航空概念設(shè)計(jì)的多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)研究.pdf

1、工程設(shè)計(jì)活動(dòng)大致可以分為兩個(gè)主要階段:概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)。本文重點(diǎn)關(guān)注空間運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)概念和多準(zhǔn)則評(píng)價(jià)。運(yùn)載火箭的概念設(shè)計(jì)階段的目標(biāo)是構(gòu)思系統(tǒng)的主要特性,并提出候選概念設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行概念設(shè)計(jì)時(shí),如果只著眼于現(xiàn)代空間運(yùn)載火箭的某些特點(diǎn),而不從其建設(shè)的整個(gè)生命周期進(jìn)行分析,是難以將其建成的。因此,工程師在設(shè)計(jì)這些新概念時(shí)不僅需要考慮空間運(yùn)載火箭所需的技術(shù)性能,也需要考慮成本,可制造性,可靠性,環(huán)保和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。這些問題大多產(chǎn)生于概念

2、設(shè)計(jì)階段。空間運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)的一個(gè)主要特點(diǎn)就是其技術(shù)和方案的屬性之間存在著強(qiáng)耦合關(guān)系。成功的設(shè)計(jì)理念,需要平衡所有沖突和非沖突的屬性。本文提出了一種帶有兼容性自檢功能概念設(shè)計(jì)評(píng)估方法用于方案選擇。通過模擬應(yīng)用驗(yàn)證了其在工程系統(tǒng)前期設(shè)計(jì)和決策方面的有效性。方法的提出基于多種定性和定量方法,如空間矩陣法,特定定義域建模方法和基于模糊集理論的多屬性決策方法。構(gòu)建和使用這些改進(jìn)方法的主要目的是在一開始就選擇最合理可行的概念結(jié)構(gòu)。根據(jù)空間運(yùn)載火箭概

3、念設(shè)計(jì)方案選擇這一背景,本文將這些方法融合到一個(gè)分析框架之內(nèi),實(shí)現(xiàn)了決策的系統(tǒng)性,精確性和簡(jiǎn)便性。
　　概念的選擇是實(shí)施系統(tǒng)工程過程中的重要環(huán)節(jié)。我們采用了幾個(gè)概念選擇方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這些方法包括決策矩陣為基礎(chǔ)的方法如普格評(píng)價(jià)矩陣和加權(quán)屬性矩陣。此外,還有基于最優(yōu)化的方法,如帕累托前沿,組合優(yōu)化,遺傳算法,拓?fù)鋬?yōu)化和知識(shí)為基礎(chǔ)的方法。然而,只以決策矩陣為基礎(chǔ)的方法是無法進(jìn)行設(shè)計(jì)空間的定量研究,因此對(duì)于概念的選擇來說是無效的。另一

4、方面,基于最優(yōu)化的方法可以有效的求解連續(xù)設(shè)計(jì)空間的問題,但是難以解決空間離散的問題。同樣的,離散優(yōu)化算法,如遺傳算法(GA)在解決大數(shù)量不相容概念時(shí)缺乏效率。鑒于此,本文擬通過對(duì)不同評(píng)價(jià)技術(shù)的改進(jìn)和綜合應(yīng)用進(jìn)一步加強(qiáng)運(yùn)載火箭的概念設(shè)計(jì)。研究主要從以下幾個(gè)方面展開:
　　首先,在概念設(shè)計(jì)階段,決策者應(yīng)該建立空間運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)概念的績(jī)效評(píng)價(jià)空間,因此,機(jī)械的技術(shù)性能,需要使用可以精確表示其物理性能的參數(shù)作為介質(zhì)來描述。本文提出了理想速

5、度-齊奧爾科夫斯基火箭方程來確定空間運(yùn)載火箭所需要的節(jié)數(shù),避免了采用6自由度彈道仿真方法,進(jìn)而提高了概念設(shè)計(jì)這一過程的效率。外部干擾造成的速度損失,如空氣阻力,重力,轉(zhuǎn)向等,可以進(jìn)行合理估計(jì),這將增加所需的速度增量,使得計(jì)算更加接近真實(shí)情況。
　　第二,在概念設(shè)計(jì)階段,許多標(biāo)準(zhǔn)(性能和成本)需要同時(shí)考慮,包括他們中具有沖突的一些性質(zhì)。考慮到概念選擇階段的這些特點(diǎn),可以用多準(zhǔn)則決策分析(MCDA)方法對(duì)其建模。MCDA方法可以獨(dú)立考

