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1、第1章 绪论多学科协同设计过程优化设计研究硕士学位论文第1章 绪论1.1 课题来源课题来源于：(1) 国家863计划“面向共享知识驱动的产品协同设计关键技术研究”(No. 2009AA04Z167)；(2) 国家自然科学基金项目“复杂机械产品混合模型中尺寸约束与传递方法研究”(No. 50975183)。1.2 课题研究的背景与意义 “协同”是协调两个或两个以上不同资源或个体，协同一致地完成某一目标的过程或能力。从概念可看出，协同并不是新生事物，其随人类社会出现而出现，随人类社会发展而发展。基本理论最早可追溯到上世纪60年代德国斯图加特大学理论物理学Hermann Haken于1977年发表的
2、一篇名为Snynergetic-An Introduction1,2的文章。当技术逐渐成为人们日常生活和商业活动的主要核心时，人们就迫切需要技术能够提供更多的东西。现今基于网络的“协同”与以前物理领域的“协同”并非同一概念。作为一个新的软件热点，“协同”概念有着更深刻的含义：其不仅包括人与人之间的协作，还包括不同应用系统之间、不同数据源之间、不同设备之间、不同应用程序之间、人与机器之间、科技与传统方法之间等全方位的协同。1984年Massachusetts Institute of Technology的Irene Grief和DEC的Paul Cashman两位学者在描述如何运用计算机实现交
3、叉学科中，人们共同工作的研究课题时，首次提出计算机支持的交叉学科协同工作(Computer Supported Cooperative Work, CSCW)3 。CSCW覆盖的范围十分广泛，包括：工作流管理系统4、多媒体计算机会议5、协同编译和多学科协同设计(Multi-disciplinary Collaborative Design，MCD)6等。自90年代初，国内外学者对多学科协同设计展开相关的理论研究7-11，迄今为止已经成为发达资本主义国家工业界认可的崭新研究领域，受到企业和学术界的广泛关注与大力支持。随着复杂机械产品设计需求的增多、计算机网络技术的进步和人工智能(artifici
4、al intelligence, AI)12的发展，诸如：航天器、飞机、汽车、舰船、导弹等复杂产品形成一个集多学科知识理论于一体的综合体，其中每个学科都需要专门的领域专家进行设计研究。由于学科与学科间存在复杂的耦合关系，在设计过程中，学科间必须及时交换设计信息，数据参数等，才能有效调整各自的参数与设计变量，使学科的综合指标和产品的整体性能达到最优。多学科设计优化(Multidisciplinary design optimization MDO) 13技术的出现使我们获得全局最优解成为可能。MDO技术不仅能很大程度提高产品设计的整体性能，还能缩短产品设计周期。因此，对MDO技术开展研究讨论具有
5、很重大的意义。在产品设计过程中，由于存在大量节点耦合与数据异构的情况，人员进行过程管理与数据管理会存在很大难度。因此，复杂产品设计不光要对协同进行设计，还要对优化进行设计。在取得大量MCD 14-20和MDO算法框架后，研究并解决多学科协同设计优化方面的相关课题得到学术界高度重视应综合的对产品设计过程和数据源进行优化处理，使整体设计过程能根据实际情况做出相应调整，使参与协同设计的各学科能在一定程度上实现关键数据的无损交流。此外，多学科协同设计过程应以数据为核心，而不是协同工具。通过对设计过程和相关数据的优化，使各学科彼此间在某一时间段实现并联、获取、查询、保存对方给出的数据源，并能随时了解对方
