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《大连理工大学》 2003年
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布局方案设计的若干理论、方法及其应用

李广强  
【摘要】: 本文研究基于计算智能和人机交互的设计理论、方法及其在工程系统布局方案设计中的应用,其工程背景是课题组承担的我国航天器舱的布局方案设计和为徐州工程机械集团开发的履带式起重机QUY150的相关布局设计问题。求解复杂工程布局问题的难点是存在计算复杂性的组合爆炸和工程实用化的复杂性。该课题在理论上,属带性能约束的三维布局问题,涉及航天器设计、机械工程、计算机、数学、力学和系统工程等学科,为交叉学科前沿课题的基础理论和应用基础研究,具有NP难度;在实践上,具有广泛的工程应用背景,如航天器舱、工程机械、潜艇、船舶、坦克、水下悬浮工程、海上钻井平台、高速列车、组合机床多轴箱、机器人等的布局方案设计问题。它的退化问题为不带性能约束的布局问题,如板材套排等。无论从理论上还是工程实践上,这都是一个长久以来人们关注的亟待解决而又未很好解决的重要问题。 复杂工程系统布局方案设计问题的性能指标和约束中,通常既有“定量的”又有“定性的”。目前解决这个问题主要有两条途径:a.数学优化模型及其算法求解+符号模型及其人工智能求解;b.数学优化模型及其算法求解+人机交互或人机结合。前者在实际应用过程中存在一定的困难,主要问题在于对该工程复杂问题,人工智能方法的知识库、推理机和自学习规则不容易建立。特别是例如航天器等高科技复杂系统,其相关数据和资料对外保密,因而建立知识库等将更为困难。此外,完全脱离人的参与将很难达到相关理论和方法的实用化。由此,结合国情,本文采用后者的求解方法,主要进行了以下的研究工作。 (1)综述了布局问题,尤其是复杂布局问题的类型、求解方法的研究现状和发展趋势,表明了研究优秀的计算智能类算法,同时加入人机结合或人机合作的思想,用以解决工程复杂布局方案设计问题的可行性和有效性。 (2)提出了并行混合蚂蚁免疫算法(PHAIA),用以克服并行遗传算法(PGA)的早熟和收敛慢等两大缺陷。它对PGA主要进行了以下改进:a.利用混沌思想产生初始群体,并依交叉和变异概率值对子群体进行分类;b.建立了基于蚂蚁算法(ACO)的基因组合算子模型,将蚂蚁算法与遗传算法在基因层面上相结合,采用增加蚂蚁组合算子以及与Powell法相混合的思想来加快收敛速度:c.引入免疫功能具有双重作用,一是由本文给出的免疫选择操作可有效防止早熟,二是通过基于免疫记忆的子群体信息交换策略可加速收敛;d.算法中的交叉、变异和蚂蚁组合等算子均采用了自适应的思想。文中的算例表明,PHAIA是有效的,优于传统的并行遗传算法。 (3)提出了布局模式的相关理论。布局模式指待布物间的相对位置关系。它是一个相当重要、值得深入研究的问题。本文以航天器舱的布局方案设计为工程背景,重点研究了装填布局模式的表达、识别、构造和应用。定义了同构、非同构布局模式和待布物的布局等价关系等概念,给出了关系矩阵和模式矩阵及其变换,描述了布局模式控制区和非同构度,提出了同构和非同构布局模式的识别及构造方法。同时,本文还改进并重新给出了同构、非同构布局模式猜想(LPC),且用数值计算的方法验证了它的合理性。最后讨论了布局模式和猜想的若干应用。这些工作为缓解给定规模的装填问题求解时存在的 大连理工大学博士学位论文摘要 组合爆炸,构造高效的求解算法提供了启发和借鉴。 (4)根据“人机结合”与“人机合作”的理念,在PHAIA的基础上,充分考虑设计者 的知识和经验,利用可视化(viSC)技术,借鉴钱志勤等提出的人机交互的遗传算法 (HCIGA),给出了可视化交互式蚂蚁免疫算法(vIA认).它可适时地将人设计的方案作为 贡献的个体不断地提供给PHAIA,同算法构造的个体一起形成进化群体,再经算法进化 寻优,如此循环,直至到达结束准则。VIAIA能使人和机器的智能在算法层面上结合, 有利于人机各自发挥其特长,为优质高效地解决复杂工程布局问题提供了方便。viA认 有下列特点:a.充分利用可视化技术,可把计算过程中有意义的中间数据,随进化过程 动态而正确地显示出来,从而更有助于设计者全面把握计算,科学、合理地参与交互; b.针对装填布局问题,将非同构度等概念引入VIAIA之中,为解决“人机合作”在工程 布局设计中的“可操作性”问题提供了有益的尝试。根据非同构条形图给出的信息,设 计者可适时添加与优秀个体同构或非同构的人工个体,以帮助算法增强局部搜索或跳出 局部最优;。.在交互时体现了不同用户模型的个性化解释,力求对于不同水平的设计者, 算法都尽可能地体现出较高的性能。 (5)为工程实用化,本文给出了一个复杂工程系统布局方案设计的问题求解策略。它 按照从实物模型化到模型实物化的求解路线,采用数学优化和仿真的复合模型,在人机 合作的思想指导下,综合利用了本文提出的相关理论、方法以及模糊综合评判等方案评 价手段。基于该策略,本文开发了相应的软件系统,并用于求解国际通信卫星困TELSAI’- m舱和返回式人造卫星回收舱的布局方案设计,以及履带式起重机QUY150上车构件的 布局设计问题,取得了令人满意的结果。其中返回
