大型水轮机方案设计中的知识重用技术及其应用研究

论文摘要

知识重用技术作为复杂产品方案设计的关键技术越来越得到学术界的关注。本文在黑龙江省国际科技合作项目(WH05A01)资助下,以哈尔滨电机厂有限责任公司大型水轮机方案设计为应用背景,对大型复杂产品方案设计过程中的设计需求分析与功能映射、知识挖掘与过程重用方法、实例多级分解与推理以及设计方案的综合评价与优选等知识重用的关键问题进行了深入的研究。基于大型水轮机方案设计需求的特点,分析传统QFD方法对复杂产品方案设计的不适应性,采用基元模型对各种设计需求信息进行形式化描述,并建立具有层次关系的需求基元蕴含树模型以反映客户需求的分解过程与层次关系。从需求基元模型建立、层级功能特性要求与层级结构特性的转化、需求基元权重的生成、功能特性与结构特性基元权重的生成以及设计方案的评价方法选取等角度对传统的HOQ进行改进,并基于改进后的HOQ将分解后的需求基元转化到方案设计中所需的各种具体的设计信息。针对方案设计过程中的各种复杂设计问题,研究基于基元的知识挖掘与过程重用方法。通过设计知识的基元描述实现方案设计过程中深层知识的处理,提出可拓数据挖掘、关联规则挖掘IFP方法及其拓展方法等知识挖掘方法,并将基于知识挖掘获得的关联规则与拓展规则等蕴含信息作为过程重用的对象,实现设计过程基元蕴含重用;然后,基于基元的可拓性,综合考虑目标基元与拓展基元的特征和量值信息,建立基元可拓重用度计算模型,提出基元可拓重用搜索算法,通过知识分层与基元模型的知识库构建,建立设计过程基元可拓重用模型,实现设计过程基元可拓重用。针对大型水轮机方案设计多级实例重用技术进行研究,包括实例多级分解与实例多级推理。基于公理化设计理论对实例多级分解的粒度、顺序以及域间的映射关系进行分析,提出基于关联度判别的实例分解评判方法,建立基于公理化设计的实例多级分解的过程模型与重用模型。在实例多级分解的基础上,建立多级实例分类描述与表达模型,基于多级实例组织结构的层次性和匹配属性的关联性,提出基于子空间法的多级实例分类检索算法;同时,对基于属性匹配的实例多级推理过程进行分析,建立多级实例推理模型,生成多级子实例最优解与最优解组合并获得初始设计方案。为了能更好地对方案设计中的不完全性和不确定性的设计信息进行处理与利用,研究复杂产品方案设计的评价与优选问题。通过对含有非确定性因素的区间型多属性决策方法进行分析,提出一种改进的多属性灰区间数关联评价模型,并在此基础上,建立综合考虑灰色、模糊信息的多属性灰色模糊评价模型;同时,从模糊信息量的角度进行分析,考虑评价信息的完备性和整体性,提出基于优属度与信息公理的多属性模糊优选模型。针对评价方案集和评价指标集的不同,选择合适的设计方案评价与优选模型,实现对设计方案中的灰色信息和模糊信息的处理,完成设计方案的优选。最后,在上述理论研究的基础上,完成了哈尔滨电机厂有限责任公司大型水轮机方案设计支持系统的开发。该系统主要包括水轮机选型设计子系统、水轮机结构设计子系统、设计方案综合评价子系统等组成部分。通过哈尔滨电机厂有限责任公司大型水轮机方案设计的应用案例,验证了论文相关技术、理论与系统的正确性和有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源与应用背景
• 1.2 研究的目的和意义
• 1.3 哈电机及其水轮机设计发展概况
• 1.3.1 哈电机及其水轮机设计概述
• 1.3.2 哈电机水轮机方案设计存在的不足
• 1.4 复杂产品概念设计的发展及现状
• 1.4.1 概念设计的提出与发展
• 1.4.2 概念设计的研究现状
• 1.5 设计知识重用的研究与发展概述
• 1.5.1 设计知识重用的研究现状
• 1.5.2 设计知识重用与产品概念设计
• 1.6 相关领域与技术发展
• 1.6.1 公理化设计的研究与发展
• 1.6.2 可拓学的研究与发展
• 1.7 本文研究的主要内容
• 第2章 方案设计需求分析与功能映射
• 2.1 复杂产品方案设计客户需求描述
• 2.1.1 客户需求的特点
• 2.1.2 方案设计需求分析过程模型
• 2.1.3 客户需求的基元模型描述
• 2.1.4 需求基元蕴含树模型
