1-工程问题建模方法

1169发现号太空船工程问题建模方法课程策划:谭建荣主讲:谭建荣张树有刘振宇冯毅雄2169浙江大学机械工程及自动化系2009年9月课程策划:谭建荣主讲:谭建荣张树有刘振宇冯毅雄浙江大学博士生核心课程“工程问题建模方法”3169什么叫建模？建模就是建立模型。建立系统模型的过程，又称模型化。建模是研究系统的重要手段和前提。凡是用模型描述系统的因果关系或相互关系的过程都属于建模。绪论4169数学模型函数（连续）、几何（离散）、枚举物理模型计算模型显示模型存储模型结构化模型、非结构化模型模型类型5169历史模型进化模型精确模型逼近模型简化模型多尺度模型多分辨率模型模型类型6169建模的过程模型建立在假设的基础上，利用适当的数学工具来刻划各变量之间的数学关系，建立相应的数学结构。（尽量用简单的数学工具）模型假设根据实际对象的特征和建模的目的，对问题进行必要的简化，并用精确的语言提出一些恰当的假设模型准备了解问题的实际背景，明确其实际意义，掌握对象的各种信息。用数学语言来描述问题7169建模的过程模型检验模型分析结果与实际情形进行比较，验证模型的准确性、合理性和适用性。如果模型与实际较吻合，则要对计算结果给出其实际含义，并进行解释。如果模型与实际吻合较差,则应该修改假设，再次重复模型分析对所得的结果进行数学上的分析。模型求解利用获取的数据资料，对模型的所有参数做出计算（估计）。8169工程问题建模的作用分析和设计实际工程、产品或系统。预测或预报实际工程、产品或系统某些状态的未来发展趋势。优化和改进实际工程、产品或系统。9169工程问题建模的分类系统建模：使用计算机描述一个系统的行为。例如，电子表格程序可以用来处理财务数据，代表公司的行为；开发商业计划；评估公司经营改变可能造成的影响。10169工程问题建模的分类几何建模：使用计算机以数学方法描述物体和它们之间的空间关系。例如，计算机辅助设计程序可在屏幕上生成物体，使用方程式产生直线和形状，依据它们相互之间及与所在的二维或三维空间的关系精确放置。11169工程问题建模的分类程序建模与数据建模：为应用程序确定、记录和实现数据和进程要求的过程。包括查看现有的数据模型和进程，以确定它们是否可被重复使用，并创建新数据模型和进程，以满足应用程序的独特要求。12169工程问题建模结果的表现形式模型可以是物理实体；模型可以是图形；模型可以是数学表达式。13169工程建模Vs数学建模数学建模：在深入调查研究、了解对象信息、作出简化假设、分析内在规律等工作的基础上，用数学符号和语言，把实际问题表述为数学模型，然后用通过计算得到的模型结果解释实际问题，接受实际的检验。数学建模是工程问题建模的一种重要方法。数学建模的对象不仅仅是工程问题。工程建模的对象包括工程系统或产品。14169十个工程问题建模1.需求问题建模2.配置问题建模3.仿真问题建模4.布局问题建模5.反求问题建模6.几何问题建模7.优化问题建模8.调度问题建模9.质量问题建模10.智能问题建模151692.1问题实例分析实例1：电梯产品大批量定制需求问题实例2：电除尘器多参数关联需求问题实例3：空分装备质量屋动态需求问题2.2大批量定制模式下广义需求建模MC模式下需求建模的策略与原理MC-GRM的建模流程与方法体系MC-GRM应用的系统方案与实现技术需求问题建模161692.3基于多层次映射的产品需求建模多层次映射的产品需求模型定义产品需求模型的层次信息表达电除尘器的需求分析实例2.4产品动态需求灰理论分析与预测建模质量屋需求分析描述需求重要度的灰理论分析与预测深冷式空分装备的需求分析实例需求问题建模171693.1问题实例分析问题1：模块化产品族配置问题问题2：参数化产品族配置问题3.2基于类模板结构的产品配置产品配置设计规则的知识表