6、量每個(gè)單一的標(biāo)準(zhǔn),因此它比傳統(tǒng)的整體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(OEC)更加優(yōu)越。
　　第三,我們認(rèn)為 SLV的概念設(shè)計(jì)階段的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)不足或精度低,因此采用方法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)必須進(jìn)行敏感性分析,以檢驗(yàn)結(jié)果在數(shù)據(jù)可能的變動(dòng)范圍內(nèi)的魯棒性。類似于現(xiàn)實(shí)中精確數(shù)據(jù)不可得時(shí)的評(píng)估和評(píng)價(jià)問題。因此,要求評(píng)價(jià)方法不僅能夠處理數(shù)量量不確定性問題,還可以處理具有模糊性的和主觀性的人為判斷的問題。鑒于此,我們引入模糊MCDA方法對(duì)空間運(yùn)載火箭概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇,并改進(jìn)

7、了空間運(yùn)載火箭系統(tǒng)的概念選擇的過程。
　　在進(jìn)行多屬性決策時(shí),評(píng)價(jià)指標(biāo)往往與多個(gè)屬性相關(guān)聯(lián)。如果將多個(gè)準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換成單一的準(zhǔn)則可能會(huì)遺漏重要信息,如導(dǎo)致設(shè)置虛擬等價(jià),使評(píng)價(jià)傾向于以某一個(gè)特定的價(jià)值體系。鑒于此,本文采用多準(zhǔn)則決策方法,綜合考慮各方面影響因素,構(gòu)建了空間運(yùn)載火箭概念設(shè)計(jì)選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)盡可能保留評(píng)價(jià)指標(biāo)原有的含義,以便便在決策過程中可以對(duì)每個(gè)單獨(dú)指標(biāo)進(jìn)行討論,如權(quán)重,否決權(quán),期望水平,拒絕水平等。

8、　　在應(yīng)用 MCDA方法時(shí)最重要的考慮是在諸多 MCDA方法中選擇最適宜所研究問題的方法。在決策者選擇方法之前,首先必須理解不同方法的特點(diǎn)。通過對(duì)不同多準(zhǔn)則決策方法進(jìn)行對(duì)比分析就可以發(fā)現(xiàn)他們之間的差異。這些差異存在于不同MCDA方法的計(jì)算過程中,標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重的確定過程,層級(jí)關(guān)系種類,判別的一致性,問題結(jié)果以及最終結(jié)論。不同的方法可以用于幫助選擇最適宜的決策制定方法。應(yīng)用最有效的方式選擇適宜所研究問題的MCDA方法。
　　工程設(shè)計(jì)決策問

9、題的特點(diǎn)之一是平衡眾多相互沖突的決策標(biāo)準(zhǔn),并從可行方案中做出最終選擇。基于這些特性,可以很自然的將工程設(shè)計(jì)問題看作多準(zhǔn)則決策分析問題。本文在文獻(xiàn)中提到了多種MCDA方法。這些方法的提出不僅僅是由于不同多屬性決策問題的需要,而且也源于設(shè)計(jì)者將數(shù)學(xué)優(yōu)化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果應(yīng)用與決策技術(shù)的偏好。本文回顧了將MCDA方法應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)方面的最新文獻(xiàn)。從文獻(xiàn)中可以看出,MCDA方法可以作為對(duì)直覺的補(bǔ)充,驗(yàn)證思路,并支持其發(fā)展成為創(chuàng)新。這也是多種

10、MCDA方法應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)問題并訴之于文獻(xiàn)的原因。值得注意的是,由于工程設(shè)計(jì)問題的多樣化,MCDA方法的選擇是基于問題的性質(zhì),沒有可以通用的MCDA方法。此外,多種方法可供選擇的優(yōu)點(diǎn)在于可以選擇最適宜的方法來反映特定的決策制定環(huán)境。
　　值得注意的是頻繁應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)應(yīng)用的方法屬于補(bǔ)充類的 MCDA方法。AHP和TOPSIS方法也是兩種在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域很常用的方法,然而通過語(yǔ)言形式或者定性信息描述的決策問題一般用 AHP方法解決?，F(xiàn)

11、有的文獻(xiàn)中,MCDA也常用于與新產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)階段或概念選擇。概念以及早期設(shè)計(jì)階段的主觀性和信息和數(shù)據(jù)的不確定性可以用不同的方法描述,例如模糊集理論。
　　這是由于模糊邏輯方便將工程設(shè)計(jì)的自然語(yǔ)言表述為數(shù)學(xué)模型。因此,可以將主觀形式的專家意見轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)算法。在工程設(shè)計(jì)方面,MCDA是進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)評(píng)估和選擇的重要環(huán)境。就工程設(shè)計(jì)研究活動(dòng)的目的并不是推動(dòng)MCDA技術(shù)的發(fā)展,但是其研究過程有助于多種設(shè)計(jì)和決策制定工具/環(huán)境

