Wybrane problemy optymalizacji wielokryterialnej we wstępnym projektowaniu konstrukcji kadłuba statków morskich  

Zbigniew Sekulski

Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie 2012

Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń............................................................................................... 7
Objaśnienia skrótowców ........................................................................................................ 11
Objaśnienia wybranych terminów .......................................................................................... 13
1. Wprowadzenie ....................................................................................................................... 15
1.1. Konstrukcja kadłuba statków morskich: elementy, projektowanie i optymalizacja ........... 15
1.2. Ewolucyjna optymalizacja wielokryterialna..................................................................... 26
1.3. Problem badawczy, cel i zakres pracy.............................................................................. 29
2. Problem optymalizacji konstrukcji kadłuba statków morskich ................................................ 33
2.1. Specyfika problemów optymalizacji ................................................................................ 33
2.2. Algorytmy rozwiązania zadania optymalizacji................................................................. 38
2.3. Wybór metody rozwiązania zadania wielokryterialnej optymalizacji................................ 42
2.4. Narzędzia obliczeniowe do optymalizacji ........................................................................ 44
2.5. Podsumowanie i wnioski ................................................................................................. 46
3. Podstawowe koncepcje optymalizacji wielokryterialnej.......................................................... 49
3.1. Sformułowanie zadania optymalizacji wielokryterialnej .................................................. 49
3.2. Rozwiązanie zadania optymalizacji wielokryterialnej – zbiór przybliżający front ocen
rozwiązań optymalnych Pareto........................................................................................ 53
3.3. Relacje preferencji zbiorów przybliżających.................................................................... 57
3.4. Podsumowanie i wnioski ................................................................................................. 61
4. Poszukiwanie zbiorów przybliżających .................................................................................. 63
4.1. Oczekiwany rezultat optymalizacji wielokryterialnej ....................................................... 63
4.2. Klasyczne algorytmy optymalizacji wielokryterialnej ...................................................... 66
4.3. Ewolucyjne algorytmy optymalizacji wielokryterialnej.................................................... 68
4.4. Struktura wewnętrzna zbioru dopuszczalnego – szeregowanie i licznik dominacji ........... 70
4.5. Podsumowanie i wnioski ................................................................................................. 74
5. Ocena jakości zbiorów przybliżających .................................................................................. 75
5.1. Wprowadzenie ................................................................................................................ 75
5.2. Wskaźniki jakości zbiorów przybliżających..................................................................... 77
5.3. Wektorowe wskaźniki jakości zbiorów przybliżających................................................... 84
5.4. Strategie oceny jakości zbiorów przybliżających ............................................................. 85
5.5. Ocena skuteczności ewolucyjnych algorytmów optymalizacji wielokryterialnej............... 87
5.6. Podsumowanie i wnioski ................................................................................................. 90
6. Narzędzie obliczeniowe do ewolucyjnej optymalizacji wielokryterialnej konstrukcji kadłuba
statku .................................................................................................................................... 93
6.1. Podstawowe techniki obliczeniowe ................................................................................. 93
6.1.1. Funkcje użyteczności............................................................................................. 93
6.1.2. Funkcje kary za naruszenie ograniczeń .................................................................. 95
6.1.3. Wskaźnik dopuszczalności wariantu konstrukcji.................................................... 98
6.1.4. Operatory genetyczne............................................................................................ 99
6.1.5. Archiwizowanie rozwiązań niezdominowanych..................................................... 100
6.1.6. Odległość od rozwiązania asymptotycznego .......................................................... 101
6.1.7. Szeregowanie i licznik dominacji........................................................................... 103
6.1.8. Kombinowana funkcja przystosowania

6.1.9. Szerokość i głębokość zbioru przybliżającego........................................................ 107
6.1.10. Ocena jakości zbiorów przybliżających................................................................ 108
6.2. Program komputerowy .................................................................................................... 111
6.3. Obliczenia testowe (próbne) ............................................................................................ 114
6.4. Podsumowanie i wnioski ................................................................................................. 115
7. Sformułowanie zadania wielokryterialnej optymalizacji konstrukcji kadłuba statku. Modele
obliczeniowe ......................................................................................................................... 117
7.1. Ogólna charakterystyka statku......................................................................................... 117
7.1.1. Założenia i dane dotyczące optymalizacji .............................................................. 117
7.1.2. Szlak żeglugowy ................................................................................................... 118
7.1.3. Kryteria optymalizacji ........................................................................................... 119
7.2. Modele konstrukcji kadłuba statku .................................................................................. 123
7.2.1. Geometryczny model konstrukcji .......................................................................... 123
7.2.2. Materiałowe cechy konstrukcji .............................................................................. 125
7.2.3. Obciążenia projektowe konstrukcji ........................................................................ 126
7.3. Model optymalizacyjny konstrukcji kadłuba statku.......................................................... 128
7.3.1. Zmienne konstrukcyjne ......................................................................................... 128
7.3.2. Parametry modelu optymalizacyjnego ................................................................... 130
7.3.3. Funkcja celu .......................................................................................................... 130
7.3.4. Ograniczenia ......................................................................................................... 131
7.4. Genetyczny model optymalizacyjny konstrukcji kadłuba statku ....................................... 134
7.4.1. Uwagi ogólne ........................................................................................................ 134
7.4.2. Struktura chromosomu .......................................................................................... 134
7.4.3. Funkcja przystosowania......................................................................................... 136
7.4.4. Archiwizacja rozwiązań niezdominowanych.......................................................... 137
7.4.5. Operatory genetyczne............................................................................................ 137
7.4.6. Parametry sterujące ............................................................................................... 139
7.5. Podsumowanie i wnioski ................................................................................................. 139
8. Symulacje komputerowe – poszukiwanie zbiorów przybliżających......................................... 141
8.1. Plan symulacji komputerowych ....................................................................................... 141
8.2. Wyniki symulacji komputerowych .................................................................................. 144
8.2.1. Seria 1. ................................................................................................................. 144
8.2.2. Seria 2. ................................................................................................................. 155
8.2.3. Seria 3. ................................................................................................................. 157
8.2.4. Seria 4. ................................................................................................................. 158
8.3. Analiza wyników ............................................................................................................ 160
8.4. Podsumowanie i wnioski ................................................................................................. 166
9. Ocena jakości zbiorów przybliżających wygenerowanych w trakcie symulacji komputerowych ...... 169
9.1. Plan oceny jakości zbiorów przybliżających.................................................................... 169
9.2. Wizualna ocena zbiorów przybliżających ........................................................................ 169
9.3. Ocena zbiorów przybliżających za pomocą relacji dominacji........................................... 172
9.4. Ocena zbiorów przybliżających za pomocą wskaźników jakości ..................................... 174
9.4.1. Seria 1. ................................................................................................................. 174
9.4.2. Seria 2. ................................................................................................................. 179
9.4.3. Seria 3. ................................................................................................................. 180
9.4.4. Seria 4. ................................................................................................................. 181
9.5. Podsumowanie i wnioski................................................................................................. 183
10. Zakończenie.......................................................................................................................... 185
11. Plany badawcze..............................

Załaczniki