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《大连理工大学》 2001年
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人机交互的演化设计方法及其在航天器舱布局方案设计中的应用

钱志勤  
【摘要】: 本论文主要研究复杂工程系统总体布局方案设计的理论方法及其在大型航天器舱布局优化设计中的应用。 航天器舱布局方案优化设计是研究在满足各种工程技术条件的前提下,如何将各种仪器和设备最优的布置在航天器舱体内(或外),使得总体布局的某一项或几项评价指标达到最优。这是一个亟待解决而又未很好解决的重要工程课题。布局问题的NP-困难性和航天器设计本身的巨大复杂性使得该问题的解决既有理论上的开拓性和挑战性,又存在工程实践上的艰难性和复杂性。 航天器舱布局方案优化设计属带性能约束的三维布局优化问题,属具有不确定性、高度非线性、既有定性又有定量问题的复杂工程系统问题,单纯依靠人或计算机算法(包括人工智能技术)去解决都是非常困难的。1991年Lenat、Feigenbaum提出的人机合作(Man-Machine Synergy)和同年钱学森、戴汝为等提出的人机结合(Human-Machine Cooperation)思想和方法论,被认为是21世纪解决复杂工程问题的重要途径、自动化设计的重要发展方向,但其可操作性问题一直未很好解决。本论文以航天器舱布局方案优化设计为应用背景,遵循“人机合作”、“人机合作”思想,充分发挥工程技术人员和现代计算机技术各自特长,提出人机交互的遗传算法,使“人”“机”在算法层面有机结合并具有可操作性;进而结合网络协同设计技术,给出一套以人机交互遗传算法为基础的人机交互演化协同设计理论方法,发挥多人设计和决策的优越性,以缓解组合最优化计算量过大(组合爆炸)问题,并增强上述理论方法的工程实用性。大量数值计算以及在航天器舱方案设计中的应用表明了本论文理论方法的可行性和有效性。 本论文的主要工作如下: 1.稳定、收敛、高效的优化算法是求解复杂布局优化问题的基础,是布局优化理论研究发展水平的重要标志。本论文提出一种改进的粗粒度遗传算法——混合粗粒度遗传算法,该算法将各染色体按适应度函数值大小排序并分组,对不同的染色体分组采用不同的惩罚系数、交叉算子与变异算子,并在进化过程中采用同种互斥和最优解保留策略。大量算例表明,本算法优于经典粗粒度遗传算法。该混合粗粒度遗传算法是实现本论文人机结合演化设计思想的算法基础。 2.为充分发挥人和计算机各自的特长,使“人机合作”与“人机结合”思想在工程应用中具有可操作性,提出人机交互的遗传算法。该算法将人 大连理工大学博上学位论文 摘要 工设计的个体作为初始染色体群体的组成部分,并在遗传运算过程中实时 地将人工设计的新个体加入到染色体群体中,以代替群体中的较差个体, 参与遗传运算(复制、交叉、变异X实现人与算法在基因层面的结合。该 人机交互遗传算法系统是实现网络下演化协同设计的基本单元。 3.将人机交互的遗传算法与网络协同设计技术相结合,考虑工程因素, 形成网络环境下的人机交互演化协同设计系统,以简化传统协同设计中数 据库构建,解决增强协同人之间柔性协同问题。该系统分为设计层和决策 层两个模块,采用S。eke网络编程技术,通过客户机用&务器模式,实现进 程间的异步通信;同时采用ODBC数据库技术,利用综合评价仲裁系统和 人机交互的思想进行协同设计。 4.人机交互演化设计方法在航天器舱布局方案设计中的应用。为达到 本论文理论方法在多舱段大型航天器舱布局优化中的工程实用化,本论文 采取如下策略:首先将待布物模型化,简化为规则形状的几何体,建立返 回式人造卫星回收舱和空间站舱布局优化的数学模型和仿真模型的复合模 型;利用人机交互的遗传算法和人机交互演化协同进行布局优化设计,给 出航天器舱优化布局的“骨架”;利用美国的Prohogineer软件将模型中待 布物还原成实际形状的物体,进行模装布局和性能仿真;利用人机交互方 法进行布局调整,直至得到满意工程布局。最后将上述方法和策略应用于 我国卫星舱和空间实验站总体布局方案设计预研工作,同时也是对本文理 论方法的验证。 本课题属国家自然科学基金项目“复杂布局自动化设计理论、方法及 其应用”(N*69974002L“人机结合演化协同及在航天器舱总装方案设 计中的应用”(N趴60073030和国家‘℃63”计划航天领域高技术项目:“多 舱段大型航天器(载人飞船、空间站)三维动力布局优化研究”(N。 863205石S人本课题涉及到航天器设计、机械工程、计算机、数学、力学 等学科,属交叉学科前沿课题的基础理论和应用基础研究。航天舱布局较 一般机械布局更复杂、更典型,本论文理论方法可望推广应用于工程机械、 组合机床、机器人、火箭、坦克、潜艇和水下悬浮工程等相关领域。因此 本课题的研究具有重要的科学价值、经济效益和社会效益。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2001
