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数据驱动的不确定性工程设计理论与应用研究

刘常青  
【摘要】:不确定性对工程设计的过程和结果具有重要影响,并从根本上影响工程设计方法的演变和发展,但不确定性的普遍性、多样性和复杂性促使不确定性工程设计理论向更深入的方向发展。与此同时,在工程设计中往往需要处理各种各样的数据,人们在利用数据处理不确定性方面的研究,尚有很多理论问题需要进一步解决。本文从研究不确定性和数据对工程设计重要影响的角度出发,提出了数据驱动的不确定性工程设计理论,并对其在工程设计中的应用进行了研究。本文的研究主要分为以下几个方面:首先,构建了数据驱动的不确定性工程设计理论的体系框架,包括一个中心、两个理论点和两个基本元素。其中,一个中心是数据驱动的不确定性设计理论;两个理论点是数据驱动的不确定性优化理论和数据驱动的不确定性决策理论,前者又是后者的基础;两个基本元素是数据科学基础理论和不确定性基础理论。其次,探索了数据驱动的不确定性优化的基础理论。对包含两层不确定性的优化模型进行了理论分析,给出了最优解的存在性定理和相应的Kuhn-Tucker定理;通过采用Neumaier云描述参数不确定性,提出了数据驱动的不确定性优化模型,和面向决策优化问题的主观工程知识耦合策略;研究了数据驱动的不确定性优化模型求解,提出了三种求解策略并设计了算法,提出了初始化建模原则和数据驱动的模型更新原则,分析了模型更新对最优解的影响。第三,探索了数据驱动的不确定性决策的基础理论。面向工程决策问题,建立了数据驱动的不确定性决策模型,阐明了优化模型和决策模型之间的关系;针对数据驱动的模型更新,提出了分部更新策略,并给出了具体的模型更新方法;以工程设计问题为背景,提出了数据驱动的不确定性决策应遵循的四个决策准则,对每个准则的工程内涵和数学基础进行了理论阐述。第四,提出了数据驱动的不确定性设计理论。对比了过程式工程设计和即兴式工程设计两种范式的特点;提出了多维非数值数据转化为数值数据的张量表示定理,在不损失信息的前提下实现了数据形式的统一;分析了数据和知识在工程设计各个阶段中的作用变化,论证了数据对于工程设计所起到的驱动性作用;最后,完整的提出了不确定性条件下基于决策表述的工程设计理论框架。第五,理论的应用研究。将提出的数据驱动的不确定性设计理论应用于AIS小卫星任务设计中,根据想定的任务设计要求,构建了设计数据库与设计知识库,对设计前期的轨道确定、设计目标和设计约束建模,和设计中期的总体方案设计、电源分系统设计进行了研究,并对设计方案进行了评价和分析。总之,本文对数据与不确定性在工程设计中的作用进行了研究,提出了数据驱动的不确定性工程设计理论,初步建立了一个比较完整的理论框架,同时将其应用于AIS小卫星任务设计中,为该理论的深入发展奠定了良好基础,为其在其他领域的应用提供了有益借鉴。


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