航空概念設(shè)計的多準(zhǔn)則評價研究.pdf

1、工程設(shè)計活動大致可以分為兩個主要階段:概念設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計。本文重點關(guān)注空間運載火箭的設(shè)計概念和多準(zhǔn)則評價。運載火箭的概念設(shè)計階段的目標(biāo)是構(gòu)思系統(tǒng)的主要特性,并提出候選概念設(shè)計方案。在進(jìn)行概念設(shè)計時,如果只著眼于現(xiàn)代空間運載火箭的某些特點,而不從其建設(shè)的整個生命周期進(jìn)行分析,是難以將其建成的。因此,工程師在設(shè)計這些新概念時不僅需要考慮空間運載火箭所需的技術(shù)性能,也需要考慮成本,可制造性,可靠性,環(huán)保和最終產(chǎn)品的質(zhì)量。這些問題大多產(chǎn)生于概念

2、設(shè)計階段?？臻g運載火箭設(shè)計的一個主要特點就是其技術(shù)和方案的屬性之間存在著強(qiáng)耦合關(guān)系。成功的設(shè)計理念,需要平衡所有沖突和非沖突的屬性。本文提出了一種帶有兼容性自檢功能概念設(shè)計評估方法用于方案選擇。通過模擬應(yīng)用驗證了其在工程系統(tǒng)前期設(shè)計和決策方面的有效性。方法的提出基于多種定性和定量方法,如空間矩陣法,特定定義域建模方法和基于模糊集理論的多屬性決策方法。構(gòu)建和使用這些改進(jìn)方法的主要目的是在一開始就選擇最合理可行的概念結(jié)構(gòu)。根據(jù)空間運載火箭概

3、念設(shè)計方案選擇這一背景,本文將這些方法融合到一個分析框架之內(nèi),實現(xiàn)了決策的系統(tǒng)性,精確性和簡便性。
　　概念的選擇是實施系統(tǒng)工程過程中的重要環(huán)節(jié)。我們采用了幾個概念選擇方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。這些方法包括決策矩陣為基礎(chǔ)的方法如普格評價矩陣和加權(quán)屬性矩陣。此外,還有基于最優(yōu)化的方法,如帕累托前沿,組合優(yōu)化,遺傳算法,拓?fù)鋬?yōu)化和知識為基礎(chǔ)的方法。然而,只以決策矩陣為基礎(chǔ)的方法是無法進(jìn)行設(shè)計空間的定量研究,因此對于概念的選擇來說是無效的。另一

4、方面,基于最優(yōu)化的方法可以有效的求解連續(xù)設(shè)計空間的問題,但是難以解決空間離散的問題。同樣的,離散優(yōu)化算法,如遺傳算法(GA)在解決大數(shù)量不相容概念時缺乏效率。鑒于此,本文擬通過對不同評價技術(shù)的改進(jìn)和綜合應(yīng)用進(jìn)一步加強(qiáng)運載火箭的概念設(shè)計。研究主要從以下幾個方面展開:
　　首先,在概念設(shè)計階段,決策者應(yīng)該建立空間運載火箭的設(shè)計概念的績效評價空間,因此,機(jī)械的技術(shù)性能,需要使用可以精確表示其物理性能的參數(shù)作為介質(zhì)來描述。本文提出了理想速

5、度-齊奧爾科夫斯基火箭方程來確定空間運載火箭所需要的節(jié)數(shù),避免了采用6自由度彈道仿真方法,進(jìn)而提高了概念設(shè)計這一過程的效率。外部干擾造成的速度損失,如空氣阻力,重力,轉(zhuǎn)向等,可以進(jìn)行合理估計,這將增加所需的速度增量,使得計算更加接近真實情況。
　　第二,在概念設(shè)計階段,許多標(biāo)準(zhǔn)(性能和成本)需要同時考慮,包括他們中具有沖突的一些性質(zhì)?？紤]到概念選擇階段的這些特點,可以用多準(zhǔn)則決策分析(MCDA)方法對其建模。MCDA方法可以獨立考