• 2.2 基于IHOQ的客户需求转化
• 2.2.1 IHOQ的结构与组成
• 2.2.2 需求基元权重确定
• 2.2.3 功能特性基元权重确定
• 2.3 大型水轮机方案设计需求分析应用案例
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于基元的知识挖掘与过程重用方法
• 3.1 方案设计知识的基元模型与可拓集合
• 3.1.1 设计知识的基元描述
• 3.1.2 基元可拓集与基元可拓重用集
• 3.2 基于基元的方案设计知识挖掘
• 3.2.1 基于基元可拓约束集的数据挖掘
• 3.2.2 基于可拓理论的关联规则挖掘
• 3.3 基元可拓重用模型与算法实现
• 3.3.1 基元可拓重用度
• 3.3.2 基元可拓重用搜索算法
• 3.3.3 知识分层与基元模型的知识库构建
• 3.3.4 多级菱形思维可拓重用策略
• 3.3.5 基元可拓重用模型与算法
• 3.4 应用案例
• 3.4.1 水轮机选型设计知识挖掘
• 3.4.2 选型设计基元可拓重用
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于公理化设计的实例多级分解
• 4.1 实例多级分解的公理化设计基本理论
• 4.1.1 实例多级分解的域
• 4.1.2 实例多级分解的层次
• 4.1.3 实例多级分解的曲折映射
• 4.1.4 实例多级分解的粒度与顺序
• 4.2 实例多级分解的基本要求
• 4.2.1 多级分解的独立性公理
• 4.2.2 多级分解的一致性原则
• 4.3 实例多级分解及其关联分析
• 4.3.1 实例多级分解的过程模型
• 4.3.2 实例多级分解的关联度判别
• 4.4 基于多级设计实例的知识重用实现
• 4.4.1 多级设计实例库的构建
• 4.4.2 基于多级设计实例的知识重用模型
• 4.5 大型水轮机方案设计实例分解应用案例
• 4.6 本章小结
• 第5章 基于多级实例组合的方案生成
• 5.1 多级实例表达与子空间法分类描述
• 5.1.1 多级实例表达的物元模型
• 5.1.2 多级实例子空间法分类描述
• 5.2 多级实例分类检索算法
• 5.2.1 多级实例分级特征向量的构建
• 5.2.2 分类检索隶属度的构造与属性匹配
• 5.3 多级实例推理模型
• 5.3.1 多级实例推理关联传导过程模型
• 5.3.2 传导过程相似函数
• 5.3.3 多级实例推理模型建立与算法实现
• 5.3.4 基于多级实例推理的方案设计
• 5.4 基于多级实例组合的大型水轮机方案设计
• 5.5 本章小结
• 第6章 方案设计多属性评价与优选模型
• 6.1 方案设计多属性灰区间数关联评价模型
• 6.1.1 灰区间数关联度与优属度
• 6.1.2 灰区间数关联评价矩阵规范化处理
• 6.1.3 灰区间数关联评价分析
• 6.1.4 灰区间数关联评价模型与算法
• 6.2 方案设计多属性灰色模糊评价模型
• 6.2.1 模糊数评价矩阵规范化处理
• 6.2.2 模糊多属性评价分析
• 6.2.3 多属性灰色模糊评价模型与算法
• 6.3 基于优属度与信息公理的设计方案多属性模糊优选模型
• 6.3.1 公理化设计原理
• 6.3.2 评价指标的模糊区间信息量计算
• 6.3.3 优选模型建立与算法
• 6.4 大型水轮机选型设计优选应用案例
• 6.5 本章小结
• 第7章 大型水轮机方案设计支持系统实现与应用
• 7.1 HEC-CDSS总体设计
• 7.1.1 HEC-CDSS开发目标
• 7.1.2 HEC-CDSS功能模型设计
• 7.1.3 HEC-CDSS体系结构设计
• 7.2 水轮机选型设计
• 7.2.1 水轮机选型设计概述
• 7.2.2 模型转轮的选取与重用
• 7.2.3 转轮综合特性曲线处理
• 7.3 水轮机结构设计参数确定
• 7.3.1 水轮机结构设计参数确定基本内容
• 7.3.2 面向结构设计参数确定的多级实例库建立与重用
• 7.4 方案设计评价与优选系统实现
• 7.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历