基于不确定性分析的高效复杂产品系统优化设计研究

The enhancement of development ability on the complex product during the system design phase is of great importance for accelerating the development progress of advanced products and promoting the enterprise competitiveness. With the rapid development of information technology and related disciplines, nowadays several industries have sharp needs on the advanced complex products, how to promote the creativity of complex product and shorten the development cycle has become an urgent challenge. The optimization technology in the early phase of system design process brings in a significant revolution. However, how to improve the reliability of optimization results and guarantee an acceptable efficiency is still full of many difficulties, in which the consideration of uncertainty analysis in the design optimization phase is the most important issue..This project conducts some research with regard to how to represent uncertainty, construct the optimization model based on the uniform uncertainty and solve the optimization model in a high efficiency. Moreover, propose a hierarchical representation structure for the uncertainty, study the multi-objective optimization model under complex uncertainty, provide an efficient decoupling strategy for the coupling factors in the system optimization model and implement an effective solving process for the multi-objective optimization model based on design knowledge library. The research of this project will make a significant effect on the system design optimization of complex product based on uncertainty analysis, the reuse of design knowledge, the speedup of development progress of new products and the reinforcement of product competitiveness.

增强复杂产品在系统设计阶段的开发能力对加快高端产品开发和提升企业整体竞争力至关重要。随着信息技术和相关学科迅速发展，如今诸多行业对于高端复杂产品的需求急剧增加，如何提升复杂产品的创新性并缩短产品的开发周期正成为一个迫切需要解决的问题。复杂产品前期系统设计阶段的优化技术带来了重大变革，但如何提高设计优化的可信度且保证求解效率还面临着一系列挑战性的问题，其中考虑带有不确定性分析的复杂产品设计优化即是最基础、最重要的问题。.本项目针对如何表征不确定性、构建基于统一表征不确定性的优化模型、如何进行高效求解等展开研究。提出了不确定性的层次化表征结构，研究了带有不确定性的多目标优化建模，给出了系统优化模型中耦合因素的高效解耦策略，实现了基于设计知识库的多目标优化模型的有效求解。本项目的研究对于实现基于不确定性分析的复杂产品系统设计优化、设计知识的重用、加快新产品开发进度、提升产品竞争力将起到显著作用。

我国复杂装备缺乏创新，究其原因，主要是系统设计阶段薄弱，在该阶段存在着大量不确定性因素，如何鲁棒、高效地解决系统内部结构（如参数改变）和外部环境（如扰动）不确定性因素下的系统设计是目前面临的重大挑战。同时，有效处理系统概念设计阶段多层次的不确定性因素和耦合因素、重用已有设计知识提供效果优异的优化算法对于提升复杂产品整体质量和加快开发效率具有重要意义。. 为此，本项目主要开展以下研究内容：. 1）以载人飞船为研究对象，提出了一套实用的基于MBSE的不确定性建模和分析流程；. 2）以军用雷达可靠性和不确定性为研究对象，提出一套多层级的基于模型的表征框架；. 3）基于SysML建模语言，开展了面向动车组设计的不确定性表征和建模框架研究；. 4）开展利用模型的动车组表征框架构建一套表征的动车组功能模型库和组件模型库，利用雷达不确定性表征框架构建雷达不确定性模型库；. 5）开展利用已有经验基于粒子群演化的启发式多目标优化算法研究，研究其收敛性相关的参数分析，将该算法应用于图像水印嵌入位置选取上；. 6）研究基于动车组设计经验库从动车组功能模型到架构模型的自动推理机制，并同时研发动车组功能模型自动生成动车组架构的原型系统； . 7）研究基于模型的雷达不确定性分析原型系统研究，以构建的雷达SysML不确定性元模型表征框架和故障模式库为基础，自动进行FMEA分析和故障树分析，进而优化雷达系统方案设计过程。. 该项目形成以下成果：. 1）发表期刊中文论文3篇；. 2）模型驱动动车组领域快速设计方法；. 3）一套雷达不确定性表征、可靠性建模及应用的标准流程；. 4）基于SysML语言的动车组功能模型库和组件模型库；. 5）动车组基于模型的系统方案自动生成原型系统；. 6）基于模型的雷达可靠性FMEA和FTA分析原型系统；. 研究成果对国防复杂装备数字化设计、工业软件、MBSE产生积极的影响。