【分类号】:V423

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前6条
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2 滕弘飞,曾威,梁大伟,孙治国,刘峻,李广强;演化设计方法及其应用[J];机械工程学报;2004年01期
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中国硕士学位论文全文数据库 前6条
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【参考文献】
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8 晏敏,张昌期,翟贤,刘育骐;用于平面布局的专家系统[J];华中理工大学学报;1989年S1期
9 晏敏,张昌期,翟贤,刘育骐;平面布局专家系统的尺寸推理机制[J];华中理工大学学报;1989年S1期
10 晏敏,张昌期,翟贤,刘育骐;平面布局专家系统的自学习智能回溯搜索策略[J];华中理工大学学报;1989年S1期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 何桥;曾兴莲;苏琳;;学校体能测试时间安排模型[J];阿坝师范高等专科学校学报;2008年S1期
2 吴大宏,赵人达;基于遗传算法与神经网络的桥梁结构健康监测系统研究初探[J];四川建筑科学研究;2002年03期
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4 程家兴,陈万里;列车控制问题的计算分析及自适应算法[J];安徽大学学报(自然科学版);2002年02期
5 蒋中;遗传算法在PID参数优化中的应用[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2000年01期
6 阮怀忠,张建中;基于改进遗传算法的TSP问题求解[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2003年04期
7 陈杰,周冬华;浮点数编码的遗传算法在模糊控制器参数寻优中的应用[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2004年02期
8 方潜生;硬件进化(EHW)的研究与进展[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2004年06期
9 杨益;;基于FPGA的背包问题的求解[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2010年04期
10 黎捷;;基于Maple的屋檐水槽模型[J];安徽农业科学;2007年30期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 杨益;方潜生;汪力君;;基于Handel-C的数字芯片的设计方法研究与实现[A];2005年“数字安徽”博士科技论坛论文集[C];2005年
2 胡杨林;蒋洁琼;王明煌;曾勤;邱岳峰;邹俊;陈红丽;FDS team;;聚变裂变混合堆长寿命锕系废料嬗变处理的中子学优化分析[A];安徽新能源技术创新与产业发展博士科技论坛论文集[C];2010年
3 孙燕;孙峥;黄鹍;;基于模拟退火机制的隔离小生境混合遗传算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 孙燕;孙峥;;利用正交遗传算法优化交通检测点分布[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 郭玉堂;刘路路;;基于佳点集遗传算法的边缘检测[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
6 刘向;邹逢兴;张湘平;高政;;面向节能的混合流水车间调度方法的研究[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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8 汪民乐;高晓光;;GA早熟问题的定量分析及其预防策略[A];'2003系统仿真技术及其应用学术交流会论文集[C];2003年
