人機結(jié)合協(xié)同進化設(shè)計方法及其應(yīng)用.pdf

1、本文主要以中國航天科技集團某部委托的“航天器布局設(shè)計與仿真系統(tǒng)”項目為背景，它屬一類航天器 (衛(wèi)星、飛船、多艙段大型航天器) 艙內(nèi)外儀器、設(shè)備的空間布局方案設(shè)計問題。在國家“八六三”高技術(shù)研究發(fā)展計劃和國家自然科學(xué)基金的資助下，主要研究人機結(jié)合布局設(shè)計方法、協(xié)同進化算法、基于三維 Pro/E 軟件的布局優(yōu)化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其在工程布局設(shè)計中的應(yīng)用。該問題在數(shù)學(xué)上屬帶性能約束裝填 (Packing)和組合優(yōu)化問題；在機械設(shè)計上屬復(fù)雜布局方案

2、設(shè)計；在人工智能上屬人機結(jié)合問題。該問題具有計算復(fù)雜性、工程復(fù)雜性以及工程實用化三方面難度。該問題研究具有重要學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值。 本文針對復(fù)雜布局問題的計算復(fù)雜性，基于高效的協(xié)同進化框架，分析協(xié)同進化在求解復(fù)雜布局問題時存在搜索方向一致性問題的原因，將啟發(fā)式規(guī)則與協(xié)同進化相結(jié)合，給出了帶啟發(fā)式協(xié)調(diào)機制的協(xié)同進化方法。進而借鑒人機結(jié)合思想，針對復(fù)雜布局問題的工程復(fù)雜性，發(fā)揮人機各自特長，將人智解與算法解在演化算法基因?qū)用嫔线M行結(jié)

3、合，提出了一種基于人機結(jié)合的協(xié)同進化布局設(shè)計方法，最后針對本文問題的工程實用性要求，研究了用于一類航天器艙布局設(shè)計的三維布局優(yōu)化系統(tǒng)與仿真的關(guān)鍵技術(shù)。同時，將本文方法推廣應(yīng)用于全斷面巖石掘進機刀盤布置方案設(shè)計。 全文的主要工作內(nèi)容包括： 第 1 章介紹了本論文研究課題的工程背景和問題的提出，給出了布局問題的求解策略以及研究意義。最后給出論文的主要研究內(nèi)容和組織結(jié)構(gòu)。 第 2 章首先綜述了布局問題的發(fā)展現(xiàn)狀和求解策

4、略。然后對人機結(jié)合、遺傳算法、協(xié)同進化以及啟發(fā)式方法的發(fā)展現(xiàn)狀進行了綜述。為本文的研究布局方法的提出奠定了理論基礎(chǔ)。 第 3 章介紹了航天器布局優(yōu)化設(shè)計問題和全斷面巖石掘進機刀盤布置問題，以國際通信衛(wèi)星 INTELSAT-Ⅲ、歐洲 MSG 氣象衛(wèi)星和羅賓斯 MB264-310 型掘進機刀盤為布局實例，給出了這幾類布局問題的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，并分析了本文布局問題的特征，從而引出了本文所要解決的問題。 第 4 章給出了一種帶啟發(fā)

5、式協(xié)調(diào)機制的協(xié)同進化方法，并探討了三種啟發(fā)式協(xié)調(diào)機制方式、不同的問題分解方式、各子種群的協(xié)作方式和個體適應(yīng)度的計算方法，最后用典型布局?jǐn)?shù)值實例驗證本文的帶啟發(fā)式協(xié)調(diào)機制的協(xié)同進化算法的可行性和有效性。 第 5 章借鑒人機結(jié)合思想，基于人機結(jié)合的設(shè)計框架，給出了一種基于人機結(jié)合的協(xié)同進化布局設(shè)計方法。由“人智”在線或先驗知識設(shè)計出布局設(shè)計方案組成人工方案參考集，根據(jù)人工方案參考集利用多樣性生成方法生成多樣性布局設(shè)計方案組成多樣性參

6、考集，在子問題進行協(xié)同進化時，將人工方案個體、多樣性方案個體和協(xié)同進化的演化算法生成的算法個體，三者統(tǒng)一編碼串表達，并依據(jù)其適應(yīng)度值和多樣性值決定是否加入到演化算法群體。同時在協(xié)同進化過程中不斷的對人工方案參考集和多樣性參考集進行更新。實現(xiàn)了人與算法在基因和系統(tǒng)設(shè)計層面上的結(jié)合。 第 6 章給出了用于求解一類航天器艙布局設(shè)計問題的三維布局優(yōu)化系統(tǒng)實現(xiàn)。基于上述對復(fù)雜布局優(yōu)化設(shè)計問題的求解策略、理論模型、優(yōu)化算法及人機結(jié)合設(shè)計方法

7、的研究，開發(fā)基于 Pro/E 軟件的交互式航天器布局優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)，重點討論了布局優(yōu)化方法與商業(yè) 3D-CAD 軟件的結(jié)合及其若干關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。 第 7 章為航天器艙和全斷面巖石掘進機刀盤工程布局實例，應(yīng)用上述帶啟發(fā)式協(xié)調(diào)機制的協(xié)同進化方法和人機結(jié)合的協(xié)同進化方法求解工程布局實例，給出了具體應(yīng)用說明和結(jié)果討論，初步驗證了本文方法求解的可行性和有效性。航天器布局?jǐn)?shù)值仿真實驗結(jié)果表明，本文人機結(jié)合方法可以有效處理復(fù)雜布局問題。需說明

8、，由于上述驗證只針對有限的布局算例和布局實例，還不能輕易得出更一般性結(jié)論。 第 8 章對本文研究工作進行了總結(jié)，并對進一步研究工作給出了建議。 本文以航天器艙布局設(shè)計和全斷面巖石掘進機刀盤布置方案設(shè)計為背景，給出了人機結(jié)合協(xié)同進化布局設(shè)計方法和帶啟發(fā)式協(xié)調(diào)機制的協(xié)同進化方法，所研究的基于Pro/E 軟件的航天器布局優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)原型經(jīng)用戶最終鑒定和驗收，具有工程實用價值。期望該研究有助于人機結(jié)合布局設(shè)計理論方法研究進展，有