基于过程模型的导弹总体优化设计框架及其关键技术研究

论文摘要

信息化战争环境促进了导弹作战运用方式的变化,也对导弹总体设计提出了更高更严格的要求,要求导弹总体设计能够满足性能、周期、费用、适应性、可靠性等多方面的综合优化指标。国内外的实践表明,多学科设计优化(Multidisciplinary Design Optimization,MDO)是满足上述要求的有效方法。然而,当前国内的导弹总体优化设计中仍然存在不少影响MDO应用的问题,制约了总体优化设计效率与水平的提高,主要体现在:各学科之间的异构性使得学科之间的数据交换存在困难;优化方法实现与问题耦合紧密,难以满足MDO需求,也难以选择适合于问题的优化方法;优化设计执行过程缺乏灵活性,不能满足多样化的调度需求等方面。上述问题可以归纳为总体优化设计过程建模、优化方法评价选择和总体优化设计过程调度等理论问题,其中,过程建模问题是核心,优化方法评价选择问题和优化设计过程调度问题与其密切相关。优化方法的评价选择需要考虑优化问题的属性和优化方法的特性,而优化问题实际上是基于各学科设计应用定义的,各学科设计应用和优化方法则是优化设计过程的主要组成元素;总体优化设计过程的调度需要处理学科间的数据交互关系,而其调度对象就是总体优化设计过程本身。论文借鉴并行工程、现代集成制造系统、虚拟样机等设计理念中的过程模型思想,对基于过程模型的导弹总体优化设计框架及其关键技术进行了深入研究,期望在一定程度上解决导弹总体优化设计中存在的上述理论问题,并促进总体优化设计效率与水平的提高。论文的主要创新工作可以概括为以下四个方面:(1)基于过程模型的导弹总体优化设计框架针对导弹总体优化设计面临的基本问题,提出基于过程模型的导弹总体优化设计框架,将导弹总体优化设计过程划分为过程建模—设计探索—过程自动化三个环节,并给出其参考过程和各个环节的参考视图,作为辅助导弹总体设计部门进行总体优化设计的基本方法论。(2)导弹总体优化设计过程建模针对总体优化设计过程具有多学科异构设计应用、多样化交互关系以及多种优化方法等特点,提出总体优化设计过程模型的形式化描述,支持对设计应用、数据交互关系和优化方法的抽象表示;以接口组件作为设计应用的基本抽象形式,给出了优化方法的组件接口规范和总体优化设计过程模型的运行时抽象描述;进而提出了总体优化设计过程建模体系结构,辅助建立总体优化设计过程模型,能够为学科间的设计数据交换提供有效支持,促进总体优化设计效率的提高。(3)基于适用性评价和优化策略的优化方法选择针对总体MDO的优化方法评价选择需求,提出基于适用性评价和优化策略的优化方法选择技术,其基本思想是将优化问题的定义与优化方法的选择分离,采用设计探索方案表征优化设计过程,提出基于设计探索方案的优化方法评价选择过程;在总体优化设计过程模型的基础上,提出了优化方法的适用度指标,用于评价优化方法对于优化问题的适用性;提出了基于适用度和优化策略的优化方法选择过程,实现优化方法的辅助选择,能够有效地促进总体优化设计效率的提高。(4)基于有向图的导弹总体优化设计过程调度借鉴并行计算任务调度中的图论思想,针对导弹总体优化设计的多样化调度需求,提出基于有向图的导弹总体优化设计过程调度技术。在总体优化设计过程模型的基础上,建立从优化设计过程模型到有向图调度模型的转换,详细讨论了条件、反馈和嵌套组合等特殊调度关系的扩展处理;借鉴经典有向图搜索算法,提出包含预扫描和主调度两步的有向图调度算法,能够支持导弹总体优化设计的自动化执行,有效地促进总体优化设计效率的提高。论文的研究将丰富系统工程与导弹总体优化设计方法的研究,推动国内导弹总体优化设计工作的发展,并为导弹总体设计部门提供理论方法辅助与工具支持,具有重要的理论和实践意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 导弹总体设计过程
• 1.1.2 总体优化设计方法的发展
• 1.1.3 研究问题的提出
