基于物理規(guī)劃的多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化方法及其在船舶設(shè)計優(yōu)化中的應(yīng)用.pdf

1、船舶是水上運(yùn)輸?shù)闹匾ぞ撸S著海洋資源的大力開發(fā)，船舶的作用日益凸顯，同時船舶又是國防建設(shè)的重要力量。因此，船舶科技的發(fā)展引起了國家的高度重視。船舶是大規(guī)模系統(tǒng)化的工程項目，涉及多個學(xué)科和多個目標(biāo)，包含多種矛盾，具有多重屬性。傳統(tǒng)的船舶設(shè)計和優(yōu)化方法未充分考慮各個子學(xué)科間的耦合作用和多個目標(biāo)間的矛盾沖突，難以得到系統(tǒng)整體最優(yōu)的方案。在這樣的背景下，本文針對船舶設(shè)計的復(fù)雜性和傳統(tǒng)船舶設(shè)計優(yōu)化的不足，著重進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法和多目標(biāo)優(yōu)化算

2、法的研究與改進(jìn)，然后進(jìn)一步研究多目標(biāo)多學(xué)科優(yōu)化方法，考慮船舶各學(xué)科間的耦合作用，實現(xiàn)各學(xué)科間的并行優(yōu)化，提高優(yōu)化效率和質(zhì)量，同時處理多目標(biāo)問題，平衡多個目標(biāo)之間的沖突和矛盾，生成高分布質(zhì)量的 Pareto前沿，得到船舶系統(tǒng)整體最優(yōu)的設(shè)計方案。論文的研究內(nèi)容主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
　　1.物理規(guī)劃的研究與改進(jìn)。
　　物理規(guī)劃的核心是偏好函數(shù)，現(xiàn)有的偏好函數(shù)難以同時滿足光順性和對偏好區(qū)間的適應(yīng)性，并且未對超出偏好區(qū)間上限的情況

3、進(jìn)行有效處理，影響了優(yōu)化效果。論文對偏好函數(shù)進(jìn)行了三方面改進(jìn)：（1）擴(kuò)展其階次；（2）選擇光順性度量，通過優(yōu)化來選取合適的階次和斜率參數(shù)，提高其光順性，降低其導(dǎo)數(shù)變化程度，以改善其在優(yōu)化中的應(yīng)用效果；（3）擴(kuò)展其在偏好區(qū)間上限以外區(qū)域的表達(dá)。通過以上改進(jìn)，提高了偏好函數(shù)的光順性，降低了其導(dǎo)數(shù)變化程度，擴(kuò)展了其表達(dá)區(qū)域，從而有效改善了物理規(guī)劃在優(yōu)化中的應(yīng)用效果和范圍。
　　2.提出了基于物理規(guī)劃和動態(tài)偏好區(qū)間的分級目標(biāo)傳遞法（ATC

4、-PP-DYN）。
　　通過綜合分析比較目前的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法，選取分級目標(biāo)傳遞法（ATC）來實現(xiàn)學(xué)科間的解耦，進(jìn)而對ATC和基于物理規(guī)劃的分級目標(biāo)傳遞法進(jìn)行改進(jìn)，提出了ATC-PP-DYN方法，具體思路為：采用物理規(guī)劃來處理一致性誤差；應(yīng)用改進(jìn)的物理規(guī)劃來改善優(yōu)化效果；提出動態(tài)偏好區(qū)間技術(shù)，在優(yōu)化過程中根據(jù)實際需求來控制一致性誤差偏好區(qū)間的大小及變化快慢，有效提高了優(yōu)化效率和質(zhì)量。ATC-PP-DYN尤其適用于復(fù)雜的工程實際問

5、題，隨著問題的復(fù)雜性提高，其優(yōu)勢會愈加明顯，具有很高的實用價值。
　　3.改進(jìn)了基于物理規(guī)劃的多目標(biāo)優(yōu)化算法（MOOA-PP）。
　　MOOA-PP方法可以得到均勻分布的Pareto前沿，但其Pareto解個數(shù)不能隨意設(shè)定，偽偏好結(jié)構(gòu)的搜索位置分布不均和搜索范圍有限，影響了其在工程實際中的應(yīng)用。本文從三方面對其進(jìn)行了改進(jìn)，包括（1）應(yīng)用改進(jìn)的物理規(guī)劃來改善優(yōu)化效果；（2）采用切割法和遺傳算法對混料均勻試驗設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而將

6、其應(yīng)用到 MOOA-PP中來實現(xiàn) Pareto解個數(shù)的任意設(shè)定和偽偏好結(jié)構(gòu)搜索位置的均勻分布；（3）提出轉(zhuǎn)動偽偏好結(jié)構(gòu)技術(shù)，對偽偏好結(jié)構(gòu)進(jìn)行任意角度的轉(zhuǎn)動，使其可以搜索整個目標(biāo)空間，提高優(yōu)化質(zhì)量。改進(jìn)后的 MOOA-PP可以有效應(yīng)用于船舶工程領(lǐng)域，人工控制 Pareto解的數(shù)量及分布密度，生成高分布質(zhì)量的Pareto前沿。
　　4.提出了基于物理規(guī)劃的多目標(biāo)分級目標(biāo)傳遞法（MOATC-PP）。
　　在目前的研究中，仍缺少有效

7、的方法來解決學(xué)科間的耦合和目標(biāo)間的矛盾沖突，以得到高分布質(zhì)量的Pareto前沿。為此，本文提出了MOATC-PP方法，采用ATC-PP-DYN方法解決學(xué)科間的耦合問題，采用改進(jìn)的MOOA-PP解決目標(biāo)間的矛盾沖突。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：（1）可以生成高分布質(zhì)量的Pareto前沿；（2）可以大大提高優(yōu)化效率，有效應(yīng)用于工程實際；（3）尤其適用于復(fù)雜的工程實際優(yōu)化問題，隨著問題的復(fù)雜性提高，MOATC-PP方法的優(yōu)勢會愈加明顯，具有很高的理論和

8、實用價值。
　　5.進(jìn)行了船舶水動力性能和結(jié)構(gòu)性能綜合優(yōu)化。
　　目前國內(nèi)外進(jìn)行的船舶優(yōu)化，其優(yōu)化模型較簡單，難以滿足工程需求。本文進(jìn)行船舶水動力性能和結(jié)構(gòu)性能綜合優(yōu)化，搭建船舶綜合優(yōu)化平臺，考慮阻力、耐波、操縱、結(jié)構(gòu)四個學(xué)科，同時進(jìn)行船型和結(jié)構(gòu)構(gòu)件優(yōu)化。此優(yōu)化模型更加復(fù)雜且貼近船舶優(yōu)化實際，采用本文提出的MOATC-PP可以高效得到高分布質(zhì)量的 Pareto前沿。船舶水動力性能和結(jié)構(gòu)性能綜合優(yōu)化充分顯示了MOATC-PP方