【正文】 在 保持 多個學(xué)科 間平衡 、 縮短 產(chǎn)品 設(shè)計周期 、 降低 生產(chǎn) 成本 、 提高產(chǎn)品質(zhì)量 等方面取得很好的 效果 。 MDO 的 原理 、 方法 和 優(yōu)化算法 等 研究 已 成 為 一個 整體 。 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(lǐng)域 運用 MDO 思想 的研究成果出版了 相關(guān)專刊 。 該會議 的召開標(biāo)志多學(xué)科優(yōu)化 設(shè)計 思想 已 滲透到現(xiàn)代 產(chǎn)品 設(shè)計的各個 領(lǐng)域 。 協(xié)會于 1993 年更名為國際機構(gòu)及多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化協(xié)會 (ISSMO)。 1991 年初 ， 美國航空航天研究院 (AIAA)管理 多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的委員會就優(yōu)化研究現(xiàn)狀和多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計進行研究 并 發(fā)表了白皮書 。 綜上 ， 對多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程 和期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行優(yōu)化 并 對應(yīng) 開發(fā)出 多學(xué)科協(xié)同設(shè)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(chǔ)和廣泛應(yīng)用前景的研究課題。此外，多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程應(yīng)以數(shù)據(jù)為核心，而不是協(xié)同工具。因此，復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計不光要對協(xié)同進行設(shè)計，還要對優(yōu)化進行設(shè)計。因此，對 MDO 技術(shù)開展研究討論具有很重大的意義。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化(Multidisciplinary design optimization MDO) [13]技術(shù)的出現(xiàn)使我們獲得全局最優(yōu)解成為可能。 隨著復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計需求的增多、 計算機網(wǎng)絡(luò) 技術(shù) 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(dǎo)彈等復(fù)雜產(chǎn)品形成一個集多學(xué)科知識理論于一體的綜合體，其中每個學(xué)科都需要專門的領(lǐng)域?qū)＜疫M行設(shè)計研究。 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(xué)科協(xié)同設(shè)計 (Multidisciplinary Collaborative Design， MCD)[6]等 。 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(yīng)用系統(tǒng)之間、不同數(shù)據(jù)源之間、不同設(shè)備之間、不同應(yīng)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。當(dāng) 技術(shù) 逐漸成為 人們?nèi)粘Ｉ?和商業(yè) 活動的主要 核心 時 ，人們就 迫切 需要技術(shù)能夠提供更多的東西。 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。第 1章 緒論 1 多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化設(shè)計研究 碩士學(xué)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(qū)動的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究 ” (No. 2020AA04Z167)； (2) 國家自然科學(xué)基金項目 “ 復(fù)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(diào)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(biāo)的過程或能力。 基本理論最早可追溯到上世紀(jì) 60 年代德國斯圖加特大學(xué)理論物理學(xué) Hermann Haken 于 1977 年發(fā)表的 一篇名為 《 SnynergeticAn Introduction》 [1,2]的文章。 現(xiàn)今 基于網(wǎng)絡(luò)的 “ 協(xié)同 ”與以前物理領(lǐng)域 的 “ 協(xié)同 ” 并非同一概念。 1984 年 Massachusetts Institute of Technology 的 Irene Grief 和 DEC的 Paul Cashman兩位學(xué)者在描述 如何運用計算機實現(xiàn) 交叉學(xué)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(xué)科協(xié)同工作 (Computer Supported Cooperative Work, CSCW)[3] 。 自 90 年代初，國內(nèi)外學(xué)第 1章 緒論 2 者 對多學(xué)科協(xié)同設(shè)計 展開相關(guān)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(rèn)可的 嶄新研究領(lǐng)域，受到企業(yè) 和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注 與大力支持 。由于學(xué)科與學(xué)科 間存在復(fù)雜的耦合關(guān)系，在設(shè)計過程中，學(xué)科間必須及時交換設(shè)計信息，數(shù)據(jù)參數(shù)等，才能有效調(diào)整各自的參數(shù)與設(shè)計變量，使學(xué)科的綜合指標(biāo)和產(chǎn)品的整體性能達到最優(yōu)。 MDO 技術(shù)不僅能很大程度提高產(chǎn)品設(shè)計的整體性能，還能縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。在產(chǎn)品設(shè)計過程中，由于存在大量節(jié)點耦合與數(shù)據(jù)異構(gòu)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。