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人机结合协同进化设计方法及其应用

霍军周  
【摘要】: 本文主要以中国航天科技集团某部委托的“航天器布局设计与仿真系统”项目为背景,它属一类航天器(卫星、飞船、多舱段大型航天器)舱内外仪器、设备的空间布局方案设计问题。在国家“八六三”高技术研究发展计划和国家自然科学基金的资助下,主要研究人机结合布局设计方法、协同进化算法、基于三维Pro/E软件的布局优化系统关键技术及其在工程布局设计中的应用。该问题在数学上属带性能约束装填(Packing)和组合优化问题;在机械设计上属复杂布局方案设计;在人工智能上属人机结合问题。该问题具有计算复杂性、工程复杂性以及工程实用化三方面难度。该问题研究具有重要学术价值和应用价值。 本文针对复杂布局问题的计算复杂性,基于高效的协同进化框架,分析协同进化在求解复杂布局问题时存在搜索方向一致性问题的原因,将启发式规则与协同进化相结合,给出了带启发式协调机制的协同进化方法。进而借鉴人机结合思想,针对复杂布局问题的工程复杂性,发挥人机各自特长,将人智解与算法解在演化算法基因层面上进行结合,提出了一种基于人机结合的协同进化布局设计方法,最后针对本文问题的工程实用性要求,研究了用于一类航天器舱布局设计的三维布局优化系统与仿真的关键技术。同时,将本文方法推广应用于全断面岩石掘进机刀盘布置方案设计。 全文的主要工作内容包括: 第1章介绍了本论文研究课题的工程背景和问题的提出,给出了布局问题的求解策略以及研究意义。最后给出论文的主要研究内容和组织结构。 第2章首先综述了布局问题的发展现状和求解策略。然后对人机结合、遗传算法、协同进化以及启发式方法的发展现状进行了综述。为本文的研究布局方法的提出奠定了理论基础。 第3章介绍了航天器布局优化设计问题和全断面岩石掘进机刀盘布置问题,以国际通信卫星INTELSAT-Ⅲ、欧洲MSG气象卫星和罗宾斯MB264-310型掘进机刀盘为布局实例,给出了这几类布局问题的数学优化模型,并分析了本文布局问题的特征,从而引出了本文所要解决的问题。 第4章给出了一种带启发式协调机制的协同进化方法,并探讨了三种启发式协调机制方式、不同的问题分解方式、各子种群的协作方式和个体适应度的计算方法,最后用典型布局数值实例验证本文的带启发式协调机制的协同进化算法的可行性和有效性。 第5章借鉴人机结合思想,基于人机结合的设计框架,给出了一种基于人机结合的协同进化布局设计方法。由“人智”在线或先验知识设计出布局设计方案组成人工方案参考集,根据人工方案参考集利用多样性生成方法生成多样性布局设计方案组成多样性参考集,在子问题进行协同进化时,将人工方案个体、多样性方案个体和协同进化的演化算法生成的算法个体,三者统一编码串表达,并依据其适应度值和多样性值决定是否加入到演化算法群体。同时在协同进化过程中不断的对人工方案参考集和多样性参考集进行更新。实现了人与算法在基因和系统设计层面上的结合。 第6章给出了用于求解一类航天器舱布局设计问题的三维布局优化系统实现。基于上述对复杂布局优化设计问题的求解策略、理论模型、优化算法及人机结合设计方法的研究,开发基于Pro/E软件的交互式航天器布局优化设计系统,重点讨论了布局优化方法与商业3D-CAD软件的结合及其若干关键技术的实现。 第7章为航天器舱和全断面岩石掘进机刀盘工程布局实例,应用上述带启发式协调机制的协同进化方法和人机结合的协同进化方法求解工程布局实例,给出了具体应用说明和结果讨论,初步验证了本文方法求解的可行性和有效性。航天器布局数值仿真实验结果表明,本文人机结合方法可以有效处理复杂布局问题。需说明,由于上述验证只针对有限的布局算例和布局实例,还不能轻易得出更一般性结论。 第8章对本文研究工作进行了总结,并对进一步研究工作给出了建议。 本文以航天器舱布局设计和全断面岩石掘进机刀盘布置方案设计为背景,给出了人机结合协同进化布局设计方法和带启发式协调机制的协同进化方法,所研究的基于Pro/E软件的航天器布局优化设计系统原型经用户最终鉴定和验收,具有工程实用价值。期望该研究有助于人机结合布局设计理论方法研究进展,有助于其在布局设计实际应用的进展。


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