǎn)品混合模型中尺寸約束與傳遞方法研究 ” (No. 50975183)。 課題研究的背景與意義 “協(xié)同”是 協(xié)調兩個或兩個以上不同資源或 個體，協(xié)同一致地完成某一目標的過程或能力。 從概念 可看出 ，協(xié)同并不是新生事物， 其 隨人類社會 出現(xiàn)而出現(xiàn) ，隨人類社會 發(fā)展 而發(fā)展。 基本理論最早可追溯到上世紀 60 年代德國斯圖加特大學理論物理學 Hermann Haken 于 1977 年發(fā)表的 一篇名為 《 SnynergeticAn Introduction》 [1,2]的文章。當 技術 逐漸成為 人們日常生活 和商業(yè) 活動的主要 核心 時 ，人們就 迫切 需要技術能夠提供更多的東西。 現(xiàn)今 基于網(wǎng)絡的 “ 協(xié)同 ”與以前物理領域 的 “ 協(xié)同 ” 并非同一概念。 作為一個新的 軟件 熱點， “ 協(xié)同 ” 概念有著 更深刻 的含義 ：其 不僅包括人與人之間的協(xié)作， 還 包括不同應用系統(tǒng)之間、不同數(shù)據(jù)源之間、不同設備之間、不同應用 程序 之間、人與機器之間、科技與傳統(tǒng) 方法 之間等全方位的協(xié)同。 1984 年 Massachusetts Institute of Technology 的 Irene Grief 和 DEC的 Paul Cashman兩位學者在描述 如何運用計算機實現(xiàn) 交叉學科 中， 人們共同工作的 研究 課題時，首次提出 計算機 支持的交叉學科協(xié)同工作 (Computer Supported Cooperative Work, CSCW)[3] 。 CSCW 覆蓋 的范圍十分廣泛，包括 ： 工作流管理系統(tǒng) [4]、多媒體計算機會議 [5]、 協(xié)同編譯和多學科協(xié)同設計 (Multidisciplinary Collaborative Design， MCD)[6]等 。 自 90 年代初，國內外學第 1章 緒論 2 者 對多學科協(xié)同設計 展開相關的理論研究 [711]，迄今為止 已經(jīng)成為 發(fā)達資本主義國家工業(yè)界 認可的 嶄新研究領域，受到企業(yè) 和學術界的廣泛關注 與大力支持 。 隨著復雜機械產(chǎn)品設計需求的增多、 計算機網(wǎng)絡 技術 的進步和人工智能(artificial intelligence, AI)[12]的 發(fā)展 ， 諸如：航天器、飛機、汽車、艦船、導彈等復雜產(chǎn)品形成一個集多學科知識理論于一體的綜合體，其中每個學科都需要專門的領域專家進行設計研究。由于學科與學科 間存在復雜的耦合關系，在設計過程中，學科間必須及時交換設計信息，數(shù)據(jù)參數(shù)等，才能有效調整各自的參數(shù)與設計變量，使學科的綜合指標和產(chǎn)品的整體性能達到最優(yōu)。多學科設計優(yōu)化(Multidisciplinary design optimization MDO) [13]技術的出現(xiàn)使我們獲得全局最優(yōu)解成為可能。 MDO 技術不僅能很大程度提高產(chǎn)品設計的整體性能，還能縮短產(chǎn)品設計周期。因此，對 MDO 技術開展研究討論具有很重大的意義。在產(chǎn)品設計過程中，由于存在大量節(jié)點耦合與數(shù)據(jù)異構的情況，人員進行過程管理與數(shù)據(jù)管理會存在很大 難度。因此，復雜產(chǎn)品設計不光要對協(xié)同進行設計，還要對優(yōu)化進行設計。在取得大量 MCD [1420]和 MDO 算法框架后， 研究并解決多學科協(xié)同設計 優(yōu)化方面的相關 課題得到學術界 高 度重視 ——應綜合的對產(chǎn)品設計過程和數(shù)據(jù)源進行優(yōu)化處理，使整體設計過程能根據(jù)實際情況做出相應調整，使參與協(xié)同設計的各學科能在一定程度上實現(xiàn)關鍵數(shù)據(jù)的無損交流。