人机双系统协同进化设计方法及在大型航天器布局应用

研究一类国防和工业复杂装备布局的优化设计问题，以我国的大型航天器空间站资源舱布局设计为应用背景。难点在于：(1)属工程系统布局组合设计问题；(2)难以求解或易早熟。采取人机结合、双系统与多学科协同设计(CMDO)相结合策略，提出一种人机双系统多学科协同进化方法(BCMDO)。双系统分别对应人智和智能计算系统，置于CMDO框架建立两系统相应知识模型和数学模型。此外，在对该布局解空间结构分析揭示本质基础上，构造同构非同构布局模式，进而构造基于布局模式进化算法用于CMDO求解。主要研究：(1)人机双系统CMDO方法建模和求解；(2)解空间结构分析和布局拓扑模式构造以及基于该布局模式进化算法。提出人机双系统CMDO理论与方法，发挥人机结合、双系统CMDO和基于布局模式演化计算相结合的综合效应，用于上述空间站布局设计，为一类复杂装备布局设计提供技术支持。

本项目按计划圆满完成国家自然科学基金项目审批书规定内容和预期研究成果。包括：(1) 理论研究：研究一类国防和工业装备布局的优化设计问题。采取针对性的人机结合、双系统、协同进化(CCEA)、启发式求解算法和系统设计方法学相结合的策略，提出人机双系统协同进化设计方法(HDCCEA)。主要工作包括：(a)首先提出一种双系统变粒度协同进化设计方法(DVGCCEA)，该方法是将原问题(设为系统P)，利用处理工程系统优化问题分而治之策略，将P分解为若干个系统P={PPe,|e=1,2,…E}，将P拷贝(复制)为两个系统A，B及其相应的子系统AAe，BBe，A，B系统并行计算，A系统整体优化，B系统的BBe为基于CC框架并行优化。给出新的双系统CC框架结构形式，双系统之间个体迁移是通过子系统AAe和BBe之间的子个体迁移实现，增加多样性。给出一种新隐式协调机制的合作个体选择方式和评价方法。A，B采用精英保留策略，使B系统逼近A系统， A系统逼近P系统(原问题)，增加计算收敛性。这有助于求解前期增加多样性，后期增加收敛性。对A系统采用变粒度策略，并以减少双系统增加的耗时。进而，提出人机结合双系统协同进化设计方法(HDCCEA)。它是将人机结合技术与DCCEA相结合，A、B系统分别对应人智和智能计算系统；再拓展为人机结合并行双系统协同进化算法(PHDCCEA)。(b)给出基于主元分析和遗传算法的多模态函数布局解空间结构分析方法并揭示其理论本质，进而发展若干基于非同构布局模式的启发式求解算法(DVGCCEA)。该DCCEA可以充分发挥子系统之间和双系统之间的协同效应，PHDCCEA格外发挥人机合作的效应，这是解决工程系统优化问题重要途径。期望发展一种新的双系统协同进化布局优化理论方法，为一类复杂装备布局提供技术支持。(2)论著：国内外发表期刊论文14篇（含已录用4篇），国际会议论文4篇，总计18篇。其中SCI收录3篇，EI收录11篇，ISTP收录2篇，发表一篇论文于Top期刊；博士学位论文5篇，硕士学位论文8篇；（3）软件：实现了上述方法系统原型。获得软件著作权登记1项；（4）人才培养：培养毕业博士5名，硕士8名。在读博士生5名，硕士生8名；（5）获奖：获得2010年度辽宁省自然科学奖一等奖和教育部自然科学奖一等奖各一项（6）验证与应用：应用于两处，获兵器部某研究所验收评审报告。