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2003
【分类号】:TP391.7

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【引证文献】
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1 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
2 张宝;粒子群算法及其在卫星舱布局中的应用研究[D];大连理工大学;2007年
3 贾春强;插装式集成块智能优化设计理论与方法研究[D];大连理工大学;2007年
4 锁小红;基于制造系统功能的设施布局设计研究[D];山东大学;2008年
5 郑晓军;生产车间设施布局优化方法研究[D];大连理工大学;2010年
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1 杨林;求解带性能约束圆集布局问题的启发式蚁群算法研究[D];湘潭大学;2010年
2 张红军;铝管生产线设施布局规划[D];上海交通大学;2011年
3 陈羽;双系统互补协同进化设计方法及其应用研究[D];大连理工大学;2006年
4 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
5 吴云云;机场物流设施布局研究[D];西南交通大学;2007年
6 李龙;汽车停放设施几何设计关键问题研究[D];哈尔滨工业大学;2008年
7 于聪;船舶动力定位系统的推进器推力优化分配研究[D];大连海事大学;2013年
【参考文献】
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 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
2 贾春强;插装式集成块智能优化设计理论与方法研究[D];大连理工大学;2007年
3 锁小红;基于制造系统功能的设施布局设计研究[D];山东大学;2008年
4 郑晓军;生产车间设施布局优化方法研究[D];大连理工大学;2010年
5 李普红;基于作业疲劳度的活塞生产线规划研究[D];山东大学;2012年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨铭;重力式挡土墙优化设计[J];四川建筑科学研究;1987年02期
2 邓建斌;叶洪江;;基于混沌遗传算法的配电网无功补偿优化[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2006年03期
3 乔志杰;程翠翠;;基于遗传算法优化的模糊PID控制研究及其仿真[J];安徽电气工程职业技术学院学报;2009年03期
4 徐文婷;李承鹏;;基于自适应遗传算法的离散化方法[J];合肥师范学院学报;2011年03期
5 安振刚,李谋渭,尹显东,于宁,唐伟;遗传神经网络在平整轧制力预报中的应用[J];鞍钢技术;2001年06期
6 石怀荣;基于毕业设计质量的探讨[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2005年05期
7 华文立;胡学刚;;平衡决策树分类精度与规则简易性研究[J];安徽电子信息职业技术学院学报;2006年04期
8 张德和;;钢筋混凝土平板最优设计的探讨[J];安徽工学院学报;1992年04期
9 张伟林;计算力学的研究现状与发展前景[J];安徽建筑工业学院学报(自然科学版);2001年02期
10 马友平;;生长模型McDill-Amateis的遗传算法拟合研究[J];安徽农业科学;2007年33期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 齐继阳;竺长安;曾议;;基于遗传禁忌混合搜索算法的设备布局研究[A];2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集[C];2004年
2 丁婷;崔红涛;;遗传算法在智能天线扇区波束赋形及阵元失效补偿中的应用[A];经济策论(上)[C];2011年
3 刘磊;王永骥;;基于单目视觉的机器人动态目标识别与跟踪[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
4 高尚;江新姿;汤可宗;;蚁群算法与遗传算法的混合算法[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
5 程远林;李茂军;;基于小生境遗传算法的配电网电容器优化配置[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
6 姜明辉;袁绪川;;基于GA优化的个人信用评估SVM模型[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
7 张志华;王莉;刘洪;;最大化网络广告收入的投放决策[A];第二十六届中国控制会议论文集[C];2007年