此外，多學科協(xié)同設計過程應以數(shù)據(jù)為核心，而不是協(xié)同工具。通過對設計過程和相關數(shù)據(jù)的優(yōu)化，使各學科彼此間在某一時間段實現(xiàn)并聯(lián)、獲取、查詢、保存對方給出的數(shù)據(jù)源，并能隨時了解對方設計任務的 進度并執(zhí)行本學科的設計流程。 綜上 ， 對多學科協(xié)同設計過程 和期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化 并 對應 開發(fā)出 多學科協(xié)同設計過程管理系統(tǒng) (Multidisciplinary Collaborative Design Management System, MCDMS 是一項具有重要理論基礎和廣泛應用前景的研究課題。 國內外現(xiàn)狀及總體發(fā)展趨勢 國外研究現(xiàn)狀 美籍波蘭 人 最初提出 多學科優(yōu)化設計的思想 ，隨后 在美國 航空航天部門 興起 。 1991 年初 ， 美國航空航天研究院 (AIAA)管理 多學科設計優(yōu)化的委員會就優(yōu)化研究現(xiàn)狀和多學科優(yōu)化設計進行研究 并 發(fā)表了白皮書 。 同 一第 1章 緒論 3 年 ， 德國成立了國際結構優(yōu)化設計協(xié)會 (ISSO)， 該部門是 對大型復雜 產(chǎn)品 系統(tǒng) 進行優(yōu)化設計研究 。 協(xié)會于 1993 年更名為國際機構及多學科設計優(yōu)化協(xié)會 (ISSMO)。1994 年 ， AIAA、 NASA 和 ISSMO 三個部門 聯(lián)合在美國佛羅里達 召開 第一次正式會議 。 該會議 的召開標志多學科優(yōu)化 設計 思想 已 滲透到現(xiàn)代 產(chǎn)品 設計的各個 領域 。此后 ， 每兩年對 MDO 進行一次專題 性研究討論 ， 總結 現(xiàn)今 MDO 的研究內容 、 發(fā)展方向和應用 背景 。 1991 年 到 1999 年 間，世界 著名 的 航空航天類雜志 《 Journal of Aircraft》 對 在 航空航天領域 運用 MDO 思想 的研究成果出版了 相關?？?。而 同一時期 ， 其 它 許多國家也 致力于 發(fā)展 MDO 的相關 技術 。 MDO 的 原理 、 方法 和 優(yōu)化算法 等 研究 已 成 為 一個 整體 。隨著計算機及網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展， 集成結果已 逐漸發(fā)展 成熟并 應用于 市場 。 波音公司 、 福特 、 美國國家航空宇航局 、 通用等 世界著名公司 開始將 MDO 技術 運用在 各類 產(chǎn)品設計 開發(fā) 中 ，并 在 保持 多個學科 間平衡 、 縮短 產(chǎn)品 設計周期 、 降低 生產(chǎn) 成本 、 提高產(chǎn)品質量 等方面取得很好的 效果 。 目前 ， MDO 技術 逐步克 服了 產(chǎn)品開發(fā) 設計過程 中各學科自成體系 、 相互 干擾、缺乏溝通 等眾多不足之處 ，現(xiàn) 已 成為美國 、英國、日本 等發(fā)達國家工業(yè) 界 一個 極具活力 的研究領域 ， 受到企業(yè) 、工廠、 研究人員 和 學術界的廣泛關注 。 現(xiàn)今，業(yè)內已能 實現(xiàn) 對 部分學科的 優(yōu)化設計 并開發(fā)出 諸 如 ： iSIGHT、 Model Center 等 多學科優(yōu)化 的商業(yè) 軟件 。 其 它 國家 ， 如 ： 歐盟的 MOB 項目 、 俄羅斯的 IOSO 技術也取得了相當 好 的 研究 成果 。 日本 、 韓國等國家 紛紛成立 研究中心 和相關 專業(yè)機構 針對 MDO 進行 研究 ， 并已應用于 各自的 工業(yè) 部門 [2123]。 國內研究現(xiàn)狀 從 20 世紀 90 年代中期 至今， 國內 MDO 的研究工作 從 學習 國外到 吸取經(jīng)驗再到實際應用 ，已 取得了一定 進展 。 