示类模板结构的产品配置模型类模板结构的产品配置实现配置问题建模181693.3基于赋权自动机的产品功构配置赋权自动机产品功构配置模型求解知识表达单约束线结构产品功构配置多约束树结构产品功构配置3.4基于可调节变量的产品族配置可调节产品族的配置模型可调节产品族的两阶段优化设计原料空气压缩机产品族的配置实例配置问题建模19169仿真问题建模4.1问题实例问题实例1:汽车发动机曲轴运动学、动力学仿真问题问题实例2：汽车可操作性和乘坐舒适性仿真问题问题实例3：复杂装备的作业流程仿真问题4.2产品数字样机全生命周期仿真模型产品的几何模型与真实感显示模型产品的功能和性能仿真模型（运动学模型、动力学模型）产品的各种分析仿真模型（可制造性、可装配性等）产品的使用和维护仿真模型20169仿真问题建模4.3运动学仿真中的机构建模机构构件与运动副信息的提取与识别邻接物体的运动学递推关系机构运动自由度分析、冗余约束判断与删除常见运动副的约束方程4.4动力学仿真中的多刚体系统建模多刚体系统模型的定义与描述多刚体系统拉格朗日动力学数学模型多刚体系统笛卡尔动力学数学模型4.5多领域联合仿真中的统一建模方法基于HLA/RTI的多领域建模基于MODELICA的多领域统一建模多领域仿真分析中异构网格模型的关联与耦合21169布局问题建模5.1问题实例问题实例1:焊接机器人生产线布局问题问题实例2：卫星仓布局问题问题实例3：管路布局问题5.2布局问题建模的基本要素待布局对象与布局空间表示拓扑连接表示布局约束条件布局设计目标5.3布局问题的建模策略布局设计问题的顺序分解策略布局设计问题的空间分解策略同构布局与非同构布局策略22169布局问题建模5.4布局模型的求解算法定位-定序布局算法压缩-扩张布局算法随机填装布局算法5.5布局模型的评价方法基于层次分析法的布局模型评价基于灰色系统理论的布局模型评价基于神经元网络的布局模型评价基于物元分析理论的布局模型评价23169反求问题建模6.1问题实例6.1.1问题实例1:汽车车身曲面反求6.1.2问题实例2：纪念碑曲面反求6.2工程曲面反求建模的基本过程6.3点云获取与数据预处理6.3.1点云拓扑关系建立6.3.2点云数据曲率计算6.3.3点云切片与分块6.3.4边界提取6.4三角剖分与网格优化6.4.1约束Delaunay三角剖分6.4.2曲面三角网格的质量指标6.4.3网格简化算法24169反求问题建模6.5工程曲面拓扑重建6.5.1高度点元数据拓扑重建6.5.2截面线元数据拓扑重建6.5.3散乱点元数据拓扑重建6.6工程曲面几何重建6.6.1矩形域上的参数曲面重建6.6.2三角域上的参数曲面重建25169几何问题建模7.1问题实例7.1.1问题实例1:复杂曲面的精确几何建模7.1.2问题实例2:复杂场景中的实时几何碰撞检测7.2多边形网格建模7.2.1常见多边形网格模型的表示格式（如STL）7.2.2STL多边形网格模型的缺陷检测与修复7.3实体建模7.3.1实体模型的数学表示7.3.2实体模型的基本操作26169几何问题建模7.4曲面建模7.4.1B-Spline曲线曲面模型7.4.2Bezier曲线曲面模型7.4.3NURBS曲线曲面模型7.4.4曲线曲面连续性问题7.5参数化特征建模7.5.1参数化模型的构建与求解7.5.1特征的定义与分类7.5.2基于特征的零件模型7.6异构系统中几何模型的集成与转换7.6.1基于STEP的异构产品信息描述7.6.2基于XML的异构产品信息交换27169优化问题建模8.1问题实例8.1.1问题实例1:零件结构优化设计（材料最少、成本最低）8.1.2问题实例2：注塑机性能多目标优化8.1.3问题实例3：航天器设计方案多学科优化8.2优化问题描述8.2.1设计变量8.2.2约束条件8.2.3