6、量每個單一的標(biāo)準(zhǔn),因此它比傳統(tǒng)的整體評價標(biāo)準(zhǔn)(OEC)更加優(yōu)越。
　　第三,我們認(rèn)為 SLV的概念設(shè)計階段的特點是數(shù)據(jù)不足或精度低,因此采用方法進(jìn)行評價時必須進(jìn)行敏感性分析,以檢驗結(jié)果在數(shù)據(jù)可能的變動范圍內(nèi)的魯棒性。類似于現(xiàn)實中精確數(shù)據(jù)不可得時的評估和評價問題。因此,要求評價方法不僅能夠處理數(shù)量量不確定性問題,還可以處理具有模糊性的和主觀性的人為判斷的問題。鑒于此,我們引入模糊MCDA方法對空間運載火箭概念設(shè)計方案進(jìn)行選擇,并改進(jìn)

7、了空間運載火箭系統(tǒng)的概念選擇的過程。
　　在進(jìn)行多屬性決策時,評價指標(biāo)往往與多個屬性相關(guān)聯(lián)。如果將多個準(zhǔn)則轉(zhuǎn)換成單一的準(zhǔn)則可能會遺漏重要信息,如導(dǎo)致設(shè)置虛擬等價,使評價傾向于以某一個特定的價值體系。鑒于此,本文采用多準(zhǔn)則決策方法,綜合考慮各方面影響因素,構(gòu)建了空間運載火箭概念設(shè)計選擇的評價指標(biāo)體系。在進(jìn)行評價時盡可能保留評價指標(biāo)原有的含義,以便便在決策過程中可以對每個單獨指標(biāo)進(jìn)行討論,如權(quán)重,否決權(quán),期望水平,拒絕水平等。

8、　　在應(yīng)用 MCDA方法時最重要的考慮是在諸多 MCDA方法中選擇最適宜所研究問題的方法。在決策者選擇方法之前,首先必須理解不同方法的特點。通過對不同多準(zhǔn)則決策方法進(jìn)行對比分析就可以發(fā)現(xiàn)他們之間的差異。這些差異存在于不同MCDA方法的計算過程中,標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重的確定過程,層級關(guān)系種類,判別的一致性,問題結(jié)果以及最終結(jié)論。不同的方法可以用于幫助選擇最適宜的決策制定方法。應(yīng)用最有效的方式選擇適宜所研究問題的MCDA方法。
　　工程設(shè)計決策問

9、題的特點之一是平衡眾多相互沖突的決策標(biāo)準(zhǔn),并從可行方案中做出最終選擇?；谶@些特性,可以很自然的將工程設(shè)計問題看作多準(zhǔn)則決策分析問題。本文在文獻(xiàn)中提到了多種MCDA方法。這些方法的提出不僅僅是由于不同多屬性決策問題的需要,而且也源于設(shè)計者將數(shù)學(xué)優(yōu)化和計算機(jī)技術(shù)的最新成果應(yīng)用與決策技術(shù)的偏好。本文回顧了將MCDA方法應(yīng)用于工程設(shè)計方面的最新文獻(xiàn)。從文獻(xiàn)中可以看出,MCDA方法可以作為對直覺的補(bǔ)充,驗證思路,并支持其發(fā)展成為創(chuàng)新。這也是多種

10、MCDA方法應(yīng)用于工程設(shè)計問題并訴之于文獻(xiàn)的原因。值得注意的是,由于工程設(shè)計問題的多樣化,MCDA方法的選擇是基于問題的性質(zhì),沒有可以通用的MCDA方法。此外,多種方法可供選擇的優(yōu)點在于可以選擇最適宜的方法來反映特定的決策制定環(huán)境。
　　值得注意的是頻繁應(yīng)用于工程設(shè)計應(yīng)用的方法屬于補(bǔ)充類的 MCDA方法。AHP和TOPSIS方法也是兩種在工程設(shè)計領(lǐng)域很常用的方法,然而通過語言形式或者定性信息描述的決策問題一般用 AHP方法解決。現(xiàn)

11、有的文獻(xiàn)中,MCDA也常用于與新產(chǎn)品研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品概念設(shè)計階段或概念選擇。概念以及早期設(shè)計階段的主觀性和信息和數(shù)據(jù)的不確定性可以用不同的方法描述,例如模糊集理論。
　　這是由于模糊邏輯方便將工程設(shè)計的自然語言表述為數(shù)學(xué)模型。因此,可以將主觀形式的專家意見轉(zhuǎn)換成計算機(jī)算法。在工程設(shè)計方面,MCDA是進(jìn)行輔助設(shè)計評估和選擇的重要環(huán)境。就工程設(shè)計研究活動的目的并不是推動MCDA技術(shù)的發(fā)展,但是其研究過程有助于多種設(shè)計和決策制定工具/環(huán)境