• 1.2 相关领域研究现状
• 1.2.1 过程建模
• 1.2.2 优化方法的实现与评价选择
• 1.2.3 有向图调度
• 1.3 论文研究目标与内容
• 1.3.1 研究约定
• 1.3.2 研究目标与内容
• 1.4 论文组织与结构安排
• 第二章 基于过程模型的导弹总体优化设计框架
• 2.1 导弹总体优化设计问题分析
• 2.2 基于过程模型的导弹总体优化设计框架
• 2.2.1 过程模型分析
• 2.2.2 基于过程模型的总体优化设计框架参考过程
• 2.2.3 参考过程的内涵分析
• 2.3 总体优化设计过程的参考视图分析
• 2.3.1 总体优化设计过程建模
• 2.3.2 优化方法评价选择
• 2.3.3 总体优化设计过程调度
• 2.4 本章小结
• 第三章 导弹总体优化设计过程建模技术
• 3.1 总体优化设计的过程建模需求
• 3.1.1 总体优化设计过程的特点
• 3.1.2 总体优化设计过程建模准则
• 3.2 总体优化设计过程模型
• 3.2.1 过程模型的形式化描述
• 3.2.2 设计应用定义
• 3.2.3 数据交互关系定义
• 3.2.4 优化方法定义
• 3.3 总体优化设计的过程建模体系结构
• 3.3.1 设计应用抽象表示的比较
• 3.3.2 优化方法的组件化实现
• 3.3.3 过程模型的运行时描述
• 3.3.4 过程建模体系结构
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于适用性评价和优化策略的优化方法选择技术
• 4.1 总体优化设计的优化方法评价选择需求
• 4.2 基于设计探索方案的优化方法评价选择过程
• 4.2.1 设计探索方案
• 4.2.2 优化方法评价选择过程
• 4.3 优化方法的适用性评价
• 4.3.1 基于适用度的优化方法评价
• 4.3.2 适用度指标的扩展
• 4.4 优化方法的选择
• 4.4.1 基于适用度的单一优化方法选择
• 4.4.2 基于适用度和优化策略的多优化方法选择
• 4.5 本章小结
• 第五章 基于有向图的导弹总体优化设计过程调度技术
• 5.1 总体优化设计过程的调度需求
• 5.1.1 设计应用调度关系
• 5.1.2 总体优化设计调度模式
• 5.2 总体优化设计过程的有向图调度模型
• 5.2.1 总体优化设计过程模型的有向图化
• 5.2.2 调度关系的扩展处理
• 5.3 基于有向图的总体优化设计过程调度算法
• 5.3.1 经典的有向图搜索算法
• 5.3.2 总体优化设计过程的有向图调度算法
• 5.3.3 有向图调度验证示例
• 5.4 本章小结
• 第六章 导弹总体优化设计支撑环境设计与实现
• 6.1 系统总体设计
• 6.1.1 设计目标
• 6.1.2 系统体系结构
• 6.1.3 系统工作流程
• 6.2 过程建模环境设计与实现
• 6.2.1 服务器子系统
• 6.2.2 过程模型子系统
• 6.3 优化工具设计与实现
• 6.3.1 总体结构
• 6.3.2 优化算法管理模块
• 6.3.3 优化向导模块
• 6.4 调度引擎设计与实现
• 6.4.1 总体结构
• 6.4.2 过程模型解析模块
• 6.4.3 调度过程控制模块
• 6.5 本章小结
• 第七章 导弹总体一体化方案优化设计应用
• 7.1 问题背景
• 7.1.1 研究目标
• 7.1.2 问题边界
• 7.2 总体优化设计过程建模
• 7.2.1 设计应用封装
• 7.2.2 数据交互关系定义
• 7.2.3 优化方法的组件化实现
• 7.3 优化方法的评价选择
• 7.4 总体优化设计过程调度
• 7.5 优化运行结果及分析
• 7.6 本章小结
• 第八章 结束语
• 8.1 论文的主要贡献
• 8.2 下一步的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间发表的论文与参加的科研项目