6、设计任务的进度并执行本学科的设计流程。综上，对多学科协同设计过程和期间产生的数据进行优化并对应开发出多学科协同设计过程管理系统(Multi-disciplinary Collaborative Design Management System, MCDMS是一项具有重要理论基础和广泛应用前景的研究课题。1.3 国内外现状及总体发展趋势1.3.1 国外研究现状美籍波兰人J.Sobieszczanski-Sobieski最初提出多学科优化设计的思想，随后在美国航空航天部门兴起。1991年初，美国航空航天研究院(AIAA)管理多学科设计优化的委员会就优化研究现状和多学科优化设计进行研究并发表了白皮书
7、。同一年，德国成立了国际结构优化设计协会(ISSO)，该部门是对大型复杂产品系统进行优化设计研究。协会于1993年更名为国际机构及多学科设计优化协会(ISSMO)。1994年，AIAA、NASA和ISSMO三个部门联合在美国佛罗里达召开第一次正式会议。该会议的召开标志多学科优化设计思想已渗透到现代产品设计的各个领域。此后，每两年对MDO进行一次专题性研究讨论，总结现今MDO的研究内容、发展方向和应用背景。1991年到1999年间，世界著名的航空航天类杂志Journal of Aircraft对在航空航天领域运用MDO思想的研究成果出版了相关专刊。而同一时期，其它许多国家也致力于发展MDO的相关
8、技术。MDO的原理、方法和优化算法等研究已成为一个整体。随着计算机及网络技术的迅猛发展，集成结果已逐渐发展成熟并应用于市场。波音公司、福特、美国国家航空宇航局、通用等世界著名公司开始将MDO技术运用在各类产品设计开发中，并在保持多个学科间平衡、缩短产品设计周期、降低生产成本、提高产品质量等方面取得很好的效果。目前，MDO技术逐步克服了产品开发设计过程中各学科自成体系、相互干扰、缺乏沟通等众多不足之处，现已成为美国、英国、日本等发达国家工业界一个极具活力的研究领域，受到企业、工厂、研究人员和学术界的广泛关注。现今，业内已能实现对部分学科的优化设计并开发出诸如：iSIGHT、Model Cente
9、r等多学科优化的商业软件。其它国家，如：欧盟的MOB项目、俄罗斯的IOSO技术也取得了相当好的研究成果。日本、韩国等国家纷纷成立研究中心和相关专业机构针对MDO进行研究，并已应用于各自的工业部门21-23。1.3.2 国内研究现状从20世纪90年代中期至今，国内MDO的研究工作从学习国外到吸取经验再到实际应用，已取得了一定进展。国内很多高校开展了对MDO技术的理论研究，将其应用到一些简单的系统设计中。MDO也引起了工业界特别是航空航天领域的重视，在“第三界军工产品多学科设计优化技术研讨会”和“2004赛特达科技有限公司技术大会”中，展现了大量国内开展MDO的案例，如：南京航空航天大学采用结构有
10、限元参数化建模和结构优化方法对飞机连接翼结构质量与外形参数的关系进行了研究，其中运用了实验设计方法和响应面模型来获得外形参数与其结构质量之间的关系；北京航天航空大学开展了液体火箭发动机多学科设计优化、涡轮叶片综合设计优化系统等项目的研究，实现了复杂系统的集成与优化；北京工业大学在结构的MDO和工程数值模拟优化方法等方面作了很多工作；大连铁道学院使用iSIGHT软件平台开展了现代铁路机车车辆产品的设计优化研究；西安电子科技大学对电子装备中的结构位移场、电磁场和温度场的多场祸合问题进行了MDO研究；国防科技大学的课题组在导弹、高超声速飞行器、飞机、卫星的多学科设计优化中做了大量的工作，在MDO的基
11、础理论以及MDO在飞行器设计和卫星设计中的运用展开了深入研究，取得了大量有价值的成果，并在基于商业软件的二次开发方面形成了一套独立的方法24-31。随着生产水平和经验技术的不断提升，国内越来越重视MDO技术在实际生产设计中的运用。1.3.3 总体发展趋势 MDO设计思想的前提是在产品设计中，利用已有的先进技术。因此，支持MDO的系统平台需要完成的首要任务是集成各种已有的设计分析工具。由于不同软件的数据格式各不相同，需要进行数据方面的转换。目前的解决方法有：采用XML文档结合DTD规范或XML Schema、CyberCAD提供的造型器、中间件技术、STEP 数据到VRML转换等，这些方法是通过