在取得大量 MCD [1420]和 MDO 算法框架后， 研究并解決多學(xué)科協(xié)同設(shè)計 優(yōu)化方面的相關(guān) 課題得到學(xué)術(shù)界 高 度重視 ——應(yīng)綜合的對產(chǎn)品設(shè)計過程和數(shù)據(jù)源進行優(yōu)化處理，使整體設(shè)計過程能根據(jù)實際情況做出相應(yīng)調(diào)整，使參與協(xié)同設(shè)計的各學(xué)科能在一定程度上實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的無損交流。通過對設(shè)計過程和相關(guān)數(shù)據(jù)的優(yōu)化，使各學(xué)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(shè)計任務(wù)的 進度并執(zhí)行本學(xué)科的設(shè)計流程。 國內(nèi)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(xué)科優(yōu)化設(shè)計的思想 ，隨后 在美國 航空航天部門 興起 。 同 一第 1章 緒論 3 年 ， 德國成立了國際結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計協(xié)會 (ISSO)， 該部門是 對大型復(fù)雜 產(chǎn)品 系統(tǒng) 進行優(yōu)化設(shè)計研究 。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 。此后 ， 每兩年對 MDO 進行一次專題 性研究討論 ， 總結(jié) 現(xiàn)今 MDO 的研究內(nèi)容 、 發(fā)展方向和應(yīng)用 背景 。而 同一時期 ， 其 它 許多國家也 致力于 發(fā)展 MDO 的相關(guān) 技術(shù) 。隨著計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 集成結(jié)果已 逐漸發(fā)展 成熟并 應(yīng)用于 市場 。 目前 ， MDO 技術(shù) 逐步克 服了 產(chǎn)品開發(fā) 設(shè)計過程 中各學(xué)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(lǐng)域 ， 受到企業(yè) 、工廠、 研究人員 和 學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注 。 其 它 國家 ， 如 ： 歐盟的 MOB 項目 、 俄羅斯的 IOSO 技術(shù)也取得了相當(dāng) 好 的 研究 成果 。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 從 20 世紀(jì) 90 年代中期 至今， 國內(nèi) MDO 的研究工作 從 學(xué)習(xí) 國外到 吸取經(jīng)驗再到實際應(yīng)用 ，已 取得了一定 進展 。 MDO 也引起了工業(yè)界特別是航空航天領(lǐng)域的重視 ， 在 “ 第三界軍工產(chǎn)品多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)研討會 ” 和 “ 2020 賽特達科技有限公司技術(shù)大會 ” 中 ， 展現(xiàn)了大量國內(nèi)開展 MDO 的案例 ，如： 南京航空航天大學(xué)采用結(jié)構(gòu)有限元參數(shù)化建模和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對 飛機 連接翼結(jié)構(gòu)質(zhì)量與外形參數(shù)的關(guān)系進行了研究 ， 其中運用了實驗設(shè)計方法和響應(yīng)面模型來獲得外形參數(shù)與其結(jié)構(gòu)質(zhì)量之間的關(guān)系 ； 北京航天航空大學(xué)開展了液體火箭發(fā)動機多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化 、渦輪葉片綜合設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)等項目的研究 ， 實現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)的集成與優(yōu)化 ； 北京第 1章 緒論 4 工業(yè)大學(xué)在結(jié)構(gòu)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(xué)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(shè)計優(yōu)化研究 ； 西安電子科技大學(xué)對電子裝備中的結(jié)構(gòu)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(xué)的課題組在導(dǎo)彈 、 高超聲速飛行器 、 飛機 、 衛(wèi)星的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化中做了大量的工作 ， 在 MDO 的基礎(chǔ)理論以及 MDO 在飛行器設(shè)計和衛(wèi)星設(shè)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]。 總體發(fā)展趨勢 MDO 設(shè)計思想的前提是在產(chǎn)品設(shè)計中，利用已有的先進技術(shù)。 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(zhuǎn)換。 盡管這些方法 在一定程度上消除了各學(xué) 科間 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 不同的 問題，但 對各學(xué)科數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián) 和 語義異構(gòu)問題并沒有提供更為有利的支持 ，直接導(dǎo)致不同軟件下的數(shù)據(jù)優(yōu)化問題難以解決 。 對復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，以往通常采用標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn) 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(yīng)對標(biāo)準(zhǔn) CO 算法進行深入的研究與討論。 因此，開發(fā)一個能夠動態(tài)的 對設(shè)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(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)勢在必行。 研究了該課題涉及 的一些關(guān)鍵 性 技術(shù)，提出 理論基礎(chǔ)與相關(guān)模型， 運用這些方法 實現(xiàn) 多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)的設(shè)計 與 開發(fā)。 