目标函数8.2.4优化问题的数学模型28169优化问题建模8.3优化算法8.3.1无约束问题的优化求解算法8.3.2约束问题的优化求解算法8.4离散问题优化8.4.1离散问题优化的特点8.4.2离散变量优化设计的数学模型8.4.3离散变量优化设计的搜索算法8.4.4离散变量优化设计的连续化方法29169优化问题建模8.5多学科优化8.5.1学科描述与多学科求解流程8.5.2单学科优化与多学科优化的关系8.5.3多学科耦合、解耦与协同求解策略8.5.4基于响应面技术的多学科优化算法8.6不确定性优化8.6.1优化问题中不确定性的产生因素8.6.2不确定性优化的基本数学模型8.6.3带区间约束不确定优化问题的确定化描述301699.1问题实例分析问题1：Job-Shop调度问题问题2：Flow-Shop调度问题问题3：柔性车间调度问题问题4：动态生产调度问题9.2基于禁忌搜索算法的Job-Shop调度模型Job-Shop调度问题的析取图模型描述禁忌搜索算法求解Job-Shop调度计算试验研究与结果调度问题建模311699.3基于混合算法的Job-Shop调度模型TSSA混合算法求解Job-Shop调度GATS混合算法求解Job-Shop调度9.4基于遗传算法的流水车间调度流水车间调度问题的编码方法流水车间调度的Reeves方法及其仿真模糊交货期的FSP遗传算法求解方法调度问题建模321699.5多目标柔性作业车间调度优化一般模式下多目标FJSP优化模型多目标柔性作业车间调度的两阶段求解模型目标纵向差异模式下的多目标FJSP动态调度优化9.6动态不确定环境下生产调度加工时间不确定的JOBSHOP鲁棒调度机器随机故障情况兼顾稳定性的JOBSHOP鲁棒调度工件到达时间未知的动态JOBSHOP滚动重调度调度问题建模3316910.质量问题建模10.1问题实例分析问题1：质量可靠性问题问题2：质量健壮性问题问题3：质量尺寸链问题问题4：质量配置规划问题问题5：质量性能问题10.2产品可靠性设计方法可靠性分析原理与零件可靠度计算机械系统可靠性失效模式、影响及危害度分析多状态系统可靠性发生函数方法质量问题建模3416910.3产品健壮性设计方法产品质量特性的统计性质质量损失模型正交试验设计容差设计10.4产品公差（精度）设计方法尺寸链组成环灵敏度排序算法面向质量目标的组成环统计公差封闭环的统计参数和统计公差计算单尺寸链的非对称质量损失评定模型多尺寸链计算机辅助选择装配模型质量问题建模3516910.5产品质量规划与分析质量功能配置方法故障模式及影响分析QFD/FA综合的产品质量规划方法10.6产品性能设计方法作用与反馈体系的结构性能建模方法几何同伦的行为性能多参数反演方法多尺度融合的目标性能优化设计方法多领域知识的使能性能综合集成方法质量问题建模3616911.1问题实例分析问题1：组合优化问题问题2：多目标优化问题问题3：模糊优化问题问题4：网络设计与路径问题问题5：调度问题问题6：制造元设计问题11.2遗传算法遗传机制与遗传算法遗传算法收敛性定义和描述遗传算法收敛性和收敛速度最优保留遗传算法及其收敛性分析智能问题建模3716911.3人工神经网络算法神经元模型神经网络模型感知器反向传播(BP)算法Hopfield模型11.4模拟退火算法模拟退火算法及其特性模拟退火算法的渐近收敛性模拟退火算法与局部搜索算法比较鲍威尔(P0well)算法改进的模拟退火人工神经网络智能问题建模3816911.5粒子群算法基本粒子群算法粒子群算法的改进粒子群算法与优化计算11.6蚁群算法人工蚁群算法的基本思想蚂蚁系统改进的蚁群优化算法自适应蚁群算法智能问题建模39169工程问题建模方法需求问题建模配置问题建模仿真问题建模布局问题建模优化问题建模调度问题建模质量问题建模智能问