8 赵瑞艳;李树荣;张晓东;苗荣;;基于混合遗传算法的热传导系统最优控制问题求解[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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10 江春冬;贾海朋;杜太行;张磊;江春波;;进化算法在结构拓扑优化中的应用[A];第二十七届中国控制会议论文集[C];2008年
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5 张春玉;预应力空间网格结构优化理论及可靠性分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
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9 张进;地震叠前数据的弹性阻抗非线性反演方法研究[D];中国海洋大学;2009年
10 王德才;基于能量分析的地震动输入选择及能量谱研究[D];合肥工业大学;2010年
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1 沈亚安;多西环素间接竞争ELISA检测方法的建立[D];华中农业大学;2010年
2 武炜;煤矿井下火灾事故人员逃生可视化技术研究[D];河南理工大学;2010年
3 李颖;用蚁群算法求解最小极大流问题[D];河南理工大学;2010年
4 李伟;基于ANSYS平台的拓扑优化方法研究及其在离心机吊篮结构设计中的应用[D];中国工程物理研究院;2010年
5 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
6 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
7 岳广飞;基于二次搜索的搜索引擎技术研究[D];山东科技大学;2010年
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9 马水松;多目标遗传算法与非支配集的构造研究[D];山东科技大学;2010年
10 李臻;城市公交车辆智能调度优化研究[D];山东科技大学;2010年
【同被引文献】
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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 李英娜,李建勇,李志辉;柔性制造系统鲁棒性设备布局研究[J];北方交通大学学报;2001年04期
5 唐晓君,查建中,陆一平;布局问题的复杂性和建模方法[J];北方交通大学学报;2003年01期
6 王红军;;变速箱生产线的建模与仿真技术研究[J];北京机械工业学院学报;2006年01期
7 朱稼兴;信息和熵[J];北京航空航天大学学报;1995年02期
8 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
9 周文玲;刘安静;;啤酒包装线的布局及单机的选配[J];包装工程;2007年05期
10 王芳;万磊;徐玉如;孙丽萍;;深水半潜式钻井平台动力定位建模与仿真[J];船舶工程;2011年03期
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1 查靓;精益生产方式下U型流水线平衡的优化模型与算法研究[D];华南理工大学;2011年
2 张晓峰;可重构智能制造系统的基础研究[D];南京航空航天大学;2001年
3 刘振宇;面向过程与历史的虚拟环境中产品装配建模理论、方法及应用研究[D];浙江大学;2002年
4 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
5 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
6 贾志欣;面向发电设备制造的下料优化排样原理与关键技术[D];四川大学;2002年
7 郑培;机动车驾驶员驾驶疲劳测评方法的研究[D];中国农业大学;2002年
8 夏国清;水面舰船动力定位系统智能控制技术研究[D];哈尔滨工程大学;2001年
9 姚新胜;满意优化原理及其在机械工程领域中的应用研究[D];西南交通大学;2002年
10 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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1 闫欢欢;船舶动力定位系统推力分配优化算法研究[D];大连海事大学;2011年
2 谭健;凸轮轴生产线布局仿真及优化研究[D];北京工业大学;2011年
3 孙星;基于Petri网和eM-Plant的飞机装配线建模与仿真研究[D];南京航空航天大学;2011年
4 陈星宇;基于改进遗传算法的装配生产线平衡技术研究[D];上海交通大学;2011年
5 邢志伟;液压集成块CAD的研究与开发[D];大连理工大学;2000年