12、构造目标格式标识，建立一种基于数据源的统一文档格式，从而实现不同数据源数据共享的目的。尽管这些方法在一定程度上消除了各学科间数据结构不同的问题，但对各学科数据关联和语义异构问题并没有提供更为有利的支持，直接导致不同软件下的数据优化问题难以解决。随着MCD算法和MDO方法在MCDMS系统的深入研究与应用，如：单级优化算法、协作优化算法、序列优化算法、并行子空间优化算法、多层递阶优化算法、耦合系统中参数的映射方法、基于灵敏度分析的多学科设计优化方法等32-34，多学科协同设计过程的数据优化问题变得愈发明显。对复杂产品设计过程中产生的数据，以往通常采用标准CO算法进行优化，但随着其广泛使用，计算方面
13、的各种问题慢慢突显，而围绕标准CO算法改进的一系列算法逐渐出现，但仍存在一些不足，因此，应对标准CO算法进行深入的研究与讨论。在MCDMS系统开发方面，目前国内外已有基于Isight的MCDMS商业软件，但在优化管理方面还存在很多局限性。因此，开发一个能够动态的对设计过程进行管理并能很好的解决数据优化问题的多学科协同设计过程管理系统势在必行。1.4 本文的主要研究工作本文的主要研究工作是在多学科协同设计过程中，探索与解决过程设计优化与数据优化管理的问题。研究了该课题涉及的一些关键性技术，提出理论基础与相关模型，运用这些方法实现多学科协同设计过程管理系统的设计与开发。本文涉及的研究工作包括：过程
14、优化技术理论的提出；数据优化改进算法的研究；搭建多学科协同设计过程管理系统的总体框架；。具体如下：(1) 对WPR技术进行研究，通过对其方法的提出与改进，针对机械产品设计过程耦合节点的情况，运用协商技术，进行优化处理。最后根据网上开源代码，设计出一款可视化图形建模软件，两者结合，实现对产品设计过程优化的目的。(2) 通过对协同优化算法的介绍与机械产品设计中增广乘子概念的研究，对现今应用比较广泛的标准CO算法计算方面的不足，通过在系统级上加入增广乘子，对标准CO算法进行改进。由于该算法是基于标准CO算法提出，因此继承标准CO算法的优点。通过计算得知，其结果优于标准CO算法的结果，从而为数据优化提
15、供一种更精良的方法。 (3)从优化管理、数据流向和模块实现等方面介绍了MCDMS系统设计。本系统是立足于减速器产品设计过程，将部分Agent驱动、过程流优化、数据优化、协同空间等技术应用其中，进行多学科协同设计过程优化设计的研究。通过具体产品设计的验证性应用，一定程度上说明了现阶段研究成果的可实用性和有效性。1.5 本文的总体结构本文对基于多Agent技术的MCDMS总体框架、基于WPR的改进过程方法研究、基于标准CO算法改进的算法研究以及MCDMS系统实现等方面进行了描述。具体结构如下： 图1.1 本文总体结构图第一章为绪论部分，介绍了课题来源、课题研究的背景和意义、国内外发展现状、总体发展
16、趋势及本文的主要研究工作。第二章介绍了MCDMS系统总体框架，通过对Agent技术介绍，提出一个基于多Agent技术的MCDMS系统工作模型。其中包括：Agent的项目管理、Agent的过程管理、Agent的协同空间、Agent的优化管理、Agent的人员管理等主要功能模块。从多学科协同设计技术的角度，为MCDMS系统在多学科动态过程建模、协同并行设计、任务数据发布、流程监控机制、过程及数据优化管理、三维模型浏览及人员权限管理等方面提供了有效的方法。第三章对优化管理智能体中的过程优化部分，提出基于WPR的改进过程方法。通过对该方法的描述，为用户端过程管理智能体中的过程设计优化提供了理论基础。该方法可使用户端及系统平台更加容易的对设计过程进行操作及监控，可化简操作步骤，使过程流局部明了。最后，通过给出一款开源过程流可视化图形软件，方便用户端对过程流进行操作。第四章