國內很多高校開展 了對 MDO 技術 的理論研究 ，將其 應用到 一些簡單 的 系統(tǒng)設計中 。 MDO 也引起了工業(yè)界特別是航空航天領域的重視 ， 在 “ 第三界軍工產(chǎn)品多學科設計優(yōu)化技術研討會 ” 和 “ 2020 賽特達科技有限公司技術大會 ” 中 ， 展現(xiàn)了大量國內開展 MDO 的案例 ，如： 南京航空航天大學采用結構有限元參數(shù)化建模和結構優(yōu)化方法對 飛機 連接翼結構質量與外形參數(shù)的關系進行了研究 ， 其中運用了實驗設計方法和響應面模型來獲得外形參數(shù)與其結構質量之間的關系 ； 北京航天航空大學開展了液體火箭發(fā)動機多學科設計優(yōu)化 、渦輪葉片綜合設計優(yōu)化系統(tǒng)等項目的研究 ， 實現(xiàn)了復雜系統(tǒng)的集成與優(yōu)化 ； 北京第 1章 緒論 4 工業(yè)大學在結構的 MDO 和工程數(shù)值模擬優(yōu)化方法等方面作了很多工作 ； 大連鐵道學院使用 iSIGHT 軟件平臺開展了現(xiàn)代鐵路機車車輛產(chǎn)品的設計優(yōu)化研究 ； 西安電子科技大學對電子裝備中的結構位移場 、 電磁場和溫度場的多場禍合問題進行了MDO 研究 ； 國防科技大學的課題組在導彈 、 高超聲速飛行器 、 飛機 、 衛(wèi)星的多學科設計優(yōu)化中做了大量的工作 ， 在 MDO 的基礎理論以及 MDO 在飛行器設計和衛(wèi)星設計中的運用展開了深入研究 ， 取得了大量有價值的成果 ， 并在基于商業(yè)軟件的二次開發(fā)方面形成了一套獨立的方法 [2431]。 隨著生產(chǎn)水平和經(jīng)驗技術的不斷提升，國內越來越重視 MDO 技術在實際生產(chǎn)設計中的運用。 總體發(fā)展趨勢 MDO 設計思想的前提是在產(chǎn)品設計中，利用已有的先進技術。 因此， 支持MDO 的系統(tǒng)平臺需要完成的 首要任務是集成各種已有的設計分析工具。 由于不同軟件的數(shù)據(jù)格式各不相同， 需要進行數(shù)據(jù)方面的轉換。 目前 的解決方法有： 采用XML 文檔結合 DTD 規(guī)范或 XML Schema、 CyberCAD 提供的造型器、中間件技術、STEP 數(shù)據(jù)到 VRML 轉換等，這些 方法是通過構造目標格式標識，建立 一種 基于數(shù)據(jù) 源 的統(tǒng)一文檔格式， 從而 實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)源 數(shù)據(jù)共享 的目的 。 盡管這些方法 在一定程度上消除了各學 科間 數(shù)據(jù)結構 不同的 問題，但 對各學科數(shù)據(jù)關聯(lián) 和 語義異構問題并沒有提供更為有利的支持 ，直接導致不同軟件下的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題難以解決 。 隨著 MCD 算法 和 MDO 方法 在 MCDMS 系統(tǒng) 的深入研究與 應用，如： 單級優(yōu)化 算法 、協(xié)作優(yōu)化 算法 、序列優(yōu)化 算法 、并行子空間優(yōu)化 算法 、多層遞階優(yōu)化 算法 、 耦合 系統(tǒng)中 參 數(shù) 的 映射方法、基于靈敏度分析的多學科設計優(yōu)化方法 等 [3234]，多學科協(xié)同設計 過程的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題變得愈發(fā)明顯 。 對復雜產(chǎn)品設計過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以往通常采用標準 CO 算法進行優(yōu)化，但隨著其廣泛使用，計算方面的各種問題慢慢突顯，而圍繞標準 CO 算法改進的一系列算法逐漸出現(xiàn)，但仍存在一些不足，因此，應對標準 CO 算法進行深入的研究與討論。 