9 张晓玉;;我国康复辅具的发展与策略[A];中国康复医学会康复治疗专业委员会康复辅助器具学组成立暨全国康复辅助器具学术研讨会论文汇编[C];2011年
10 田占东;张振宇;;用遗传算法确定反应速率方程参数[A];第三届全国爆炸力学实验技术交流会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 时长江;豆科类杂草种子图像识别系统研究[D];中国海洋大学;2009年
2 韩艳玲;可能性构造空间理论与计算机作曲思维模型研究[D];华中科技大学;2010年
3 彭北青;第三方物流配送车辆路径问题模型及算法研究[D];华中科技大学;2009年
4 黄林峰;多目标进化算法研究[D];中国科学技术大学;2009年
5 刘飞;四足机器人步态规划与平衡控制研究[D];中国科学技术大学;2010年
6 梁桥康;特殊应用的多维力/力矩传感器研究与应用[D];中国科学技术大学;2010年
7 郑罡;频域有限差分方法的改进研究[D];电子科技大学;2010年
8 车勇;轮胎噪声的预测方法与试验研究及优化设计[D];武汉理工大学;2010年
9 李正军;林—浆—纸产业集群供应链协同管理研究[D];中南林业科技大学;2010年
10 殷源;干涉型集成光波导器件设计与实验研究[D];浙江大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赫英毅;毫米波段基于TE_(21)模差网络设计[D];中国工程物理研究院;2009年
2 万成;动态环境下的元胞遗传算法研究[D];南昌航空大学;2010年
3 李坤;参数参与进化的自适应遗传算法研究[D];南昌航空大学;2010年
4 罗婷婷;飞机钣金叠板数控套裁下料软件系统的研究[D];南昌航空大学;2010年
5 吴香庭;基于遗传算法的K-means聚类方法的研究[D];山东科技大学;2010年
6 张静;协同产品开发过程规划方法研究[D];山东科技大学;2010年
7 王辉;基于改进遗传算法的物流配送路径优化研究[D];山东科技大学;2010年
8 纪二云;基于改进遗传算法的电力系统无功优化的研究[D];山东科技大学;2010年
9 施晓坤;煤炭企业人才结构优化[D];山东科技大学;2010年
10 马宗梅;遗传算法在考试系统组卷中的应用与研究[D];郑州大学;2009年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 俞静,钱省三,邵志芳;半导体制造车间设施规划浅析[J];半导体技术;2003年06期
2 孔天明,洪先龙,乔长阁;VEAP:基于全局优化的有效VLSI布局算法[J];半导体学报;1997年09期
3 王乃龙,戴宏宇,周润德;用模拟退火算法实现集成电路热布局优化[J];半导体学报;2003年04期
4 陆一平,查建中,李建勇,鄂明成;一种基于邻接极小搜索的布局模式生成方法[J];北方交通大学学报;2000年04期
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9 孙连胜,宁汝新,王新永;虚拟制造中生产线可视化设计[J];北京理工大学学报;2002年01期
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1 滕弘飞;孙治国;胡清泥;刘占伟;;航天器舱计算机辅助布局设计[A];第六届全国计算机应用联合学术会议论文集[C];2002年
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1 刘震宇;微型及小型柔性机械结构的拓扑优化设计方法[D];大连理工大学;2000年
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3 苗玉彬;逆摄动法和人机交互退火遗传算法及其应用[D];大连理工大学;2001年
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7 李利;液压集成块智能优化设计理论与方法研究[D];大连理工大学;2002年
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10 戈鹏;敏捷化CAPP系统原理、关键技术与应用实践[D];四川大学;2003年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 邢志伟;液压集成块CAD的研究与开发[D];大连理工大学;2000年
2 袁丹;建筑小区工程管线综合研究[D];重庆大学;2001年
3 陈云龙;基于粒子群算法的数据挖掘[D];南京工业大学;2005年