12、的發(fā)展。同時(shí),我們還發(fā)現(xiàn)是 MCDA易于對(duì)所有的可行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)平衡決策,但是最后的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果可能還是不能滿足所有的相關(guān)者。因此,必須認(rèn)識(shí)到,最終決策或選擇必須結(jié)合數(shù)序結(jié)論和專家判斷,而不是單單取決于計(jì)算結(jié)果。
　　本文的研究目的是改進(jìn)空間運(yùn)載火箭的的概念設(shè)計(jì)和決策過程。為此,研究著力于回答上層問題:如何有效組織子系統(tǒng)成分來構(gòu)建上層空間運(yùn)載火箭概念結(jié)構(gòu)?使用的工具應(yīng)該滿足什么條件?為了快速高效的確定空間運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)規(guī)模,并估

13、計(jì)其績(jī)效參數(shù)?如何在設(shè)計(jì)參數(shù)不確定或指標(biāo)沖突的情況下評(píng)估不同空間運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣?
　　為此,首先定義了系統(tǒng)功能性要求或概念目標(biāo)。第二,應(yīng)用頭腦風(fēng)暴法構(gòu)建可能的系統(tǒng)解決概念/構(gòu)架。采用結(jié)構(gòu)分析法構(gòu)建結(jié)構(gòu)矩陣以表示所有子系統(tǒng)層元素,并由其組合成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第三,篩選具有兼容性的可能系統(tǒng)方案。第四,為兼容的設(shè)計(jì)概念制定各種績(jī)效參數(shù),目的是從績(jī)效,可靠性,成本和項(xiàng)目等方面區(qū)分不同的設(shè)計(jì)概念。這一步是形成設(shè)計(jì)概念的具體過程。以空間運(yùn)載火

14、箭為例,以其執(zhí)行任務(wù)要求的節(jié)數(shù)分析,將決定其技術(shù)參數(shù)。最后,基于性能和成本屬性,備選設(shè)計(jì)概念將應(yīng)用于多屬?zèng)Q策分析以實(shí)現(xiàn)最終的評(píng)價(jià)和排序。敏感性分析用于檢驗(yàn) MADM分析得到的排序結(jié)果的魯棒性(穩(wěn)健性)。因此,該方法從定義功能性要求開始,定義多種不同屬性的設(shè)計(jì)概念,然后確定最理想的設(shè)計(jì)概念。
　　按照給出的概念設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)模式,我們首先定義了系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的需求,并根據(jù)運(yùn)載火箭的性質(zhì)和類別指出了任務(wù)目標(biāo),并闡明了與輸出目標(biāo)相關(guān)的指標(biāo)信息

15、,如空間運(yùn)載火箭的系統(tǒng)目標(biāo)是發(fā)射一定預(yù)先設(shè)計(jì)的負(fù)重載荷到指定屬性的軌道,相關(guān)指標(biāo)包括地球特定方位的觀測(cè)數(shù)據(jù),氣象信息等。圓周速度是代表發(fā)射系統(tǒng)的基本功效,它代表了發(fā)射系統(tǒng)可以到達(dá)的預(yù)訂軌道。本文引入火箭方程,結(jié)合火箭分節(jié)原則計(jì)算圓周速度和發(fā)射系統(tǒng)基本功效,作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)的基礎(chǔ),提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。
　　任務(wù)目標(biāo)的另一個(gè)要求是確定火箭節(jié)數(shù)。其主要指標(biāo)是發(fā)射系統(tǒng)的推進(jìn)器效率,同時(shí)還要考慮火箭重量和空氣阻力的制約。為了提供更高精度

16、的數(shù)據(jù)和信息,我們采用火箭的齊奧爾科夫斯理想速度方程代替軌跡模擬方法,確定目標(biāo)任務(wù)候選空間發(fā)射器的節(jié)數(shù),有效的改進(jìn)了概念設(shè)計(jì)過程中對(duì)績(jī)效空間范圍的確定。此外,我們還引入了技術(shù)功效參數(shù),和項(xiàng)目相關(guān)的可操作性,柔性,可制造型以及成本參數(shù),作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則服務(wù)于備選設(shè)計(jì)概念。
　　為了進(jìn)行空間運(yùn)載火箭成本估計(jì),本研究系統(tǒng)的分析了三種不同成本估算方法的優(yōu)劣,通過研究發(fā)現(xiàn):類比估計(jì)法實(shí)施相對(duì)簡(jiǎn)單,但過度依賴于參照系統(tǒng)和專家經(jīng)驗(yàn),對(duì)項(xiàng)目系統(tǒng)和參考