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7 朱新强;东方集团物流仓库规划、设计与建立[D];上海海运学院;2002年
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9 崔绍先;航空物流园区设施规划与布局研究[D];武汉理工大学;2003年
10 王惠娟;机械产品布局设计与建模方法的研究[D];天津大学;2004年
【二级引证文献】
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1 韩晓建;解卫华;;基于预处理的拟人布局算法研究[A];2009海峡两岸机械科技论坛论文集[C];2009年
2 程光春;刘晓平;;汽车线束内联工艺卡自动布局[A];计算机技术与应用进展·2007——全国第18届计算机技术与应用(CACIS)学术会议论文集[C];2007年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 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
2 张宝;粒子群算法及其在卫星舱布局中的应用研究[D];大连理工大学;2007年
3 霍军周;人机结合协同进化设计方法及其应用[D];大连理工大学;2007年
4 曾威;卫星舱布局的双系统协同进化算法与CAD系统关键技术[D];大连理工大学;2007年
5 锁小红;基于制造系统功能的设施布局设计研究[D];山东大学;2008年
6 王奕首;卫星有效载荷配置和布局设计方法[D];大连理工大学;2008年
7 黎自强;卫星舱布局的若干图形学问题研究[D];大连理工大学;2008年
8 冯毅;液压集成块人机结合智能虚拟设计方法与应用研究[D];大连理工大学;2009年
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10 岳吉祥;深水半潜式钻井平台钻机系统选型与布局优化研究[D];中国石油大学;2009年
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1 宋策;面向车间设备布局的精英蚁群算法研究[D];大连理工大学;2010年
2 杨林;求解带性能约束圆集布局问题的启发式蚁群算法研究[D];湘潭大学;2010年
3 田增宝;连续型设备动态布局优化及其三维可视化调整[D];西安电子科技大学;2011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 刘蕴韬;保税物流中心货量预测及功能区布局规划方法研究[D];北京交通大学;2011年
6 林阳;单向环型设备多目标动态布局优化设计研究[D];杭州电子科技大学;2011年
7 苏芳芳;基于系统化布置设计方法和遗传算法的制造业设施布置设计及优化[D];郑州大学;2011年
8 杜骆铭;基于OSG的虚拟设施布局系统的研究与设计[D];山东大学;2011年
9 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
10 薛顺;基于遗传模拟退火混合算法的生产设施布局研究[D];西南交通大学;2011年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨传民,陈少为;立方体包装件集装的离散优化[J];包装工程;1996年02期
2 杨传民,赵京华,陈少为;立方体包装件集装离散优化[J];包装工程;1996年03期
3 邓四二,滕弘飞,邢玉生,钟万勰;一类带性能约束的二维几何布局优化[J];大连理工大学学报;1991年02期
4 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
5 滕弘飞,高轩,郁志诚;中国围棋棋谱在装填布局中的工程应用[J];大连理工大学学报;1995年04期
6 丁金华,滕弘飞;特征值反问题的逆摄动法及其在桁架中的应用[J];大连理工大学学报;1998年06期
7 林锦,朱文兴;凸整数规划问题的混合蚁群算法[J];福州大学学报(自然科学版);1999年06期
8 熊志刚,张关康;一种快速的三维凸体干涉检查方法[J];工程图学学报;1991年02期
9 马良;求解最小比率TSP的一个算法[J];系统工程;1998年04期
10 陈培健,杨尚海,郑景象;福州市公路主枢纽总体布局规划的研究[J];公路;1994年06期
【相似文献】
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1 严武元;集装箱码头布局方案的多目标决策与智能优化研究[D];武汉理工大学;2007年
2 李广强;布局方案设计的若干理论、方法及其应用[D];大连理工大学;2003年
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1 谢香君;道路运输客运站场规划布局方案与评价体系研究[D];北京交通大学;2008年
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