12、的發(fā)展。同時,我們還發(fā)現(xiàn)是 MCDA易于對所有的可行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)平衡決策,但是最后的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果可能還是不能滿足所有的相關(guān)者。因此,必須認(rèn)識到,最終決策或選擇必須結(jié)合數(shù)序結(jié)論和專家判斷,而不是單單取決于計算結(jié)果。
　　本文的研究目的是改進(jìn)空間運載火箭的的概念設(shè)計和決策過程。為此,研究著力于回答上層問題:如何有效組織子系統(tǒng)成分來構(gòu)建上層空間運載火箭概念結(jié)構(gòu)?使用的工具應(yīng)該滿足什么條件?為了快速高效的確定空間運載火箭結(jié)構(gòu)規(guī)模,并估

13、計其績效參數(shù)?如何在設(shè)計參數(shù)不確定或指標(biāo)沖突的情況下評估不同空間運載火箭結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣?
　　為此,首先定義了系統(tǒng)功能性要求或概念目標(biāo)。第二,應(yīng)用頭腦風(fēng)暴法構(gòu)建可能的系統(tǒng)解決概念/構(gòu)架。采用結(jié)構(gòu)分析法構(gòu)建結(jié)構(gòu)矩陣以表示所有子系統(tǒng)層元素,并由其組合成為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第三,篩選具有兼容性的可能系統(tǒng)方案。第四,為兼容的設(shè)計概念制定各種績效參數(shù),目的是從績效,可靠性,成本和項目等方面區(qū)分不同的設(shè)計概念。這一步是形成設(shè)計概念的具體過程。以空間運載火

14、箭為例,以其執(zhí)行任務(wù)要求的節(jié)數(shù)分析,將決定其技術(shù)參數(shù)。最后,基于性能和成本屬性,備選設(shè)計概念將應(yīng)用于多屬決策分析以實現(xiàn)最終的評價和排序。敏感性分析用于檢驗 MADM分析得到的排序結(jié)果的魯棒性(穩(wěn)健性)。因此,該方法從定義功能性要求開始,定義多種不同屬性的設(shè)計概念,然后確定最理想的設(shè)計概念。
　　按照給出的概念設(shè)計和評價模式,我們首先定義了系統(tǒng)概念設(shè)計的需求,并根據(jù)運載火箭的性質(zhì)和類別指出了任務(wù)目標(biāo),并闡明了與輸出目標(biāo)相關(guān)的指標(biāo)信息

15、,如空間運載火箭的系統(tǒng)目標(biāo)是發(fā)射一定預(yù)先設(shè)計的負(fù)重載荷到指定屬性的軌道,相關(guān)指標(biāo)包括地球特定方位的觀測數(shù)據(jù),氣象信息等。圓周速度是代表發(fā)射系統(tǒng)的基本功效,它代表了發(fā)射系統(tǒng)可以到達(dá)的預(yù)訂軌道。本文引入火箭方程,結(jié)合火箭分節(jié)原則計算圓周速度和發(fā)射系統(tǒng)基本功效,作為進(jìn)一步設(shè)計和評價的基礎(chǔ),提高了評價的準(zhǔn)確性。
　　任務(wù)目標(biāo)的另一個要求是確定火箭節(jié)數(shù)。其主要指標(biāo)是發(fā)射系統(tǒng)的推進(jìn)器效率,同時還要考慮火箭重量和空氣阻力的制約。為了提供更高精度

16、的數(shù)據(jù)和信息,我們采用火箭的齊奧爾科夫斯理想速度方程代替軌跡模擬方法,確定目標(biāo)任務(wù)候選空間發(fā)射器的節(jié)數(shù),有效的改進(jìn)了概念設(shè)計過程中對績效空間范圍的確定。此外,我們還引入了技術(shù)功效參數(shù),和項目相關(guān)的可操作性,柔性,可制造型以及成本參數(shù),作為評價準(zhǔn)則服務(wù)于備選設(shè)計概念。
　　為了進(jìn)行空間運載火箭成本估計,本研究系統(tǒng)的分析了三種不同成本估算方法的優(yōu)劣,通過研究發(fā)現(xiàn):類比估計法實施相對簡單,但過度依賴于參照系統(tǒng)和專家經(jīng)驗,對項目系統(tǒng)和參考

