面向船型多学科优化的多源随机和认知不确定性优化方法研究

The ship type decides the use of ship functions and range, directly affects the ship’s navigation performances.There are lots of various uncertainty factors in the ship's Multidisciplinary Design Optimization and the theory of uncertainty propagation is complicated. In order to meet the high robustness and security requirements of complex coupling system, it has been one of the hot issues in the research of simulation-based ship optimization to consider the uncertainties and participate in the optimal decision-making progress during the uncertainty multidisciplinary design optimization especially in the early stage of ship design. The theoretical analysis and numerical simulations are adopted as the main research method in this project. Starting from the two aspects of the multi-source random uncertainty and the coexistence of the random uncertainty with the epistemic uncertainty, the uncertainty analysis and propagation of the uncertain variables will be systematically studied with theory research and simulation analysis. Ship mathematical models of the simulation-based multidisciplinary design optimization under the multi-source uncertainties will be finished with the probability theory and evidence theory. Also the project will investigate the uncertainty factors on propagation characteristics and effects of the multidisciplinary optimization of ship types. The research results will provide reliable theoretical guidelines and effective calculation method in the ship’s multidisciplinary design optimization based on the aleatory and epistemic uncertainties in order to effectively reduce and avoid the irrationality and failure of the ship design project.

船型决定了船舶的功能和使用范围，直接影响着船舶的航行性能。船型多学科设计优化中的不确定性因素多样且不确定性传递理论繁杂，为了满足复杂船舶耦合系统高稳健性、高安全性的要求，面向船型多学科设计优化的多源不确定性优化理论与方法研究已经成为基于仿真船型优化研究的热点问题之一。本项目采用理论分析与数值模拟为主要研究手段，从多源随机不确定性和随机认知不确定性并存两方面入手，对不确定性变量的分析和传递进行系统的理论研究和模拟分析，并结合概率理论和证据理论完成多源不确定性下的基于仿真的船型多学科设计优化数学模型，研究其不确定性因素对多学科船型优化的传播特性及影响机理。项目研究成果可为随机和认知多源不确定性下的船型多学科设计优化提供可靠理论依据和有效计算方法体系，从而有效地减少和避免船型设计方案的不合理与失效。

基于CFD数值仿真的船型多学科设计优化方法（Multidisciplinary Design Optimization, MDO）为创新船型的研发打开了新局面。然而，大多数船型优化模型是建立在确定性优化理论基础之上，实际船舶最优方案的选择会受到包括随机和认知多源不确定性因素的影响，从而导致最优方案可能失效或者船舶性能达不到预定设计目标。为了满足复杂船舶耦合系统高稳健性、高安全性的要求，面向船型多学科设计优化的多源不确定性优化理论与方法研究已经成为基于仿真船型优化研究的热点问题之一。本项目采用理论分析与数值模拟为主要研究手段，从多源随机不确定性和随机认知不确定性并存两方面入手，开展了基于仿真的船型不确定性多学科设计优化方法研究。课题组分析了试验DOE方法和多学科设计优化代理模型构建方法，以基于统计学习理论的改进支持向量机方法为基础，完成了多源不确定性条件下的船型阻力性能、耐波性能和操纵性能代理模型构建，以精简不确定性分析和设计优化迭代步骤；针对影响设计优化目标和约束条件的随机和认知两类不确定性因素进行分析与量化，通过灵敏度方法对其进行了显著性分析和参数筛选以完成面向船型多学科设计优化的不确定性源的辨识；针对多源随机不确定性影响下的船型优化，提出了一种新的Hybrid Polynomial Chaos扩展方法以解决多源随机影响下的不确定性传递计算，完成了基于双层嵌套的多源随机影响下的不确定性船型多学科设计优化方法研究；实现了随机不确定性因素的概率分布区间离散化，采用了具有“类概率”特性的证据理论表征认知不确定性，并进行Dempster合成和重构以获得随机和认知并存下的不确定性变量区间以及响应焦元的基本概率分配值，完成了随机认知混合不确定性影响下的船型多学科设计优化方法研究。本项目所获得的研究成果，为随机和认知不确定性下的船型多学科设计优化提供了可靠依据和有效计算方法体系，丰富和完善了现有不确定性下多学科设计优化的理论框架。结合本课题培养研究生5名，发表论文13篇，其中被SCI收录1篇，EI收录4篇。