17、系統(tǒng)的差異分析要求高,在進(jìn)行空間運(yùn)載火箭成本估計(jì)時(shí)的精度難以保證?！白韵露稀狈治龇ň哂休^高的精度,但是要求下層結(jié)構(gòu)分解的詳細(xì)信息和精確數(shù)據(jù),而這在概念設(shè)計(jì)階段往往是難以實(shí)現(xiàn)的。參數(shù)估計(jì)法可以根據(jù)空間運(yùn)載火箭各組成部分的歷史數(shù)據(jù)較為精確的估計(jì)項(xiàng)目成本,同時(shí)避免了對(duì)下層組成詳細(xì)分解的要求。通過比較,本文認(rèn)為參數(shù)估計(jì)法有利于進(jìn)行概念結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段的成本估計(jì)。
　　由于相關(guān)的屬性值由技術(shù)性能參數(shù)、程序以及空間運(yùn)載火箭的成本數(shù)據(jù)構(gòu)成,顯然,

18、特定的概念設(shè)計(jì)方案在特定的屬性上非常適用,但在另一些特定的屬性上則不適用。基于這些屬性,本文將對(duì)空間概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行多屬性決策分析,為候選方案的排序,進(jìn)而得到最優(yōu)方案。同時(shí),通過敏感性分析來論證多屬性決策分析的魯棒性(穩(wěn)健性)。
　　多屬性決策分析包含多種賦權(quán)的準(zhǔn)則。以往的文獻(xiàn)中提出了很多測(cè)度準(zhǔn)則權(quán)重的技術(shù),比如熵權(quán)法、成分排名法、成對(duì)比較法等。本文對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析,并分別利用這些方法進(jìn)行方案選擇。研究發(fā)現(xiàn),成分排名法和成對(duì)比較權(quán)

19、重分配法比熵權(quán)法更加適用。這是因?yàn)?熵權(quán)法僅通過決策矩陣計(jì)算出權(quán)重,而權(quán)重分配僅僅在輸入數(shù)據(jù)時(shí)用作參考,而這些輸入數(shù)據(jù)并不一定是現(xiàn)實(shí)和決策者意愿的真實(shí)反映。而另外兩種決策方法以決策者的打分作為輸入,能夠通過決策問題的本質(zhì)和股粉持有者的意愿來更好的反映準(zhǔn)則的重要性。
　　多屬性決策分析的另一個(gè)重要方面就是 MCDA技術(shù)本身。本文討論了不同的技術(shù)對(duì)概念設(shè)計(jì)方案最終排序的影響。通過三種不同的方法,即熵權(quán)法、成分排名法、成對(duì)比較法所得到的

20、準(zhǔn)則權(quán)重分別用于 TOPSIS, AHP和 lexicographic三種 MCDA決策技術(shù)。得到如下結(jié)論:假設(shè)使用 TOPSIS技術(shù),不同的權(quán)重分配方法并不改變最頂層的概念設(shè)計(jì)方案排序;AHP技術(shù)的結(jié)果與TOPSIS相同。容易得到,應(yīng)用AHP技術(shù)時(shí),成分排名法和成對(duì)比較法得出的概念設(shè)計(jì)方案前8名的排序相同。而熵權(quán)法所得到的前6名排序是相同的,接下來則出現(xiàn)了一些改變。應(yīng)用 lexicographic MCDA技術(shù)時(shí),成分排名法和成對(duì)比較

21、法所得到的結(jié)果相同,這是因?yàn)樵谶@兩種方法中,準(zhǔn)則重要性的排列順序是一致的。
　　本文的目的在于提出一種可能的分析框架用于空間運(yùn)載火箭裝置的概念設(shè)計(jì)的多屬性評(píng)價(jià)。我們回答了一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的課題,即如何有效地、系統(tǒng)地構(gòu)建空間運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu),以及如何在同時(shí)考慮到所有屬性的情況下,評(píng)價(jià)候選的概念設(shè)計(jì)方案。本文的研究工作力求改進(jìn)航空宇航概念設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)程序。主要貢獻(xiàn)有以下幾點(diǎn):
　　(1)本文的第一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了一個(gè)正規(guī)的概念設(shè)計(jì)和多

22、屬性評(píng)價(jià)框架。它的用途是對(duì)空間運(yùn)載火箭的概念設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)論證。這一框架結(jié)合了多準(zhǔn)評(píng)價(jià)方法的優(yōu)點(diǎn),使得運(yùn)載火箭概念設(shè)計(jì)方案的決策可以遵循一個(gè)簡(jiǎn)單化、系統(tǒng)化的程序,同時(shí)最大限度的保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　(2)第二個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是基于分析矩陣的定義,提出了一種可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)的兼容性分析方法,并為分析大量可行概念設(shè)計(jì)方案提供了一種簡(jiǎn)單,高效,可計(jì)算的方法。
　　(3)第三個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)在于定義了理想速度齊奧爾科夫斯基火箭方程,并應(yīng)用所提出