在 MCDMS 系統(tǒng) 開發(fā)方面，目前 國內外已 有 基于 Isight 的 MCDMS 商業(yè)軟件，但在 優(yōu)化管理方面還存在很多 局限性。 因此，開發(fā)一個能夠動態(tài)的 對設計過程進行管理 并 能很好 的 解決數(shù)據(jù)優(yōu)化問題 的 多學科協(xié)同設計過程管理系統(tǒng)勢在必行。 第 1章 緒論 5 本文的主要研究工作 本文 的 主要 研究工作是在多學科協(xié)同設計過程中，探索與解決 過程設計優(yōu)化與數(shù)據(jù)優(yōu)化管理 的問題。 研究了該課題涉及 的一些關鍵 性 技術，提出 理論基礎與相關模型， 運用這些方法 實現(xiàn) 多學科協(xié)同設計過程管理系統(tǒng)的設計 與 開發(fā)。 本文涉及的研究工作 包括 ： 過程優(yōu)化技術理論的提出 ；數(shù)據(jù)優(yōu)化改進算法的研究； 搭建多學科協(xié)同設計過程管理系統(tǒng)的總體框架 ； 。 具體如下 ： (1) 對 WPR 技術進行研究，通過對其方法的提出與改進，針對機械產(chǎn)品設計過程耦合節(jié)點的情況，運用協(xié)商技術，進行優(yōu)化處理。最后根據(jù)網(wǎng)上開源代碼，設計出一款可視化圖形建模軟件，兩者結 合，實現(xiàn)對產(chǎn)品設計過程優(yōu)化的目的。 (2) 通過對協(xié)同優(yōu)化算法的介紹與機械產(chǎn)品設計中增廣乘子概念的研究，對現(xiàn)今應用比較廣泛的標準 CO 算法計算方面的不足，通過在系統(tǒng)級上加入增廣乘子，對標準 CO 算法進行改進。由于該算法是基于標準 CO 算法提出，因此繼承標準CO 算法的優(yōu)點。通過計算得知，其結果優(yōu)于標準 CO 算法的結果，從而為數(shù)據(jù)優(yōu)化提供一種更精良的方法。 (3)從 優(yōu)化管理、數(shù)據(jù)流向和模塊實現(xiàn)等 方面介紹 了 MCDMS 系統(tǒng)設計。本系統(tǒng) 是 立足于 減速器 產(chǎn)品 設計 過程，將部分 Agent 驅動、 過程流優(yōu)化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、協(xié)同空間等技術 應 用 其中，進行多學科協(xié)同設計過程 優(yōu)化設計的研究 。 通過具體產(chǎn)品設計的 驗證性應用，一定程度上 說明了 現(xiàn)階段研究成果的可實用性和有效性。 本文的總體結構 本文對基于多 Agent 技術的 MCDMS 總體框架、基于 WPR 的改進過程方法研究、基于標準 CO 算法改進的算法研究以及 MCDMS 系統(tǒng)實現(xiàn)等方面進行了描述。具體結構如下： 第 1章 緒論 6 第 一 章 緒 論第 二 章 基 于 A g e n t 技 術 的M C D M S 系 統(tǒng) 總 體 框 架第 三 章 基 于 W P R 的 改 進 過 程方 法 研 究第 四 章 基 于 標 準 C O 算 法 改進 的 算 法 研 究第 五 章 M C D M S 系 統(tǒng) 實 現(xiàn)第 六 章 結 論 圖 本文總體結構圖 第一章為緒論部分，介紹了課題 來源、課題研究的背景 和 意義、國內外 發(fā)展現(xiàn)狀 、 總體發(fā)展趨勢 及 本文的主要研究工作 。 第二章介紹了 MCDMS 系統(tǒng) 總體框架， 通過對 Agent 技術介紹， 提出 一個基于多 Agent 技術的 MCDMS 系統(tǒng) 工作模型 。其中 包括 ： Agent 的項目管理 、 Agent的過程 管理、 Agent 的協(xié)同空間 、 Agent 的優(yōu)化管理、 Agent 的人員管理等 主要 功能模塊 。 從多學科協(xié)同設計 技術 的 角度 ， 為 MCDMS 系統(tǒng) 在多學科動態(tài)過程建模、協(xié)同并行設計、任務數(shù)據(jù)發(fā)布、流程