具體如下 ： (1) 對 WPR 技術(shù)進行研究，通過對其方法的提出與改進，針對機械產(chǎn)品設(shè)計過程耦合節(jié)點的情況，運用協(xié)商技術(shù)，進行優(yōu)化處理。 (2) 通過對協(xié)同優(yōu)化算法的介紹與機械產(chǎn)品設(shè)計中增廣乘子概念的研究，對現(xiàn)今應(yīng)用比較廣泛的標(biāo)準(zhǔn) 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(biāo)準(zhǔn) CO 算法進行改進。通過計算得知，其結(jié)果優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn) CO 算法的結(jié)果，從而為數(shù)據(jù)優(yōu)化提供一種更精良的方法。本系統(tǒng) 是 立足于 減速器 產(chǎn)品 設(shè)計 過程，將部分 Agent 驅(qū)動、 過程流優(yōu)化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、協(xié)同空間等技術(shù) 應(yīng) 用 其中，進行多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程 優(yōu)化設(shè)計的研究 。 本文的總體結(jié)構(gòu) 本文對基于多 Agent 技術(shù)的 MCDMS 總體框架、基于 WPR 的改進過程方法研究、基于標(biāo)準(zhǔn) 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。 第二章介紹了 MCDMS 系統(tǒng) 總體框架， 通過對 Agent 技術(shù)介紹， 提出 一個基于多 Agent 技術(shù)的 MCDMS 系統(tǒng) 工作模型 。 從多學(xué)科協(xié)同設(shè)計 技術(shù) 的 角度 ， 為 MCDMS 系統(tǒng) 在多學(xué)科動態(tài)過程建模、協(xié)同并行設(shè)計、任務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)布、流程監(jiān)控機制、過程及數(shù)據(jù)優(yōu)化管理、三維模型瀏覽及人員權(quán)限管理等方面提供了有效的方法。通過對該方法 的描述，為用戶端過程管理智能體中的過程設(shè)計優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ)。最后，通過給出一款開源過程流可視化圖形軟件，方便用戶端對過程流進行操作。通過對現(xiàn)有方法的研究，在原有標(biāo)準(zhǔn) CO 算法基礎(chǔ)上，通過改進，提出一種基于增廣乘子法的協(xié)同優(yōu)化算法。 第五章 是 基于前幾章的研究 和 成果，主要從 優(yōu)化管理和數(shù)據(jù)流向兩 方面介紹MCDMS 系統(tǒng) 的 設(shè)計 和其 功能模塊的實現(xiàn) 。 最后，總結(jié)全文的研究工作 成果并 展望今后需要進一步完善和深化的工作 任務(wù) 。自 20 世紀(jì) 90 年代，隨著計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，操作系統(tǒng)的不 足日益增多，如：過程流設(shè)計復(fù)雜、操作異地分布、全局?jǐn)?shù)據(jù)異構(gòu)、數(shù)據(jù)優(yōu)化困難等問題愈發(fā)的明顯。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對此展開激烈的討論，認(rèn)為智能化的過程流管理與數(shù)據(jù)共享、使用和優(yōu)化將會成為未來多學(xué)科協(xié)同設(shè)計研究的主要內(nèi)容與工作方向。該系統(tǒng)平臺能在規(guī)定的生產(chǎn) 周期內(nèi)突破地域與時間上的限制，使用戶完成過程建模優(yōu)化，交流協(xié)同設(shè)計中產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)，提高企業(yè)快速響應(yīng)的能力，完成產(chǎn)品的設(shè)計目的。 MAS 具有很好的靈活性，有分布式自主決策，強調(diào)各個 Agent 之間的相互協(xié)作 [36,37]， 可有效解決地域間差異的限制。在系統(tǒng)重構(gòu)方面， MAS 的很多特性，如：可擴展性、動態(tài)性、適應(yīng)性等 [3840]， 可 為模塊化的系統(tǒng)架構(gòu)提供更有效的解決方案。本章首先研究基于MAS 的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程管理系統(tǒng)的總體框架，為后面章節(jié)的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計過程優(yōu)化與數(shù)據(jù)優(yōu)化提供框架與理論支持。 MAS 具有自主響應(yīng)與協(xié)同 工第 2章 基于多 Agent技術(shù)的 MCDMS總體框架 9 作的功能，在 MCDMS 系統(tǒng) 體系結(jié)構(gòu)中，各信息節(jié)點包含相應(yīng)的智能模塊。 W E B 發(fā) 布流 程中 間 件 技 術(shù) 轉(zhuǎn) 換 文 件 格 式 , 存 儲 各 設(shè) 計 組 設(shè) 計 數(shù) 據(jù)X M L , H i b e r n a t e , O n t o l o g y 等 轉(zhuǎn) 換 數(shù) 據(jù) 格 式系 統(tǒng) o r a c l e 9 i 數(shù) 據(jù) 庫項目1功 能 模 塊 層用 戶 端 口 層系 統(tǒng) 權(quán) 限 分 配 用 戶 端 口 智 能 體系 統(tǒng) 項 目 管理 智 能 體工 作 流 建 模p r o E A d a m s. . . 系 統(tǒng)管 理 員專 家設(shè) 計 人 員W e b 客 戶 端 1J A V A 3 D 技 術(shù)項目2? ?項目n系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 管 理 智 能 體分 布 式 網(wǎng) 絡(luò) 協(xié) 同 工 具 集 成 , 如 : W e b 聊 天 器 , E m a i l 接 發(fā) 器 , 視 屏 會 議 等系 統(tǒng) 通 信 層系 統(tǒng) 通 信 智 能 體系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 底 層過 程優(yōu) 化W e b 客 戶 端 2 W e b 客 戶 端 3. . .W e b 客 戶 端 n數(shù) 據(jù)優(yōu) 化數(shù) 據(jù) 源 數(shù) 據(jù) 源數(shù) 據(jù) 源數(shù) 據(jù) 源系 統(tǒng) 人 員 管理 智 能 體系 統(tǒng) 過 程 管理 智 能 體系 統(tǒng) 協(xié) 同 空間 智 能 體系 統(tǒng) 優(yōu) 化 管