面向设计流程前端基于统一可计算模型的创新产品集成优化设计方法

The front part of design flow based on conceptual design is a crucial phase for the quality of product design. However, when the innovative products are designed, the quality can hardly be ensured during the conceptual design phase due to information resources starvation and information expression limitation of the existing design models. To solve this problem, a method of realizing global integrated optimization of innovative products based on unified computable model including the front part of design flow is proposed in this project. Firstly, a unified computable model of innovative products design including the front part of design flow is established through the analysis of Hierarchical modeling theories and methods of integrated model based on polychromatic sets (PS), and the description methods of various kinds of complicated constraint relations and parameter characteristic in the model. Then dynamic cellular multi-objective genetic algorithms (CMOGAs) with good stability and rapidity are developed after studying on the pattern theory, fitness evaluation and evolution rules of CMOGAs. Thirdly, a framework of hybrid optimization algorithm with considerable adaptability, stability and rapidity is constructed by combining the unified computable model with CMOGA, which is able to solve the complicated model effectively through using PS model with hierarchical structure to reduce the search space and adopting CMOGA to ensure the population diversity and construction of Pareto set. Finally, a system for integrated optimization design of innovative products is exploited, and its performance is verified by applying it to design the vibration isolation system of autonomous underwater vehicle.

以概念设计为核心的设计流程前端是产品设计质量的决定性阶段。针对由于创新产品设计信息资源匮乏、现有设计模型信息表达局限，从而在概念设计中难以保证产品设计质量的问题，提出一种面向产品设计流程前端基于统一可计算模型的创新产品集成优化设计方法。通过研究基于多色集合(PS)的集成模型分层建模理论、方法，以及模型中各种复杂约束关系和参数特性的描述方式，建立涵盖设计流程前端的创新产品设计统一可计算模型；研究元胞多目标遗传算法(CMOGA)的模式理论、适应度评价、演化规则，开发具有稳定性、快速性的动态CMOGA；将统一可计算模型与CMOGA算法相结合，构建一种具有相当适应性、稳定性和快速性的混合优化算法框架，通过递阶结构PS模型缩小搜索的解空间，利用CMOGA算法保证种群的多样性和Pareto解集的构造，实现模型的高效优化求解；开发创新产品集成优化设计系统并在水下自主航行器的隔振系统设计中进行应用和验证。

以概念设计为核心的设计流程前端是产品设计质量的决定性阶段。本项目针对由于创新产品设计信息资源匮乏、现有设计模型信息表达局限，从而在概念设计中难以保证产品设计质量的问题，提出了一种基于统一可计算模型面向产品设计流程前端的创新产品集成优化设计方法。本项目的主要研究内容只要包括三个方面：. 一、研究了一种新的基于多色集合理论的创新产品集成优化设计建模理论和方法，建立了能够描述多目标、多约束，涵盖设计流程前端的创新产品集成优化设计问题的统一可计算模型。在分析创新产品设计特点的基础上，基于多色集合理论的集成模型的分层建模理论和方法，将多色集合理论进行扩展，将集成模型分别在集合层、逻辑层和数量层上表达，建立了多目标、多约束，涵盖设计流程前端的创新产品集成优化设计模型。研究了创新产品设计中表示功能单元间约束关系，各功能单元特性的约束模型，以及用于优化计算的数学模型的表示方法，建立了创新产品集成优化设计的统一可计算模型。利用形式一致的多色集合围道矩阵模型描述了功能单元特性、功能单元结构参数及功能单元间的相互关系，从而提高了模型描述复杂对象的适应性。. 二、构建了一种基于多色集合可计算模型和元胞多目标遗传算法的多目标混合约束优化算法框架。并基于这个混合算法框架，设计了能高效求解具有复杂约束条件及多个优化目标的创新产品集成设计模型的混合优化算法。. 三、实现了基于多色集合的统一可计算模型的计算机表达，基于多色集合可计算模型和元胞多目标遗传算法的多目标混合约束优化算法的计算机程序实现。完成了设计知识库、功能单元模型库等数据库的构建，各个模块间的接口程序开发以及并以此为基础进行了隔振系统的设计及性能的仿真与比对实验等。. 本项目的研究成果为创新产品的设计开发提供新的理论基础和方法，对隔振系统的设计应用证明该方法能够有效提高创新产品设计质量、达到缩短产品设计周期的目的，增强企业的市场竞争能力的目的。