4 李作志;基于兴波阻力数值计算的船型优化研究[D];大连理工大学;2006年
5 黄婉平;自适应粒子群优化算法及其应用研究[D];浙江大学;2006年
6 奚文;面向机械制造系统的设施布置与优化模型设计[D];辽宁工程技术大学;2006年
7 陈旭辉;汽车装焊生产线优化设计[D];南京航空航天大学;2006年
8 刘弟新;机械加工设备布局方法及其仿真技术研究[D];大连理工大学;2006年
9 温碧丽;多准则满意优化方法及应用研究[D];西南交通大学;2007年
10 邹世伟;车间柔性布局算法及三维仿真研究[D];武汉理工大学;2007年
【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 田树军;贾春强;王丹虹;刘万辉;;基于顺序优化的液压集成块孔道连通设计[J];大连理工大学学报;2008年03期
2 张力;李琼;方小勇;;核电站主控室报警系统安全评估模型研究[J];工业工程与管理;2014年02期
3 曹鹏彬;肖敏;;基于人工免疫系统的产品创新设计方法研究[J];湖北工业大学学报;2010年04期
4 孙霖;廖金军;吴正江;于俊;;船用低噪声液压集成块优化设计与分析[J];舰船科学技术;2011年09期
5 高卫国;牛文铁;张大卫;;基于多智能体的液压集成块智能设计[J];计算机工程与应用;2010年09期
6 贾春强;田树军;张宏;刘万辉;;基于智能优化方法的插装阀液压集成块设计[J];计算机集成制造系统;2007年06期
7 张刚;邓克文;李火生;侯强;;复杂结构产品虚拟布局与装配设计系统研究[J];计算机集成制造系统;2008年02期
8 俞国燕;何真;;基于进化算法的产品概念设计研究进展综述[J];机械科学与技术;2010年07期
9 滕弘飞;王奕首;史彦军;;人机结合的关键支持技术[J];机械工程学报;2006年11期
10 杨耀东;王玉婷;金纯;马飞;;铰接式自卸车液压阀块的设计[J];矿山机械;2011年01期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 李宁;陈昌亚;王德禹;;基于子结构的卫星结构静动态多目标优化[A];结构及多学科优化工程应用与理论研讨会’2009(CSMO-2009)论文集[C];2009年
2 刘明静;马运义;;舱室布置设计优化方法研究[A];第四届全国船舶与海洋工程学术会议论文集[C];2009年
3 席岩;胡邦辉;;结合二进制PSO的朴素贝叶斯算法在降水定性预报中的应用[A];S1 灾害天气研究与预报[C];2012年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 陈羽;应对未料灾变的实存装备局部再设计方法[D];大连理工大学;2011年
2 肖刚;面向大批量定制的产品族进化理论与繁殖方法研究[D];浙江工业大学;2011年
3 刘亚波;异构多机器人系统协同技术研究[D];浙江大学;2011年
4 何川;基于TRIZ的方案设计智能决策支持系统理论与方法研究[D];西南石油学院;2004年
5 孙治国;一类航天器布局设计问题的顺序、物理(空间)分解协调方法[D];大连理工大学;2006年
6 史彦军;复杂布局的协同差异演化方法与应用研究[D];大连理工大学;2006年
7 李洪杰;面向机构构型设计的进化设计原理和方法的研究[D];华中科技大学;2004年
8 张刚;复杂结构产品虚拟布局与装配关键技术研究[D];四川大学;2005年
9 王彩红;分布式环境下人机协同的智能布置设计理论与方法的研究[D];北京交通大学;2007年
10 蒋勇敏;基于物理规律的加工轨迹控制方法研究[D];西南交通大学;2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 白明;船舶管系路径优化算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 蔺晓风;微遗传优化与iSIGHT集成技术研究[D];大连理工大学;2010年
3 陈润琴;气排钉打钉机机械结构的设计与研究[D];河北科技大学;2010年
4 仇海柱;沥青混凝土摊铺机伸缩式熨平板数字化建模与有限元分析[D];吉林大学;2011年
5 王璐;随机DBPSO-AO~*测试性分析算法研究[D];江西农业大学;2011年
6 赵玉静;改进的粒子群优化算法及应用[D];华南理工大学;2011年
7 贺可意;炸药破碎机虚拟装配工艺研究[D];长春理工大学;2011年
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【二级参考文献】
