并行协同开发环境下的多目标鲁棒设计方法研究

摘要

并行协同设计是一种现代产品设计的模式，但其存在的不确定性问题的处理很少得到关注。鲁棒设计是质量工程的一种处理产品质量不稳定性的有效方法。因此，把鲁棒设计概念和并行协同设计框架结合起来，研究一种适合在并行协同开发环境下的多目标鲁棒设计方法就非常有意义，对于复杂系统设计的合理决策亦非常有价值。 本文以国家自然科学基金项目（编号：60304015）“复杂产品并行协同建模与设计的广义鲁棒性研究”研究成果为基础，结合上海市自然科学基金（编号：4ZR14081）“复杂产品多学科并行协同设计与信息集成研究”，研究了并行协同开发环境下的多目标鲁棒设计方法，开发了并行协同多目标鲁棒设计原型系统，并用实例验证了其正确性和可行性。本文的主要研究内容如下： 第一章：在综述并行协同设计和鲁棒设计的国内外研究现状的基础上，总结了现有的鲁棒设计方法在并行协同开发环境下应用的关键问题，从而阐述了本论文的选题依据，介绍了本论文的主要内容、结构安排和创新之处。 第二章：提出了基于约束网络的多目标鲁棒设计数学模型。首先概述了基于约束网络的多目标鲁棒设计方法的总体框架，然后介绍了约束网络模型的构建、约束冲突检测和约束管理。接着提出了基于约束网络的带偏好信息的多目标鲁棒设计数学模型，详细阐述了相关的理论、模型特点、建模过程以及模型的求解策略。在求解策略中，把多目标鲁棒设计数学模型划分为简单和复杂两种，为后面第三、第四章的模型求解算法研究奠定了基础。 第三章：研究了基于近似规划法的简单多目标鲁棒设计模型的求解。在序列二次规划法的基础上，提出了二阶项的线性化近似和限步法，给出了简单多目标鲁棒设计模型的求解策略。 第四章：研究了基于改进型NSGAⅡ遗传算法的复杂多目标鲁棒设计模型求解。基于NSGAⅡ遗传算法，在适应值评价中，引入了蒙特卡罗方法，解决了多目标鲁棒设计模型中复杂数学形态的质量特性的均值和方差难以求解的问题；在拥挤距离计算中，引入权重因子，得到反映设计者偏好信息的Pareto最优解集，从而获得更优的鲁棒解。 第五章：基于以上各章的理论和方法开发了并行协同多目标鲁棒设计原型系统。两个实例验证了本系统能够有效地实现多目标鲁棒设计。 第六章：给出了全文的总结；对并行协同开发环境下的多目标鲁棒设计方法应该进一步开展的工作进行探讨和展望。