17、系統(tǒng)的差異分析要求高,在進(jìn)行空間運載火箭成本估計時的精度難以保證。“自下而上”分析法具有較高的精度,但是要求下層結(jié)構(gòu)分解的詳細(xì)信息和精確數(shù)據(jù),而這在概念設(shè)計階段往往是難以實現(xiàn)的。參數(shù)估計法可以根據(jù)空間運載火箭各組成部分的歷史數(shù)據(jù)較為精確的估計項目成本,同時避免了對下層組成詳細(xì)分解的要求。通過比較,本文認(rèn)為參數(shù)估計法有利于進(jìn)行概念結(jié)構(gòu)設(shè)計階段的成本估計。
　　由于相關(guān)的屬性值由技術(shù)性能參數(shù)、程序以及空間運載火箭的成本數(shù)據(jù)構(gòu)成,顯然,

18、特定的概念設(shè)計方案在特定的屬性上非常適用,但在另一些特定的屬性上則不適用。基于這些屬性,本文將對空間概念設(shè)計方案進(jìn)行多屬性決策分析,為候選方案的排序,進(jìn)而得到最優(yōu)方案。同時,通過敏感性分析來論證多屬性決策分析的魯棒性(穩(wěn)健性)。
　　多屬性決策分析包含多種賦權(quán)的準(zhǔn)則。以往的文獻(xiàn)中提出了很多測度準(zhǔn)則權(quán)重的技術(shù),比如熵權(quán)法、成分排名法、成對比較法等。本文對其進(jìn)行對比分析,并分別利用這些方法進(jìn)行方案選擇。研究發(fā)現(xiàn),成分排名法和成對比較權(quán)

19、重分配法比熵權(quán)法更加適用。這是因為,熵權(quán)法僅通過決策矩陣計算出權(quán)重,而權(quán)重分配僅僅在輸入數(shù)據(jù)時用作參考,而這些輸入數(shù)據(jù)并不一定是現(xiàn)實和決策者意愿的真實反映。而另外兩種決策方法以決策者的打分作為輸入,能夠通過決策問題的本質(zhì)和股粉持有者的意愿來更好的反映準(zhǔn)則的重要性。
　　多屬性決策分析的另一個重要方面就是 MCDA技術(shù)本身。本文討論了不同的技術(shù)對概念設(shè)計方案最終排序的影響。通過三種不同的方法,即熵權(quán)法、成分排名法、成對比較法所得到的

20、準(zhǔn)則權(quán)重分別用于 TOPSIS, AHP和 lexicographic三種 MCDA決策技術(shù)。得到如下結(jié)論:假設(shè)使用 TOPSIS技術(shù),不同的權(quán)重分配方法并不改變最頂層的概念設(shè)計方案排序;AHP技術(shù)的結(jié)果與TOPSIS相同。容易得到,應(yīng)用AHP技術(shù)時,成分排名法和成對比較法得出的概念設(shè)計方案前8名的排序相同。而熵權(quán)法所得到的前6名排序是相同的,接下來則出現(xiàn)了一些改變。應(yīng)用 lexicographic MCDA技術(shù)時,成分排名法和成對比較

21、法所得到的結(jié)果相同,這是因為在這兩種方法中,準(zhǔn)則重要性的排列順序是一致的。
　　本文的目的在于提出一種可能的分析框架用于空間運載火箭裝置的概念設(shè)計的多屬性評價。我們回答了一個具有挑戰(zhàn)性的課題,即如何有效地、系統(tǒng)地構(gòu)建空間運載火箭的結(jié)構(gòu),以及如何在同時考慮到所有屬性的情況下,評價候選的概念設(shè)計方案。本文的研究工作力求改進(jìn)航空宇航概念設(shè)計和評價程序。主要貢獻(xiàn)有以下幾點:
　　(1)本文的第一個創(chuàng)新點是設(shè)計了一個正規(guī)的概念設(shè)計和多

22、屬性評價框架。它的用途是對空間運載火箭的概念設(shè)計方案進(jìn)行評價論證。這一框架結(jié)合了多準(zhǔn)評價方法的優(yōu)點,使得運載火箭概念設(shè)計方案的決策可以遵循一個簡單化、系統(tǒng)化的程序,同時最大限度的保證了評價結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　(2)第二個創(chuàng)新點是基于分析矩陣的定義,提出了一種可自動實現(xiàn)的兼容性分析方法,并為分析大量可行概念設(shè)計方案提供了一種簡單,高效,可計算的方法。
　　(3)第三個創(chuàng)新點在于定義了理想速度齊奧爾科夫斯基火箭方程,并應(yīng)用所提出