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5 滕弘飞,孙守林,葛文海,杨永辉,娄汉文;旋转舱内圆柱体及长方体群布局优化[J];大连理工大学学报;1993年03期
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【相似文献】
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5 苗梅;Gerhard Weber;;推广可达性[A];第四届和谐人机环境联合学术会议论文集[C];2008年
6 魏发远;邓克文;王峰军;陈新发;;复杂产品的电缆布局方法[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
7 孙东礼;;人机交互水深自动编辑程序的开发[A];中国航海学会航标专业委员会第七届大会论文集[C];2003年
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9 万刚;李锋;曹雪峰;於建峰;李科;;战场环境仿真中视点控制技术的研究与实践[A];第十届中国科协年会论文集(一)[C];2008年
10 万建华;熊盛青;范正国;;人机交互反演方法在铁矿资源量估算中的应用[A];中国地球物理学会第二十四届年会论文集[C];2008年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 戴国忠;人机交互进入第三代[N];中国计算机报;2009年
2 邹大斌;多点触控:进入人机交互新时代[N];计算机世界;2010年
3 本报记者 滕继濮;人机交互:理想境界还有多远?[N];科技日报;2010年
4 本报记者 张意轩;人机交互渐行渐近[N];人民日报海外版;2010年
5 美国卡内基梅隆大学计算机学博士,微软雷德蒙研究院可视化及互动领域研究员 Desney Tan;人机交互 那些触手可及的梦想[N];电脑报;2009年
6 本报记者 朱文利;人机交互新时代[N];电脑报;2011年
7 本报记者 滕继濮;人机交互:技术为人服务[N];科技日报;2011年
8 袁楚;人机交互进化论[N];电脑报;2010年
9 詹姆斯·赫尔德:英特尔研究院院士、万亿级计算研究总监;重构计算机,改写人机交互[N];电脑报;2009年
10 王瑾;“河北省笔式人机交互工程技术研究中心”建设项目通过可行性论证[N];衡水日报;2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 廖赟;基于裸手的自然人机交互关键算法研究[D];云南大学;2012年
2 刘乐元;面向有限资源平台人机交互的人手检测与跟踪[D];华中科技大学;2012年
3 曹雏清;面向多方式人际交互的肢体动作识别研究[D];哈尔滨工业大学;2012年
4 钱志勤;人机交互的演化设计方法及其在航天器舱布局方案设计中的应用[D];大连理工大学;2001年
5 熊友军;基于增强现实的遥操作关键技术研究[D];华中科技大学;2005年
6 程成;虚拟环境人机交互技术研究[D];中国科学院研究生院(软件研究所);2002年
7 赵新灿;增强现实维修诱导系统关键技术研究[D];南京航空航天大学;2007年
8 王颖;基于人机交互仿真的驾驶次任务研究[D];清华大学;2009年
9 孟庆梅;仿人头像机器人人工情感建模与实现的研究[D];哈尔滨工业大学;2009年
10 王滔;基于多Agent理论和虚拟现实技术的工控人机系统研究及应用[D];上海大学;2005年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 赵琪;100MHz数字存储示波器的软件设计——参数测量与人机交互功能的实现[D];电子科技大学;2004年
2 吴明;信息产品的界面设计研究[D];浙江工业大学;2005年
3 王文涛;基于虚拟手的人机交互技术研究[D];华中科技大学;2005年
4 任振刚;基于SAPI引擎的语音交互方法的研究与实现[D];沈阳工业大学;2005年
5 丁芳颐;分布交互式三维潜艇航行训练仿真系统的研究[D];哈尔滨工程大学;2005年
6 衣英楠;数字文档管理系统中知识检索的研究[D];山东大学;2005年
7 许连华;多视图GIS交互研究[D];山东大学;2005年
8 陈坤;红外图像采集与图像分割技术研究[D];国防科学技术大学;2004年
9 马力;可用性测试中计算机辅助数据收集和分析机制研究[D];北京邮电大学;2008年
10 贡国栋;基于人脸识别的人机交互探索与研究[D];太原理工大学;2010年
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